13MnNiMoR 汽包的焊接工藝

唐亞梅

(無(wú)錫翔龍環(huán)球科技股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214421)

隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)的蓬勃發(fā)展帶來(lái)的汽包壓力容器的高參數(shù)化，各種針對(duì)中高溫，高壓力工況下使用的鋼板不斷涌現(xiàn)，寬厚板被更多地生產(chǎn)并應(yīng)用到大型鍋爐壓力容器中。作為鍋爐壓力容器廠家面臨的是高強(qiáng)度寬厚板材料的加工使用以及探究其焊接性能。本公司于2018年承接了高壓汽包，汽包工作壓力為15.1Mpa，汽包外形尺寸11220mmXΦ1780mm、內(nèi)直徑Φ1600mm、容積26.8m3，主體材料為13MnNiMoR，材料厚度90mm。為了制訂合理的焊接工藝，進(jìn)行了一系列的焊接試驗(yàn)。

1 材料焊接性能分析

根據(jù)表1可知，13MnNiMoR鋼的C、S及P元素的含量非常低，因此焊接熱裂紋傾向較小。而由于13MnNiMoR合金含量較多，板厚大，但材料是細(xì)晶粒鋼，抗層狀撕裂性能好，但受碳當(dāng)量高、拘束度大以及氫含量的影響，焊接冷裂紋(包括氫致裂紋)容易出現(xiàn)在焊縫區(qū)及熱影響區(qū)[1]。

（1）材料成份及金相組織分析。13MnNiMoR鋼仿造于德國(guó)的BHW35鋼，屬于高壓鍋爐和高壓壓力容器用鋼。根據(jù)GB713-2014《鍋爐和壓力容器鋼板》供貨狀態(tài)為正火+回火，正火時(shí)組織為貝氏體加鐵素體，回火時(shí)的組織為回火貝氏體加鐵素體，一般也稱為低合金貝氏體鋼。鋼材加入一定量Cr、Mo元素可以提高鋼的淬透性，提高鋼的室溫和中溫強(qiáng)度，能抑制鋼熱脆性和回火脆性，熱強(qiáng)性能高；Ni的加入，可以提高鋼的淬透性，保證大截面工件得到均勻的組織和性能；可以提高鋼的抗疲勞能力和減少鋼對(duì)缺口的敏感性；一定量的Nb元素加入，可以顯著提高鋼的相變點(diǎn)，減小鋼的淬硬性。在合理的熱處理?xiàng)l件下，晶粒細(xì)化、抗裂紋擴(kuò)展敏感性好，被廣泛用以制造高壓鍋爐汽包、高壓容器等。該材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

（2）采用國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）所推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/·5(%)=0.5767%；采用日本JIS標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的碳當(dāng)量計(jì)算公式：Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)=0.5758%。

兩種公式計(jì)算結(jié)果，碳當(dāng)量都大于0.5%，說(shuō)明13MnNiMoR鋼在焊接時(shí)淬硬傾向大，為冷裂紋產(chǎn)生的三條件之一。

（3）汽包板厚較厚，焊接時(shí)焊縫及熱影響區(qū)承受不均勻的加熱以及不均勻的冷卻所產(chǎn)生的三向應(yīng)力，焊接后工件外形無(wú)尺寸變化，因此，拘束度大。

（4）焊縫中的氫。由于主要采用SAW和SMAW兩種焊接方法焊接汽包的縱環(huán)縫及接管的角焊縫，盡管采用低氫焊接材料以及徹底清除坡口上的油銹等污染物，焊接材料中多少還會(huì)存在水份，如果沒(méi)有措施，將導(dǎo)致焊縫最終還會(huì)存在氫。

綜上所述，因此13MnNiMoR鋼設(shè)備焊接過(guò)程中，冷裂紋出現(xiàn)的三個(gè)條件都存在，而采用預(yù)熱及后熱是減少甚至消除上述三條件的根本方法及措施[2]。

2 焊接準(zhǔn)備及條件

2.1 各種焊接接頭坡口的確定

坡口確定原則是根據(jù)公司設(shè)備，兼考慮焊接材料的消耗量，以及利于焊接操作等因素。

（1）筒體縱縫坡口。由于筒體采用中溫卷制，坡口采用火焰切割（打磨后表面探傷合格），坡口簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。采用自動(dòng)埋弧焊。

圖1 坡口簡(jiǎn)圖外側(cè)

（2）筒體環(huán)縫坡口。待筒體卷圓后，坡口車削，坡口簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。采用自動(dòng)埋弧焊[3]。

圖2 坡口簡(jiǎn)圖內(nèi)側(cè)

表1 13MnNiMoR鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

（3）接管與筒體接頭坡口。公司有專用的接管角焊縫自動(dòng)埋弧焊機(jī)，坡口采用自動(dòng)火焰切割機(jī)切割（打磨后表面探傷合格），坡口簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。采用自動(dòng)埋弧焊+焊條電弧焊。

2.2 焊工資格及培訓(xùn)

焊工能力高低決定產(chǎn)品焊接質(zhì)量的優(yōu)劣，焊接上述接頭的焊工必須按TSG Z6002-2010取得焊工合格證。在此前提下對(duì)焊工進(jìn)行針對(duì)性培訓(xùn)，學(xué)習(xí)焊接工藝并針對(duì)各種接頭坡口練習(xí)。

圖3 坡口簡(jiǎn)圖弧度

2.3 焊材準(zhǔn)備及環(huán)境要求

按規(guī)范要求烘烤焊材，CHE607NiR烘干溫度為350℃～380℃，保溫時(shí)間2h；SJ101R焊劑烘干溫度為350℃～400℃，保溫2h；焊接區(qū)內(nèi)保證焊接時(shí)風(fēng)速＜8m/s。

2.4 預(yù)熱及后熱的實(shí)施細(xì)節(jié)的確定

（1）預(yù)熱的細(xì)節(jié)應(yīng)嚴(yán)格按照《水管鍋爐》GB/T16507.5第8.7條要求進(jìn)行，其中包括加熱范圍及測(cè)量位置。預(yù)熱溫度確定150℃～200℃，層間溫度不低于預(yù)熱溫度。

（2）由于13MnNiMoR材料冷裂敏感性較大，板厚，焊接時(shí)產(chǎn)生三向應(yīng)力，拘束度大，焊接后應(yīng)立即（不小于200℃）進(jìn)行后熱消氫處理。后熱溫度350℃，至少保持2h。

3 汽包焊接

筒體裝配組對(duì)前要對(duì)坡口打磨除銹及油污，切割坡口表面需無(wú)損探傷合格。采用火焰加熱，焊接內(nèi)側(cè)時(shí)，加熱在外側(cè)，且測(cè)溫在內(nèi)側(cè)，反之則相反。這樣保證加熱透徹。焊接時(shí)焊道布置也很重要，除打底外，其余層數(shù)都采用一層2道甚至多道，有利于脫渣，且焊接應(yīng)力較小。筒體焊接試件與筒體縱縫連在一起，采用與縱縫相同工藝一起焊接。一般每條焊縫一次焊完，焊后立即進(jìn)行后熱消氫處理，如中途因故停止施焊，也需要后熱消氫處理。由于板厚，焊接接頭有延遲裂紋傾向，必須焊接完成36h后，才能按JB/T4730-2005進(jìn)行縱環(huán)縫100%MT+100%UT+100%RT無(wú)損檢測(cè)，接管與筒體的焊縫接頭100%MT+100%UT。RTⅡ級(jí)合格，UT與MTⅠ級(jí)合格。

4 焊后熱處理

焊后進(jìn)行整體熱處理。熱處理前，所有焊接工作必須完成。熱處理工藝嚴(yán)格按照《水管鍋爐》GB/T16507.5第9.3條要求進(jìn)行。包括升溫降溫速度，熱電偶設(shè)置爐內(nèi)氣氛等。試板隨爐熱處理，并設(shè)置熱電偶。熱處理溫度為（620±20）℃，保溫時(shí)間不小于2.5h。熱處理后對(duì)縱環(huán)縫及接管與筒體的焊縫進(jìn)行100%MT+100%UT無(wú)損探傷，Ⅰ級(jí)合格。

5 產(chǎn)品焊接試件的常溫力學(xué)性能

根據(jù)NB/T47016-2011《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能試驗(yàn)》和產(chǎn)品技術(shù)要求進(jìn)行了各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彎曲試驗(yàn)、延伸率、沖擊試驗(yàn)全部合格。

6 總結(jié)

通過(guò)焊接性試驗(yàn)及焊接工藝評(píng)定，驗(yàn)證了預(yù)焊接工藝的正確性，結(jié)合工廠實(shí)際狀況，制訂出了適合指導(dǎo)該產(chǎn)品的焊接工藝指導(dǎo)書(shū)。實(shí)際焊接過(guò)程中，通過(guò)加強(qiáng)焊接過(guò)程控制，該產(chǎn)品的焊接一次合格率在95%，證明了該工藝的可靠性，也為本公司制造高壓汽包高壓容器積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。