緩沖罐用Q345R鋼焊接性試驗(yàn)及工藝評(píng)定*

趙太源，李亞軍，肖 莉

（中國(guó)石油濟(jì)柴動(dòng)力有限公司 成都?jí)嚎s機(jī)分公司，成都 610100）

Q345R 鋼屬于 GB/T 713—2014 中的鋼種，因其具有較高的強(qiáng)度、良好的塑韌性和焊接性能，在鍋爐、壓力容器、橋梁、水電站等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。緩沖罐是石油化工行業(yè)中一種重要的壓力容器儲(chǔ)罐，能夠減小機(jī)組運(yùn)行時(shí)對(duì)管道造成的震動(dòng)損害，延長(zhǎng)管道的使用壽命[5-6]。緩沖罐生產(chǎn)過(guò)程中焊接質(zhì)量的好壞直接影響到其整體的使用性能[7-8]。本研究采用鎢極氬弧焊打底、埋弧焊填充和蓋面的方式，對(duì)Q345R 鋼級(jí)Φ600 mm×32 mm 鋼管進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)，并對(duì)其焊接接頭進(jìn)行了力學(xué)性能檢測(cè)和顯微組織分析，希望為緩沖罐焊接生產(chǎn)提供一定的參考。

1 Q345R 鋼焊接性分析

焊接熱影響區(qū)的淬硬和冷裂傾向與材料的化學(xué)成分有著密切的聯(lián)系。在化學(xué)成分中，碳含量對(duì)鋼的淬硬和冷裂傾向最為敏感，通常把各種合金元素對(duì)鋼的淬硬和冷裂的影響折合成碳的影響，再用碳當(dāng)量公式進(jìn)行計(jì)算[9]。Q345R 鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。依據(jù)國(guó)際焊接協(xié)會(huì)碳當(dāng)量計(jì)算公式可以得出，Ceq=0.399%，其碳當(dāng)量≤0.400%，淬硬傾向不大。嚴(yán)格控制焊接熱輸入和道間溫度，一般不會(huì)在焊接接頭出現(xiàn)淬硬馬氏體組織。本研究試驗(yàn)材料為 Q345R 鋼級(jí) Φ600 mm×32 mm 鋼管，厚度小于38 mm，焊前可不進(jìn)行預(yù)熱，但焊后必須進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理。選用低氫堿性焊材，可以降低焊接接頭的擴(kuò)散氫含量，減少氫在晶界處的聚集，防止冷裂紋的發(fā)生。

表1 Q345R 鋼的主要化學(xué)成分

2 焊接材料及方法

2.1 焊接材料

試驗(yàn)材料為 Q345R 鋼級(jí) Φ600 mm×32 mm鋼管，將其切割成若干個(gè)長(zhǎng)度150 mm 的管段，進(jìn)行管段對(duì)接。焊接坡口為V 形，角度為60°，對(duì)接間隙3 mm，鈍邊2 mm，焊接坡口形狀如圖1所示。焊接材料選用與母材等強(qiáng)匹配，打底采用遼寧錦州錦泰金屬工業(yè)有限公司生產(chǎn)的氬弧焊絲 JG-50 （Φ=2.4 mm）；填充和蓋面采用四川大西洋焊接材料股份有限公司生產(chǎn)的埋弧焊絲 CHW-S3R （Φ=4.0 mm），埋弧焊劑為CHF101R。

2.2 焊接方法

埋弧焊劑焊前需要烘干至350 ℃，并保溫2 h。試驗(yàn)采用鎢極氬弧焊打底、埋弧焊填充和蓋面的方式進(jìn)行焊接，焊接接頭的焊道分布如圖2所示，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。焊絲干伸長(zhǎng)為24～28 mm，焊劑堆積高度為 32～38 mm。焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，工藝為：先升溫到300 ℃，然后以≤220 ℃/h 的速度升溫，升到 620±10 ℃后保溫 2 h，最后以≤195 ℃/h 的速度冷卻到300 ℃后取出，空冷至室溫。

圖1 試樣焊接坡口示意圖

圖2 焊道分布示意圖

表2 試樣焊接工藝參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)與分析

3.1 焊縫宏觀檢查及探傷檢測(cè)

焊縫宏觀檢查成形美觀，焊縫表面沒(méi)有粘渣、氣孔和壓坑等缺陷。焊接完成后根據(jù)NB/T 47014—2017《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[10]對(duì)焊縫進(jìn)行RT 探傷檢測(cè)，結(jié)果評(píng)定為Ⅰ級(jí)，檢測(cè)結(jié)果合格。

3.2 顯微組織分析

根據(jù)GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》[11]，在 OLYMPUS GX-71F 倒置金相顯微鏡上觀察焊縫金屬顯微組織，如圖3所示。圖3（a）中可以看出，焊縫組織為塊狀先共析鐵素體，晶內(nèi)為針狀鐵素體，并且含有珠光體組織。圖3（b）中可以看出，焊縫熱影響區(qū)晶粒方向性不明顯，為粗大的沿晶分布的先共析鐵素體，晶內(nèi)有少量的針狀鐵素體以及珠光體，未發(fā)現(xiàn)有淬硬的馬氏體組織。由此可以得出，該焊接工藝下獲得的焊接接頭淬硬傾向較小。

圖3 試樣焊接接頭顯微組織

3.3 力學(xué)性能檢測(cè)

依據(jù)GB/T 228—2010 《金屬材料拉伸試驗(yàn)》[12]在SHT4605 型60 t 微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試樣拉伸試驗(yàn)，試樣寬度分別為20.08 mm和20.05 mm，厚度分別為25.13 mm 和25.10 mm。依據(jù)GB/T 229—2007 《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[13]在ZBC2302-C 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試樣夏比沖擊試驗(yàn)，沖擊試樣的尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，開(kāi) V 形坡口，角度 45°，坡口深度為 2.0±0.2 mm。依據(jù) GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》[14]在SHT4605 型60 t微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試樣橫向側(cè)彎試驗(yàn)，試樣彎曲面厚度為10 mm。依據(jù)GB/T 231—2018 《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)》[15]在HRS-150 布氏硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行焊縫硬度檢測(cè)。試樣各項(xiàng)力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試樣焊縫力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

從表3可以看出，試樣抗拉強(qiáng)度達(dá)到525 MPa以上；-20 ℃焊縫和熱影響區(qū)沖擊吸收功達(dá)到100 J 以上，富余量比較大，且相對(duì)集中，穩(wěn)定性能較好；側(cè)彎試樣彎曲后表面無(wú)裂紋，滿足NB/T 47018—2017 《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》[16]的要求；焊接接頭硬度值在136～157HB之間，其中最高硬度值157HB 出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)，遠(yuǎn)小于要求值200HB。因此，可以判定本研究焊接工藝下獲得的焊接接頭冷裂傾向較小。

3.4 耐壓試驗(yàn)

某Q345R 緩沖罐筒體尺寸為Φ1 864 mm×32 mm，按照現(xiàn)有的焊接工藝對(duì)筒體進(jìn)行焊接，焊接完成后對(duì)焊縫進(jìn)行RT 探傷，最后進(jìn)行焊后熱處理 （升溫到620 ℃后保溫2 h）。耐壓試驗(yàn)的工作介質(zhì)為常溫水 （水溫≥5 ℃），壓力為6.25 MPa，保壓1 h。試驗(yàn)后焊縫未發(fā)生滲漏，無(wú)可見(jiàn)變形和異常聲響，試驗(yàn)結(jié)果合格。表明本研究的焊接工藝在緩沖罐上的應(yīng)用是可靠的。

4 結(jié) 論

（1）采用鎢極氬弧焊打底、埋弧焊填充和蓋面的焊接工藝，對(duì)Q345R 鋼級(jí)緩沖罐進(jìn)行對(duì)接焊試驗(yàn)，焊縫成形美觀，表面沒(méi)有粘渣、氣孔和壓坑等缺陷，焊縫RT 探傷合格。

（2）焊縫熱處理后抗拉強(qiáng)度在525 MPa 以上，-20 ℃焊縫和熱影響區(qū)沖擊吸收功達(dá)到100 J以上，側(cè)彎試驗(yàn)合格，滿足NB/T 47018—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）對(duì) Q345R 緩沖罐進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，在6.25 MPa 水壓下保持 1 h，焊縫未發(fā)生滲漏，無(wú)可見(jiàn)變形和異常聲響，表明設(shè)計(jì)的焊接工藝在緩沖罐上的應(yīng)用是可靠的。