淺談低溫罐焊接工藝評(píng)定的選定

南京揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司 江蘇南京 210000

1 低溫罐典型結(jié)構(gòu)及焊接形式

南京揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司承擔(dān)的某一5萬立方低溫乙烯儲(chǔ)罐EPC項(xiàng)目，設(shè)計(jì)溫度為-105℃，儲(chǔ)罐主體用材為鞍鋼06Ni9DR鋼。根據(jù)NB/T 47014要求對(duì)焊接工藝評(píng)定進(jìn)行了編制，評(píng)定中各項(xiàng)檢測(cè)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)要求。

典型的低溫罐結(jié)構(gòu)形式及焊接形式分別見圖1和表1。

圖1 典型的低溫罐結(jié)構(gòu)形式

表1 低溫罐典型焊接形式（僅列舉06Ni9DR鋼部分）

2 設(shè)計(jì)文件要求

2.1 母材要求

本項(xiàng)目5萬立方低溫乙烯儲(chǔ)罐母材采用鞍鋼生產(chǎn)的06Ni9DR鋼板，設(shè)計(jì)要求其主要性能指標(biāo)見表2和表3。

鋼板按每熱處理張進(jìn)行夏比V型沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-196℃，沖擊吸收能量KV2不小于100J。沖擊試驗(yàn)合格指標(biāo)應(yīng)符合GB/T 3531要求。

2.2 焊材要求

本項(xiàng)目所用焊材為ESAB生產(chǎn)的產(chǎn)品，焊條牌號(hào)為ENiCrMo-6（OK 92.55），焊絲牌號(hào)為ERNiCrMo-4（OK Autrod 19.83），設(shè)計(jì)要求主要性能指標(biāo)見表4—表8。

表2 06Ni9DR鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

表3 06Ni9DR鋼板拉伸性能（室溫）

表4 ENiCrMo-6拉伸試驗(yàn)

表5 焊材的化學(xué)成分（單個(gè)值均表示最大值）

ENiCrMo-6沖擊試驗(yàn)溫度ENiCrMo-6沖擊試驗(yàn)溫度為-196℃，沖擊功指標(biāo)符合表6規(guī)定。

表6 ENiCrMo-6沖擊功指標(biāo)

每個(gè)試樣缺口側(cè)向膨脹值應(yīng)不小于0.38mm（-196℃）。

表7 ERNiCrMo-4拉伸試驗(yàn)

ERNiCrMo-4沖擊試驗(yàn)溫度為-196℃，沖擊功指標(biāo)符合表8規(guī)定。

任何事情的學(xué)習(xí)都來自于興趣，因?yàn)榕d趣是促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的最強(qiáng)動(dòng)力，能夠有效地開發(fā)學(xué)生的思維能力和學(xué)習(xí)欲望，以此達(dá)到高效的學(xué)習(xí)質(zhì)量。因此，在教學(xué)過程中，教師要學(xué)會(huì)用語言去贊美和鼓勵(lì)學(xué)生，以此來激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但是教師和學(xué)生之間也是存在一定差異的，因?yàn)樗麄兊膶徝篮退季S方式有著極大的不同，所以，這時(shí)就需要教師認(rèn)真傾聽學(xué)生的想法，并且要鼓勵(lì)學(xué)生表達(dá)出自己內(nèi)心的想法。

表8 ERNiCrMo-4沖擊功指標(biāo)

每個(gè)試樣缺口側(cè)向膨脹值應(yīng)不小于0.38mm（-196℃）。

由上述各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以看出，焊材要求的Ni含量要比母材的Ni含量高很多，而焊材的屈服強(qiáng)度要低于母材的屈服強(qiáng)度。這是因?yàn)閷?duì)于9%Ni鋼這類材料，國外經(jīng)過理論研究和大量的焊接試驗(yàn)，得出與其最佳匹配的是高Ni基、低屈服強(qiáng)、度高韌性的焊接材料，只有這樣才能滿足工程建設(shè)的要求。

3 拉伸試驗(yàn)

在NB/T 47014中，拉伸試驗(yàn)要求為橫向拉伸，試樣數(shù)量為2組，合格指標(biāo)為大于設(shè)計(jì)要求的抗拉強(qiáng)度最低值（圖2和圖3）。針對(duì)低溫罐焊接工藝評(píng)定是否要做全焊縫拉伸的討論一直存在：有的人認(rèn)為9Ni鋼焊縫的強(qiáng)度明顯低于母材，所以全焊縫的拉伸是沒有意義的，可以不做；有的人認(rèn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)的許用應(yīng)力取值應(yīng)按焊縫的強(qiáng)度來選取，因此焊接工藝評(píng)定的拉伸試驗(yàn)只能以全焊縫的拉伸數(shù)值來判斷焊接工藝是否合格。

圖2 橫向拉伸試樣

圖3 縱向拉伸試樣

首先，應(yīng)該明確焊接工藝評(píng)定的目的，焊接工藝評(píng)定是為了驗(yàn)證所擬定的焊件焊接工藝的正確性而進(jìn)行的試驗(yàn)過程及結(jié)果評(píng)價(jià)，其最終的目的是要得到一個(gè)在設(shè)定范圍內(nèi)的焊接接頭。從設(shè)計(jì)角度考慮，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)用到的許用應(yīng)力為屈服強(qiáng)度（Rel）除以其相應(yīng)的安全系數(shù)。以我們做的橫向拉伸試驗(yàn)來看，試樣的斷裂部位并不是百分之百的在焊縫區(qū)。由于焊接接頭包括母材和焊縫兩部分，9Ni鋼焊接接頭成分及性能也極不均勻，橫向拉伸過程中無法確定哪部分先屈服，即使測(cè)到屈服點(diǎn)也無任何意義。又因?yàn)?Ni鋼焊材的屈服強(qiáng)度小于母材的屈服強(qiáng)度，所以進(jìn)行全焊縫的拉伸試驗(yàn)得到屈服強(qiáng)度是有必要的。

4 彎曲試驗(yàn)

對(duì)接接頭彎曲試驗(yàn)項(xiàng)目和數(shù)量應(yīng)符合NB/T 47014表11的規(guī)定，如下：

NB/T 47014表11 力學(xué)性能試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)項(xiàng)目和取樣數(shù)量

由于06Ni9DR鋼板性能和焊材性能的明顯差異，根據(jù)上表注釋2），可改用縱向彎曲試驗(yàn)代替橫向彎曲試驗(yàn)。縱向彎曲時(shí)，取面彎和背彎試樣各2個(gè)。合格指標(biāo)為：對(duì)接焊縫試件的彎曲試樣彎曲到規(guī)定的角度后，其拉伸面上的焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)，沿任何方向不得有單條長度大于3mm的開口缺陷。

從試樣的選取形式及彎曲方向可明顯看出橫向彎曲和縱向彎曲的差別，詳見圖4—圖7。

圖4 橫向彎曲取樣示意圖

圖5 縱向彎曲取樣示意圖

圖6 橫向彎曲試驗(yàn)

圖7 縱向彎曲試驗(yàn)

對(duì)于06Ni9DR鋼的焊接而言，采取縱向彎曲試驗(yàn)主要是為了消除因母材和焊材之間的顯著性差異而造成對(duì)工藝評(píng)定的影響，這一點(diǎn)在ASME Ⅸ中的說明要比NB/T 47014更加明確。

罐壁板與罐底板之間角焊縫工藝評(píng)定的彎曲試驗(yàn)應(yīng)符合GB 50128附錄A的規(guī)定。

5 沖擊試驗(yàn)

由NB/T 47014表11可以明顯看出，沖擊試樣取熱影響區(qū)3個(gè)、焊縫區(qū)3個(gè)，一共6個(gè)。試樣形式、尺寸和試驗(yàn)方法可按GB/T 229進(jìn)行，焊縫區(qū)的3個(gè)試樣或熱影響區(qū)的3個(gè)試樣的沖擊功平均值應(yīng)符合設(shè)計(jì)文件要求（SMAW時(shí)為70J，SAW時(shí)為55J），至多允許有1個(gè)試樣的沖擊功低于規(guī)定值，此規(guī)定值在設(shè)計(jì)文件中已明確為平均值的70%（SMAW時(shí)為50J，SAW時(shí)為 39J）。

涉及到06Ni9DR鋼的焊接工藝評(píng)定都要在-196℃下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，所以工藝評(píng)定能覆蓋的母材最小值應(yīng)按如下規(guī)定：當(dāng)規(guī)定進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，焊接工藝評(píng)定合格后，若T≥6mm，適用于焊件母材厚度的有效范圍最小值為試件厚度T與16mm兩者中的較小者；當(dāng)T＜6mm時(shí)，適用于焊件母材厚度的最小值為T/2。評(píng)定能覆蓋的母材最大值仍按NB/T 47014表8規(guī)定，即為2T。由于界定了母材有效厚度的最小值和最大值，就可以根據(jù)已有母材的厚度進(jìn)行評(píng)定中焊件的選擇，從而有效減少評(píng)定的數(shù)量，大大節(jié)約成本。

沖擊試驗(yàn)時(shí)，根部開缺口的夏比試樣因抵抗應(yīng)力斷裂而產(chǎn)生一定程度的壓縮變形，此變形量是材料沖擊韌性性能的體現(xiàn)。由于壓縮變形測(cè)量比較困難，因此用斷面相對(duì)側(cè)的膨脹量來代表壓縮量，此膨脹量即為側(cè)向膨脹量。沖擊試樣被沖斷時(shí)，沖擊功越大，側(cè)向膨脹量也大；沖擊功較小時(shí)，側(cè)向膨脹量就不明顯。每個(gè)沖擊試樣均要測(cè)量側(cè)向膨脹量，合格標(biāo)準(zhǔn)為不小于0.38mm。

6 選定評(píng)定項(xiàng)目

表9為本項(xiàng)目選定06Ni9DR鋼焊接工藝的評(píng)定項(xiàng)目。本表所列評(píng)定項(xiàng)目僅為06Ni9DR鋼部分，9個(gè)評(píng)定即可覆蓋本項(xiàng)目所有對(duì)接（8～22.2mm）接頭、角接頭的所有焊接位置。除此之外，考慮5m層墻襯板環(huán)向埋件、罐內(nèi)管道支架墊板與罐壁的焊接，還應(yīng)額外增加06Ni9DR鋼與Q345碳鋼、06Ni9DR鋼與304不銹鋼焊接的異種鋼焊接工藝評(píng)定。

表9 本項(xiàng)目選定06Ni9DR鋼焊接工藝的評(píng)定項(xiàng)目

7 結(jié)束語

我國壓力容器的建造已有50余年的歷史了，在此期間，總結(jié)出了若干有用的規(guī)律，這些規(guī)律逐步用標(biāo)準(zhǔn)的形式固定下來作為今后使用的依據(jù)，而NB/T 47014是各專業(yè)人員結(jié)合我國實(shí)際并參照ASME Ⅸ進(jìn)行修訂的。在低溫罐焊接工藝評(píng)定的編制過程中，還有一些問題值得思考：

（1）在焊接工藝評(píng)定試件焊接時(shí)，焊工往往比較謹(jǐn)慎，采用的電流、電壓等參數(shù)均小于PWPS中的極限值以減少線能量的熱輸入，這樣可以得到一種偏于理想化的焊接接頭，嚴(yán)格意義上無法驗(yàn)證PWPS的適用性。

（2）低溫罐的設(shè)計(jì)、建造、罐體材料已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，但用于06Ni9DR鋼焊接的焊接材料還未實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，還需科研人員進(jìn)一步攻關(guān)。

（3）為提高焊接效率，罐體立焊縫、罐壁與罐底角焊縫是否可采取自動(dòng)或半自動(dòng)的焊接工藝？其實(shí)罐壁與罐底角焊縫也早有人進(jìn)行過開發(fā)，即使用半自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊后彎曲試驗(yàn)也能滿足要求，但考慮此位置的特殊性和重要性，暫時(shí)還沒有哪家施工單位做第一個(gè)吃螃蟹的人。