3.5％Ni低溫鋼容器焊接及熱處理工藝研究

付啟帥 王慶 曲世超

摘要： 對3.5%Ni低溫鋼采用兩種焊后熱處理制度分別進行焊接性試驗，確定合適的焊接工藝參數(shù)及熱處理制度，保證焊縫的低溫沖擊韌性。

關(guān)鍵詞： 3.5%Ni低溫鋼;焊接;熱處理;沖擊韌性

前言

3.5Ni低溫鋼具有良好的低溫沖擊韌性，是目前石油化工行業(yè)廣泛應(yīng)用低溫設(shè)備的制造鋼種[1]，掌握3.5Ni低溫鋼的焊接技術(shù)是制造技術(shù)的關(guān)鍵。3.5Ni鋼在–100℃低溫下具有良好的性能，其技術(shù)難點在于如何解決焊接接頭的低溫沖擊韌性問題。本文通過選擇合適的焊材材料、焊接工藝規(guī)范及兩組焊后熱處理制度對比進行焊接性試驗研究，解決實際產(chǎn)品中遇到的低溫沖擊韌性不足問題，從而確定合適的焊接工藝及熱處理制度。

3.5Ni低溫鋼的焊接性分析

08Ni3DR為壓力容器低溫用鋼，等同于3.5%Ni，廣泛用于石油化工低溫設(shè)備的制造。對3.5%Ni低溫鋼而言，可焊性比無Ni鋼差，雖然Ni的添加增大了鋼的淬透性，但由于其含碳量和碳當(dāng)量較低，通常情況下產(chǎn)生冷裂紋傾向并不大。材料上應(yīng)控制C，S及P的含量，以及采用合理的焊接工藝，增大焊縫成形系數(shù)用來避免熱裂紋傾向。3.5%Ni低溫鋼除了考慮焊接接頭的強度外，如何保證焊接接頭的低溫韌性是低溫用鋼焊接的技術(shù)關(guān)鍵。當(dāng)焊接線能量過大時，高溫停留時間變長，冷卻速度減慢，會使過熱區(qū)晶粒變大，焊縫容易產(chǎn)生粗大的板條貝氏體組織和馬氏體組織嚴重降低低溫韌性[2]。焊接時應(yīng)嚴格控制線能量和層間溫度，焊后應(yīng)采用合適熱處理工藝來提高焊接接頭的低溫韌性。

3.5Ni低溫鋼焊后熱處理溫度的分析

相關(guān)資料規(guī)定焊后熱處理溫度在600℃以上有利于消除殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的塑韌性，而560℃有利于保持材料和焊縫的綜合性能。一般低溫容器鋼焊后熱處理溫度不易超出620℃，ASME規(guī)范雖然規(guī)定3.5%Ni等低溫容器鋼的焊后熱處理最低溫度為595℃以上，同時也在附注重規(guī)定不能超過635℃，當(dāng)不能在此溫度范圍進行焊后熱處理時可降低延時，在545℃以上進行焊后熱處理。結(jié)合我司多年焊后消除應(yīng)力熱處理的實踐經(jīng)驗，550℃左右鋼的韌性和強度匹配最佳，隨著焊后熱處理溫度的提高，沖擊韌性和抗拉強度明顯下降，雖然繼續(xù)提高溫度可以使應(yīng)力消除率增加，但是在600℃以上已不明顯，因此對3.5%Ni低溫鋼壓力容器建議焊后熱處理溫度不超過600℃。

焊接試驗方案

本試驗采用同一焊接工藝不同的熱處理制度進行試驗，焊接兩塊試板，具體要求如下：

試驗用的母材及坡口型式

母材為09Ni3DR，試板規(guī)格500×125×40mm，材料的性能滿足GB 150–2011《壓力容器》規(guī)定;為減少填充量，坡口采用雙面U型坡口。

焊接工藝的選擇

焊接時采用手工電弧焊（SMAW），焊接位置為平焊。為了減少焊接線能量，保證焊接接頭強度和沖擊韌性焊接，焊接時采用窄焊道，焊接過程中不允許擺動，采用小電流，同時注意層間溫度的控制。焊接工藝要求：焊材牌號及規(guī)格W107DR Φ4.0mm，焊接電流140～160A，電壓22～26V，焊接速度16～20cm/min，預(yù)熱溫度20℃，道間溫度≤110℃。

熱處理工藝的選擇

為了消除焊接接頭的殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的性能，對焊接試板分別采用不同熱處理制度進行試驗，分別為610±10℃/5h、590±10℃/5h。

試驗結(jié)果

通過兩組試板分別進行力學(xué)性能試驗得出的試驗結(jié)果，按熱處理制度590±10℃/5h進行的試驗均合格;按610±10℃/5h進行的試驗中–100℃沖擊試驗不合格，具體詳細試驗結(jié)果見表3。

試驗分析

對上述兩組試驗結(jié)果進行分析，兩組拉伸試驗結(jié)果無差異，但沖擊韌性試驗差異很大，這種情況主要由不同熱處理溫度引起的。隨焊后熱處理溫度的提高對焊接接頭強度變化不大，但低溫沖擊韌性下降，而且沖擊韌性不穩(wěn)定。

試驗結(jié)論

根據(jù)上述試驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

3.5Ni低溫鋼焊接時焊接工藝參數(shù)范圍電流在140～160A、電壓22～26V、焊接速度16～20cm/min，線能量應(yīng)控制在14.63KJ/cm以內(nèi)。另外，焊接時采用窄焊道，焊接過程中不擺動焊，道溫度控制在110℃。

3.5Ni低溫鋼焊后熱處理制度590±10℃/5h能夠保證焊接接頭的低溫沖擊韌性，建議3.5Ni低溫鋼焊后熱處理制度不要超出600℃。

參考文獻

高立峰. 3.5%Ni低溫鋼塔的焊接及熱處理[J].煤炭技術(shù)，2003，22（3）：9–10.

王振坤.淺談3.5%Ni低溫鋼塔器的焊接工藝及熱處理[J].中國化工貿(mào)易，2014，1（01）：108.

ASME–Ⅷ 第一冊 壓力容器建造規(guī)則，C分卷，UCS-56（2017版）.