16Mo3 板材的焊接性能及設(shè)計(jì)選用要點(diǎn)分析

張彥斌

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

石墨化通常指鋼材中的珠光體組織中的滲碳體長(zhǎng)期在高溫及應(yīng)力的作用下, 分解為游離態(tài)的碳,并以石墨形態(tài)析出的現(xiàn)象。大量析出的游離態(tài)石墨阻斷了材料組織的連續(xù)性，大大降低了材料的強(qiáng)度和塑性；使材質(zhì)沖擊韌性明顯降低，脆性增強(qiáng)。材質(zhì)發(fā)生石墨化后，單從外觀上很難被發(fā)現(xiàn)，致使承壓設(shè)備發(fā)生毫無(wú)征兆的破裂、爆炸等惡性事故。故而承壓設(shè)備材質(zhì)的石墨化傾向必須在選材階段引起設(shè)計(jì)者的足夠重視。GB150.2-2011 中3.6.2條要求“碳素鋼和碳錳鋼在高于425℃溫度下長(zhǎng)期使用時(shí)，應(yīng)考慮碳化物相的石墨化傾向?！?/p>

1 設(shè)計(jì)材質(zhì)比選

某反應(yīng)器,直徑為5.6m，壁厚為28mm,工作溫度為430℃，由于生產(chǎn)操作要求，部分主要受壓原件需要現(xiàn)場(chǎng)焊接。分析該設(shè)備的選材方案，如下：1）選用 C-Mn 鋼 （Q345R）；2）選用 Cr-Mo 鋼（15CrMoR）；3）選擇 C-Mo（16Mo3）鋼。下文從設(shè)備運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)整體熱處理可行性、材質(zhì)高溫性能幾方面分析設(shè)備選材思路要點(diǎn)。

1.1 采用Q345R 鋼板

Q345R 是壓力容器常用的低合金C-Mn 鋼。根據(jù) TSG21-2016 及 GB150.4-2011 的要求，綜合考慮設(shè)備壁厚、介質(zhì)條件等因素，該材質(zhì)可以不進(jìn)行焊后熱處理，設(shè)備組焊可以在裝置現(xiàn)場(chǎng)完成，解決了超限設(shè)備運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題。根據(jù)GB150.2-2011 的要求，Q345R 允許使用的設(shè)計(jì)溫度為不超過(guò)475℃，雖然規(guī)范并沒(méi)有禁止Q345R 在475℃以下的溫度進(jìn)行使用，但其在長(zhǎng)期工作溫度（430℃）下運(yùn)行，石墨化傾向是必須考慮的問(wèn)題。傳統(tǒng)的石墨化檢測(cè)只能在設(shè)備檢修的時(shí)候進(jìn)行，往往具有滯后性，無(wú)法保證設(shè)備的本質(zhì)安全。在設(shè)備制造時(shí)通過(guò)要求鋼材訂貨時(shí)控制Si、Al、Ni 等雜質(zhì)含量（全部選取GB/T713 中所允許的下限值）、進(jìn)行高溫力學(xué)性能試驗(yàn)、提高沖擊試驗(yàn)指標(biāo)，增強(qiáng)韌性儲(chǔ)備等方式來(lái)提高安全性。但在上述條件下，Q345R 仍然不是一種很好的選擇。

1.2 采用15CrMoR 鋼板

該材料屬于Cr-Mo 低合金鋼，由于Cr 元素的加入，能夠阻止Fe3C 的分解，能夠極為有效的阻止石墨化過(guò)程[1]。15CrMoR 允許使用的設(shè)計(jì)溫度為不超過(guò)550℃，且在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力遠(yuǎn)高于Q345R（約為Q345R 的1.7 倍），是該工況向下合理的選材。但根據(jù)GB150.4-2011 中8.2.2.1要求，任意厚度的15CrMoR 焊接接頭均要求進(jìn)行焊后熱處理。這一要求在施工現(xiàn)場(chǎng)很難滿足要求。而設(shè)備自身尺寸又限制了整體運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題。根據(jù)我國(guó)《道路大型物件運(yùn)輸管理辦法》對(duì)大型物件的分級(jí)規(guī)定，該設(shè)備屬于四級(jí)大型物件,因此受項(xiàng)目建設(shè)地影響很大，整體運(yùn)輸較難實(shí)現(xiàn)。且受工藝操作因素制約，部分主要受壓原件需要現(xiàn)場(chǎng)焊接。主要受壓原件焊接后如不進(jìn)行焊后熱處理，淬硬性傾向大，回火脆性強(qiáng)的15CrMoR 很難滿足設(shè)備安全使用的要求。

1.3 選用C-Mo 鋼制造該壓力容器

我國(guó)壓力容器規(guī)范中并未列用常用的C-Mo系列鋼材。美國(guó)ASTM 規(guī)范中的SA-204（0.5Mo鋼） 和歐洲 EN 10028-2-2009 規(guī)范中的 1.5415（0.3Mo 鋼）均為常用的C-Mo 系列鋼。1.5415 鋼板原引于德標(biāo)DIN17155-1983，牌號(hào)為15Mo3，后被引入DIN EN 10028-2-2009，牌號(hào)改為16Mo3，二者為同種鋼材，其允許使用的設(shè)計(jì)溫度為不超過(guò)于530℃，考慮存在石墨化影響時(shí)，其工作溫度應(yīng)不超過(guò)450℃[2]。三種牌號(hào)鋼材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）對(duì)比詳見(jiàn)表 1。由于16Mo3的S、P 等雜質(zhì)元素的含量更為符合我國(guó)固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程的要求，下面著重對(duì)選用16Mo3進(jìn)行制造該反應(yīng)器的要點(diǎn)進(jìn)行分析。

表1 三種牌號(hào)鋼材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）對(duì)比

2 16Mo3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 焊接性能分析

2.1.1 碳當(dāng)量計(jì)算

根據(jù)國(guó)際焊接協(xié)會(huì)（IIW）和中國(guó)焊接操作指導(dǎo)手冊(cè)[3]分別計(jì)算碳當(dāng)量，得出 CE（IIW）=0.328(%)；Ceq=0.358(%)。16Mo3碳當(dāng)量的計(jì)算結(jié)果＜0.4(%)。說(shuō)明該材質(zhì)淬硬傾向不明顯。

2.1.2 冷裂紋敏感系數(shù)計(jì)算

根據(jù)算式③計(jì)算得出，PCM=0.224(%)。大量工程經(jīng)驗(yàn)顯示，當(dāng)PCM≤0.25(%)時(shí)，材料對(duì)冷裂紋敏感性不明顯。實(shí)踐證明，控制焊材的擴(kuò)散氫含量，根據(jù)焊材厚度增加焊前預(yù)熱等方法，有助于控制冷裂紋的產(chǎn)生。

2.1.3 熱裂紋敏感系數(shù)計(jì)算

根據(jù)算式④計(jì)算得出，HSC=3.484。大量工程經(jīng)驗(yàn)顯示，當(dāng)HCS≤3.6 時(shí)，材料對(duì)熱裂紋敏感性不明顯。由于該材質(zhì)HCS 較為接近判斷基準(zhǔn)線，應(yīng)在控制材質(zhì)S、P 等雜質(zhì)含量、控制焊接工藝上予以重視。

2.1.4 再熱裂紋敏感系數(shù)計(jì)算

根據(jù)算式⑤計(jì)算得出，PSR=-1.4(%)。當(dāng)PSR≤0時(shí)，材料對(duì)再熱裂紋敏感性不明顯。

根據(jù)公式①②③④⑤分別計(jì)算Q345R、16Mo3、15CrMoR 的焊接性能參數(shù)，并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2 所示。

表2 三種材料（Q345R、16Mo3、15CrMoR）焊接性能參數(shù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可以看出: 16Mo3的焊接性能與Q345R 更為接近。根據(jù)國(guó)際通用的ISO TR 15608-2017 焊接金屬材料分類導(dǎo)則中對(duì)焊接材料的分類可以看出，16Mo3與Q345R 的分組相同，有著相似的焊接性能（見(jiàn)表3）。

表 3 三種材料（Q345R、16Mo3、15CrMoR）的焊接金屬材料分類

2.2 焊后熱處理要求

焊后熱處理可以起到消除焊接殘余應(yīng)力,改善母材及焊接接頭的力學(xué)性能, 穩(wěn)定焊接件形狀和尺寸等作用。焊后熱處理是提高壓力容器焊接性能和質(zhì)量的重要手段，世界各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都做出了相應(yīng)的要求。由于我國(guó)常用的壓力容器鋼板規(guī)范中沒(méi)有C-Mo 鋼，GB150.4-2011 也沒(méi)有對(duì)此類鋼板提出明確要求。對(duì)于Q345R 鋼板，當(dāng)焊接接頭＞32（38，焊前預(yù)熱 100℃以上）mm 時(shí)，需進(jìn)行焊后熱處理。

對(duì)于 16Mo3，根據(jù) EN13445.4-2014 的要求，除應(yīng)力腐蝕和抗氫工況下，焊接接頭厚度＜35mm 時(shí)，無(wú)需進(jìn)行焊后熱處理[4]。筆者認(rèn)為，對(duì)于這個(gè)國(guó)外牌號(hào)的鋼材，在國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有明確要求的情況下，按照原產(chǎn)國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求執(zhí)行，是安全可靠的。綜合考慮16Mo3的焊接分組，及本反應(yīng)器的厚度，此反應(yīng)器在現(xiàn)場(chǎng)組焊后，無(wú)需進(jìn)行焊后熱處理。

3 結(jié)論

壓力容器的設(shè)計(jì)選材要綜合考慮制造、加工、運(yùn)輸?shù)榷喾N因素的成本及可行性、安全性問(wèn)題。同時(shí)還要兼顧業(yè)主在容器使用過(guò)程中可能遇到的更換催化劑、定期檢驗(yàn)等要求。采用16Mo3制造本文所提及工況的反應(yīng)器，能夠避免材質(zhì)在430℃工作條件下材質(zhì)石墨化傾向的問(wèn)題。16Mo3良好的焊接性能，使設(shè)備在不進(jìn)行整體熱處理的前提下，具有良好的安全性能，滿足業(yè)主現(xiàn)場(chǎng)再次組焊等使用的要求。