鎳－鋼復(fù)合板壓力容器焊接裂紋的分析及優(yōu)化工藝

谷紅杰

摘要：經(jīng)過對復(fù)合鋼板壓力容器部件的現(xiàn)場焊接試驗(yàn)，研究了鎳-鋼復(fù)合板壓力容器在焊接過程中的性能變化和失效形式。為了避免在壓力容器制造過程中發(fā)生焊接裂紋，依據(jù)裂紋產(chǎn)生的特性，提出了優(yōu)化焊接質(zhì)量的工藝控制方式，使焊接接頭不僅可以滿足強(qiáng)度需要，還能防止因?yàn)殒?鋼復(fù)合板因膨脹指數(shù)偏差大而造成的熱裂紋，這樣解決了鎳-鋼復(fù)合板里的焊接問題。

關(guān)鍵詞：鎳-鋼復(fù)合板壓力容器;焊接裂紋;優(yōu)化工藝

隨著化工領(lǐng)域的迅速發(fā)展，國家對化工工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量的要求也愈來愈高。工業(yè)純鎳N6在許多腐蝕環(huán)境里呈現(xiàn)出比較良好的耐腐蝕性能，特別是對耐燒堿的腐蝕。所以，N6變成了各類苛刻腐蝕環(huán)境里愈來愈普遍運(yùn)用的金屬材質(zhì)。鎳-鋼復(fù)合板是一類新型復(fù)合材料，盡管國家已經(jīng)頒布了有關(guān)用于壓力容器爆炸鋼板的標(biāo)準(zhǔn)，但是欠缺相對應(yīng)的焊接工藝使用準(zhǔn)則，讓焊接工作人員在實(shí)行焊接過程中的焊接技術(shù)只能憑借經(jīng)驗(yàn)實(shí)施焊接。在實(shí)施焊接過程中，因?yàn)殒嚺c鋼存在較大差異的焊接性能，其熱膨脹性能差異相對比較大，所以焊接的時候很容易造成焊接裂紋的產(chǎn)生，同時多次返修對設(shè)備強(qiáng)度和剛度影響很大。怎樣確保覆板和鋼板在焊接時不造成焊接裂紋，并且保證覆層的耐腐蝕性能就成了制造鎳-鋼復(fù)合板焊接工藝?yán)锏闹匾獑栴}。

1問題描述

某個公司接受委托生產(chǎn)制造了一批水解反應(yīng)釜，其內(nèi)容材質(zhì)設(shè)計是24+7mm基層厚度為Q345R的鎳—鋼復(fù)合板，其技術(shù)參數(shù)例如表一所示。因?yàn)閺S家焊接人員欠缺經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過現(xiàn)場對焊接接頭檢查，有近百分之八十的焊接接頭發(fā)現(xiàn)肉眼可見的焊接裂紋，其中以沿著晶界的縱向裂紋是核心，最長貫穿全條裂縫[1]。

2原因分析

因?yàn)檫@批產(chǎn)品所運(yùn)用的復(fù)合鋼板覆層材質(zhì)是N6，采用標(biāo)準(zhǔn)是《壓力容器用復(fù)合爆炸鋼板》、《加工鎳及鎳合金化學(xué)成分和產(chǎn)品形狀》。它的微觀構(gòu)成是單相奧氏體構(gòu)成，存在良好的韌性和塑性。其液態(tài)凝固進(jìn)程里不出現(xiàn)相變，但很容易和S、P、O等元素組成低熔點(diǎn)類型的共晶體，從而很容易引發(fā)熱裂紋。熱裂紋具有很多種類，主要分成結(jié)晶裂紋、高溫液化裂紋以及多變化裂紋。依據(jù)現(xiàn)場操作工作狀況研究，此裂紋成型出現(xiàn)在焊縫金屬的冷卻和凝固過程中，大概在固相線之下的高溫區(qū)，初步斷定是多變化裂紋與高溫液化裂紋共存。因而焊接時需要焊接人員嚴(yán)格按照焊接工藝打坡口，依據(jù)焊接焊接工藝指導(dǎo)書施工焊接，同時適量運(yùn)用氬氣，不能隨便提高焊接速度和改變焊接參數(shù)。在縱向裂紋端口位置沒有明顯的塑性變形裂痕，表現(xiàn)高溫低塑性裂紋特征，并且聯(lián)合裂紋的產(chǎn)生時間大概出現(xiàn)在固相線之下在結(jié)晶溫度附近。因此斷定為多變化焊縫裂紋。此低應(yīng)力中的焊接裂紋由于在高溫以及應(yīng)力的作用下，晶格缺失發(fā)生移動和擴(kuò)散造成二次裂紋，大部分發(fā)生在焊接縫隙里。由于焊接自身便是一個不均衡的冶金進(jìn)程，進(jìn)而很容易出現(xiàn)大批的空位和位錯等晶格不足。這類晶格和位錯慢慢合并、擴(kuò)大以及聚集，直到最終出現(xiàn)多變化焊縫裂紋。初步發(fā)現(xiàn)重點(diǎn)作用因素是合金成分、溫度以及應(yīng)力狀態(tài)。在對焊接接頭沿焊趾裂紋位置打磨時發(fā)現(xiàn)，焊接接頭裂紋重點(diǎn)出現(xiàn)在母材熱影響區(qū)。這是初次結(jié)晶的晶體之間形成晶間液膜，當(dāng)熔池冷卻收縮時，被液膜分割的晶體邊界就會被拉開就形成了裂紋，這是引發(fā)高溫液化焊接裂紋的主要因素，這導(dǎo)致其在焊接熱重復(fù)里的作用下，在熱影響區(qū)域多層焊的層間出現(xiàn)重熔，在拉應(yīng)力的作用下造成的裂紋。并且，純鎳特別容易和S、P、O等元素產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶體，此類低熔點(diǎn)方式和液化膜的方式存留在晶界區(qū)，在溫度相比固相線低的時候的收縮應(yīng)力的作用力發(fā)生裂紋[2]。焊接液化裂紋大部分發(fā)生在熱影響區(qū)域，通當(dāng)做熱裂紋與脆性斷裂的根源地。

3 優(yōu)化工藝試驗(yàn)

3.1 焊接材料選擇

為了掌控焊接時摻入的合金元素比率，縮減高溫液化焊接裂紋走向，選用焊接材質(zhì)的時候應(yīng)該控制P、S含量，縮減低熔點(diǎn)共晶體的造成，并且運(yùn)用氬氣作為保護(hù)氣體，防止空氣里的氧氣混入焊接過程中。由表一可知反應(yīng)釜的母材基層材質(zhì)是Q345R，基層打底、填充以及蓋面的焊接形式選用焊條電弧焊，因此焊接材料根據(jù)承壓設(shè)備焊接技術(shù)評估使用熔敷金屬中的抗拉剛度超過490MPa，因此選用《承壓設(shè)備焊接工藝評定》中Fe-2-1類別的E5015焊條;覆層材料焊材選用型號SNi2061焊絲，過渡層與復(fù)合層的焊接措施選用鎢極氬弧焊，所以過渡層和復(fù)層材質(zhì)依照焊絲進(jìn)行分類，選擇適合標(biāo)準(zhǔn)《承壓設(shè)備焊接工藝評定》規(guī)格型號的純鎳焊絲。原焊接工藝選擇一般氬氣作為保護(hù)，優(yōu)化以后選擇適合國家準(zhǔn)則的氬氣需求的高純氬氣，并且氬氣的純度不能少于99.999%，在現(xiàn)場實(shí)施焊接時輸送的氬氣氣體的純凈度是99.999%，由于適量的鈰可以改善純度鎳在焊接中的力學(xué)性能，因此鎢級應(yīng)選用鈰鎢極作為鎢極，尺寸為φ2.4-φ3.2mm。

3.2 坡口加工及清理

此次優(yōu)化進(jìn)程里，實(shí)施焊接過程是復(fù)合板材料中的對接接頭。原有焊接工藝應(yīng)用的是“V”型焊接坡口。這樣使鎳—鋼可以無限固溶，因此從減少基層熔入覆層融合比層面考慮，先焊接基層，再焊接過渡層，最后焊接復(fù)覆層。這樣能同時防止因覆層循環(huán)受熱和基層里的“C”滲入到覆層里過多而降低耐腐蝕性能。為了增加覆層中的焊接縫隙深度，同時便于查看焊接時過渡層的質(zhì)量，把基層坡口底部水平留有0.5mm的鈍邊，覆層的坡口兩邊削去5 mm，并且延伸坡口角度變?yōu)?0°[3]。優(yōu)化以后采用如圖1所示新“V”型帶鈍邊坡口。其中序號1.2.3.4.5.表示焊接程序。

焊接坡口加工符合應(yīng)用等離子分割，不準(zhǔn)許將熔渣掉落在焊接縫隙坡口以及覆層上。切割以后用金剛砂紙或砂輪打磨坡口邊緣上的毛刺，確保坡口面平滑無缺陷，不準(zhǔn)許有影響焊接的裂紋、氧化物等缺陷。為控制錯邊量，焊縫坡口對接的時候應(yīng)該確保筒體的錯邊量控制在不超過覆蓋層厚度50%，也不能超過2mm。

4 結(jié)束語

這批水解反應(yīng)釜運(yùn)用本文焊接工藝以后獲得良好成效，只有不到百分之八的焊接接頭需求返修，并且返修以后的焊縫經(jīng)過無損檢驗(yàn)也全部符合要求，所以得出結(jié)論：（1）焊工需求嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，對焊接全過程整體把關(guān)，不準(zhǔn)許貪圖邁進(jìn)，最終影響焊接質(zhì)量[4]。（2）選用適合的焊接材料和焊接坡口，焊接參數(shù)，控制有害成分的含量等各種可控因素作用是確保焊接質(zhì)量的高效措施。

參考文獻(xiàn);

[1]戴永成.鎳-鋼復(fù)合板壓力容器焊接裂紋的分析及優(yōu)化工藝[J].化工設(shè)備與管道，2018，55（03）：5-8.

[2]黃志慧，張述旺，戴婧.不銹鋼復(fù)合板壓力容器的熱處理[J].山東化工，2019，48（24）：127-128.

[3]田懷連.臨氫耐熱鋼復(fù)合板壓力容器的焊接質(zhì)量控制[J].金屬加工（熱加工），2019（01）：20-22

[4]馬雯波，蔡青，鄧?yán)颥?爆炸復(fù)合板壓力容器徑向裂紋的無損檢測及其安全性分析[J].焊接學(xué)報，2018，39（10）：54-60+131.

（作者單位：江蘇派斯特壓力容器有限公司）