復(fù)合板SA-537 CL.1封頭成形和焊接的一個解決方案

朱志剛

（森松（江蘇）重工有限公司，江蘇 如皋 226532）

某國外項目中，有一臺低溫復(fù)合板產(chǎn)品，設(shè)計圖紙材料為SA-537 CL.1+SA-240 304L，內(nèi)徑I.D.4216.4× （84+3.6）的壓力容器產(chǎn)品，按照ASME VIII-1—2017 標(biāo)準制造，另外還要滿足客戶規(guī)范（Specification）。按照設(shè)計圖紙要求，本體受壓件要求-46 ℃沖擊，31 J 合格。

容器本體封頭為左右兩件，由于受到板材尺寸的限制，每件封頭由 3 塊拼成，2 條拼縫，見圖1。封頭先拼焊，再成形和消應(yīng)力熱處理（PWHT）。

圖1 復(fù)合板SA-537 CL.1+SA-240 304L 封頭Fig.1 Head of SA-537 CL.1+SA-240 304L clad plate

為使封頭成形后母材和焊縫都能達到規(guī)定的強度和低溫性能，需要對母材供貨狀態(tài)、封頭成形工藝進行認真的前期試驗。如果沒有對材料試驗，封頭最終力學(xué)性能和沖擊性能是很難滿足要求的。

通過對封頭廠家成形能力的調(diào)查，此規(guī)格厚度的封頭只能采用870 ℃以上的熱成形。SA-537 CL.1屬于C-Mn-Si 系的低合金鋼，根據(jù)Fe-C 相圖，成形溫度已經(jīng)超過了上轉(zhuǎn)變溫度零界點Ac3（850 ℃左右），此時所有珠光體（P）轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體（A），完成了一次相變，就是說，封頭熱成形也改變材料的供貨狀態(tài)，改變了晶粒尺寸和組織形態(tài) ，勢必會直接影響母材力學(xué)性能。由于封頭加熱后壓制過程中終壓溫度一般不能滿足≥850 ℃，這個過程不能完全奧氏體化，也不能充分地細化晶粒，所以熱成形不能代替正火處理。封頭熱成形后還需要進行一次正火過程。

按照ASME SA-537 CL.1[1]材料標(biāo)準規(guī)范，材料熱處理為正火（Normalized）狀態(tài)。對于有低溫沖擊要求（例如-46 ℃）的SA-537 CL.1，SA-516 70 厚板材料，目前國內(nèi)鋼廠由于受到成本等因素的影響，這些材料在軋制工藝和合金元素方面的不足可能會造成材料正火后的強度和低溫性能變差，往往不能滿足要求。

由于SA-537 CL.1 材料較厚（84 mm），按照標(biāo)準規(guī)定，封頭最后還需要和容器進行整體消應(yīng)力熱處理（即1 個循環(huán)的PWHT）。按照客戶規(guī)范的要求，受壓元件的板材和非標(biāo)鍛件的試驗需要滿足至少1 個最小模擬熱處理（Min SPWHT，即產(chǎn)品的熱處理PWHT）和至少3 個循環(huán)的最大模擬熱處理（Max SPWHT）的性能， 最大模擬熱處理為1 個爐內(nèi)熱處理+1 個局部熱處理（如適用）+1 個車間返修+1 個客戶以后返修。

為得到封頭最后力學(xué)性能最好的熱處理工藝，對SA-537 CL.1，厚度84 mm 的材料分別進行了正火N+PWHT， 正火+回火T（NACT）+PWHT 等不同熱處理模擬試驗，試件經(jīng)不同熱處理后進行試驗，具體熱處理條件和試驗結(jié)果見表1。部分試驗金相組織照片如圖2 ～ 4 所示。

表1 SA-537 CL.1 材料不同熱處理條件及試驗結(jié)果Table 1 Different PWHT conditions and test results of SA-537 CL.1

圖2 880 ℃正火空冷Fig.2 Normalized (880 ℃) with air cool

圖3 880 ℃正火水冷（NACT）Fig.3 Normalized (880 ℃) with ACT

圖4 910 ℃正火水冷（NACT）Fig.4 Normalized (910 ℃) with ACT

通過以上熱處理試樣的金相照片可以看出，正火空冷后為鐵素體+珠光體（F+P）， 鐵素體F 呈現(xiàn)大量的大塊狀組織，晶粒尺寸粗大，組織不均勻，這樣會使得材料的沖擊韌性和強度變差或不均勻。材料經(jīng)過正火水冷NACT 的組織為細小的回火索氏體、針狀和塊狀鐵素體和殘余奧氏體，經(jīng)過快速冷卻后的組織均勻，晶粒明顯細化，強度和沖擊韌性良好。

從試驗強度和沖擊值來看，正火空冷沖擊性能較差，正火水冷NACT 的性能無論是低溫性能還是抗拉強度都是比較好的。在910 ℃正火（水冷）+回火T 后（試驗編號3-1，3-2）的沖擊值兩高一低，說明隨著正火溫度的提高，沖擊性能出現(xiàn)了不穩(wěn)定，這是目前碳鋼厚板經(jīng)常出現(xiàn)的一個現(xiàn)象。所以封頭SA-537 CL.1 采用NACT（正火880 ℃，水冷）工藝是封頭材料熱處理較好的選擇。

因為SA-537 CL.1按照材料標(biāo)準為正火（N）狀態(tài)，沒有正火+回火（NACT）的熱處理狀態(tài)，如果SA-537 CL.1 材料為NACT 狀態(tài)，就不符合材料標(biāo)準了，鋼廠對此也是不知所措。根據(jù)我們對SA-537 CL.1 材料不同熱處理條件下的模擬試驗，說明封頭SA-537 CL.1 板材正火空冷后的沖擊要求很難保證。由于封頭熱成型后改變了材料的供貨狀態(tài)，必須采用合適的熱處理工藝恢復(fù)材料的供貨狀態(tài)，與材料的供貨熱處理狀態(tài)一致，否則就違反了標(biāo)準，材料性能也不能保證，所以必須理順材料的供貨狀態(tài)。

對于材料采用標(biāo)準規(guī)定之外的熱處理狀態(tài)是否可以滿足標(biāo)準的問題，認真學(xué)習(xí)了ASME SA-20《壓力容器用鋼板通用要求》[2]規(guī)范。

按照ASME SA-20《壓力容器用鋼板通用要求》6.6 條的規(guī)定，允許壓力容器鋼板為了得到滿意的力學(xué)性能允許采用快速冷卻+回火（595～705 ℃）的熱處理制度，只要買方同意并滿足SA-20 規(guī)范。雖然SA-537 CL.1 材料標(biāo)準中規(guī)定為N 狀態(tài)，但是《壓力容器用鋼板通用要求》是允許采用快速冷卻+回火（NACT）熱處理制度的。在與客戶和鋼廠討論后，客戶同意把SA-537 CL.1 的供貨狀態(tài)從正火N 改為正火水冷+回火（NACT）狀態(tài)，鋼廠也按照正火水冷+回火（NACT）提供鋼板。這樣封頭經(jīng)熱成形后的力學(xué)性能從材料本身得到了保證，也為后續(xù)產(chǎn)品熱處理方案提供了依據(jù)。

在確定SA-537 CL.1 為NACT 供貨狀態(tài)的基礎(chǔ)上，根據(jù)前期材料模擬試驗并參照ASME Ⅷ-1 [UCS 56-1]的規(guī)定，編制了產(chǎn)品封頭熱壓、正火水冷、回火和消應(yīng)力熱處理工藝（帶產(chǎn)品母材試板，分最小、最大熱處理），這些熱處理工藝保證了封頭經(jīng)過熱成形后的力學(xué)性能和沖擊韌性，也使得封頭熱成形后恢復(fù)了材料的供貨狀態(tài)，符合圖紙和標(biāo)準要求。封頭熱處理工藝曲線如圖5 ～ 9 所示。

封頭從熱壓、正火N（水冷）、回火T 到產(chǎn)品PWHT 都嚴格按照熱處理工藝進行，產(chǎn)品母材試板經(jīng)過最小和最大熱處理后的力學(xué)性能如表2 所示，性能完全符合標(biāo)準和客戶的要求。

圖5 封頭熱成型（Hot forming）工藝曲線Fig.5 Hot forming procedure curve

圖6 封頭正火（Normalize+Quench）工藝曲線Fig.6 Normalize+Quench procedure curve

圖7 封頭回火（Temper）工藝曲線Fig.7 Temper procedure curve

圖8 焊后消應(yīng)力（最小PWHT）工藝曲線Fig.8 Min PWHT procedure curve

圖9 母材試板最大熱處理工藝曲線Fig.9 Max PWHT curve of base metal

對于這臺SA-537 CL.1+SA-240 304L 的產(chǎn)品，由于碳鋼材料有沖擊要求，按照ASME 規(guī)范，焊接工藝評定用材料除了與產(chǎn)品有一致的組別（P-No.，Group-No.）外，材料的熱處理狀態(tài)（Heat treatment condition）也必須與產(chǎn)品一致。另外，此封頭拼縫焊接工藝評定的熱處理制度也必須符合封頭的成形工藝和熱處理工藝，因為不同的成形方式和熱處理工藝所選用的焊接工藝是不同的。對于材料熱處理條件為熱扎（Rolled），退火（Annealed），正火（Normalized）、正火+回火（N+T）、淬火+回火（Q+T）分別作為不同的熱處理狀態(tài)，因為不同的熱處理工藝形成的焊縫組織和晶粒尺寸等是不同的，這些差異對力學(xué)性能特別是低溫韌性的影響差距是很大的，前面的模擬試驗也說明了這一點。用一種供貨狀態(tài)材料的評定代替其它狀態(tài)的評定是錯誤的，對于有沖擊要求的材料應(yīng)分別評定。

表2 產(chǎn)品母材隨爐熱處理試驗結(jié)果Table 2 Test results of product base metal following with furnace

因為SA-537 CL.1 材料改為NACT 熱處理狀態(tài)后，此封頭拼縫的焊接工藝評定也采用NACT 的材料進行評定。

對于封頭SA-537 CL.1（NACT）拼縫的焊材選用，除了滿足焊材標(biāo)準外還應(yīng)滿足產(chǎn)品1 個最小模擬熱處理（Min SPWHT）和3 個循環(huán)的最大模擬熱處理（Max SPWHT）性能要求，從焊接材料上保證焊接接頭的性能。一般來說，最小熱處理條件滿足沖擊和硬度， 最大熱處理條件滿足強度和沖擊要求，具體要求見表 3。

表3 封頭拼縫焊材采購技術(shù)要求Table 3 Purchase technology requirements of welding consumable for head

按照客戶規(guī)范要求，對于碳鋼焊材的Mn、Si也有限制，要求填充材料化學(xué)成分Mn ≤1.6%，Si ≤1.0%。

封頭拼縫選用的埋弧焊絲（ASME SFA-5.17《埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑》[3]），由于客戶對焊絲Mn%、Si%成分的限制，焊材又要滿足最小最大熱處理條件的強度和硬度要求，這些都對焊材提出了更高的要求。另外，碳鋼焊材（例如H10Mn2，EH12K 等）經(jīng)過正火N 后普遍存在強度低于母材下限的風(fēng)險。根據(jù)這些情況，焊材如何選擇才能滿足要求呢？

因為客戶不同意選用高強匹配或使用帶“G”的焊材，對于滿足以上要求的焊材只有焊絲EH12K/配套焊劑。通過對焊材廠家產(chǎn)品的調(diào)查，很多廠家的EH12K/配套焊劑的熔敷金屬經(jīng)過模擬熱處理后的強度不能達到要求。通過進一步調(diào)研，選用了一家的埋弧焊絲EH12K（Mn ≤1.6%，Si ≤1.0%）/配套增碳焊劑，焊縫金屬的機械性能和硬度能滿足表2 的要求。顧名思義，增碳焊劑是在焊縫冶金過程中向焊縫增加C 元素的焊劑，以彌補由于正火過程造成的強度下降。

在確定了評定母材和焊材技術(shù)條件后，按照ASME IX 卷的要求進行焊接工藝評定。試板試件一部分作為最小熱處理試件（Min SPWHT），一部分作為最大熱處理試件（Max SPWHT），分別對試件進行強度、塑性、沖擊、硬度、宏觀試驗和檢測，試驗表明各項試驗和檢測合格，符合圖紙和客戶的要求。封頭焊接試板經(jīng)過隨爐熱處理后進行沖擊試驗，試驗結(jié)果良好。

封頭拼縫基層焊后再進行不銹鋼復(fù)層堆焊，根據(jù)堆焊焊接工藝評定結(jié)果，封頭經(jīng)熱成形和回火后再堆焊復(fù)層焊縫，復(fù)層焊縫也滿足質(zhì)量要求。

封頭材料經(jīng)模擬試驗后選取合適的熱處理工藝和供貨狀態(tài)，在經(jīng)歷熱壓和正火NACT+PWHT 后得到了滿意的力學(xué)性能和沖擊性能。選取合適的焊材和母材經(jīng)焊接工藝評定，嚴格按照產(chǎn)品焊接工藝焊接，封頭焊縫也得到了滿意的結(jié)果。

通過該項目的實踐，總結(jié)出：

（1）為滿足封頭熱成形后的強度和低溫沖擊要求，SA-537 CL.1（N）的 供貨狀態(tài)可以在滿足ASME SA-20《壓力容器用鋼板通用要求》的情況下采用正火+回火（NACT）的狀態(tài)。

（2）當(dāng)SA-537 CL.1，SA-516 70 厚板碳鋼產(chǎn)品有熱成型和正火時，應(yīng)進行前期材料模擬試驗，盡量選取正火+回火（NACT）的熱處理工藝。

（3）考慮到封頭在正火和長時間熱處理后焊縫強度的下降，為滿足焊縫強度和低溫要求，應(yīng)選擇與產(chǎn)品供貨狀態(tài)一致的母材和滿足模擬熱處理條件下的焊材，經(jīng)過焊接工藝評定合格。