07MnNiMoDR 鋼制4 000 m3 低溫球罐焊接質(zhì)量控制

陳志明

（蘇州圣匯裝備有限公司， 江蘇 蘇州 215632）

1 工程概況及07MnNiMoDR 鋼性能

1.1 工程概況

近年來(lái)， 我國(guó)在日本低溫壓力容器用JEPHITEN610U2L 鋼的基礎(chǔ)上研發(fā)的-50 ℃低溫用07MnNiMoDR 鋼廣泛應(yīng)用于大型儲(chǔ)油罐、 大型球罐和采油平臺(tái)等石油化工設(shè)備。 浙江石油化工有限公司煉油一體化二期工程項(xiàng)目成品油罐區(qū)6 臺(tái)丙烯低溫球罐， 材質(zhì)為07MnNiMoDR 鋼， 厚度47 mm， 設(shè)計(jì)容積為4 003 m3， 設(shè)計(jì)溫度為-50 ℃，設(shè)備凈重516 545 kg。 制造廠(chǎng)壓制的每臺(tái)球罐球殼板分上極、 溫帶、 赤道帶、 下極四帶， 其中上、 下極各有極中板1 塊、 極側(cè)板2 塊、 極邊板4 塊， 上溫帶、 赤道帶各有24 塊， 共62 塊球殼板。 丙烯低溫球罐結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 每臺(tái)球罐縱、 環(huán)焊縫總長(zhǎng)度為637.11 m， 焊縫坡口均為外深內(nèi)淺的X 形坡口， 焊縫坡口尺寸如圖2所示。

1.2 07MnNiMoDR 鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能

07MnNiMoDR 鋼在低碳高錳基礎(chǔ)上加入微量的Ni、 Cr、 Mo 等合金元素， 具有較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度， 且在-50 ℃低溫下具有較強(qiáng)的韌性， 同時(shí)具有淬硬傾向和冷裂紋敏感性較大的特點(diǎn)。 07MnNiMoDR 鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1 和表2。

表1 07MnNiMoDR鋼的化學(xué)成分 %

表2 07MnNiMoDR 鋼的力學(xué)性能

2 球罐焊接質(zhì)量控制難點(diǎn)分析

球罐焊縫焊接缺陷和其他設(shè)備、 管道焊接缺陷類(lèi)似， 主要有氣孔、 夾渣、 未熔合、 未焊透、咬邊、 凹坑、 焊瘤以及裂紋等。 但由于厚壁球罐需反面清根并檢測(cè)， 未熔合極少發(fā)生； 厚壁球罐焊接時(shí)熱輸入量一般較大， 未焊透缺陷也極少發(fā)生； 氣孔、 夾渣雖時(shí)有發(fā)生但相較于裂紋， 對(duì)球罐焊縫質(zhì)量影響較小， 且缺陷體積一般較小， 容易一次返修合格； 咬邊、 凹坑、 焊瘤容易一次返修合格。 07MnNiMoDR 鋼大型球罐焊接施工中，只有裂紋對(duì)球罐焊縫質(zhì)量影響大， 出現(xiàn)頻率高且不容易返修消除。

在以往07MnNiMoDR 鋼焊接施工中， 裂紋時(shí)常出現(xiàn)， 這是由以下原因造成的： ①大型球罐板材厚、 體積大， 在組對(duì)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)球罐局部組對(duì)間隙過(guò)大、 錯(cuò)邊量超標(biāo)等組對(duì)缺陷， 為加快組對(duì)速度、 保證組對(duì)質(zhì)量， 依靠外力強(qiáng)行組對(duì)的情況也時(shí)有發(fā)生， 使得球罐焊縫應(yīng)力集中； ②大型球罐板材厚、 焊縫尺寸長(zhǎng)、 填充量大， 焊接完成后極易造成球罐存在較大殘余應(yīng)力； ③07MnNi-MoDR 鋼具有強(qiáng)度大、 淬硬傾向和冷裂紋敏感性較大的特點(diǎn)， 球罐焊縫及熱影響區(qū)在冷卻速度較大時(shí)容易產(chǎn)生高硬度馬氏體組織， 使焊接接頭脆性增大； ④07MnNiMoDR 鋼焊接過(guò)程中未嚴(yán)格控制預(yù)熱、 后熱、 焊接線(xiàn)能量及擴(kuò)散氫含量， 導(dǎo)致焊縫組織惡化、 力學(xué)性能下降、 擴(kuò)散氫超標(biāo)；⑤組對(duì)應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力導(dǎo)致組織惡化、 力學(xué)性能降低且焊縫及熱影響區(qū)脆性增大， 加上擴(kuò)散氫的聚集作用， 導(dǎo)致其開(kāi)裂。

如果07MnNiMoDR 鋼制球罐焊接過(guò)程中疏于質(zhì)量控制， 就極易產(chǎn)生裂紋等缺陷。 另外， 在服役過(guò)程中受循環(huán)載荷作用， 極易產(chǎn)生疲勞微裂紋， 直至完全開(kāi)裂。 然而影響球罐焊接裂紋產(chǎn)生的因素眾多， 涉及組對(duì)質(zhì)量及應(yīng)力情況、 焊工素質(zhì)、 焊接工藝、 焊接材料、 焊接環(huán)境、 焊接設(shè)備等諸多方面， 同一球罐焊接施工周期又長(zhǎng)， 因此減少和防止焊接裂紋的產(chǎn)生是07MnNiMoDR 鋼制球罐焊接質(zhì)量控制的難點(diǎn)。

3 試驗(yàn)材料及方法

3.1 07MnNiMoDR 鋼焊材選用

根據(jù)07MnNiMoDR 鋼化學(xué)成分以及力學(xué)性能， 本試驗(yàn)選用日本神戶(hù)制鋼所LB-65L 焊條（符合美標(biāo)AWS A5.5 E8018-C1）， 該焊條化學(xué)成分與力學(xué)性能均可與07MnNiMoDR 鋼相匹配，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表3 和表4。

表3 LB-65L 焊條的化學(xué)成分 %

表4 LB-65L 焊條的力學(xué)性能

3.2 焊接工藝

根據(jù)07MnNiMoDR 鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能，球罐焊接前， 依據(jù)NB/T 47014—2011 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的焊接工藝評(píng)定， 焊接工藝評(píng)定合格后， 制定相應(yīng)的焊接工藝規(guī)程， 確定相應(yīng)焊接工藝參數(shù)， 具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表5。 焊縫坡口尺寸如圖3 所示。

表5 07MnNiMoDR 鋼焊接工藝參數(shù)

圖3 焊縫坡口尺寸及焊接順序示意圖

針對(duì)4 000 m3球罐球殼板特點(diǎn)， 為控制焊接變形， 減小焊接應(yīng)力， 選取12 名或24 名焊工對(duì)稱(chēng)、 分段、 倒退焊接。 總的焊接順序?yàn)橄韧鈧?cè)焊縫后內(nèi)側(cè)焊縫、 先縱縫后環(huán)縫， 即先焊外側(cè)深坡口焊縫， 外側(cè)全部焊接完成后， 在球罐內(nèi)側(cè)對(duì)外側(cè)焊縫根部進(jìn)行碳弧氣刨清根， 清除外側(cè)焊縫根部缺陷， 并對(duì)清根坡口進(jìn)行打磨并檢查， 合格后再焊內(nèi)側(cè)淺坡口焊縫。 內(nèi)、 外側(cè)焊接時(shí)先焊各帶極縱縫， 再焊各帶極之間的環(huán)縫。 焊接順序?yàn)椋?外側(cè)赤道板縱縫→外側(cè)溫帶板縱縫→外側(cè)上極、 下極焊縫→外側(cè)上環(huán)縫、 下環(huán)縫、 中大環(huán)縫， 外側(cè)焊接完成后使用碳弧氣刨在球罐內(nèi)側(cè)對(duì)外側(cè)焊縫根部進(jìn)行清根， 并對(duì)清根坡口進(jìn)行打磨， 再進(jìn)行熒光磁粉檢測(cè)， 檢測(cè)合格后依次焊接內(nèi)側(cè)赤道板縱縫→內(nèi)側(cè)溫帶板縱縫→內(nèi)側(cè)上極、 下極焊縫→內(nèi)側(cè)上環(huán)縫、下環(huán)縫、 中大環(huán)縫， 直至焊接全部完成。

3.3 焊接質(zhì)量控制

3.3.1 焊前準(zhǔn)備

焊接前， 使用篷布或薄鐵皮搭設(shè)球罐焊接防風(fēng)、 防雨棚， 保證焊接環(huán)境達(dá)到施焊要求； 根據(jù)焊接工作量及施工要求配備焊接和加熱設(shè)備； 完成球罐組裝檢查驗(yàn)收、 焊接材料復(fù)驗(yàn)工作； 組織焊工進(jìn)行崗前考試， 組織考核合格的焊工進(jìn)行焊接技術(shù)交底， 了解07MnNiMoDR 鋼制球罐焊接工藝要求以及質(zhì)量控制點(diǎn)。

3.3.2 焊接過(guò)程控制

（1） 焊條控制。 焊接使用的焊條必須按照烘焙溫度及時(shí)間提前烘焙并保溫待用， 保證焊條藥皮含水量達(dá)到要求， 清理待焊焊縫坡口及兩側(cè)20 mm 范圍內(nèi)水、 銹、 油污等雜質(zhì)， 以減少焊接時(shí)帶入焊縫氫元素的量， 避免或減少因擴(kuò)散氫聚集造成的焊縫韌性降低以及延遲裂紋。

（2） 預(yù)熱控制。 07MnNiMoDR 鋼焊前要求將焊縫兩側(cè)母材加熱到100 ℃以上， 以降低焊縫淬硬傾向、 減小焊接接頭應(yīng)力。 采用封裝在專(zhuān)用鐵皮盒里的陶瓷電阻加熱片加熱， 連接加熱片的電加熱溫控柜控制加熱溫度， 采用布置在被加熱焊縫50 mm 處熱電偶測(cè)溫。 焊接球罐外側(cè)焊縫時(shí)，加熱片與球罐內(nèi)側(cè)對(duì)應(yīng)位置焊縫緊密貼合； 焊接球罐內(nèi)側(cè)焊縫時(shí)， 加熱片與球罐外側(cè)對(duì)應(yīng)位置焊縫緊密貼合， 以保證方便焊接以及預(yù)熱效果。 焊前加熱到預(yù)熱溫度， 焊工方可開(kāi)始焊接。

（3） 焊接工藝控制。 焊接過(guò)程中， 要求焊工對(duì)稱(chēng)、 分段、 倒退焊接， 以減少焊接變形及焊接應(yīng)力， 并且嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程， 進(jìn)行多層多道焊接， 在規(guī)定的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行焊接， 嚴(yán)格控制焊接線(xiàn)能量， 以保證焊縫金屬力學(xué)性能。 焊工多層多道焊時(shí)， 各層道的焊接接頭相互錯(cuò)開(kāi)至少50 mm， 以防止焊接缺陷集中于一處， 同時(shí)層間溫度控制在100～200 ℃， 以防止焊縫晶粒粗大、 焊縫力學(xué)性能降低。

（4） 焊后消氫控制。 每一分段焊接完成后，應(yīng)在焊縫溫度降至100 ℃之前立即將該段焊縫加熱到200～250 ℃， 恒溫1 h， 進(jìn)行焊后熱消氫處理。 焊后消氫處理的目的是降低焊縫擴(kuò)散氫含量及降低焊縫殘余應(yīng)力。

（5） 清根及檢測(cè)控制。 外側(cè)焊縫焊接完成后， 應(yīng)按照工藝要求采用碳弧氣刨對(duì)外側(cè)焊縫根部即內(nèi)側(cè)坡口根部進(jìn)行清根處理， 以清除外側(cè)焊接時(shí)根部產(chǎn)生的未焊透、 未熔合、 裂紋等缺陷，清根后并對(duì)清根坡口進(jìn)行打磨， 清除滲碳層， 對(duì)打磨后的清根坡口進(jìn)行熒光磁粉檢測(cè)， 確保清根坡口無(wú)缺陷后方可繼續(xù)進(jìn)行內(nèi)側(cè)焊縫焊接。

（6） 坡口堆焊控制。 球罐焊接時(shí)， 時(shí)常遇到局部坡口間隙超寬的情況。 直接焊接超寬坡口間隙的焊縫產(chǎn)生的收縮量、 焊接變形以及焊接應(yīng)力均大于正常坡口間隙焊縫， 而焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度基本固定， 導(dǎo)致超寬坡口間隙的焊縫比正常坡口間隙焊縫更容易產(chǎn)生裂紋缺陷， 因此要嚴(yán)禁焊工直接焊接大間隙焊縫， 在正式焊接前應(yīng)在間隙過(guò)大的坡口進(jìn)行“長(zhǎng)肉” （即堆焊） 以縮小坡口間隙， 待坡口間隙縮小到合理范圍后再采用正式焊接工藝進(jìn)行焊接。

4 試驗(yàn)結(jié)果

球罐整體焊接完成36 h 后， 對(duì)球罐焊縫進(jìn)行100%TOFD （超聲波衍射時(shí)差法檢測(cè)）、 100%UT（超聲波檢測(cè)） 以及100%MT （磁粉檢測(cè)）， 其中TOFDⅡ級(jí)合格， UT 技術(shù)等級(jí)B 級(jí)、 Ⅰ級(jí)合格，MTⅠ級(jí)合格。 經(jīng)上述檢測(cè)， 6 臺(tái)07MnNiMoDR鋼制球罐每臺(tái)缺陷點(diǎn)數(shù)均未超過(guò)40 處， 缺陷總長(zhǎng)度均未超過(guò)2 500 mm， 且裂紋缺陷數(shù)量均為個(gè)位數(shù)。 根據(jù)浙江石油化工有限公司煉油一體化二期工程項(xiàng)目質(zhì)量部球罐合格率計(jì)算方法， 焊接一次合格率均在98%以上。

球罐本體焊接完成后， 無(wú)法直接從球罐本體截取試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。 根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求， 球罐焊接時(shí)， 由焊接球罐本體的焊工在相同條件下采用相同工藝焊接與球罐本體同厚度三塊不同位置 （橫焊、 立焊、 平焊加仰焊） 的產(chǎn)品試板， 無(wú)損檢測(cè)合格后與球罐一同進(jìn)行整體熱處理， 之后代替球罐本體焊縫進(jìn)行破壞性力學(xué)性能試驗(yàn)。 6 臺(tái)球罐產(chǎn)品試板拉伸試驗(yàn)及彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6， 由表6 可知，6 臺(tái)球罐產(chǎn)品試板拉伸試驗(yàn)中焊接接頭抗拉強(qiáng)度、 全焊縫屈服強(qiáng)度、 全焊縫抗拉強(qiáng)度、 斷后伸長(zhǎng)率均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求； 彎曲試驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)。 由于6 臺(tái)球罐介質(zhì)為液態(tài)丙烯， 設(shè)計(jì)溫度-50 ℃， 試板沖擊試驗(yàn)溫度均為-50 ℃， 試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。 從表7 可以看出， 6 臺(tái)球罐產(chǎn)品試板沖擊試驗(yàn)中焊縫和熱影響區(qū)沖擊功均符合標(biāo)準(zhǔn)要求， 6 臺(tái)球罐產(chǎn)品沖擊試驗(yàn)結(jié)果全部合格。

表6 6 臺(tái)球罐產(chǎn)品試板拉伸試驗(yàn)及彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表7 6 臺(tái)球罐產(chǎn)品試板沖擊試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)07MnNiMoDR 鋼制球罐焊接質(zhì)量控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)， 焊接施工時(shí)采用合理的焊接順序和工藝， 同時(shí)有針對(duì)性地嚴(yán)格控制球罐焊接裂紋的產(chǎn)生因素， 使得浙江石油化工有限公司煉油一體化二期工程項(xiàng)目成品油罐區(qū)6 臺(tái)07MnNiMoDR 鋼制丙烯低溫球罐焊接裂紋產(chǎn)生的數(shù)量處于低水平，其他焊接缺陷的數(shù)量也處于較低水平， 焊接質(zhì)量及力學(xué)性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求， 取得了較好的效果。