09MnNiDR低溫鋼容器焊接工藝研究

朱莎莎 陳愷 張力 李冬宇 張繼亮

(二重(鎮(zhèn)江)重型裝備有限責(zé)任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

隨著壓力容器向著大型化、高參數(shù)和高壽命的方向發(fā)展，一些大型、低溫、深冷壓力容器在石油煉化行業(yè)應(yīng)用越來越多。09MnNiDR為鐵素體+少量珠光體型低溫用鋼，可用于制造-45～-101℃低溫壓力容器[1]。目前，09MnNiDR鋼主要應(yīng)用于石油、化工設(shè)備的低溫容器制造，其焊接加工技術(shù)成為焊接研究的重要課題。

近期我公司承制的某項目中60萬噸/年丙烷脫氫裝置產(chǎn)品分離塔就采用了09MnNiDR，在產(chǎn)品制造前期按照產(chǎn)品技術(shù)要求開展了相關(guān)焊接工藝試驗。

1 產(chǎn)品簡介

由于丙烯下游產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，帶動了國內(nèi)丙烯的需求量激增，蒸汽裂解工藝和催化裂化工藝等傳統(tǒng)丙烯生產(chǎn)工藝已不能滿足市場需求[2]。丙烷脫氫制丙烯工藝由于具有技術(shù)成熟、產(chǎn)品質(zhì)量好、轉(zhuǎn)化率高、副產(chǎn)物少等優(yōu)點，其市場占有率不斷增加。分離塔是丙烷脫氫裝置中的核心塔器，其運行狀態(tài)關(guān)系到整套裝置的穩(wěn)定性并影響到整套裝置的經(jīng)濟效益，主體材料為09MnNiDR+Q345R，DN8900×126890，δ=50 mm/46 mm/44 mm，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品分離塔結(jié)構(gòu)簡圖Figure 1 Structure diagram of product separation tower

2 焊接工藝試驗及分析

2.1 試驗材料

試驗?zāi)覆牟捎?9MnNiDR鋼板，規(guī)格為40 mm×200 mm×500 mm，其化學(xué)成分、力學(xué)性能要求見表1、表2，其焊接接頭宏觀形貌如圖2所示。為了保證-70℃下焊縫的沖擊韌性，選擇了3.5Ni鋼焊材，埋弧焊絲/焊劑為某公司XY-S55Ni3+XY-AF204，焊條為XY-W707Ni。

表1 09MnNiDR鋼板化學(xué)成分要求(質(zhì)量分數(shù),%)Table 1 Chemical composition requirementsof 09MnNiDR steel plate(mass fraction, %)CSiMnPSNiNb≤0.120.15～0.501.20～1.60≤0.020≤0.0080.30～0.80≤0.040表2 力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirementsReLMPaRmMPaA%-70℃ KV2J430～560≥270≥23平均≥60 J,允許一件≥42 J

表3 焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding process parameter

回火參數(shù)(P)值對沖擊性能影響很大，回火溫度對焊縫金屬影響比較復(fù)雜，隨著保溫溫度提高，低溫鋼熔敷金屬沖擊韌性有所改善。層間溫度是低溫鋼埋弧焊熔敷金屬低溫沖擊韌性的重要影響因素，故層間溫度盡量控制得較低，滿足層間溫度≤150℃。

2.2 理化性能試驗及分析

2.2.1 熔覆金屬化學(xué)成分

在焊縫中取屑樣和滿足標準的棒樣，采用全譜制度電感耦合等離子發(fā)射光譜(ICP)和高頻紅外碳硫儀進行檢測，其檢測結(jié)果如表4所示。

表4 熔覆金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 4 Chemical composition of cladding metal (mass fraction, %)

2.2.2 焊接接頭室溫拉伸性能

試板后熱完畢24 h后，對焊縫進行100%TOFD檢測，結(jié)果符合標準NB/T 47013.10—2015技術(shù)等級B級，質(zhì)量等級I的要求。熱處理后，試板分層取樣，各2件，按照GB/T 228.1—2010進行全斷面接頭板拉伸試驗，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 焊接接頭室溫拉伸試驗結(jié)果Table 5 Tensile test results of welded jointsat room temperature

從表5中可以看出焊接接頭的拉伸強度均大于母材最低強度，符合標準要求。分析可知，接頭中的Ni元素溶入固溶體中，增加位錯運動阻力，起到了固溶強化作用以提高鋼的強度。

表6 焊接接頭沖擊性能檢測結(jié)果Table 6 Impact performance test results of welded joints

圖3 焊接接頭的微觀組織(×500)Figure 3 Microstructure of welded joint (×500)

2.2.3 彎曲試驗

根據(jù)NB/T 47014—2011承壓設(shè)備焊接工藝評定要求，PWHT后對試樣進行橫向側(cè)彎，彎曲試樣按照NB/T 47014—2011標準加工，彎心直徑D=4a(a為試樣厚度)，彎曲角度180°，彎曲試驗按GB/T 2653—2008測定焊接接頭的完好性和塑性[5]，在試樣拉伸面上的焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)無裂紋。

2.2.4 焊接接頭沖擊試驗

根據(jù)NB/T 47014—2011承壓設(shè)備焊接工藝評定要求，按照GB/T 229—2007對焊接接頭熱影響區(qū)、焊縫進行了PWHT沖擊試驗，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，檢測結(jié)果如表6所示，均滿足GB/T 3531—2014標準和產(chǎn)品技術(shù)條件要求。

2.2.5 微觀組織

09MnNiDR鋼在低溫下具有較好韌性的主要原因為鐵素體晶粒較小、鐵素體百分數(shù)較高和帶狀組織僅為單一珠光體[6-7]。埋弧焊(SAW)、手工電弧焊(SMAW)焊接接頭的焊縫、熱影響區(qū)以及母材微觀組織如圖3所示，09MnNiDR鋼在焊接、消除應(yīng)力處理等多次熱加工后保持其組織穩(wěn)定性，均為單一的鐵素體F+珠光體P，但由于SAW線能量稍大于SMAW，組織略粗大。

3 結(jié)論

09MnNiDR鋼板的金相組織為鐵素體加少量珠光體，其碳當(dāng)量為0.365%，焊接性良好。焊接試板在經(jīng)歷(610℃±10℃)×2+0.2h焊后熱處理后，其拉伸性能、彎曲性能、沖擊韌性均能滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求。