4 000 m3大型復(fù)合板球罐焊接工藝研究

李 浩，李 莉，王 奎，劉孟德，周 楊

(1.武漢一冶鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司，武漢 431400；2.湖北特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，武漢 430077；3.盛虹煉化(連云港)有限公司，江蘇連云港 222000)

0 引言

不銹鋼復(fù)合板是以碳鋼或者合金鋼為基材、不銹鋼為覆材，采用爆炸焊或者軋制等方法制成的雙金屬?gòu)?fù)合鋼板[1-4]。其一般以基材保證強(qiáng)度，由覆材來保證耐腐蝕性能和耐磨性能。它既有不銹鋼的耐用性、耐腐蝕性、耐磨性等優(yōu)良性能；又有碳素鋼高強(qiáng)度、低成本的特點(diǎn)，從而得到了廣泛地應(yīng)用。

某煉油原料及產(chǎn)品罐區(qū)有2臺(tái)4 000 m3不合格液化氣球罐(即儲(chǔ)存不合格液化氣的球罐)、2臺(tái)4 000 m3HOIL石腦油球罐。目前，這4臺(tái)4 000 m3不銹鋼復(fù)合板球罐屬國(guó)內(nèi)最大型復(fù)合板球罐。該工程球殼板為爆炸焊復(fù)合成型的不銹鋼復(fù)合鋼板，4 000 m3不合格液化氣球罐復(fù)合板為S31603+Q370R，4 000 m3HOIL石腦油球罐復(fù)合板為S31603+Q345R，而鍛件接管為20MnMoD及16Mn鍛件，對(duì)其與介質(zhì)接觸的內(nèi)壁及法蘭面進(jìn)行不銹鋼(S31603)耐蝕層堆焊，以達(dá)到防腐蝕的效果。4 000 m3不合格液化氣球罐和4 000 m3HOIL石腦油球罐主要參數(shù)分別見表1，2。

表1 4 000 m3不合格液化氣球罐主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of 4 000 m3 unqualified liquefied gas spherical tank

球罐熱處理的情況較特別，需考慮熱處理的多種情況[5-6]。模擬最大程度焊后熱處理(Max.PWHT)是用以模擬初始材料正火以后所有可能的最大程度的熱處理，包括球片與接管組焊后的中間熱處理、球罐組焊后最終熱處理、一次制造返修的焊后熱處理以及一次額外的留給用戶將來使用的焊后熱處理；模擬最小程度焊后熱處理(Min.PWHT)是用以模擬初始材料正火以后制造過程中最小程度的熱處理，包括所有中間熱處理以及最終熱處理。本文主要針對(duì)復(fù)合板球罐這種特點(diǎn)，對(duì)于試樣坯料，分別按照Max.PWHT及Min.PWHT兩種情況進(jìn)行試驗(yàn)和分析，尋求有效、合適的焊接工藝，從而保證球罐的質(zhì)量。

1 試驗(yàn)用材料

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，按基材進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算，而覆材S31603作為耐腐蝕層，并未考慮到強(qiáng)度計(jì)算中。通過對(duì)材料力學(xué)性能進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，均滿足GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》、GB/T 24511—2017 《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》和NB/T 47009—2017 《低溫承壓設(shè)備用合金鋼鍛件》相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)的要求。基材Q370R，Q345R、覆材S31603以及鍛件材料20MnMoD的力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)結(jié)果分別見表3～6。

表3 Q370R鋼板力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)Tab.3 Retest of the mechanical properties of Q370R plate

表4 Q345R鋼板力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)Tab.4 Retest of the mechanical properties of Q345R plate

表5 S31603鋼板力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)Tab.5 Retest of the mechanical properties of S31603 plate

表6 20MnMoD鋼板力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)Tab.6 Retest of the mechanical properties of 20MnMoD plate

通過對(duì)母材的性能進(jìn)行分析，需選擇與之相匹配的焊接材料，本工程采用3種焊接材料進(jìn)行焊接，即球罐基材焊接材料型號(hào)Q345R采用E5015，Q370R采用E5515-N2；堆焊過渡層焊接材料為型號(hào)E309LMo-16；堆焊覆材焊接材料型號(hào)為E316L-16[7]。此次選用的焊接材料均為國(guó)產(chǎn)焊條，并對(duì)其進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，焊接材料復(fù)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 焊接材料力學(xué)性能復(fù)驗(yàn)Tab.7 Retest of the mechanical properties of welding material

2 復(fù)合板試板的制作

2.1 復(fù)合板的焊接工藝

該復(fù)合板球罐材料為分別S31603+Q370R和S31603+Q345R，經(jīng)多次熱循環(huán)后，既要保證基材力學(xué)性能滿足強(qiáng)度要求；還要保證覆材(堆焊層)的耐腐蝕性能。本文對(duì)焊接工藝[8]的分析研究主要包括球殼板焊縫焊接、鍛件接管內(nèi)壁耐蝕層堆焊以及鍛件接管與復(fù)合板殼體焊接[9]。

NB/T 47014—2011《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)將熱處理保溫時(shí)間作為重要變素，為使球罐產(chǎn)品在使用過程中更加安全，球罐產(chǎn)品分別按Max.PWHT及Min.PWHT進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，驗(yàn)證焊接工藝評(píng)定的力學(xué)性能指標(biāo)及覆材的耐腐蝕性能在多次熱處理循環(huán)后，是否仍滿足設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)復(fù)合板球罐的不同結(jié)構(gòu)及不同的焊接位置，需制定相應(yīng)的焊接工藝。球殼鍛件與人孔之間及球殼與球殼間的焊接采用焊條電弧焊的焊接方法；鍛件接管內(nèi)壁需進(jìn)行耐蝕層堆焊[10]，而最小的管徑僅為DN 80 mm，采用常規(guī)焊接方法很難實(shí)現(xiàn)，故選擇藥芯焊絲，采用自動(dòng)螺旋焊接技術(shù)進(jìn)行焊接。復(fù)合板焊條電弧焊對(duì)接坡口采用不對(duì)稱X形坡口，大坡口50°～60°，小坡口55°～65°，結(jié)構(gòu)分別如圖1，2所示。

圖1 Q370R復(fù)合板焊接坡口示意Fig.1 Schematic diagram of the welding groove of Q370R clad plate

圖2 Q345R復(fù)合板焊接坡口示意Fig.2 Schematic diagram of the welding groove of Q345R clad plate

按不同母材之間的焊接，確定焊接工藝評(píng)定，同種焊接工藝，區(qū)別不同的熱處理保溫時(shí)間(1個(gè)熱循環(huán)和3個(gè)熱循環(huán))，工藝評(píng)定編號(hào)分別為PV176～PV185，某煉油原料及產(chǎn)品罐區(qū)復(fù)合板球罐焊接工藝評(píng)定見表8。

表8 某煉油原料及產(chǎn)品罐區(qū)復(fù)合板球罐焊接工藝評(píng)定主要參數(shù)Tab.8 Main parameters of welding procedure qualification of large clad plate spherical tanks in the raw materials and product tank area of an oil refinery

2.2 焊接工藝措施

該工程的焊接分為復(fù)合板對(duì)接焊及鍛件接管內(nèi)壁耐蝕層堆焊。

(1)復(fù)合板對(duì)接焊的焊接順序：基材焊接(外側(cè))→背面清根→靠近不銹鋼側(cè)基材焊接(內(nèi)側(cè))→過渡層焊接→無損檢測(cè)→覆材焊接→無損檢測(cè)。

(2)鍛件接管內(nèi)壁堆焊的焊接順序：堆焊表面無損檢測(cè)→過渡層焊接→無損檢測(cè)→堆焊焊接→無損檢測(cè)。

焊接不銹鋼復(fù)合板時(shí)，為了工藝實(shí)施方便，減少焊接熱循環(huán)對(duì)不銹鋼焊縫的作用，應(yīng)先焊接基材部分，大部分焊接工作優(yōu)先在基材側(cè)進(jìn)行，以減少焊接中可能對(duì)復(fù)合層造成的損傷。

焊接基板時(shí)，覆材側(cè)的基材焊縫應(yīng)低于基材表面2 mm，對(duì)與不銹鋼有接觸的位置進(jìn)行打磨清理，焊道距覆材表面1～2 mm。焊接時(shí)，應(yīng)采用薄層多道焊，嚴(yán)格控制焊接線能量，確保焊接接頭韌性[11]。

過渡層為基材與覆材之間的焊接是復(fù)合板焊接的關(guān)鍵。焊接過渡層時(shí)，要保證融合比，減少基材金屬對(duì)不銹鋼層的稀釋，采用較小直徑的焊條，降低融合比，避免覆材化學(xué)成分受影響，防止融合區(qū)裂紋的產(chǎn)生，過渡層的厚度不應(yīng)小于3 mm，并保證將基材全部覆蓋。施焊時(shí)，嚴(yán)格控制合適的焊接電流，在熔合良好的情況下，焊接速度應(yīng)盡量快，焊道距覆材表面1～2 mm，用手持砂輪磨平，以利于覆材的焊接。

覆材焊縫將作為抗腐蝕表面與工作介質(zhì)接觸，因此焊接過程中應(yīng)盡可能采用較小的焊接線能量，并嚴(yán)格控制層間溫度，覆材焊接時(shí)的道間溫度應(yīng)控制在100～150 ℃之內(nèi)，應(yīng)采取多層多道焊的方法，保證焊縫金屬具有良好的抗晶間腐蝕性能。

在焊接過程中應(yīng)注意保持覆材的表面質(zhì)量，防止焊接飛濺損傷覆材表面及鐵離子污染，不得在覆材表面隨意起弧。

為了保證不銹鋼復(fù)合板原有的綜合性能，應(yīng)對(duì)基材、過渡層和覆材分別進(jìn)行焊接。不銹鋼復(fù)合板覆材焊接時(shí)，為保證焊接質(zhì)量，必須控制焊接熱輸入，應(yīng)采取多層多道焊法，盡量采用小的焊接熱輸入和電流，并快速焊接。

2.3 熱處理工藝

焊接工藝評(píng)定試板需按球罐現(xiàn)場(chǎng)整體焊后熱處理工藝進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

Q370R及20MnMoD熱處理工藝：熱處理溫度590±15 ℃，升溫至400 ℃以上時(shí)，升溫速度控制在50～80 ℃/h；降溫時(shí)、高于400 ℃時(shí)，降溫速度宜控制在30～50 ℃/h，至400 ℃以下，自然冷卻。Max.PWHT保溫時(shí)間為6 h，Min.PWHT保溫時(shí)間為2 h。

Q345R及16Mn熱處理工藝：熱處理溫度600±15 ℃，升溫至400 ℃以上時(shí)，升溫速度控制在50～80 ℃/h；降溫時(shí)、高于400 ℃時(shí)，降溫速度宜控制在30～50 ℃/h，至400 ℃以下，自然冷卻。Max.PWHT保溫時(shí)間為4.5 h，Min.PWHT保溫時(shí)間為1.5 h。

對(duì)于鍛件耐蝕層堆焊，其熱處理工藝按基材母材一致原則進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試板力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

Max.PWHT以及Min.PWHT復(fù)合板工藝評(píng)定拉伸強(qiáng)度和沖擊吸收能量分別見圖3,4。

圖3 焊接接頭抗拉強(qiáng)度Fig.3 Tensile strength of welded joints

圖4 焊接接頭沖擊吸收能量Fig.4 Impact absorbed energy of welded joints

焊接工藝評(píng)定分別通過3次模擬熱處理(Max.PWHT)循環(huán)與1次模擬熱處理循環(huán)(Min.PWHT)對(duì)其力學(xué)性能值進(jìn)行比較，在其同材質(zhì)前提下，Max.PWHT試樣比Min.PWHT試樣抗拉強(qiáng)度值較低，但其熱處理溫度在回火溫度以下，對(duì)材料的強(qiáng)度影響有限，試驗(yàn)結(jié)論均滿足設(shè)計(jì)及GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》材料標(biāo)準(zhǔn)要求；沖擊試驗(yàn)Max.PWHT與Min.PWHT試件數(shù)據(jù)比較整體差異不明顯，但均大于設(shè)計(jì)及NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)的要求，力學(xué)性能結(jié)果均滿足材料及設(shè)計(jì)文件要求。

3.2 焊接試樣金相組織

材料為Q370和Q345R的焊縫及熱影響區(qū)、S31603+Q370R堆焊層、20MnMoD+S31603堆焊層焊接試樣金相組織[12-13]如圖5所示。

(a)Q370焊縫及熱影響區(qū)

由圖5可以看出，焊接接頭融合線區(qū)域焊縫組織有序，焊縫組織主要有較小的鐵素體加珠光體組織，由于熱輸入的增加，焊接熱影響區(qū)局部位置晶粒有變大現(xiàn)象，局部位置呈現(xiàn)出馬氏體組織。Max.PWHT試樣由于通過長(zhǎng)時(shí)間的熱處理，較Min.PWHT試樣其晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化，堆焊層金相組織與基材組織層次分明，過渡層焊縫與基材存在相互熔合界面,過渡層融入基材焊縫比較直觀。

3.3 耐蝕堆焊層化學(xué)成分分析

焊接工藝評(píng)定試樣的耐蝕堆焊層化學(xué)成分見表9。可以看出，表面堆焊耐蝕層金屬成分符合設(shè)計(jì)及NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》要求。

表9 耐蝕堆焊層化學(xué)成分Tab.9 Chemical composition of corrosion-resistant surfacing welding layer %

3.4 試板腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)耐蝕堆焊層(試樣編號(hào)為PV180～PV185)分別進(jìn)行了晶間腐蝕試驗(yàn)和抗硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，腐蝕試樣前后對(duì)比見圖6。

圖6 腐蝕試樣前后對(duì)比Fig.6 Comparison of samples before and after corrosion

按GB/T 4334—2020《金屬和合金的腐蝕奧氏體及鐵素體-奧氏體(雙相)不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》對(duì)耐蝕堆焊層焊縫進(jìn)行晶間腐蝕C法試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 耐蝕堆焊層晶間腐蝕試驗(yàn)(C法)數(shù)據(jù)Tab.10 Test method C for intergranular corrosion of corrosion resistant surfacing welding layer

按GB/T 4334—2020進(jìn)行晶間腐蝕E法試驗(yàn)，試驗(yàn)溶液為硫酸-硫酸銅溶液，試驗(yàn)時(shí)間為20 h，彎曲試驗(yàn)后未可見識(shí)別裂紋。

按GB/T 4157—2017《金屬在硫化氫環(huán)境中抗硫化物應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕開裂的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法》 進(jìn)行抗硫化物應(yīng)力腐蝕E法試驗(yàn)，加載應(yīng)力為144 MPa(按規(guī)定最小屈服強(qiáng)度的80%), 試驗(yàn)時(shí)間為720 h，初始溶液pH值為2.8，試驗(yàn)開始pH值為3.1，試驗(yàn)結(jié)束pH值為3.8，試驗(yàn)后檢查均無裂紋。

從圖6和表10可以看出，堆焊層的耐蝕性隨著模擬熱處理時(shí)間的延長(zhǎng)，試件所處的熱處理敏化溫度區(qū)間的時(shí)間越長(zhǎng)，此時(shí)容易在晶界析出Cr23C6化合物，造成晶界Cr含量降低的現(xiàn)象，其腐蝕速率也相應(yīng)加快。但最大及最小模擬焊后熱處理的平均腐蝕速率均小于標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求的0.55 g/(m2·h)上限指標(biāo)。對(duì)堆焊層進(jìn)行了晶間腐蝕E法，可以看出，最大模擬焊后熱處理及最小模擬焊后熱處理覆材彎曲試樣均未出現(xiàn)可見裂紋缺陷。對(duì)耐蝕堆焊的工藝評(píng)定試件進(jìn)行抗硫化物應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)(應(yīng)力腐蝕E法),將最大模擬焊后熱處理及最小模擬焊后熱處理試件分別進(jìn)行四點(diǎn)彎曲加載試驗(yàn)，并浸入經(jīng)酸化的飽和H2S溶液，浸泡720 h試驗(yàn)結(jié)果顯示，未出現(xiàn)可見裂紋缺陷。通過試驗(yàn)表明，該焊接工藝的堆焊層耐蝕性符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，從而確保4 000 m3大型復(fù)合板球罐在工況下的整體耐蝕性能。

4 結(jié)論

針對(duì)大型復(fù)合板球罐的特點(diǎn)，覆材選用S31603復(fù)合板，分別對(duì)最大模擬焊后熱處理工藝(Max.PWHT)及最小模擬焊后熱處理工藝(Min.PWHT)進(jìn)行復(fù)合板工程焊接工藝的研究，Max.PWHT和Min.PWHT的試驗(yàn)數(shù)值均在設(shè)計(jì)規(guī)定范圍內(nèi)。在焊接接頭拉伸方面，Max.PWHT由于加熱時(shí)間較長(zhǎng)，比Min.PWHT試樣的強(qiáng)度值低；在沖擊韌性方面，Max.PWHT與Min.PWHT沖擊值差別不明顯；在晶間腐蝕方面，由于熱處理溫度處于敏化溫度區(qū)間，隨著模擬焊后熱處理的時(shí)間增加，其腐蝕速率也有所加快；在應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方面，在Max.PWHT與Min.PWHT條件下均未出現(xiàn)裂紋，表明覆材在該模擬焊后熱處理后，其抗硫化物應(yīng)力腐蝕能力較強(qiáng)。無論從力學(xué)性能還是腐蝕性性能方面來看，試驗(yàn)結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。研究表明，通過選用合適的工藝參數(shù)，可應(yīng)用于大型S31603復(fù)合板球罐的異種鋼焊接，解決大型復(fù)合板球罐焊接技術(shù)問題，從而有效保障大型球罐的制造質(zhì)量。