丙烷低溫球罐用07MnNiMoDR鋼手工焊條電弧焊焊接工藝及應(yīng)用

孫萬田

（中石化 第五建設(shè)有限公司，廣東 廣州 510145）

中石化第五建設(shè)有限公司承建的某丙烷低溫鋼球罐,材質(zhì) 07MnNiMoDR，公稱容積 2 000 m3，內(nèi)徑15.7 m，壁厚 34 mm，設(shè)計(jì)壓力1.77 MPa。該丙烷低溫球罐設(shè)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)安裝焊縫長度391 m，要求-50℃下的焊接接頭沖擊功不低于49 J，表面硬度不大于220 HB?；谏鲜銮闆r，擬采用國產(chǎn)焊接材料對(duì)球罐用材料07MnNiMoDR進(jìn)行焊接，在調(diào)研相關(guān)設(shè)備和材料焊接技術(shù)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了07MnNiMoDR手工焊條電弧焊焊接方法、焊接工藝試驗(yàn)以及焊接效果檢驗(yàn)檢測(cè)驗(yàn)證[1-8]。

1 07MnNiMoDR鋼焊接性能分析[1]

一般情況下，低合金低溫鋼07MnNiMoDR的碳當(dāng)量小于0.4%時(shí)，焊接淬硬傾向不大，材料開裂趨勢(shì)在可控范圍內(nèi)。當(dāng)材料厚度大于25 mm或焊接接頭的拘束度較大時(shí)，材料開裂傾向顯著增加?，F(xiàn)場(chǎng)母材厚度為34 mm，需要采取預(yù)熱措施減小焊接時(shí)的拘束應(yīng)力，從而將材料在焊接時(shí)發(fā)生開裂的風(fēng)險(xiǎn)降低至可控范圍內(nèi)[9]。此外，低合金低溫鋼中的Ni元素也會(huì)增加焊接接頭的熱裂傾向?？紤]到材料開裂風(fēng)險(xiǎn)，加之焊接材料中C、S及P元素的含量控制指標(biāo)比較嚴(yán)格，要求w（C）≤0.1%、w（S）≤0.01%、 w（P）≤0.012%，焊前應(yīng)將兩側(cè)母材預(yù)熱到100～150℃，同時(shí)優(yōu)化焊接工藝技術(shù)方案，以提高焊縫成型系數(shù)。

保證焊接接頭在低溫條件下能有較強(qiáng)的抗脆斷能力和沖擊韌性，確保設(shè)備在投產(chǎn)后的使用安全至關(guān)重要。在焊后消除應(yīng)力熱處理時(shí)，存在加熱溫度處于回火脆性敏感溫度區(qū)間 （450～550℃）的可能，這增加了析出脆性相，進(jìn)而使材料低溫韌性降低的風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)對(duì)焊后熱處理工藝進(jìn)行調(diào)整，以減少熱處理過程中溫度敏感區(qū)間的停留時(shí)間。此外，還應(yīng)對(duì)選擇的焊接材料和焊接工藝進(jìn)行性能匹配試驗(yàn)。

2 07MnNiMoDR鋼焊接技術(shù)準(zhǔn)備[10-11]

2.1 焊接方法選擇

焊接方法優(yōu)選手工焊條電弧焊(SMAW)。焊道的封底層、填充層及表面層均選用焊條電弧焊工藝。手工焊條電弧焊具有操作靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、設(shè)備簡(jiǎn)單、日常維護(hù)方便、操作時(shí)不需要復(fù)雜的輔助設(shè)備、不需要輔助防護(hù)氣體的特點(diǎn)，同時(shí)還具有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力，非常適合在現(xiàn)場(chǎng)的空曠場(chǎng)地進(jìn)行焊接作業(yè)。

2.2 焊接材料介紹

采用國內(nèi)某公司生產(chǎn)的E6215-N5M1P型焊條。該焊條為承壓設(shè)備專用焊條，藥皮為堿性，具有全放置操作焊接性能優(yōu)良、韌性高、電弧穩(wěn)定、焊縫成型美觀及焊渣易除等特點(diǎn)，其熔敷金屬具有良好的低溫沖擊韌性和抗裂性能。母材07MnNiMoDR及E6215-N5M1P型焊條主要化學(xué)成分見表1，符合 NB/T 47018.2—2017《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件》[12]中的要求。-50℃用07MnNiMoDR母材及E6215-N5M1P型焊條力學(xué)性能參數(shù)見表2，符合GB 12337—2014《鋼制球形儲(chǔ)罐》[13]要求。

表1 07MnNiMoDR母材及E6215-N5M1P型焊條主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 -50℃用07MnNiMoDR母材及E6215-N5M1P型焊條力學(xué)性能參數(shù)

3 手工焊條電弧焊工藝難點(diǎn)及其控制[11]

3.1 母材切割

在鋸床上進(jìn)行材料的冷切割下料。冷切割下料可有效避免母材兩側(cè)產(chǎn)生過熱層，減小材料組織變化給焊接時(shí)兩側(cè)熱影響區(qū)帶來的韌性下降。

3.2 坡口加工

根據(jù)母材厚度，在刨床上將母材端部加工成不對(duì)稱雙V型坡口，操作簡(jiǎn)便的同時(shí)可減少焊縫金屬填充量。母材坡口結(jié)構(gòu)及加工簡(jiǎn)圖見圖1。

圖1 母材坡口結(jié)構(gòu)及加工示圖

3.3 焊前處理

采用角向磨光機(jī)處理坡口及其兩側(cè)20 mm區(qū)域，清除油污、水分及其他有害雜質(zhì)，使露出金屬光澤。在胎具上進(jìn)行組對(duì)，控制錯(cuò)邊量小于1 mm。

定位焊預(yù)熱至120℃，采用火焰在母材坡口兩側(cè)150 mm區(qū)域內(nèi)均勻加熱，采用紅外線測(cè)溫槍對(duì)稱測(cè)量母材表面溫度。

定位焊工藝與根部焊道的正式焊接工藝相同，定位焊焊縫長度50 mm，間距300～500 mm,引弧點(diǎn)和熄弧點(diǎn)均在坡口內(nèi)進(jìn)行。

3.4 焊接

07MnNiMoDR試板厚34 mm，制定的焊道分布圖見圖2。試板的焊接方法為SMAW，各焊縫層的焊條型號(hào)均為E6215-N5M1P，焊接電源極性均為DC-,其他焊接工藝參數(shù)見表3。

圖2 母材試板焊道分布示圖

表3 34mm厚07MnNiMoDR試板SMAW焊接工藝參數(shù)

打底層時(shí)，采用焊條后退起弧，單側(cè)坡口焊接完成后，進(jìn)行背面碳弧氣刨清根。清根后，采用角向磨光機(jī)打磨去除滲碳層，將刨槽修整成U型，槽底半徑5 mm,長度方向的寬度一致。

焊條距離坡口1～2 mm，采用后退法起弧，以預(yù)防起弧處產(chǎn)生氣孔和夾渣。焊層間溫度不得低于預(yù)熱溫度，電弧壓低防止產(chǎn)生氣孔缺陷。焊條擺動(dòng)幅度小于等于3倍的焊芯直徑，以有效控制焊接熱輸入，防止母材晶粒長大帶來的接頭性能下降。電弧端部要一直處于氣、渣的聯(lián)合保護(hù)中，防止氧化產(chǎn)生雜質(zhì)。根據(jù)熔池的變化適當(dāng)調(diào)整焊條擺幅。施焊時(shí)，使焊條盡量與焊件垂直面成5°夾角，這樣不僅能控制好熔池大小，還能使電弧推力對(duì)熔池產(chǎn)生一定的攪拌作用，對(duì)防止合金元素偏析能起到積極作用。收弧時(shí)，應(yīng)注意填滿弧坑。

3.5 焊后熱處理[11,14]

材料熱處理溫度為（580±5）℃。熱處理時(shí)，400℃以下不用控制升溫速率，400℃以上升溫速率 75℃/h，升溫至 580℃后在（580±5）℃保持1.5 h，然后降溫，降溫速率控制為42℃/h，任意2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)之間的溫差小于120℃。材料在（580±5）℃的恒溫時(shí)間按照 GB 50094—2010《球形儲(chǔ)罐施工規(guī)范》[14]中相關(guān)規(guī)定計(jì)算。材料焊后熱處理曲線示意見圖3。

圖3 材料焊后熱處理曲線示圖

4 07MnNiMoDR鋼焊接效果檢驗(yàn)檢測(cè)與分析

4.1 外觀及無損檢測(cè)[15]

對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查，焊縫成型良好，與母材圓滑過渡，表面無裂紋、氣孔、夾渣及未熔合等缺陷。為防止產(chǎn)生焊縫延遲裂紋，將焊接試板放置36 h后進(jìn)行射線檢測(cè)，焊縫評(píng)定結(jié)果I級(jí)。

4.2 力學(xué)性能評(píng)價(jià)

制備拉伸試樣1和2，板厚均為34 mm，依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[16]進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。測(cè)得試樣1橫截面積 629.11 mm2，抗拉強(qiáng)度值為665 MPa，斷裂位置在焊縫。測(cè)得試樣2的橫截面積632.19 mm2，抗拉強(qiáng)度值為658 MPa，斷裂位置在焊縫。2件試樣的抗拉強(qiáng)度均大于被焊母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低值610 MPa，符合 NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[17]拉伸合格指標(biāo)的要求，焊縫強(qiáng)度滿足母材服役要求。

制備4件橫向側(cè)彎試樣，板厚均為10 mm，依據(jù) GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》[18]進(jìn)行橫向側(cè)彎試驗(yàn)。4個(gè)試樣的測(cè)試結(jié)果相同，壓頭直徑均為40 mm，彎曲角度均為180o，均為側(cè)彎未裂。4件橫向側(cè)彎試樣達(dá)到規(guī)定的彎曲角度，在焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)任何裂紋。符合NB/T 47014—2011中彎曲合格指標(biāo)的要求，焊縫韌性滿足母材服役要求。

4.3 沖擊性能評(píng)價(jià)

從焊縫區(qū)和熱影響區(qū)制取2組標(biāo)準(zhǔn)沖擊試板，規(guī)格10 mm×10 mm×55 mm，沖擊溫度 -50℃。依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》[19]，焊縫區(qū)測(cè)定3次沖擊功，結(jié)果分別為93.9、122、106 J。 熱影響區(qū)測(cè)定 3次沖擊功，結(jié)果分別為187、208、251 J。沖擊試驗(yàn)結(jié)果均大于49 J，符合NB/T 47014—2011中的沖擊合格指標(biāo)要求，焊縫低溫沖擊功能夠滿足母材服役要求。

4.4 硬度檢測(cè)評(píng)價(jià)

分別從母材區(qū)、焊縫區(qū)、熱影響區(qū)隨機(jī)各抽取5個(gè)焊接點(diǎn)位，依據(jù) GB/T 231.1—2009《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)》[20]進(jìn)行焊接接頭硬度檢測(cè)，結(jié)果見表4。由表4可以知道，焊接接頭硬度值滿足工藝文件要求的小于220 HB，未出現(xiàn)任何硬度超標(biāo)的現(xiàn)象，證明擬定的熱處理工藝具有指導(dǎo)性和可行性。

表4 07MnNiMoDR鋼焊接接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果 HB

5 結(jié)語

應(yīng)用文中焊接工藝，采用國產(chǎn)焊條對(duì)球罐用07MnNiMoDR進(jìn)行手工焊條電弧焊焊接是可行的。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)4臺(tái)低溫球罐進(jìn)行了累計(jì)長度1 564 m的焊縫焊接作業(yè)，焊縫無損檢測(cè)一次合格率達(dá)到99.78%。4臺(tái)低溫球罐投產(chǎn)前的罐體帶壓上水試驗(yàn)合格，氣體密性試驗(yàn)結(jié)果合格，投產(chǎn)后平穩(wěn)運(yùn)行。