13MnNiMoR鋼大直徑封頭拼縫的組織及性能研究

孔凡紅， 劉寶劍， 王天先， 郭 俊

青島蘭石重型機械設(shè)備有限公司，山東 青島 266426

0 引言

水煤漿氣化技術(shù)是以煤與添加劑為原料在一定條件下生成CO 和H2合成氣的煤化工技術(shù)，可最大程度實現(xiàn)煤及焦炭等燃料的清潔、高效利用，更能適應(yīng)當(dāng)今社會對經(jīng)濟效益與環(huán)境保護(hù)的要求［1-3］。水洗塔作為凈化合成氣的最后一步，是氣化框架中非常重要的設(shè)備。13MnNiMoR材料是制造水洗塔的常用材料，隨著煤化工行業(yè)的發(fā)展，水煤漿氣化技術(shù)產(chǎn)量逐年升高，水洗塔設(shè)備的直徑越來越大，受國內(nèi)鋼板寬度的限制，大直徑容器封頭通常采用先拼焊后整體熱成形的制造技術(shù)，因此對13MnNi-MoR鋼大直徑封頭拼縫的性能研究勢在必行［4-5］。

目前針對13MnNiMoR封頭鋼板的研究成果較多，但是針對焊接接頭的成果較少，因13MnNiMoR鋼板強度高，若制造過程中焊接、熱處理工藝不合理將導(dǎo)致材料沖擊韌性下降。為了同時保證焊接接頭的強度和韌性，需要針對該材料的特殊性匹配不同的焊材進(jìn)行一系列試驗。

本文通過采用不同的材料進(jìn)行焊接試驗，并對焊接試件模擬熱成形、恢復(fù)性能熱處理以及最終焊后熱處理后的各項性能進(jìn)行對比，確定了13MnNi-MoR材料封頭拼縫焊接的最優(yōu)焊接及熱處理工藝，并在某公司承制的氣化框架水洗塔上進(jìn)行應(yīng)用。

1 試驗材料及方法

試驗采用埋弧焊。試驗?zāi)覆臑楹穸?2 mm 的13MnNiMoR鋼板，交貨狀態(tài)為正火（加速冷卻）+回火，金相組織為鐵素體+珠光體+回火貝氏體；焊材分別選用H08Mn2MoA+SJ101 和H09MnNiMoG+SJ16G，焊絲直徑4.0 mm。母材及焊材熔敷金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表1～表4所示。

表1 13MnNiMoR鋼板化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of 13MnNiMoR steel （wt.%）

表2 13MnNiMoR鋼板力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of 13MnNiMoR steel

表3 焊材熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Chemical composition of undiluted weld metal of welding materials （wt.%）

表4 焊材熔敷金屬力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of undiluted weld metal of welding materials

2 焊接試驗

2.1 試件焊接

兩對試件分別編號為A和B，按圖1所示氣割坡口后，打磨去除坡口表面的淬硬層（約3～5 mm）［6-7］，兩對試件同時焊接，焊接工藝參數(shù)如表5所示。

圖1 試件坡口Fig.1 Schematic diagram of weld joint groove

表5 焊接工藝參數(shù)Table 5 Welding process parameters

2.2 模擬焊后熱處理

試件焊后按NB/T47013.3 100%UT 檢測合格后，模擬封頭所經(jīng)受的熱處理過程，包括熱成形、恢復(fù)性能熱處理及最終焊后熱處理等。熱處理工藝參數(shù)見表6。

表6 熱處理工藝參數(shù)Table 6 Heat treatment process parameters

2.3 試件的理化試驗結(jié)果

2.3.1 化學(xué)成分分析

采用火花放電原子發(fā)射光譜法對熔敷金屬進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果見表7。兩對試件焊縫區(qū)的化學(xué)成分與13MnNiMoR 鋼的成分相近，但試件B 相較于試件A， Mn、Cr、Ni、Mo 等元素含量稍高、C、Si等元素含量稍低。其中Cr、Mo元素能顯著提高鋼的熱強性，Mn主要起固溶強化作用，Ni的添加可細(xì)化晶粒、提高沖擊韌性、提高淬透性，Mo 的添加可使過冷奧氏體更穩(wěn)定、并提高鋼的淬透性及抗回火性［8-9］。

表7 熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 7 Chemical composition of weld metal （wt.%）

2.3.2 力學(xué)性能試驗

兩對焊接試件經(jīng)過模擬熱成形、恢復(fù)性能熱處理后，分別模擬Max.PWHT及Min.PWHT后進(jìn)行力學(xué)性能檢測，并采用圖表法進(jìn)行對比，焊接接頭橫向拉伸試驗結(jié)果見圖2，焊縫區(qū)的-20 ℃沖擊韌性試驗結(jié)果見圖3，試件熔敷金屬縱向室溫拉伸及400 ℃下的高溫拉伸試驗結(jié)果見圖4。

圖2 試件焊接接頭的橫向拉伸試驗結(jié)果Fig.2 Transverse tensile test results of welded joints

圖3 焊縫區(qū)-20 ℃沖擊試驗結(jié)果Fig.3 Impact test results of weld metal at -20 ℃

圖4 試件熔敷金屬縱向拉伸試驗結(jié)果Fig.4 Longitudinal tensile test results of weld metal

從圖中可以看出，試件A 室溫焊接接頭及熔敷金屬的拉伸試驗結(jié)果不能滿足13MnNiMoR材料的最低要求，試件B的綜合力學(xué)性能結(jié)果較好、富余量較大；兩對試件焊縫區(qū)-20 ℃夏比V 型缺口沖擊韌性試驗結(jié)果均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且富余量較大。拉伸試驗結(jié)果與化學(xué)成分顯示的結(jié)果相呼應(yīng)，試件B的焊接接頭及焊縫區(qū)的強度要優(yōu)于試件A。

2.3.3 金相檢驗

對試件A、B 進(jìn)行宏觀金相檢驗。兩對試件沿橫向切取的各一件焊接接頭試樣經(jīng)8%硝酸酒精溶液室溫腐蝕20 min 后，在20 倍放大鏡下觀察，受檢面未出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣、未熔合和未焊透等焊接缺欠。

對試件A、B 的焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行微觀金相檢驗。試驗結(jié)果顯示，兩對試件焊縫區(qū)的組織均為索氏體+鐵素體，其中試件B 中索氏體含量占比更高，且晶粒相對試件A 更細(xì)小，索氏體含量的增加可提高焊縫的強度和沖擊韌性［10-11］，兩對試件熱影響區(qū)的金相組織均為索氏體+鐵素體。其金相照片和金相組織見表8。

表8 微觀金相組織及宏、微觀金相照片Table 8 Micro-microstructure and macro- and micro-metallographic photographs

2.4 在某項目氣化框架水洗塔上應(yīng)用

上述試驗結(jié)果顯示，13MnNiMoR 鋼板經(jīng)模擬熱成形、恢復(fù)性能及Max. PWHT、Min. PWHT后，采用H09MnNiMoG 焊絲匹配SJ16G 焊劑所獲接頭的熔敷金屬性能更佳，且相較于標(biāo)準(zhǔn)要求值，富余量較大，說明所擬定的焊接工藝和熱處理工藝可行。

因此，某項目氣化框架水洗塔的大直徑封頭拼縫基層選用H09MnNiMoG 焊絲匹配SJ16G 焊劑進(jìn)行焊接，由圖5的封頭焊接照片可以看出，該焊材焊接工藝性及抗裂性較好，焊縫成形美觀。對封頭按照擬定的焊接工藝進(jìn)行封頭的熱成形及恢復(fù)性能熱處理，封頭拼縫焊接接頭試件的各項理化性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件的要求，且富余量較大。

圖5 氣化框架水洗塔封頭板拼縫焊接Fig.5 Spliced joint of washing tower head of gasification frame finished welding

3 結(jié)論

（1）采用H08Mn2MoA 焊絲匹配SJ101 焊劑焊接的13MnNiMoR鋼板試件，模擬相應(yīng)的熱處理后，沖擊韌性較好，但是焊接接頭及熔敷金屬的拉伸性能較低，不滿足標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件要求，焊縫區(qū)組織為索氏體+鐵素體，晶粒粗大。

（2）采用H09MnNiMoG焊絲匹配SJ16G焊劑焊接的13MnNiMoR 鋼板試件，焊縫區(qū)化學(xué)成分Mn、Ni、Mo 等元素更高，模擬相應(yīng)的熱處理后，各項力學(xué)性能、沖擊韌性較好，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件要求且富余量較大，焊縫區(qū)組織為索氏體+少量鐵素體，晶粒細(xì)小。

（3）在氣化框架水洗塔封頭板拼縫上進(jìn)行應(yīng)用焊接，H09MnNiMoG焊絲匹配SJ16G焊劑的焊接工藝性優(yōu)良，焊縫成形美觀，所帶焊接接頭試件的各項性能優(yōu)良，均滿足標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件要求。

綜上，13MnNiMoR 鋼大直徑封頭板拼縫焊接應(yīng)選用H09MnNiMoG 焊絲+SJ16G 焊劑，按照擬定的焊接工藝及熱處理工藝可得到性能優(yōu)良的封頭拼縫。