大型壓力容器制造用09MnNiDR低溫鋼的焊接工藝評定

楊曉冬，趙鈺，樊志勤，梁雁斌

(太原重工股份有限公司，山西太原030024)

0 前言

近年來，一些大型、低溫、深冷容器在石油煉化行業(yè)得到普遍應(yīng)用，低溫鋼在大型壓力容器制造中的焊接加工問題日益增多。09MnNiDR是一種低溫壓力容器用鋼，其主要化學(xué)成分為(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)):ω(C)≤0.12%，ω(Si)=0.15% ～0.50%，ω(Mn)=1.20% ～1.60%，ω(Ni)=0.30% ～0.80%。09MnNiDR 與16MnDR比較，具有更優(yōu)異的低溫韌性，由于添加了鎳元素，09MnNiDR鋼在－70℃低溫條件下，仍能保持相當(dāng)高的強(qiáng)度和韌性。這種鋼可用于制造低溫、深冷壓力容器，例如CO2吸收塔、脫乙烷塔、中壓閃蒸塔、冷卻器、再吸收塔、丙烷低溫儲罐、甲醇深冷器、粗煤氣深冷器及粗煤氣脫硫塔等設(shè)備。

在焊接性分析基礎(chǔ)上，對09MnNiDR鋼的典型焊接接頭進(jìn)行了焊接工藝評定，并用于實(shí)際生產(chǎn)中。

1 09MnNiDR鋼的焊接性分析

對實(shí)際生產(chǎn)用09MnNiDR鋼板進(jìn)行化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測試，并與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值進(jìn)行比較，分析與測試結(jié)果分別見表1和表2。

由表1可見，09MnNiDR鋼板中鎳、錳、硅等合金元素的含量均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值內(nèi)，而碳、硫、磷等元素含量都遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值上限，這表明該鋼材的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。從表2可知，09MnNiDR鋼板的力學(xué)性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其中低溫沖擊韌性及斷后伸長率遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小值，可以有效地確保鋼板在使用溫度下具有足夠的韌性，即抗低溫脆性破壞能力。

表1 09MnNiDR鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

Si Mn S P Ni Nb Al GB3531—2014 ≤0.12 0.15 ～0.50 1.20～1.60 ≤0.008 ≤0.020 0.30～0.80 ≤0.04 ≥數(shù)據(jù)來源C 0.020實(shí)測值0.080 0.31 1.47 0.003 0.008 0.54 0.02 0.029

表2 09MnNiDR鋼板的力學(xué)性能

/J GB3531—2014 20 +NT 430～560 ≥280 ≥23 合格 ≥60數(shù)據(jù)來源板厚δ/mm供貨條件抗拉強(qiáng)度Rm/MPa屈服強(qiáng)度ReL/MPa斷后伸長率A(%)彎曲試驗(yàn)(D=40 mm，α =180°)沖擊吸收能量KV2(－70℃)實(shí)測值 20 +NT 490 390 36 合格?124，134，163(平均值140)

09MnNiDR鋼板的金相組織為鐵素體加少量珠光體，根據(jù)09MnNiDR鋼板的實(shí)測化學(xué)成分，按照CEIIW=ω(C) +1/6ω(Mn) +1/5ω(Cr)+1/5ω(Mo) +1/5ω(V)+1/15ω(Cu)+1/15ω(Ni)碳當(dāng)量計算公式，得到使用09MnNiDR鋼板的CEIIW=0.365 wt.%≤0.40 wt.%，焊接時淬硬傾向較小，不易產(chǎn)生冷裂紋，鋼板厚度為20 mm時通常無需預(yù)熱。同時，09MnNiDR鋼板的合金元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為2.42%，遠(yuǎn)低于5%，而且C，Ni含量低，S，P等有害元素控制較嚴(yán)，熱裂紋敏感性也很低。從焊接裂紋傾向分析，09MnNiDR鋼板的焊接性良好。因此，正確選擇焊接材料、采用合適的焊接工藝及參數(shù)，并配合焊后熱處理，防止焊接接頭組織粗化，確保焊縫金屬和熱影響區(qū)的低溫韌性是焊接技術(shù)關(guān)鍵。

2 09MnNiDR鋼焊接工藝規(guī)程的主要內(nèi)容

針對低溫、深冷容器設(shè)備CO2吸收塔中的典型焊接接頭進(jìn)行焊接工藝評定。CO2吸收塔主體焊接構(gòu)件直徑2 400 mm，總長度69 270 mm，采用的主要鋼材為09MnNiDR，厚度多為20 mm。制定的焊接工藝規(guī)程中，焊接接頭形式及尺寸見圖1，其它焊接工藝規(guī)程主要內(nèi)容有:(1)焊接材料為HS09MnNiDR(φ1.2 mm)低溫鋼實(shí)心焊絲;(2)采用半自動(或自動)熔化極富氬氣體保護(hù)(MAG)焊接方法，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2混合氣，保護(hù)氣流量為15～18 L/min;(3)由于試板厚度為20 mm，需要進(jìn)行多道多層焊接如圖2，并注意封底焊道不出現(xiàn)熔合不良、氣孔等焊接缺陷;(4)所有焊接接頭進(jìn)行百分之百X射線探傷;(5)焊后退火熱處理參數(shù)為(560℃ ±10℃)×1.5 h。

CO2吸收塔屬于薄板細(xì)長焊接結(jié)構(gòu)件，常采用全位置焊接，焊接工作量相對較少，但其焊縫質(zhì)量要求高

圖1 試板尺寸及接頭形式

圖2 焊接接頭焊道分布圖

(全部焊縫要求X射線探傷檢查)。MAG焊具有焊接質(zhì)量好，工藝性能優(yōu)良、生產(chǎn)效率高及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，從提高生產(chǎn)效率和確保焊縫質(zhì)量的觀點(diǎn)出發(fā)，決定選用MAG焊方法制造CO2吸收塔主體焊接構(gòu)件。主要焊接工藝參數(shù)見表3，表3中的焊接電流為平均電流值，脈沖與基值電流選用焊接電源中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值。焊接工藝規(guī)程中規(guī)定，焊接接頭封底焊縫使用硬脈沖模式，填充和蓋面焊縫采用中脈沖模式。

表3 焊接參數(shù)

焊接電流I/A 焊接電壓U/V 極性 數(shù)值焊接速度v/(cm·min－1)熱輸入E/(kJ·cm－1)道間溫度T2/℃直流反接 230～240 23～24 22～26 10～11 ≤120

3 焊接工藝評定

焊接工藝評定是保證焊接質(zhì)量的重要措施，可以檢查對各類焊接接頭編制的焊接工藝指導(dǎo)書的正確性和合理性。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)“鋼、鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗(yàn)”(GB/T19869.1—2005)［1］及國際標(biāo)準(zhǔn)“金屬材料焊接程序的規(guī)范和鑒定.焊接程序試驗(yàn)。第1部分:鋼的弧焊和氣焊以及鎳和鎳合金的弧焊”(ISO15614-1-2004)［2］及“承壓設(shè)備焊接工藝評定(NB/T47014—2011)［3］”，使用 09MnNiDR 低溫鋼進(jìn)行焊接生產(chǎn)前，首先要對擬訂的焊接工藝規(guī)程進(jìn)行焊接工藝評定，主要內(nèi)容有:母材與焊材的質(zhì)量檢驗(yàn);焊接方法及工藝參數(shù)的合理性;焊接缺陷檢驗(yàn);焊接接頭使用性能檢測;主要焊接工藝措施驗(yàn)證等。

3.1 母材與焊材質(zhì)檢

從國內(nèi)某大型鋼廠按GB3531—2014［4］標(biāo)準(zhǔn)提供的09MnNiDR(δ=20 mm)一批低溫鋼板中，隨機(jī)抽取一張進(jìn)行化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測試，其檢測數(shù)據(jù)見表1和表2，該鋼材的化學(xué)成分和力學(xué)性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

對國內(nèi)某品牌焊材公司提供的HS09MnNiDR(φ1.2 mm)低溫鋼實(shí)心焊絲，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(Q/HWE520—2005)分別進(jìn)行化學(xué)成分分析和熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn)，測試結(jié)果見表4和表5。

表4 焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

Mn Si S P Ni Cu焊絲說明書 ≤0.12 ≤1.20 ≤0.80 ≤0.010 ≤0.015 ≥2.50 ≤數(shù)據(jù)來源C 0.35實(shí)測值0.043 0.99 0.41 0.001 4 0.003 7 3.49 0.035

表5 焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

/J焊絲說明書 620℃ ×1.5 h 450～620 ≥280 ≥22 ≥數(shù)據(jù)來源 焊后退火熱處理工藝抗拉強(qiáng)度Rm/MPa屈服強(qiáng)度ReL/MPa斷后伸長率A(%)沖擊吸收能量KV2(－70℃)27實(shí)測值 620 ℃ ×1.5 h 565 432 26 110，112，115

從表4及表5實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出，HS09MnNiDR低溫鋼焊絲的錳、硅及鎳等合金元素含量均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值內(nèi)，而碳、硫、磷等有害元素含量控制嚴(yán)格，焊絲化學(xué)成分符合要求。焊絲熔敷金屬強(qiáng)度適中，塑韌性良好，－70℃低溫沖擊韌性值接近母材水平，焊材質(zhì)量合格。

3.2 焊接方法、工藝參數(shù)及焊接缺陷控制

在擬訂的焊接工藝規(guī)程中，對圖1焊接接頭的全位置焊縫采用多層半自動熔化極富氬氣體保護(hù)(MAG)焊接方法，這種焊接方法焊工易于操控，利于保證焊接質(zhì)量。但是，由于CO2吸收塔主體焊接構(gòu)件尺寸大，焊接電源與焊接位置距離較遠(yuǎn)，對電源與送絲機(jī)的性能及連續(xù)工作穩(wěn)定性有很高要求。

多年焊接實(shí)踐表明，焊接電源與送絲機(jī)系統(tǒng)的性能對保證焊接質(zhì)量非常重要，而焊接產(chǎn)品性能指標(biāo)的提高也促進(jìn)了焊接系統(tǒng)的發(fā)展。例如，焊接09MnNiDR低溫鋼板，要求使用CO2/MAG焊機(jī)，早期為YD-500KR一元化調(diào)節(jié)機(jī)型，后來為YD-500GR全數(shù)字機(jī)型。近年來推出YD-500FR及YD-500ER數(shù)字逆變機(jī)型，施焊時只需調(diào)節(jié)焊接電流按鈕，便可獲得與之相匹配的焊接電壓參數(shù)和電弧控制參數(shù)，而且與其配套的送絲系統(tǒng)采用了IVF專利技術(shù)，送絲力強(qiáng)勁且穩(wěn)定性好，即使在40 m延長電纜的特殊情況下，仍能確保送絲的穩(wěn)定性，比較適合CO2吸收塔這種大型焊接構(gòu)件的生產(chǎn)。但是，分別使用 YD-500KR和 YD-500FR機(jī)型進(jìn)行09MnNiDR低溫鋼焊接工藝評定時，焊后做試板X射線探傷檢查發(fā)現(xiàn)，在焊縫中間部位發(fā)現(xiàn)大量斷續(xù)點(diǎn)狀小氣孔，使得焊接質(zhì)量達(dá)不到技術(shù)要求。

焊縫氣孔主要取決于熔池凝固速度和氣體逸出速度的快慢，當(dāng)熔池凝固速度高于氣體逸出速度時，利于產(chǎn)生焊縫氣孔，反之可避免氣孔形成。采用的低溫鋼焊絲含鎳量高達(dá)3.49 wt.%，焊接過程中熔池金屬粘性

較大、流動性差，會遲滯氣體逸出速度，導(dǎo)致焊縫氣孔。

考慮到脈沖電流對熔池有攪拌作用，可提高氣體逸出速度，有利于防止氣孔等缺陷。經(jīng)與弧焊電源供應(yīng)商討論研究，采用帶有軟、中、硬三種脈沖模式的 YD-400GE型全數(shù)字控制電源，在焊接工藝評定中，分別調(diào)節(jié)焊接接頭封底、填充和蓋面焊道的脈沖模式，不僅獲

得了成型良好的焊接接頭，而且X射線探傷檢查表明，焊接試板完全符合技術(shù)要求，解決了因氣孔問題造成焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的問題。

3.3 焊接接頭焊后熱處理、金相檢查及使用性能檢測

焊接工藝評定試板焊接完成，進(jìn)行表面清理后，首先按國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“承壓設(shè)備無損檢測，第2部分:射線檢測”(JB/T4730.2—2005)［3］進(jìn)行 X 射線探傷，檢測結(jié)果為Ⅰ級焊縫。然后，按照焊接工藝規(guī)程對試板進(jìn)行(560℃ ±10℃)×1.5 h退火熱處理，退火工藝曲線見圖3，冷卻至室溫后，將試板進(jìn)行機(jī)械加工，做金相檢查和接頭力學(xué)性能試驗(yàn)。

圖3 焊接工藝評定試板焊后退火熱處理工藝曲線

根據(jù)“金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn)——焊縫的宏觀和顯微金相檢查”(EN1321)［2］對焊接接頭進(jìn)行低倍金相檢查。經(jīng)磨平、拋光、熱酸浸蝕制備的焊接接頭低倍金相照片見圖4，兩側(cè)母材腐蝕較深，中間焊縫金屬因含鎳量高腐蝕較淺。觀察接頭未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、未焊透、氣孔等焊接缺陷，余高合適，表明焊接接頭成形良好。

圖4 焊接接頭低倍金相照片

根據(jù)“焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法(GB/T228.1—2010)［3］、焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法(GB/T232—2010)［3］和焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法(GB/T229—2007)［3］”對焊接接頭進(jìn)行板狀拉伸與彎曲試樣、焊縫和熱影響區(qū)金屬“V”形缺口沖擊試樣的取樣、加工及試驗(yàn)。焊接接頭的拉伸、彎曲及低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果列于表6中。根據(jù)測試結(jié)果，2個焊接接頭拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度均為505 MPa，達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)對09MnNiDR母材的抗拉強(qiáng)度要求;4個彎曲試樣均合格;－70℃沖擊條件下，焊縫和熱影響區(qū)金屬沖擊試樣均達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)對09MnNiDR母材的抗拉強(qiáng)度要求。但是，因?yàn)楹缚p金屬為較粗大的鑄造組織，韌性差一些，而熱影響區(qū)金屬由于經(jīng)過焊接中和焊后的兩次熱處理，韌性比母材有所增加。

表6 焊接接頭力學(xué)性能檢測結(jié)果

抗拉強(qiáng)度Rm/MPa沖擊吸收能量KV2(－70℃)熱影響區(qū) 焊縫側(cè)彎試驗(yàn)(彎軸直徑D=40)(彎曲角度α=180°)505，505 4 件合格 165，172，173 99，100，/J 101

從上述主要焊接工藝評定結(jié)果來看，母材與焊材質(zhì)量檢驗(yàn)、焊接方法及電源的選擇、不同焊道的焊接工藝參數(shù)調(diào)整、焊接接頭無損探傷、接頭金相檢查及使用性能等測試指標(biāo)均達(dá)到了焊接質(zhì)量要求，對焊接工藝規(guī)程修訂后，可以編制CO2吸收塔用09MnNiDR鋼板的焊接工藝指導(dǎo)書，并用于實(shí)際生產(chǎn)中。

4 生產(chǎn)應(yīng)用

CO2吸收塔設(shè)計壓力為4.0 MPa，設(shè)計溫度為－70℃;工作壓力為3.4 MPa，工作溫度為－27～－62℃。CO2吸收塔產(chǎn)品分為上部、中部、下部以及裙座四部分，均采用09MnNiDR低溫鋼母材拼焊成型。這四部分分別進(jìn)行裝配焊接后，進(jìn)行X射線探傷，對局部不合格位置返修，再次X射線探傷合格后，進(jìn)行退火熱處理消除焊接應(yīng)力。最后將吸收塔四部分部件進(jìn)行總裝焊接，對總裝焊接接頭做X射線探傷檢查，結(jié)果完全滿足產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5 結(jié)論

(1)對采用09MnNiDR低溫鋼板制造CO2吸收塔的焊接工藝規(guī)程進(jìn)行了焊接工藝評定。

(2)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 wt.%，焊接性良好。正確選擇焊材和合適的焊接工藝及參數(shù)，防止焊接接頭組織粗化，并配合焊后熱處理改善接頭低溫韌性是焊接技術(shù)關(guān)鍵。

(3)對焊接方法及工藝參數(shù)進(jìn)行評定時發(fā)現(xiàn)，采用多層半自動熔化極富氬氣體保護(hù)焊接方法進(jìn)行全位置焊接，使用功能較完善的全數(shù)字控制電源，對封底、填充和蓋面焊道采用不同的脈沖模式進(jìn)行焊接，可有效防止焊縫氣孔等缺陷。

(4)將成形良好、無缺陷的焊接接頭進(jìn)行(560℃±10℃)×1.5 h退火熱處理后，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取樣測試，焊接接頭力學(xué)性能指標(biāo)均合格。

(5)將焊接工藝評定結(jié)果對焊接工藝規(guī)程進(jìn)行補(bǔ)充修訂，編制了CO2吸收塔用09MnNiDR鋼板的焊接工藝指導(dǎo)書，得到了滿足產(chǎn)品焊接技術(shù)要求的吸收塔部件和總成。

參考文獻(xiàn)

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［3］ 國家能源局.NB/T47014－2011，承壓設(shè)備焊接工藝評定［S］.北京:新華出版社，2011:10.

［4］ 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB3531－2014，低溫壓力容器用鋼板［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015:4.

收稿日期:2017－02－13

楊曉冬簡介:1971年出生，本科學(xué)歷，工程師;從事焊接工藝、生產(chǎn)及管理工作23年;發(fā)表學(xué)術(shù)論文3篇。