王傳標(biāo)，王安軍

(合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230088)

07MnNiMoVDR鋼制2000m3丙烯球罐冬季焊接施工的難點(diǎn)與應(yīng)對(duì)措施

王傳標(biāo)，王安軍

(合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230088)

采用高強(qiáng)鋼07MnNiMoVDR用于建造2 000 m3丙烯低溫球罐。由于高強(qiáng)鋼07MnNiMoVDR在冬季焊接施工比較復(fù)雜，必須采取有效的防護(hù)措施。為確保焊接質(zhì)量，針對(duì)國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼07MnNiMoVDR焊接特性以及冬季焊接施工的難點(diǎn)，采取了焊前預(yù)熱、焊接線(xiàn)能量控制、層間溫度控制、焊后消氫熱處理和焊接關(guān)鍵點(diǎn)等措施，有效保證了球罐的冬季焊接施工質(zhì)量，成功建造出2000m3丙烯低溫球罐。為以后該鋼種冬季焊接施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

07MnNiMoVDR；丙烯球罐；冬季焊接施工

0 前言

天津石化100萬(wàn)噸／年乙烯及配套項(xiàng)目是國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)工程，其中有六臺(tái)丙烯球罐，主要參數(shù)為：赤道帶切向柱式支承，十支柱三帶混合式結(jié)構(gòu)，單臺(tái)球罐共34塊球殼板。其公稱(chēng)體積2 000 m3，內(nèi)徑15 700 mm，設(shè)計(jì)壓力2.16 MPa，設(shè)計(jì)溫度-45℃，殼體材質(zhì)07MnNiMoVDR(B610CF-L2)，壁厚48 mm。工程工期為2008年3月10日至2009年2月28日，工期比較緊張，球罐的焊接施工過(guò)程將跨越整個(gè)冬季。天津大港地區(qū)冬季日平均氣溫低于5℃，最低氣溫低于0℃，施工現(xiàn)場(chǎng)靠近海邊，冬季濕度大，風(fēng)速較大。同時(shí)這也是國(guó)產(chǎn)化07MnNiMoVDR高強(qiáng)鋼第一次大規(guī)模應(yīng)用于2 000 m3丙烯球罐，高強(qiáng)鋼07MnNiMoVD對(duì)焊接溫度要求非常嚴(yán)格，加大了焊接施工的難度。在此通過(guò)分析07MnNiMoVDR鋼材的焊接性能和現(xiàn)場(chǎng)冬季焊接的難點(diǎn)，從預(yù)熱、焊接工藝參數(shù)、焊后消氫熱處理以及焊接關(guān)鍵點(diǎn)等環(huán)節(jié)采取必要的應(yīng)對(duì)措施，并針對(duì)焊接裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，提出了預(yù)防07MnNiMoVDR鋼裂紋產(chǎn)生的控制技術(shù)措施，保證了國(guó)產(chǎn)07MnNiMoVDR鋼制2000m3丙烯球罐冬季焊接施工的質(zhì)量。

107 MnNiMoVDR鋼板焊接特性分析

07MnNiMoVDR鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)碳當(dāng)量(單位：%)計(jì)算公式[1]

以及冷裂紋敏感指數(shù)(單位：%)公式[1]

可得CE＝0.41%，Pcm＝0.26%。由07MnNiMoVDR鋼板的CE、Pcm，結(jié)合表1、表2可知，07MnNiMoVDR含碳量低，碳當(dāng)量和冷裂紋敏感指數(shù)都不高，淬硬傾向小，產(chǎn)生冷裂紋的傾向小，且強(qiáng)度高，韌性好，焊接性?xún)?yōu)良。但主體焊接施工是在寒冷的冬季，冬季焊接時(shí)由于接頭冷卻速度較快，焊接接頭更容易硬化，從而導(dǎo)致冷裂傾向增大；加之該鋼種合金成分的組成有一定的再熱裂紋傾向。因此焊接施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)是防止冷裂紋和再熱裂紋產(chǎn)生。

表107 MnNiMoVDR化學(xué)成分%

表207 MnNiMoVDR鋼板的力學(xué)性能

1.1 防止冷卻裂紋產(chǎn)生的應(yīng)對(duì)措施

冷裂紋產(chǎn)生的主要因素有擴(kuò)散氫含量、焊接拘束應(yīng)力和冷卻速度。因此防止冷卻裂紋的產(chǎn)生主要是降低擴(kuò)散氫含量、減小拘束應(yīng)力和適當(dāng)?shù)睦鋮s速度。

(1)降低擴(kuò)散氫含量主要措施為嚴(yán)格控制氫來(lái)源。選用與母材配套的低氫焊接材料，同時(shí)焊條還要能改善焊縫金屬塑性和韌性。結(jié)合07MnNiMoVDR的特性，選擇φ 4.0mm LB65焊條。對(duì)焊條按批進(jìn)行熔敷金屬擴(kuò)散氫含量復(fù)驗(yàn)；同時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行焊條的烘干、領(lǐng)用、發(fā)放、回收制度。

(2)焊接拘束應(yīng)力與板厚成正比[2]。采用48mm板厚07MnNiMoVDR鋼板，防止裂紋的措施非常必要。由于冬季環(huán)境溫度、溫差大，會(huì)加劇收縮變形，拘束應(yīng)力會(huì)增大，冷裂趨勢(shì)必增大。焊前預(yù)熱則是降低焊接接頭應(yīng)力的有效手段。

(3)冷卻速度不僅取決于焊接熱輸入和預(yù)熱溫度，還受到焊接層數(shù)和層間溫度的影響，因此確定合適的預(yù)熱溫度和有效的焊后熱處理等焊接工藝措施是降低焊接冷卻速度的關(guān)鍵所在。

因此，合理選擇焊接材料、預(yù)熱溫度、層間溫度以及有效的焊后熱處理是防止冬季焊接冷裂紋產(chǎn)生的有效措施。

1.2 從熱處理的溫度、檢測(cè)手段和焊接方法方面嚴(yán)格控制再熱裂紋

07MnCrMoVR鋼再熱裂紋敏感性試驗(yàn)結(jié)果表明：該鋼存在一定程度的再熱裂紋(SRC)敏感性，其敏感溫度為650℃，若將SR處理溫度降至580℃，則其面縮率和臨界斷裂應(yīng)力均大大提高，從而不會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋。本工程熱處理溫度為575℃±15℃，保溫3 h，經(jīng)焊接工藝評(píng)定后，滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)范要求。

按照GB12337規(guī)定，球罐在熱處理后和耐壓試驗(yàn)后可以不進(jìn)行表面磁粉檢測(cè)(包括全部或局部)，因此造成再熱裂紋檢驗(yàn)的失控，給長(zhǎng)周期安全生產(chǎn)帶來(lái)隱患。本工程在熱處理和水壓試驗(yàn)后焊道內(nèi)外分別進(jìn)行100%的表面磁粉檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋片。

針對(duì)σs≥490 MPa的高強(qiáng)鋼焊縫，由于缺口敏感性相應(yīng)較高，產(chǎn)生細(xì)長(zhǎng)型冷裂紋的趨勢(shì)也比較明顯，容易造成漏檢。因此壓力容器和壓力管道焊縫應(yīng)盡量采用X射線(xiàn)進(jìn)行透照檢測(cè)，確實(shí)因厚度、幾何尺寸所限或工作場(chǎng)地所限無(wú)法采用X射線(xiàn)源時(shí)，也可采用γ源進(jìn)行射線(xiàn)透照。此時(shí)應(yīng)盡可能采用高分辨率的膠片，但對(duì)于σb≥540 MPa的高強(qiáng)鋼焊縫，則必須采用高分辨率的膠片。本工程采用X射線(xiàn)源進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)，專(zhuān)門(mén)指派富有施工經(jīng)驗(yàn)的第三方進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)。

2 冬季焊接施工工藝實(shí)施難點(diǎn)以及控制措施

焊接是球罐組焊中的核心部分和特殊過(guò)程，尤其在冬季施工，焊接工藝措施的合理性是保障球罐焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

2.1 焊前預(yù)熱控制和防風(fēng)保護(hù)措施

球罐對(duì)接焊縫焊前預(yù)熱是在焊接側(cè)的背面采用火焰加熱。首先在預(yù)熱區(qū)一側(cè)安裝預(yù)熱器位置必須準(zhǔn)確。焊前預(yù)熱溫度大于等于125℃，且控制在180℃以下。加熱寬度為每側(cè)距焊縫中心200 mm范圍內(nèi)均勻預(yù)熱，預(yù)熱溫度的測(cè)量應(yīng)在距坡口邊緣不超過(guò)50 mm處采用紅外線(xiàn)測(cè)溫儀對(duì)稱(chēng)進(jìn)行，每段焊縫測(cè)量點(diǎn)數(shù)不應(yīng)少于四對(duì)。預(yù)熱布置如圖1所示。

圖1 焊前預(yù)熱

球罐在冬季焊接施工時(shí)必須采取防風(fēng)措施，防風(fēng)棚要結(jié)構(gòu)合理，牢固耐用，具有較好的密封性和保溫性，同時(shí)保證加熱器供給持續(xù)、穩(wěn)定的熱源，提高熱源的效率，如圖2所示。

圖2 防風(fēng)保溫棚的搭設(shè)

2.2 層間溫度的控制

為保證層間溫度，每層焊道焊接必須緊湊，在每層焊道焊接前，采取用紅外線(xiàn)測(cè)溫儀，實(shí)時(shí)跟蹤檢查，測(cè)量不少于四對(duì)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫點(diǎn)控制在125℃～180℃，層間溫度低于規(guī)范要求時(shí)，用預(yù)熱器加熱，保證滿(mǎn)足焊接施工要求。

2.3 焊接關(guān)鍵點(diǎn)的質(zhì)量控制

(1)對(duì)焊接順序的質(zhì)量控制及焊工施焊要求。

科學(xué)合理安排好球罐焊接順序和焊工配置，有利于減少焊接變形和殘余應(yīng)力。為了盡可能地減少殘余應(yīng)力，先焊接縱向焊縫，后焊接環(huán)向焊縫。所有焊縫外部全部焊完后，內(nèi)側(cè)碳弧氣刨清根、打磨，清除滲碳層，經(jīng)100%滲透檢測(cè)無(wú)缺陷后再進(jìn)行內(nèi)側(cè)小坡口焊接；極板的縱縫從中間向兩側(cè)焊。具體焊接順序如下：赤道帶縱縫→上、下極帶邊板縱縫→上極帶中心板縱縫→上、下極帶環(huán)縫→赤道帶上、下環(huán)縫→下極帶中心板周邊焊縫。

同時(shí)要求焊工對(duì)稱(chēng)、同時(shí)、同步、分段退步進(jìn)行焊接，最大限度的降低焊接變形殘余應(yīng)力。

(2)對(duì)焊縫的要求及質(zhì)量控制。

施焊時(shí)，所有焊縫第一層焊道均采取分段退焊法?？v縫分段退焊每段應(yīng)為300 mm，環(huán)焊縫退焊長(zhǎng)度應(yīng)為800 mm。采用薄層多道焊，每一層焊縫厚度不得超過(guò)3.5 mm，焊縫擺動(dòng)幅度不超過(guò)焊條直徑的4倍，建議從第四層開(kāi)始分道。為防止蓋面焊道出現(xiàn)裂紋以及產(chǎn)生淬硬組織，則需要在蓋面焊道上加焊一道回火焊道。

(3)對(duì)焊接線(xiàn)能量的質(zhì)量控制。

為使07MnNiMoVDR焊接接頭具有良好的低溫韌性，要求焊縫晶粒細(xì)小，組織致密，盡量使鋼材原有的熱處理效果不會(huì)受到較大損傷，因此必須嚴(yán)格控制線(xiàn)能量。根據(jù)工藝評(píng)定，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際焊接條件，平焊、立焊和仰焊要求焊接線(xiàn)能量在12～35 kJ／cm，橫焊要求焊接線(xiàn)能量在12～30 kJ／cm。

2.4 焊后消氫熱處理的控制

針對(duì)冷裂紋具有潛伏期的特點(diǎn)，球殼板對(duì)接焊縫焊后應(yīng)立即進(jìn)行后熱消氫處理，使得擴(kuò)散氫充分溢出，防止冷裂紋，同時(shí)后熱還能韌化熱影響區(qū)和焊縫組織，后熱溫度200℃～250℃，后熱保溫時(shí)間1 h。由于在冬季施工，加大了后熱的難度，在采取防風(fēng)棚的情況下，后熱溫度仍然很難保證，結(jié)合施工實(shí)際，現(xiàn)場(chǎng)采取雙面后熱，并加大測(cè)溫采點(diǎn)力度，每道焊縫不少于八對(duì)。

2.5 焊接產(chǎn)品試板的制作要求及測(cè)試結(jié)果

試板應(yīng)由施焊球罐的焊工采用與施焊球殼時(shí)相同的條件和相同的焊接工藝焊接。每臺(tái)球罐按施焊位置(橫焊、立焊和平焊+仰焊)各做一塊產(chǎn)品焊接試板。試板焊后其焊縫經(jīng)外觀檢查合格后，進(jìn)行100%射線(xiàn)或超聲波檢測(cè)以及100%磁粉檢測(cè)，其合格指標(biāo)應(yīng)與球殼對(duì)接焊縫一致。產(chǎn)品焊接試板對(duì)稱(chēng)地布置在球殼熱處理高溫區(qū)外側(cè)，并與球殼緊貼，與球罐一起進(jìn)行焊后整體熱處理。熱處理時(shí)，應(yīng)保證產(chǎn)品試板的溫度與球罐產(chǎn)品的溫度一致。產(chǎn)品試板測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 焊接產(chǎn)品試板的力學(xué)性能

低溫沖擊按照GB／T229-1994《金屬夏比沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3可知，橫焊的焊縫和熱影響區(qū)-50℃下V型沖擊功均值分別為88 J、184 J，立焊的焊縫和側(cè)熱影響區(qū)處為76 J、156 J，平仰焊的焊縫和側(cè)熱影響區(qū)處為94 J、 174 J，均滿(mǎn)足技術(shù)條件要求。

3 結(jié)論

通過(guò)07MnNiMoVDR鋼裂紋產(chǎn)生的控制技術(shù)措施，以及嚴(yán)格按照根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)冬季焊接的特點(diǎn)而制定的預(yù)熱、焊接工藝參數(shù)、焊后消氫熱處理等應(yīng)對(duì)措施，保證了國(guó)產(chǎn)07MnNiMoVDR鋼制2 000 m3丙烯球罐冬季焊接施工的質(zhì)量，產(chǎn)品試板機(jī)械性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)、技術(shù)規(guī)范要求，焊縫一次合格率達(dá)98%以上，為07MnNiMoVDR鋼制2 000 m3丙烯球罐冬季施工積累了經(jīng)驗(yàn)。產(chǎn)品已投入運(yùn)行一年多，運(yùn)行狀況良好，因此在球罐建造的過(guò)程中，只要精心制定施工應(yīng)對(duì)方案，嚴(yán)格按照焊接工藝及規(guī)范，就能夠建造出優(yōu)質(zhì)的國(guó)產(chǎn)低溫球罐。

[1]王傳標(biāo).15MnNiNbDR鋼制乙烯球罐組焊技術(shù)[J].電焊機(jī)，2010，40(2)：81-83.

[2]張 宇.100 000 m3原油儲(chǔ)罐罐壁板高強(qiáng)鋼12MnNiVR的冬季焊接施工[J].焊接技術(shù)，2010，39(1)：85-89.

Difficulties and its counter measures on the welding of 07MnNiMoVDR steel of 2 000 m3propylene spherical tank in winter

WANG Chuan-biao，WANG An-jun
(Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230088，China)

The 07MnNiMoVDR high-strength steel was applied the 2 000 m3propylene spherical tank.Welding of high-strength steel is relatively complicated in winter.So effective protection measures should be taken.Based on analyzing the welding performance of 07MnNiMoVDR Steel and difficulties，effective welding procedures and counter measures such as preheating，weld head input control，interpass temperature control，elimination of hydrogen heat treatmeat after wealding，key points of welding shall be taken.Propylene spherical tank was Successfully constructed in winter.It Proved the rationality of the project and accumulated some experience for the welding of the steel in the future.

07MnNiMoVDR；propylene spherical tank；welding procedures in winter

TG457.11

B

1001-2303(2011)12-0044-04

2011-07-08

王傳標(biāo)(1981—)，男，安徽太和人，碩士，主要從事壓力容器的焊接、制造、安裝、監(jiān)造等相關(guān)工作。