馬元學(xué) 陳 濤 雒旭亮

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司)

隨著石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，低溫化工設(shè)備和壓力容器的應(yīng)用日益廣泛。我國以大型乙烯、合成氨和城市煤氣裝置中的低溫設(shè)備國產(chǎn)化為目的，對低溫鋼及其應(yīng)用技術(shù)列出了專門的研究開發(fā)項(xiàng)目，其中以含質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%Ni的3.5Ni鋼的應(yīng)用研究為首選重點(diǎn)項(xiàng)目[1]。3.5Ni鋼主要用于制造石油和空分制氧設(shè)備、煤化工以及合成氨設(shè)備中的甲醇洗滌塔、H2S濃縮塔及CO2塔等容器設(shè)備[2]。3.5Ni鋼最低使用溫度為-101℃，進(jìn)行夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)，沖擊吸收能應(yīng)滿足27J。它是按照ASME SA-203/SA-203M標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的一種低溫碳鋼，共分為A、B、D、E、F 5個等級，其中A、B等級的ω(Ni)=2.25% ，而D、E、F 3個等級的ω(Ni)=3.5% ，故將此鋼歸為3.5Ni鋼， D、E兩種等級的板材已成為化工低溫設(shè)備制造中最常用的材料，筆者主要對E級3.5Ni鋼進(jìn)行了研究。

就3.5Ni鋼的焊接性而言，其重點(diǎn)是如何保證焊接接頭的低溫韌性(-101℃)，而接頭韌性最薄弱環(huán)節(jié)一般在熱影響區(qū)和焊縫這兩個部位，在《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》Ⅱ卷材料A篇壓力容器用鎳合金鋼板SA-203中7.2.1條按5.1.1.1規(guī)定進(jìn)行熱處理的級別A、B、D、E的鋼板應(yīng)進(jìn)行夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)，沖擊吸收功應(yīng)滿足不低于27J的要求，為了改善和提高焊縫和熔合區(qū)的韌性，合理選用焊接材料，焊接規(guī)范和熱處理規(guī)范成為突破技術(shù)難點(diǎn)的關(guān)鍵。

1 焊接參數(shù)

張凱等通過一系列試驗(yàn)提出了3.5Ni鋼焊接工藝參數(shù)[3～5]。筆者參考焊材廠家推薦的焊接工藝參數(shù)并結(jié)合前期所做的3.5Ni鋼焊材試驗(yàn)確定了3.5Ni鋼焊材的焊接工藝參數(shù)，具體見表1。

表1 焊材焊接工藝參數(shù)

2 焊材選擇

對伯樂蒂森和沙福公司3.5Ni鋼焊材埋弧自動焊進(jìn)行了試驗(yàn)對比，共進(jìn)行了6次試驗(yàn)，結(jié)果見表2、3。

表2 伯樂蒂森公司焊材熔敷金屬-101℃沖擊功

表3 沙福公司焊材熔敷金屬-101℃沖擊功

試驗(yàn)結(jié)果顯示：兩家公司的電弧焊焊材的-101℃熔敷金屬低溫韌性沖擊功數(shù)值均能滿足要求，但伯樂蒂森公司的焊材-101℃熔敷金屬低溫韌性數(shù)值波動較大，對焊接參數(shù)敏感，不利于實(shí)際生產(chǎn)中使用；沙福公司提供的焊材試驗(yàn)結(jié)果相對穩(wěn)定，熱處理后數(shù)值明顯改善，因而選用沙福公司的3.5Ni焊材進(jìn)行試驗(yàn)。

3 熱處理工藝及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本次實(shí)驗(yàn)采用3種不同規(guī)范的熱處理工藝(表4)分別進(jìn)行[6～8]。

表4 不同熱處理工藝

制作130mm×240mm×20mm試板，在不同模擬退火狀態(tài)下進(jìn)行-101℃距焊縫不同位置處焊條電弧焊和埋弧自動焊低溫沖擊韌性試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出：

a. 在560±10℃×6h模擬退火狀態(tài)下焊條電弧焊試板距焊縫表面0.5～2.0mm處沖擊功平均值為110J，T/2處沖擊功平均值為149J，數(shù)值比較高；埋弧自動焊試板距焊縫表面0.5～2.0mm處沖擊功平均值為47J，T/2處沖擊功平均值為40J，數(shù)值比較低。

b. 在580±10℃×6h模擬退火狀態(tài)下焊條電弧焊試板距焊縫表面0.5～2.0mm處沖擊功平均值為97J，T/2處沖擊功平均值為103J，數(shù)值比較高；埋弧自動焊試板距焊縫表面0.5～2.0mm處沖擊功平均值為127J，T/2處沖擊功平均值為100J，數(shù)值都較高。

c. 在610±10℃×6h模擬退火狀態(tài)下焊條電弧焊試板距焊縫表面0.5～2.0mm處沖擊功平均值為133J，T/2處沖擊功平均值為122J，數(shù)值較高；埋弧自動焊試板距焊縫表面0.5～2.0mm處沖擊功平均值為75J，T/2處沖擊功平均值為108J，數(shù)值都較高。

在不同熱處理工藝條件下，焊條電弧焊與埋弧自動焊距焊縫表面0.5～2.0mm 處試件的-101℃低溫沖擊功隨熱處理溫度變化趨勢如圖1a所示，同樣，T/2處變化趨勢如1b所示。

圖1 試件-101℃沖擊功隨熱處理溫度變化趨勢

根據(jù)ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》Ⅷ卷第一冊壓力容器建造規(guī)則UCS-56焊后熱處理要求，3.5Ni鋼(屬于P-No.9B組1)的最低保溫溫度為595℃，制造廠在無法保證此溫度時，最低可在540℃。

4 3.5Ni鋼焊接工藝試驗(yàn)

結(jié)合熱處理工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將3.5Ni鋼試板熱處理工藝定為595±15℃×6h，冷卻方式為隨爐冷卻至400℃以下出爐空冷。焊接試驗(yàn)接頭如圖2所示。

圖2 焊接接頭簡圖

3.5Ni鋼焊條電弧焊焊接工藝參數(shù)見表5，焊縫化學(xué)成分見表6，沖擊性能見表7(試驗(yàn)溫度-101℃)，焊縫組織及硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表8。兩次接頭板拉伸試驗(yàn)平均Rm=545MPa，斷裂位置位于焊縫。

表5 焊接工藝參數(shù)

表6 焊縫化學(xué)成分 %

表7 沖擊性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

(續(xù)表7)

表8 焊縫組織及硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.5Ni鋼埋弧自動焊焊接工藝參數(shù)見表9，焊縫化學(xué)成分見表10，沖擊性能見表11(試驗(yàn)溫度-101℃)，焊縫組織及硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表12。兩次接頭板拉伸試驗(yàn)平均Rm=542.5MPa，斷裂位置位于母材。

仔細(xì)分析表5～12中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)可以得出：

a. 3.5Ni鋼化學(xué)成分滿足《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》Ⅱ卷材料A篇壓力容器用鎳合金鋼板SA-203中對于3.5Ni鋼化學(xué)成分要求。

b. 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿足《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》Ⅱ卷材料A篇壓力容器用鎳合金鋼板SA-203中Rm=485～620MPa的要求。

表9 焊接工藝參數(shù)

表10 焊縫化學(xué)成分 %

表11 沖擊性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表12 焊縫組織及硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

c. 4件側(cè)彎試驗(yàn)(a=10mm，d=4a，α=180°)結(jié)果均合格。

d. -101℃低溫沖擊功滿足《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》Ⅱ卷材料A篇壓力容器用鎳合金鋼板SA-203中3.5Ni鋼-101℃夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)沖擊功平均值應(yīng)不低于27J的要求，且余量空間較大。

e. 硬度檢測數(shù)據(jù)滿足《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》低合金鋼HV10不高于245的要求。

f. 3.5Ni鋼為鐵素體型低溫鋼，顯微組織為鐵素體加少量珠光體，而索氏體屬于珠光體類型的組織，但其組織比珠光體細(xì)，故金相組織符合3.5Ni鋼金相組織要求。

5 結(jié)束語

選用沙福公司3.5Ni焊材，埋弧自動焊采用焊絲牌號OE-S2Ni3,焊絲直徑φ3.2mm，焊劑牌號OP 121TT/W；焊條電弧焊采用焊條牌號為OE-CRY087，焊條直徑φ4.0mm。對應(yīng)采用表1所列各項(xiàng)焊接參數(shù)，選擇熱處理工藝595±15℃×6h，可保證3.5Ni鋼焊接接頭性能各項(xiàng)數(shù)據(jù)滿足《ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范》的要求。

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