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（合肥通用機械研究院安徽壓力容器與管道安全技術省級實驗室，安徽合肥230031）

0 前言

在國內(nèi)某MTO裝置中，大型乙烯球罐因其低溫、高壓，一直是設計、制造及安裝的重點和難點。國內(nèi)部分設計院本著本質(zhì)安全的設計理念，考慮到乙烯介質(zhì)的蒸發(fā)溫度為-67℃，將乙烯球罐的設計溫度定為-70℃，采用低溫壓力容器用09MnNiDR鋼來建造。09MnNiDR鋼雖于20世紀80年代末期由合肥通用機械研究院等單位研制成功并廣泛應用于各類低溫壓力容器制造，但直到2013年才在國內(nèi)某MTO項目上用它建造大型低溫乙烯球罐。與通常低溫壓力容器用焊條相比，低溫球罐用焊條條件比其他類壓力容器條件苛刻得多，不但要求全位置下具有良好的焊接工藝性能，還要有更高的韌性儲備，因此用于09MnNiDR鋼制壓力容器成熟的W707DR焊條并不適用于低溫球罐，須對其進行較大幅度的改進。

本研究根據(jù)低溫乙烯球罐的建造特點，對新研制的配套09MnNiDR鋼制低溫球罐用W707DRQ焊條進行了焊縫金屬冷裂紋敏感性相關試驗，研究焊接線能量對焊接接頭低溫韌性的影響，并測定焊接接頭韌脆性轉變溫度。

1 焊接技術難點

W707DR焊條在球罐全位置施焊時，易出現(xiàn)夾渣和未熔合等缺陷，表面成形較差，且其焊縫金屬－70℃KV2值偏低，韌脆性轉變溫度及無塑性轉變溫度均較高，韌性儲備不足。因此，開發(fā)新的適用于09MnNiDR鋼制球罐的W707DRQ焊條應滿足以下條件：

（1）在全位置施焊時，焊條焊接工藝性能良好。

（2）立焊位置焊接接頭－70℃KV2（平均值）≥49 J，因此該焊條熔敷金屬必須具備足夠高的韌性儲備，韌脆性轉變溫度應盡可能低于－70℃。

（3）球罐焊后整體熱處理時上極帶保溫時間遠長于下極帶，考慮到球罐運行后開罐檢查返修時的局部熱處理，該焊條熔敷金屬應具有較高的抗拉強度，防止長時間及多次熱處理造成焊縫金屬強度不足。

2 球罐用受壓元件用材料

2.1 材料成分和性能

主材09MnNiDR鋼板化學成分（熔煉分析）如表1所示。此外，鋼板還應滿足1/2T處-70℃KV2（平均值）≥49J、橫向拉伸斷面收縮率Z≥45%、無塑性轉變溫度NDTT≤-70℃，非金屬夾雜物級別小于等于4.0 級等要求[1]。

表1 09MnNiDR鋼板化學成分（熔煉分析） %

2.2 球罐主體用W707DRQ焊條

（1）球罐主體采用哈爾濱威爾焊接有限責任公司新研制的W707DRQ焊條。該焊條以優(yōu)質(zhì)的H08E為焊心，熔敷金屬為Mn-Ni-Ti-B合金體系，Ni名義含量2.5%的基礎上添加微合金化，使其成為以針狀鐵素體為主的組織，較高的Ni含量，抑制了熔敷金屬中先共析鐵素體的形成，使針狀鐵素體增多，且使其板條更加多角化[2]，以提高熔敷金屬的低溫沖擊性能；藥皮采用CaCO3-CaF2-TiO2-SiO2堿性渣系，熔敷金屬雜質(zhì)元素含量和擴散氫含量較低，從而降低了焊接接頭氫致冷裂紋的敏感性。

（2）優(yōu)選粒度較細的大理石及合適的大理石/螢石配比，改善焊條藥皮的熔化特性，避免立焊或仰焊位置時藥皮套筒過長的現(xiàn)象，同時提高電弧的穩(wěn)定性，增加電弧的吹力，細化熔滴，從而大大改善了焊條全位置施焊的工藝性能。

其熔敷金屬雜質(zhì)元素S、P含量極低，見表2[3]，力學性能較佳，經(jīng)長時間熱處理后抗拉強度仍滿足要求，－70 KV2實物水平達140 J以上，遠高于KV2平均值不小于49 J技術要求，見表3[3]。

表2 W707DRQ焊條熔敷金屬的化學成分 %

表3 W707DRQ焊條熔敷金屬力學性能的技術要求及檢驗數(shù)據(jù)

3 焊條工藝性能和焊縫性能試驗

3.1 焊條工藝性能試驗

焊條的焊接工藝性能不僅關系到焊接一次合格率，還影響到施工成本。為了現(xiàn)場施工能穩(wěn)定獲得優(yōu)質(zhì)、致密、缺陷少的焊接接頭，試驗參照GB/T25776-2010《焊接材料焊接工藝性能評定方法》，在平焊位置測定其電弧穩(wěn)定性，在立焊、仰焊位置分別評價W707DRQ焊條脫渣性。

試驗表明，該焊條在交流電弧下穩(wěn)定性良好（現(xiàn)場實際采用直流電源，電弧穩(wěn)定性更佳），試驗中未出現(xiàn)滅弧和喘息現(xiàn)象；焊條立焊、仰焊位置的脫渣率均大于80%，脫渣性能良好，焊縫表面成形美觀[3]。

3.2 焊縫金屬插銷冷裂紋試驗

在球罐建造過程中及開罐檢查時發(fā)現(xiàn)，大部分冷裂紋產(chǎn)生在焊縫上，因此借鑒鋼板冷裂紋試驗方法，在國內(nèi)首次采用插銷冷裂紋試驗方法評價焊縫金屬的冷裂紋。插銷試樣的端部位于09MnNiDR鋼板對接焊縫的中心線，其長度方向垂直于焊縫金屬方向。深缺口插銷試樣的尺寸如圖1所示，40°半V型缺口處應力集中系數(shù)為3.991，在最苛刻試驗條件下模擬焊接接頭中的應力集中處，如焊根、焊趾、未焊透及咬邊等部位所引起的三向應力。插銷底板采用厚度20 mm低碳鋼板，底板的中心有一個直徑為φ8 mm的配合插銷安裝孔，如圖2所示。

圖1 深缺口插銷試棒

圖2 插銷試棒與試板組合

試驗分別按不預熱、預熱50℃兩種狀態(tài)采用W707DRQ焊條施焊。焊接工藝規(guī)范為：焊接電流170 A，電弧電壓 23～24 V，焊接速度 150 mm/min，線能量16～17 kJ/cm。試驗采用“斷裂”準則，即試樣經(jīng)一定時間不斷裂所承受的最大應力為鋼材抗裂能力。試驗環(huán)境溫度20～25℃，濕度60%～75%。試驗結果如表4所示。

試驗插銷載荷-斷裂時間曲線如圖3所示。

由表4和圖3可知，采用W707DRQ焊條焊接的焊縫金屬在室溫時的臨界斷裂應力達1 011 MPa，遠超過其實測的屈服強度，說明09MnNiDR鋼采用W707DRQ焊條在室溫下施焊，焊縫金屬的焊接冷裂紋敏感性很低，在現(xiàn)場球罐預熱75℃以上，焊縫金屬中基本不會產(chǎn)生冷裂紋。

表4 插銷冷裂紋試驗結果

圖3 焊縫金屬的插銷載荷-斷裂時間曲線

3.3 不同焊接線能量對09MnNiDR鋼板對焊接接頭力學性能的影響

09MnNiDR鋼屬于低溫鋼，焊接線能量越小越好，但球罐立焊位置焊條需擺動焊接，焊接線能量偏大；加之我國焊工理論知識差，經(jīng)常片面追求焊接效率，球罐施焊現(xiàn)場的焊接線能量無法控制在理想水平以下，因此對09MnNiDR鋼采用W707DRQ焊條進行焊接線能量系列試驗（焊接線能量分別為15～18 kJ/cm、25～30 kJ/cm、30～35 kJ/cm、35～40 kJ/cm）。焊接試板預熱50℃，層間溫度控制在200℃以下，焊接試板按（580±15）℃×7 h進行焊后熱處理，按NB/T47014-2011規(guī)定在1/4T處制取焊縫金屬、熱影響區(qū)沖擊試樣，分別進行-70℃、-80℃低溫沖擊試驗，試驗結果如表5所示。

由表5可知，隨著焊接線能量的增加，焊縫金屬-70℃KV2低溫沖擊值呈下降趨勢，線能量達40kJ/cm時，焊縫-70℃KV2單個最低值為91J，因此09MnNiDR鋼制球罐采用W707DRQ焊條進行焊接時，焊接線能量不宜超過40 kJ/cm?，F(xiàn)場焊接施工過程中應盡可能采用較小的焊接線能量，建議實際焊接線能量控制在35 kJ/cm以下。

3.4 焊縫金屬系列溫度沖擊試驗

乙烯球罐在低溫工況條件下運行易產(chǎn)生脆性斷裂，因此在最苛刻的立焊位置測定焊縫金屬韌脆性轉變溫度。焊接試板的制備、檢驗參照NB/T 47014-2011《承壓設備焊接工藝評定》執(zhí)行。試板采用鋼板橫向對接，立焊位置，預熱溫度75℃，焊后進行（580±15）℃×7 h（400℃以上升/降溫速度均為 50℃）的 SR處理。沖擊試樣位于1/4T板厚處，取樣處最大焊接線能量為35 kJ/cm。

按GB/T 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗方法》規(guī)定在JB-50A沖擊試驗機上進行系列溫度沖擊試驗。試驗溫度20～-120℃，冷卻介質(zhì)為無水乙醇+液氮，試樣的過冷度按GB/T 229-2007的規(guī)定約為2～3℃，并按該標準附錄C測定沖擊試樣斷口的晶狀斷面率，試驗結果如表6所示。

表5 4種焊接線能量焊接沖擊試驗結果

圖4 焊接線能量對焊縫金屬沖擊韌性的影響

表6 焊縫金屬系列沖擊試驗結果

由表6整理出焊縫金屬KV2與溫度的關系、晶狀斷面率與溫度的關系分別如圖5、圖6所示。由兩圖分別得出焊縫金屬的韌脆性轉變溫度見表7。

圖5 焊縫金屬KV2與溫度的關系

圖6 焊縫金屬纖維斷面率與溫度的關系

表7 焊縫金屬的韌脆性轉變溫度

由圖6可知，焊縫金屬延性斷裂與脆性斷裂過渡比較平緩。由表7可知，不同判據(jù)評定的焊縫金屬韌脆性轉變溫度均低于-70℃，說明該焊條用于09MnNiDR鋼制球罐，只要焊接線能量控制適當，焊縫金屬有足夠的韌性儲備，在設計溫度下就不會產(chǎn)生脆性斷裂。

3.5 焊接接頭的金相組織及硬度

對SR處理狀態(tài)下焊縫金屬、熱影響區(qū)進行金相組織檢驗，結果如圖7、圖8所示，焊縫金屬的金相組織為鐵素體+少量回火貝氏體，焊接熱影響區(qū)的金相組織均為回火貝氏體。

圖7 焊縫金屬組織近表層（250×）

圖8 熱影響區(qū)組織近表層（200×）

檢驗SR處理狀態(tài)下焊接接頭表面硬度，數(shù)據(jù)見表8，焊縫金屬、熱影響區(qū)硬度值均較低。

4 結論

（1）W707DRQ焊條立焊和仰焊位置的工藝性能、脫渣性、焊縫成形均較好。

（2）插銷試驗結果表明，09MnNiDR鋼板采用W707DRQ焊條焊接，焊縫金屬冷裂紋敏感性較低。

（3）W707DRQ焊條可以在最大焊接線能量不超過40 kJ/cm的情況下施焊并保持較高的低溫沖擊韌性，現(xiàn)場焊接施工過程中應盡可能采用較小的焊接線能量（不大于35 kJ/cm）。

（4）在最苛刻的立焊位置，焊縫金屬韌脆性轉變溫度低于-70℃，說明只要焊接線能量控制適當，該焊條用于09MnNiDR鋼制球罐，有足夠的韌性儲備。

（5）焊縫金屬的組織以針狀鐵素體為主，低溫沖擊韌性優(yōu)良。

表8 焊接接頭的硬度

[1]黃金國，陳永東，陳崇剛，等.09MnNiDR制2 000 m3乙烯球罐的分析設計[J].化工設備與管道，2014（1）：23-24.

[2]尹士科.焊接材料及接頭組織性能[M].北京：化學工業(yè)出版社，2011.

[3]彭小敏，房務農(nóng)，胡鵬亮，等.09MnNiDR鋼制球罐用W707DRQ 焊條焊接性能[J].焊接，2015（2）：63-66.