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        厚壁高碳奧氏體不銹鋼347H 的焊接技術(shù)

        2020-09-02 01:38:02朱小燕王喜平朱生萍程仔微
        化工機(jī)械 2020年3期
        關(guān)鍵詞:筒體不銹鋼焊縫

        朱小燕 王喜平 朱生萍 程仔微 王 晏

        (新疆蘭石重裝能源工程有限公司)

        近年來(lái),國(guó)內(nèi)壓力容器產(chǎn)品冷氫化反應(yīng)器在工藝和技術(shù)上不斷優(yōu)化,已經(jīng)打破了國(guó)外市場(chǎng)的壟斷。 目前以347H 為主體材料的冷氫化反應(yīng)器逐步流向市場(chǎng),其主要特點(diǎn)是降低了原材料的制造成本, 并且國(guó)內(nèi)可自行生產(chǎn)厚壁347H 奧氏體不銹鋼板材, 打破了長(zhǎng)期采用進(jìn)口厚壁800H 材料的局面。 由于厚壁347H 奧氏體不銹鋼能在高溫狀態(tài)下運(yùn)行,所以使用該材料制造的冷氫化反應(yīng)器具有良好的機(jī)械強(qiáng)度,而且其他各項(xiàng)性能也均能滿足操作工況要求。

        1 347H 的化學(xué)成分和性能特點(diǎn)

        347H 屬于奧氏體不銹鋼, 具有良好的耐腐蝕性能、耐高溫性能、耐氧化性能、焊接性能和熱強(qiáng)性能。 347H 鋼板的化學(xué)成分、力學(xué)性能[1]和高溫性能[2]均符合SA-240 標(biāo)準(zhǔn)要求,具體數(shù)值見(jiàn)表1、2。

        表1 347H 鋼板的化學(xué)成分 %

        表2 347H 鋼板的力學(xué)性能和高溫性能

        347H 若要滿足一定要求的耐腐蝕性, 就必須嚴(yán)格控制晶粒尺寸,細(xì)晶粒的奧氏體組織能加快鉻在晶界的擴(kuò)散遷移,并與氧形成一層致密富鉻氧化層(Cr2O3),這個(gè)富鉻氧化層能阻止高溫下347H 的氧化。 固溶處理有利于奧氏體不銹鋼的高溫強(qiáng)度,但固溶處理的溫度必會(huì)導(dǎo)致晶粒尺寸變大,所以必須嚴(yán)格控制晶粒度為ASME No7 號(hào)或更粗的平均晶粒度。

        2 焊接工藝評(píng)定試板的制作

        為了保證產(chǎn)品制造過(guò)程中焊接工藝評(píng)定達(dá)到100%的覆蓋率,根據(jù)NB/T 47014—2011[3]的要求,在合理控制焊接熱輸入量的同時(shí)保證焊接效率, 故產(chǎn)品焊接時(shí)焊條的直徑采用4.0mm 規(guī)格, 筒體縱環(huán)縫的埋弧焊焊絲直徑采用3.2mm,封頭拼接完成后需熱成型和固溶處理,故氬弧焊絲和埋弧焊絲均采用2.4mm 規(guī)格。需制作的評(píng)定試板如下:

        a. 制作一對(duì)手工鎢極氬弧焊評(píng)定試板,厚度為13mm,焊絲為ER347H(φ2.4mm);

        b. 制作一對(duì)焊條電弧焊評(píng)定試板, 厚度為48mm,焊條為E347H(φ4.0mm);

        c. 制作一對(duì)埋弧焊評(píng)定試板,厚度為48mm,焊材為ER347H(φ3.2mm)+JWF641;

        d. 制作一對(duì)手工鎢極氬弧焊+埋弧焊組合評(píng)定試板,厚度為66mm(其中手工鎢極氬弧焊焊接厚度為13mm,其余的采用埋弧焊焊接),焊材為GTS-347(φ2.4mm)/GWS-347(φ2.4mm)+GXS340,焊后需進(jìn)行固溶處理, 熱處理?xiàng)l件為1150℃×66min。

        另外,奧氏體不銹鋼的焊接一般不需要預(yù)熱和后熱[4],預(yù)熱溫度不小于15℃,層間溫度范圍為15~100℃,不需要后熱。 焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制溫度,保證焊縫的最優(yōu)性能。

        試板的焊接規(guī)范見(jiàn)表3。

        表3 試板的焊接規(guī)范

        焊接工藝評(píng)定的化學(xué)分析、力學(xué)性能和硬度腐蝕均滿足技術(shù)要求。 4 種焊接方式的焊縫及熱影響區(qū)金相組織如圖1 所示,焊縫區(qū)為少量的鐵素體+奧氏體,熱影響區(qū)和母材均為奧氏體組織。

        圖1 4 種焊接方式的焊縫及熱影響區(qū)金相組織

        3 產(chǎn)品的焊接

        3.1 筒體縱縫的焊接

        單節(jié)筒體是由兩張板拼接而成的,因筒體厚度較厚,需合理控制焊后變形,所以筒體拼縫需采用雙面坡口,筒體合口縫采用單面坡口。 焊接采用埋弧焊,焊材為ER347H(φ3.2mm)+JWF641,采用等離子清根并打磨,焊接過(guò)程中嚴(yán)格按照焊接工藝評(píng)定規(guī)范執(zhí)行, 尤其是焊接層溫的控制。筒體拼縫(圖2)、合口縫焊后(圖3)焊縫表面成型美觀,焊接質(zhì)量高。

        圖2 筒體拼縫

        圖3 筒體合口縫焊后

        3.2 筒體環(huán)縫的焊接

        筒體環(huán)縫的坡口采用單面坡口, 如圖4 所示,環(huán)縫內(nèi)坡口可防止因焊縫收縮而導(dǎo)致的環(huán)縫處塌腰現(xiàn)象, 但內(nèi)坡口的存在也增加了焊接難度。 筒體環(huán)縫采用埋弧焊焊接, 焊材為ER347H(φ3.2mm)+JWF641, 采用等離子清根并打磨,焊接過(guò)程中嚴(yán)格按照焊接規(guī)范控制焊接層溫。

        圖4 筒體環(huán)縫坡口示意圖

        筒體環(huán)縫的焊接過(guò)程中出現(xiàn)了氣孔缺陷,經(jīng)分析,氣孔的產(chǎn)生主要是因?yàn)楹附舆^(guò)程中存在氫氣未及時(shí)溢出焊縫,而氫氣的直接來(lái)源是焊接過(guò)程中的水,所以針對(duì)環(huán)縫焊接對(duì)埋弧焊焊材進(jìn)行二次烘干,烘干后繼續(xù)焊接,仍出現(xiàn)氣孔缺陷;隨后又更改了焊接工藝, 先采用焊條電弧焊打底,再進(jìn)行埋弧焊焊接,氣孔仍然存在。 因此,通過(guò)以上操作排除了焊接材料中水分的影響因素。

        圖5 渣殼照片

        筆者通過(guò)對(duì)比縱縫焊接后渣殼(圖5),發(fā)現(xiàn)縱縫和環(huán)縫第1 遍焊接之后渣殼的表面均存在大量孔洞,縱縫焊接多層后和蓋面焊后渣殼不存在孔洞,說(shuō)明母材存在受潮的情況。 而在奧氏體不銹鋼的焊接過(guò)程中沒(méi)有預(yù)熱,導(dǎo)致焊接過(guò)程中存在大量的水從而形成氫氣,在熔池凝固過(guò)程中無(wú)法及時(shí)溢出,導(dǎo)致水的產(chǎn)生。 而縱縫的結(jié)構(gòu)不存在曲率,渣殼容易脫渣,有利于氫氣的溢出,故縱縫的焊接過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)氣孔缺陷。 奧氏體不銹鋼的焊接一般不需要預(yù)熱,焊前只需要保證焊件溫度不小于15℃即可,但若存在母材受潮的情況,則會(huì)導(dǎo)致焊接過(guò)程中出現(xiàn)氫氣孔。 為此,在環(huán)縫焊前對(duì)環(huán)縫部位進(jìn)行預(yù)熱烘干,預(yù)熱溫度不超過(guò)100℃,預(yù)熱烘干2h 后開(kāi)始焊接,焊接后取掉預(yù)熱工裝,保證在層間溫度15~100℃之間進(jìn)行焊接,焊接過(guò)程中再?zèng)]有出現(xiàn)氫氣孔。

        3.3 封頭拼縫的焊接及固溶處理

        封頭厚度為48mm, 所以封頭拼縫的焊接采用鎢極氬弧焊+埋弧焊焊接, 焊接坡口為雙V 形坡口。 焊接過(guò)程中不需要清根,背面砂輪打磨即可。 焊材為:鎢極氬弧焊焊絲GTS-347(φ2.4mm),埋弧焊焊絲GWS-347 (φ2.4mm)+焊劑GXS340。焊后進(jìn)行熱沖壓成型, 因封頭厚度較厚, 故分3次沖壓成型(表4),第1 次沖壓將封頭加熱到熱成型溫度后保溫48min, 其余兩次沖壓均在達(dá)到熱成型溫度后保溫15min, 這主要是因?yàn)榍按螞_壓后封頭中心部位溫度較高,故相應(yīng)地縮短了保溫時(shí)間。3 次沖壓過(guò)程均需連續(xù)作業(yè)。在實(shí)際沖壓過(guò)程中多張封頭板進(jìn)行沖壓時(shí),需保證最后一張進(jìn)爐的封頭板具有最短保溫時(shí)間。

        表4 封頭沖壓成型溫度及時(shí)間

        沖壓成型后封頭(圖6)需進(jìn)行固溶處理:固溶條件為(1150℃±20℃)×45min, 冷卻方式為水冷。 固溶處理后還需進(jìn)行表面酸洗鈍化。

        4 焊接要點(diǎn)

        為了保證厚壁高碳奧氏體不銹鋼347H 的焊接質(zhì)量,需注意以下幾點(diǎn):

        a. 采用碳含量不小于0.04%的焊接材料,保證焊后焊縫的耐高溫性能;

        圖6 3 次沖壓成型后封頭

        b. 焊縫中需存在少量的鐵素體,使奧氏體晶粒尺寸受到阻礙,打亂柱狀晶方向,細(xì)化晶粒,促進(jìn)雜質(zhì)均勻分布,減少焊接熱裂紋的產(chǎn)生[5];

        c. 347H 的焊接熔敷金屬中存在Nb 元素,在焊接過(guò)程中易于燒損, 使得焊縫表面易于發(fā)藍(lán),所以在焊后待焊縫金屬冷卻后需清理焊渣,防止焊縫金屬氧化;

        d. 焊接時(shí)焊縫的收縮量較大,開(kāi)制坡口時(shí)較以往產(chǎn)品的坡口在寬度和角度方面要更大一些,以提高焊接質(zhì)量減少夾渣缺陷的產(chǎn)生;

        e. 采用小規(guī)格的焊材,嚴(yán)格控制焊接熱輸入量;

        f. 焊縫的清根不能使用碳弧氣刨清根, 防止焊縫滲碳,影響焊接質(zhì)量;

        g. 焊前需對(duì)母材進(jìn)行烘干處理,避免產(chǎn)生氣孔缺陷。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        厚壁高碳奧氏體不銹鋼347H 的焊接相比普通的奧氏體不銹鋼難度系數(shù)大,焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)熱裂紋、氣孔等焊接缺陷。 實(shí)際產(chǎn)品的焊接首先要嚴(yán)格遵循焊材使用規(guī)范、合理開(kāi)制坡口以及嚴(yán)格按照焊接規(guī)范控制預(yù)熱層間溫度等,并在焊接過(guò)程中出現(xiàn)焊接缺陷時(shí)要分析焊接缺陷產(chǎn)生的原因,不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),才能保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率并降低制造成本。

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