高申華

（中石化南京化工機械有限公司， 江蘇 南京 210048）

隨著社會經(jīng)濟和科技的發(fā)展，國內(nèi)外石油、化工技術(shù)和設(shè)備得到了長足的進步，壓力容器向著大型化、高參數(shù)和高壽命的方向發(fā)展，一些大型、低溫、深冷壓力容器在石油煉化行業(yè)應(yīng)用越來越多，低溫材料的優(yōu)質(zhì)高效焊接加工技術(shù)成為焊接研究的重要課題。

我公司承接了某煤炭深加工示范項目中的四臺低溫塔器制造任務(wù)，該塔器見圖1，主體材質(zhì)為09MnNiDR低溫鋼，筒體壁厚95mm，塔器直徑4000mm，設(shè)備總長86374mm，最低操作溫度-62.4℃，最高操作壓力5.46MPa，設(shè)計溫度60℃/-70℃，設(shè)計壓力為6.7MPa，介質(zhì)主要是甲醇、凈化氣、變換氣等，毒性危害程度中度，爆炸危險程度易爆。該低溫塔器塔盤支撐圈每臺有70多層，還有大量的內(nèi)件、外部預(yù)焊件及吊柱部件等，因此焊接工作量巨大。由于制造工期緊、任務(wù)重，采用傳統(tǒng)的焊條電弧焊焊接，生產(chǎn)效率低，無法滿足進度要求。而MAG焊較焊條焊能提高3-4倍效率，因此采用MAG活性氣體保護焊進行了09MnNiDR低溫鋼焊接工藝試驗及工藝評定，并且應(yīng)用于塔盤支撐圈、內(nèi)件、外部預(yù)焊件及吊柱部件的焊接。

圖1 塔器外形圖

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

依據(jù)NB/T 47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》的有關(guān)規(guī)定及塔器技術(shù)條件要求進行焊接試驗，評定試驗用母材材質(zhì)為09MnNiDR低溫鋼，09MnNiDR低溫鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2；評定試板厚度：36mm；試板坡口形式為X形，坡口形式具體見圖2。根據(jù)鐵素體型低鎳低溫鋼保證足夠的低溫沖擊韌性的選材原則，選用的焊絲型號為ER55-Ni3，焊材的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3和表4。由于初次采用MAG焊焊接低溫鋼類材料，所以選擇了兩個國內(nèi)知名廠家（A廠家和B廠家）的焊材分別進行焊接試驗，對比分析兩個廠家焊材性能方面的差異，以優(yōu)先選擇性能好的焊材用于實際生產(chǎn)。

表1 09MnNiDR低溫鋼的化學(xué)成分 （質(zhì)量分數(shù)%）

表2 09MnNiDR低溫鋼的力學(xué)性能

圖2 試件的坡口形式圖

表3 試驗用焊絲ER55-Ni3的化學(xué)成分 （質(zhì)量分數(shù)%）

表4 試驗用焊絲ER55-Ni3的力學(xué)性能

1.2 試驗方法

MAG熔化極活性氣體保護焊是在惰性氣體中加入一定量的氧化性氣體（又稱活性氣體）作為保護氣體進行熔化極氣體保護焊，焊接時氧化性混合氣體的種類及比例影響著熔滴過渡和電弧燃燒的穩(wěn)定性、焊縫形狀及外觀、焊縫的冶金質(zhì)量、焊接缺陷以及焊接接頭的綜合機械性能等方面?；谝陨弦蛩?，保護氣體配比種類及比例嘗試以下兩種：95%Ar+5%CO2和80%Ar+20%CO2，試驗時95%Ar+5%CO2保護氣體焊接的A、B兩個焊材廠家試板編號分別為A1、B1，采用80%Ar+20%CO2保護氣體焊接的A、B兩個焊材廠家試板編號分別為A2、B2。4件試板的焊接工藝參數(shù)見表5。

表5 焊接工藝參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

采用A、B兩個廠家焊材及兩種混合保護氣體分別進行了工藝評定試板的焊接，焊接的4組試板外觀檢查合格，無裂紋等缺陷，并按NB/T 47013《承壓設(shè)備無損檢測》進行100%射線檢測和磁粉檢測，A1、B1、A2三件試板射線檢測焊縫等級為Ⅰ級，B2試板射線檢測焊縫等級為Ⅱ級。磁粉檢測4件試板全部為Ⅰ級。4件試板在620±20℃/12h熱處理后，按NB/T 47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》和產(chǎn)品技術(shù)條件進行了力學(xué)性能檢驗，拉伸和彎曲試驗結(jié)果見表6，低溫沖擊試驗和硬度試驗結(jié)果見表7，力學(xué)性能試驗結(jié)果均合格。

表6 拉伸和彎曲試驗結(jié)果

表7 沖擊和硬度試驗結(jié)果

2.2 試驗分析

2.2.1 從試驗數(shù)據(jù)可以看到，四件評定試板抗拉強度均高于母材的標準規(guī)定最小抗拉強度值，彎曲試樣均無缺陷，-70℃低溫沖擊試驗值大于47J，焊接接頭具有足夠的韌性，焊縫金屬化學(xué)成分、焊接接頭性能均滿足NB/T 47014-2011的有關(guān)規(guī)定及塔器技術(shù)條件要求。

2.2.2 四件評定試板焊接采用的設(shè)備、工藝參數(shù)、熱處理等條件均相同，且由同一名焊工所焊接，但是不同廠家相同型號的焊材在力學(xué)性能試驗上有所差異，從試驗的數(shù)據(jù)可以看出，B廠家評定試板抗拉強度值高于A廠家，-70℃低溫沖擊試驗值B廠家低于A廠家，綜合機械性能對比A廠家的要優(yōu)于B廠家。

2.2.3 在優(yōu)選匹配的焊接材料基礎(chǔ)上，為了避免焊縫金屬和熱影響區(qū)形成粗晶組織而降低低溫韌性，應(yīng)該盡量采用快速多道焊，并嚴格控制焊接熱輸入量和道間溫度，這也是提高低溫材料焊縫韌性的關(guān)鍵因素。

2.2.4 評定試板采用了兩種配比比例的保護氣體，95%Ar+5%CO2保護氣體焊接時，電弧有點漂蕩，熔池中的鐵水的流動性差一些，易在坡口邊緣和層間產(chǎn)生熔合不良現(xiàn)象；采用80%Ar+20%CO2焊接時，電弧比較穩(wěn)定且焊縫成形優(yōu)良，分析認為是由于CO2比例大時，可以改善Ar氣比例大時呈蘑菇狀的焊縫截面形狀，這樣焊縫呈扁平形且熔深大，能夠加大熔滴和熔池的表面張力，防止產(chǎn)生道間和層間未熔合缺陷，降低焊工操作難度。

2.2.5 焊接試板的焊縫表面成形和顏色方面，A廠家的焊縫紋路要細密一些，而且表面呈光亮的白色，B廠家的焊縫顏色有點灰暗，焊縫紋路粗大，所以A廠家的焊材工藝性能好于B廠家。

2.2.6 兩個廠家焊材的綜合機械性能和工藝性都能滿足塔器技術(shù)條件要求，均可用于實際產(chǎn)品的焊接。在對相關(guān)試驗數(shù)據(jù)及焊縫成形等綜合分析的基礎(chǔ)上，本著性能優(yōu)先的原則，選用了A廠家的焊材進行產(chǎn)品的焊接。從減少未熔合等缺陷、提高焊接接頭綜合機械性能方面考慮，決定采用80%Ar+20%CO2混合保護氣。同時，由于CO2氣體價格比Ar氣體格低，大規(guī)模應(yīng)用于實際產(chǎn)品焊接時成本更經(jīng)濟。

3 結(jié)論

通過對09MnNiDR鋼的焊接工藝性能試驗和焊接工藝評定，各項技術(shù)指標滿足設(shè)計和技術(shù)條件的要求，證明所選用的焊接方法、焊接材料及焊接工藝正確合理，符合產(chǎn)品設(shè)計的各項技術(shù)指標，因此MAG活性氣體保護焊完全可以應(yīng)用于低溫壓力容器的焊接。

四臺低溫塔器的塔盤支撐圈、內(nèi)件、外部預(yù)焊件及吊柱等部件采用MAG焊方法進行焊接，焊縫表面100%檢查無裂紋、咬邊和氣孔等缺陷，焊接接頭的硬度值HBW≤200（單個值），焊縫按NB/T 47013《承壓設(shè)備無損檢測》進行100%磁粉檢測，Ⅰ級合格，焊縫的質(zhì)量達到了設(shè)計及工藝圖紙要求。

采用MAG焊接變形小于焊條電弧焊，有利于塔盤支撐圈、內(nèi)件、外部預(yù)焊件及吊柱等部件組對焊接尺寸的控制，四臺低溫塔盤支撐圈等部件焊后測量尺寸在圖紙允許的公差范圍內(nèi)。

MAG活性氣體保護焊替代焊條電弧焊的優(yōu)越性是焊絲不需要烘烤，節(jié)省了焊材烘烤時間和電能；且MAG焊焊絲連續(xù)送給，省去了焊條焊更換焊條及清理焊渣等輔助時間，焊接效率比焊條焊提升了近4倍，大大降低了人工成本，提高了設(shè)備制造進度，取得了理想的經(jīng)濟效益和社會效益。

◆參考文獻

[1] 曾樂主編. 現(xiàn)代焊接技術(shù)手冊[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

[2] 陳祝年主編. 焊接工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.