房務(wù)農(nóng)，肖輝英，蔣 軍，楊詠梅，張 健

(1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031；2.天津市金橋焊材集團(tuán)股份有限公司，天津 300300)

0 引言

近十幾年來(lái)，我國(guó)每年均需建造大批單臺(tái)儲(chǔ)存容積在10萬(wàn)m3及其以上的浮頂原油儲(chǔ)罐用于石油儲(chǔ)備，所用12MnNiVR高強(qiáng)度鋼板于21世紀(jì)初就已全部實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化[1]，但配套的氣電立焊藥芯焊絲一直被日本神鋼等焊材企業(yè)壟斷，價(jià)格高居不下，且供貨周期長(zhǎng)。為此，合肥通用機(jī)械研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱合肥通用院)與某公司合作，于2017年研制出12MnNiVR鋼板用大焊接熱輸入氣電立焊JQ.YJL60G藥芯焊絲。該焊絲經(jīng)合肥通用院和各安裝單位試驗(yàn)，焊接工藝性能優(yōu)良，焊縫金屬力學(xué)性能與日本同期的產(chǎn)品水平相當(dāng)。但開(kāi)發(fā)的藥芯焊絲一直未在儲(chǔ)罐工程上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。2020年初，中石化基于研制單位前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)充分，在幾個(gè)新建10萬(wàn)m3儲(chǔ)罐工程項(xiàng)目上選用了JQ.YJL60G藥芯焊絲，真正實(shí)現(xiàn)了大型原油儲(chǔ)罐從鋼板到配套焊材的全面國(guó)產(chǎn)化。本文介紹JQ.YJL60G藥芯焊絲的研制過(guò)程及工程應(yīng)用情況，以增強(qiáng)儲(chǔ)罐和壓力容器行業(yè)對(duì)高端國(guó)產(chǎn)焊材的信心，并期待更多的壓力容器用高端焊材國(guó)產(chǎn)化。

1 原油儲(chǔ)罐用12MnNiVR鋼板簡(jiǎn)介

12MnNiVR鋼板中的C含量通常不大于0.10%和Pcm值不大于0.20%，厚度≤50 mm時(shí)，鋼板焊前可不預(yù)熱或稍加預(yù)熱，具有優(yōu)異的焊接性[2]。該鋼采用二次爐外LF精煉及RH真空等，大幅降低了鋼中的S,P,N,O,H含量，并結(jié)合先進(jìn)TMCP和調(diào)質(zhì)處理，相變和少量析出相等形成高密度位錯(cuò)的組織結(jié)構(gòu)，使其抗拉強(qiáng)度達(dá)610 Pa級(jí)，-20 ℃KV2不小于100 J。另通過(guò)降低C，Si含量和添加除Nb以外的微合金元素，利用冶煉過(guò)程中形成高熔點(diǎn)第二相質(zhì)點(diǎn)，抑制了奧氏體晶粒長(zhǎng)大和阻止HAZ晶粒粗化[3]，可適應(yīng)100 kJ/cm大熱輸入的焊接。通常厚度21.5 mm鋼板的縱縫一次成型，厚度21.5 mm以上的縱縫分兩次成型，大大提高了焊接效率[4]，見(jiàn)圖1。

(a)

2 12MnNiVR鋼板配套氣電立焊JQ.YJL60G藥芯焊絲的主要性能指標(biāo)

該藥芯焊絲需抗吸潮性好、熔敷金屬擴(kuò)散氫含量低于5 ml/100 g；在100 kJ/cm大焊接熱輸入下，脫渣性、焊縫成型等焊接工藝性能良好，焊縫金屬的力學(xué)性能需與12MnNiVR鋼板相匹配，即焊接接頭Rm≥610 MPa，-20 ℃KV2≥47 J，-20 ℃的CTOD特征值δm(20)≥0.3 mm等。

3 JQ.YJL60G藥芯焊絲渣系選擇及藥粉處理技術(shù)

氣電立焊JQ.YJL60G藥芯焊絲非金屬藥粉的比例較少，但起到造渣、穩(wěn)弧、減小飛濺及脫氫等重要作用[5]。不同造渣劑加入量對(duì)該藥芯焊絲的焊縫金屬力學(xué)性能影響見(jiàn)表1。

表1 造渣劑加入量對(duì)JQ.YJL60G藥芯焊絲的焊縫金屬力學(xué)性能影響結(jié)果

1)拉伸試棒沿焊縫方向制取。

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，造渣劑加入量為5%，比例過(guò)小，雖焊渣覆蓋不全，影響焊縫成形，但對(duì)焊縫金屬力學(xué)性能影響較?。辉煸鼊┘尤肓繛?5%，則比例過(guò)大，焊接時(shí)渣浮在立焊熔池表面，造成電弧不穩(wěn)，飛濺量增大，焊縫金屬中亦出現(xiàn)較多夾雜物，對(duì)焊縫金屬的斷后伸長(zhǎng)率和沖擊韌性造成較大影響；造渣劑加入量為10%，比例適中，焊縫成形和焊縫金屬力學(xué)性能均較佳。

CaF2作為主要的脫氫劑，可以顯著降低焊縫金屬擴(kuò)散氫含量；CaCO3分解生成的CO2可排除焊縫周圍空氣，阻止氮?dú)膺M(jìn)入液態(tài)金屬中，并降低電弧氣氛中氫分壓；TiO2和SiO2熔點(diǎn)較高，鍵能較小，被排擠到熔渣的表面層中，表面張力小，可降低熔滴表面張力和熔渣堿度，細(xì)化熔滴，減少飛濺，改善焊縫成形和脫渣性等[6]；穩(wěn)弧劑中K,Na離子可提供電子，提高電弧穩(wěn)定性，降低焊渣熔點(diǎn)。最終確定12MnNiVR鋼板配套氣電立焊藥芯焊絲的渣系為氟化物-CaO-MgO型。在大焊接熱輸入完畢后冷至室溫，渣殼就會(huì)自動(dòng)開(kāi)裂，如圖2所示，脫渣率見(jiàn)表2。由圖2、表2可以看出，在大焊接熱輸入下脫渣率為100%，在焊縫中不會(huì)出現(xiàn)夾渣現(xiàn)象。

圖2 氣電立焊焊接后渣殼狀態(tài)(未錘擊) Fig.2 Slag shell state after gas-electric vertical welding (without hammering)

表2 氣電立焊脫渣率試驗(yàn)結(jié)果

為進(jìn)一步降低該藥芯焊絲焊縫金屬擴(kuò)散氫含量，對(duì)非金屬類藥粉進(jìn)行700 ℃以上高溫烘焙，去除藥粉中結(jié)晶水，非金屬藥粉亦由片狀變成球狀(見(jiàn)圖3)，這更有利于非金屬細(xì)微粉填滿金屬粉之間的縫隙，防止在拔絲過(guò)程中產(chǎn)生“空管”現(xiàn)象[7]。非金屬細(xì)微粉未烘焙和經(jīng)高溫烘焙的焊縫金屬力學(xué)性能見(jiàn)表3。可以看出，藥粉經(jīng)高溫烘焙后，其焊縫金屬低溫沖擊韌性得到大幅度提升。

(a)未烘焙 (b)經(jīng)700 ℃以上烘焙 圖3 非金屬細(xì)微粉電鏡掃描照片 Fig.3 SEM photos of nonmetallic fine powder

表3 藥粉處理方式對(duì)JQ.YJL60G藥芯焊絲焊縫金屬力學(xué)性能的影響結(jié)果

4 JQ.YJL60G藥芯焊絲的合金元素設(shè)計(jì)

JQ.YJL60G藥芯焊絲采用逆向設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)不同合金成分下金屬的凝固曲線及析出相特性等，對(duì)焊縫金屬組織及性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析不同元素夾雜物的形核能力，確定選用Mn-Ni-Mo-Ti合金系復(fù)合微合金化，使之在焊接過(guò)程中不僅降低O,N,H等有害氣體以及S,P等雜質(zhì)元素含量，還可以避免產(chǎn)生氣孔、裂紋及夾雜等焊接缺陷[8]。

加入Ti元素使電弧集中、穩(wěn)定，減少飛濺，細(xì)化晶粒，提高焊縫金屬?zèng)_擊韌性，另外，由于Ti元素與O的親和力較大，增加了Mn,Si等合金元素過(guò)渡系數(shù)，Ti還可與N結(jié)合，降低焊縫金屬氣孔敏感性[9]；加入少量稀土，增加脫氧，且稀土氧化物可促使鐵素體盡快形核，有利于焊縫金屬中形成細(xì)小的針狀鐵素體[10]，如圖4所示。

圖4 焊縫金屬金相組織 (針狀鐵素體+少量貝氏體) 500× Fig.4 Metallographic structure of weld metal (acicular ferrite + a little bainite) 500×

5 JQ.YJL60G藥芯焊絲填充率

氣電立焊JQ.YJL60G藥芯焊絲常用直徑為1.6 mm，焊接電流一般在300～400 A范圍內(nèi)，藥粉添加主要是為保證該焊絲能夠連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行氣電立焊，且最大限度提高其焊接效率。氣電立焊藥芯焊絲填充率如過(guò)低，不利于大電流焊接，影響焊接效率；如過(guò)高，鋼帶外皮薄，在高速送絲過(guò)程中焊絲易被壓扁，將會(huì)影響焊絲送絲穩(wěn)定性[11]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：藥粉填充率×100≈鋼帶寬度/鋼帶厚度，最終確定該藥芯焊絲填充率為24%±0.5%。

6 JQ.YJL60G藥芯焊絲綜合性能評(píng)價(jià)

合肥通用院針對(duì)大型原油儲(chǔ)罐用12MnNiVR鋼的焊接特點(diǎn)，結(jié)合壓力容器對(duì)焊接材料的特殊要求，對(duì)JQ.YJL60G藥芯焊絲綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)采用厚度21.5 mm的12MnNiVR鋼板，熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)。

6.1 JQ.YJL60G藥芯焊絲焊縫金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能

該藥芯焊絲焊縫金屬化學(xué)成分見(jiàn)表4，力學(xué)性能見(jiàn)表5，焊縫金屬中的雜質(zhì)元素含量很低，低溫沖擊韌性優(yōu)良。

表4 JQ.YJL60G藥芯焊絲焊縫金屬化學(xué)成分

表5 JQ.YJL60G藥芯焊絲焊縫金屬力學(xué)性能

6.2 JQ.YJL60G藥芯焊絲熔敷金屬擴(kuò)散氫含量及抗吸潮性

撕開(kāi)該藥芯焊絲外塑料皮包裝，裸放在室內(nèi)24，48 h后分別測(cè)定其熔敷金屬擴(kuò)散氫含量,如表6所示。可以看出，隨著裸放時(shí)間延長(zhǎng)，熔敷金屬擴(kuò)散氫含量上升，即使48 h后仍低于5 ml/100 g，表明該焊絲藥粉采用高溫烘焙、搭接口的密封等技術(shù)措施效果較佳。

表6 JQ.YJL60G藥芯焊絲熔敷金屬中的擴(kuò)散氫含量(熱提取法)

6.3 JQ.YJL60G藥芯焊絲氣電立焊熱輸入選擇試驗(yàn)

12MnNiVR鋼制原油儲(chǔ)罐在現(xiàn)場(chǎng)制作安裝時(shí)，焊接熱輸入隨著板厚、坡口角度、焊縫根部的間隙變化而變化，氣電立焊的坡口在工藝評(píng)定中應(yīng)屬補(bǔ)加因素，但在NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》中卻被列為次要因素，該標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)需改正。為確定現(xiàn)場(chǎng)可用于儲(chǔ)罐最大的焊接熱輸入及最佳焊接熱輸入范圍，合肥通用院參照NB/T 47014—2011，分別采用約70,85,100,120 kJ/cm四檔焊接熱輸入進(jìn)行試驗(yàn)，在1/4T處制取焊縫金屬的沖擊試樣，并進(jìn)行-20，-30 ℃低溫沖擊試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表7?？梢钥闯?，焊接熱輸入在70～120 kJ/cm很寬松的范圍內(nèi)，隨著焊接熱輸入增加，焊縫金屬-20 ℃KV2下降特性不明顯，當(dāng)焊接熱輸入達(dá)120 kJ/cm時(shí)，焊縫金屬-20 ℃KV2仍達(dá)到145 J，遠(yuǎn)高于技術(shù)要求值。但焊接熱輸入達(dá)100 kJ/cm，其熔合線和熱影響區(qū)-20 ℃KV2波動(dòng)較大。因此，從12MnNiVR母材角度考慮，焊接熱輸入需控制在100 kJ/cm 以下，控制在90 kJ/cm以下更佳。

表7 不同焊接熱輸入焊縫金屬?zèng)_擊試驗(yàn)結(jié)果

6.4 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

合肥通用院按照NB/T 47014—2011，采用JQ.YJL60G焊絲和厚度21.5 mm的12MnNiVR試板進(jìn)行氣電立焊，焊接熱輸入量為108 kJ/cm，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8?？梢钥闯?，在焊接熱輸入為108 k/cm 時(shí)，焊接接頭抗拉強(qiáng)度滿足技術(shù)要求，焊縫金屬的-20 ℃KV2值高達(dá)136 J，與《10萬(wàn)m3原油儲(chǔ)罐制造安裝技術(shù)條件》要求值-15 ℃KV2≥47 J 相比有很大的裕量，但熔合線處沖擊吸收能量出現(xiàn)波動(dòng)。

表8 12MnNiVR/JQ.YJL60G焊接接頭力學(xué)性能及彎曲試驗(yàn)結(jié)果

6.5 焊縫金屬系列溫度沖擊試驗(yàn)

焊接試板的制備、檢驗(yàn)參照NB/T 47014執(zhí)行，試板氣電立焊焊接熱輸入為101 kJ/cm。在位于1/4T板厚處制取沖擊試樣，系列溫度沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5,6。由圖5,6得出焊縫金屬的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度見(jiàn)表9。

圖5 焊縫金屬KV2與溫度的關(guān)系 Fig.5 The relationship between KV2 of the weld metal and the temperature

圖6 焊縫金屬剪切斷面率與溫度的關(guān)系 Fig.6 Relationship between shear section ratio of weld metal and temperature

表9 焊縫金屬的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度

由圖5,6可以看出,焊縫金屬延性斷裂與脆性斷裂過(guò)渡比較平緩；由表9中數(shù)據(jù)可看出，由不同判據(jù)評(píng)定的焊縫金屬韌脆性轉(zhuǎn)變溫度均低于-61 ℃，說(shuō)明該藥芯焊絲用于12MnNiVR鋼板氣電立焊，只要焊接熱輸入控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，有足夠的韌性儲(chǔ)備，在-20 ℃時(shí)不會(huì)產(chǎn)生脆性斷裂。

6.6 焊縫金屬無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度測(cè)定

采用厚度21.5 mm的12MnNiVR試板對(duì)接，氣電立焊焊接熱輸入為96.3 kJ/cm。按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6803—2008《鐵素體鋼的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗(yàn)方法》制取焊縫金屬落錘P2試樣，試驗(yàn)結(jié)果如表10所示?？梢钥闯?，立焊位置焊縫金屬的NDTT溫度為-50 ℃，表明其止裂能力較強(qiáng)[12]。

表10 焊縫金屬落錘試驗(yàn)結(jié)果

6.7 焊接接頭的斷裂韌性試驗(yàn)

采用與第6.6節(jié)相同的試板，合肥通用院按GB/T 21143—2014《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》制取了焊縫金屬CTOD試樣并進(jìn)行斷裂韌性試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)圖7、表11。

注：Δa為包括鈍化區(qū)的穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展量；δ為裂紋尖端張開(kāi)位移CTOD。

表11 阻力曲線方程及斷裂韌性特征值

從圖7、表11可以看出，在96.3 kJ/cm焊接線能量下，氣電立焊的焊縫金屬的-20 ℃δm(20)高達(dá)0.658 mm，且CTOD試樣斷口均呈韌性斷裂，表明該焊縫金屬抗脆性斷裂能力較強(qiáng)。

由于國(guó)內(nèi)缺少日本DWS-60G藥芯焊絲氣電立焊焊縫金屬的斷裂韌性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此某公司委托天津大學(xué)在同樣試驗(yàn)條件下，分別對(duì)日本DWS-60G，JQ.YJL60G藥芯焊絲氣電立焊的焊縫金屬按GB/T 21143—2014進(jìn)行-20 ℃斷裂韌性試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表12。可看出，JQ.YJL60G藥芯焊絲的焊縫金屬斷裂韌性遠(yuǎn)高于日本的同類產(chǎn)品。

表12 氣電立焊焊縫金屬斷裂韌性

7 工程應(yīng)用

JQ.YJL60G藥芯焊絲于2020年下半年正式開(kāi)始應(yīng)用于中石化商儲(chǔ)油庫(kù)建設(shè)，目前已應(yīng)用于商儲(chǔ)項(xiàng)目10萬(wàn)m3原油儲(chǔ)罐庫(kù)車1臺(tái)、天津南港2臺(tái)、福建古雷16臺(tái)、洛陽(yáng)8臺(tái)、湛江2臺(tái)、岳陽(yáng)4臺(tái)等。幾家安裝公司采用該藥芯焊絲分別進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，結(jié)果見(jiàn)表13?？梢钥闯觯捎脟?guó)產(chǎn)藥芯焊絲沖擊試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)良。在10萬(wàn)m3原油儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)施焊過(guò)程中，脫渣容易，焊縫成型美觀，一次焊接合格率也達(dá)98%以上，得到了用戶的一致好評(píng)。另從表13中的中石化五公司數(shù)據(jù)可以看出，JQ.YJL60G藥芯焊絲與神鋼的DWS-60G 藥芯焊絲水平相當(dāng)。

表13 安裝公司焊接工藝評(píng)定主要數(shù)據(jù)匯總

8 結(jié)論

(1)12MnNiVR鋼板氣電立焊配套用JQ.YJL60G藥芯焊絲優(yōu)化了藥芯焊絲渣系、焊縫金屬合金組分，填充率合適，熔敷金屬擴(kuò)散氫含量較低，為綜合性能提供了有利的基礎(chǔ)條件。

(2)采用藥粉高溫烘焙等技術(shù)，該焊絲抗吸潮性能力強(qiáng)，藥粉在成品焊絲中均勻性良好，填充率誤差控制在0.5%以內(nèi)。

(3)該焊絲嚴(yán)格控制了熔渣比例和黏度，氣電立焊電弧穩(wěn)定，脫渣性好，飛濺小，焊縫成型美觀。

(4)該焊絲優(yōu)化了熔渣酸堿度，氣電立焊滿足工藝性能的同時(shí)，焊縫金屬低溫韌性較好、NDTT溫度較低。

(5)該焊絲氣電立焊線能量適應(yīng)范圍較寬，在96.3 kJ/cm大焊接熱輸入下，焊縫金屬CTOD的-20 ℃δm(20)仍高達(dá)0.658 mm，遠(yuǎn)高于日本同類產(chǎn)品。

(6)該焊絲經(jīng)幾家安裝單位工藝評(píng)定及工程實(shí)際應(yīng)用，焊接工藝性能優(yōu)良，一次焊接合格率高，焊縫金屬力學(xué)性能與12MnNiVR鋼匹配良好，與神鋼的DWS-60G水平相當(dāng)。