劉玉祥

（森松（江蘇） 重工有限公司上海分公司， 上海 201323）

SA-537 CL2 鋼是近年來國內(nèi)外制造儲罐或球罐采用的一種材質(zhì)， 尤其是廣泛應(yīng)用于低溫服役的產(chǎn)品制造[1-2]。 與SA-516 Gr.70 鋼相比， SA-537 CL2 鋼具有更高的強度， 適用于低溫工況。設(shè)計采用SA-537 CL2 材料， 具有可降低設(shè)備整體質(zhì)量、 減少設(shè)備運輸成本以及降低海洋平臺承重等優(yōu)勢。 近年來常用于海洋石油平臺除汞洗滌器、 VRU 除塵器以及化工行業(yè)聚丙烯反應(yīng)器的制造和使用。

1 SA-537 CL2 鋼介紹

1.1 化學(xué)成分及力學(xué)性能

SA-537 CL2 是通過熱處理強化的碳錳硅鋼板， 其材料供貨狀態(tài)為淬火+回火， 是晶粒度為5 號及以上的細晶粒鋼。 不同板厚的SA-537 CL2 鋼， 其化學(xué)成分和力學(xué)性能也有所不同， SA-537 CL2 鋼成品板材的化學(xué)成分見表1[3]，力學(xué)性能見表2[3]。

表1 SA-537 CL2 鋼化學(xué)成分 %

表2 SA-537 CL2 鋼力學(xué)性能

SA-537 CL2 鋼主要成分為C、 Mn、 Si 三種元素， P、 S 為雜質(zhì)元素， 標準規(guī)定的微量元素為Cu、 Ni、 Cr、 Mo， 實際成品板材中還添加了V、 Ti、 Al、 B 微量元素。 C 元素可提高鋼的強度和硬度， 但會使塑性、 韌性降低； Mn 元素具有非常高的淬透性， 在鋼中起到基體強化作用，隨著板厚的增加， Mn 的含量也隨之增加， 通過Mn 元素的淬透性， 提高厚板芯部的強度； Si 在淬火+回火鋼中的作用是增加鋼的淬透性， 提高鋼的強度并具有一定的耐回火性； Cu 元素對鋼的沖擊韌性有輕微的提高， 但對鋼的強度， 特別是屈強比有很大的提高； Ni 元素具有細化晶粒的作用， 可以提高鋼的沖擊韌性； Cr 元素可以提高鋼的抗氧化性， 并能提高鋼的強度； 微量的Mo 元素能提高鋼的淬透性及抗回火性[4]； V、 Ti、Al、 B 均可提高鋼的基體強度， 細化晶粒并改善沖擊韌性。 綜上所述， SA-537 CL2 主要通過C、Mn、 Si、 Cr、 Mo、 Ni、 Cu 及少量的微量元素共同作用， 經(jīng)淬火+回火熱處理后， 得到強度及韌性較好的回火索氏體， 其基體微觀組織如圖1所示。

圖1 SA-537 CL2 鋼基體回火索氏體組織形貌

1.2 焊接性分析

SA-537 CL2 鋼熱紋傾向不明顯[2]， 根據(jù)碳當量公式Ceq 以及冷裂紋敏感指數(shù)公式Pcm 對SA-537 CL2 鋼冷裂紋敏感性進行評估， 由表1中試驗材料化學(xué)成分按照公式 （1） 及公式 （2）計算碳鋼量Ceq 以及冷裂紋敏感指數(shù)Pcm， Ceq約為0.45%， Pcm 約為0.26%。

當Ceq＞0.4%、 Pcm＞0.23%時， 這說明材料的焊接具有冷裂紋傾向， 因此SA-537 CL2 鋼具有一定的冷裂紋敏感性。 冷裂紋形成原因主要基于焊接冷卻速度過快， 產(chǎn)生淬硬組織， 以及焊縫中的殘余氫擴散聚集在焊接殘余應(yīng)力的作用下產(chǎn)生冷裂紋， 因此焊接前應(yīng)采取預(yù)熱措施， 通過預(yù)熱達到消氫的目的， 并減緩t8/5冷卻速度， 改善組織性能，避免冷裂紋的產(chǎn)生。 同時， 對SA-537 CL2 鋼焊后進行溫度200～250 ℃、 冷卻時間為1～1.5 h 的緩冷處理， 進一步消除焊縫的氫， 減小冷裂紋傾向。

2 焊接工藝評定試驗

考慮設(shè)備壁厚因素以及大直徑封頭拼縫熱成型的情況， 焊接工藝評定試驗共進行了兩組， 一組焊接試板進行焊后熱處理， 另一組進行淬火+回火+焊后熱處理。 在實際制造過程中存在產(chǎn)品正常的焊后熱處理以及產(chǎn)品熱處理后返修、 客戶現(xiàn)場返修后重新熱處理的情況， 評定試板的焊后熱處理又分為產(chǎn)品焊后熱處理（即最小焊后熱處理） 和3 倍熱循環(huán)焊后熱處理（即最大焊后熱處理）， 因此每組試板數(shù)量為2 副， 分別為最小焊后熱處理態(tài)和最大焊后熱處理態(tài)。

2.1 焊接坡口

試驗用SA-537 CL2 鋼厚度為68 mm， 坡口形式如圖2 所示， 坡口采用機械加工而成， 加工后對坡口表面進行FULL-MT-APP.6 檢測。

圖2 SA-537 CL2 試驗鋼坡口示意圖

2.2 焊材選用

試驗用埋弧焊材選用EF3 焊絲， 匹配同廠家F8P6 焊劑， 焊絲焊劑匹配后滿足ASME SFA-5.23要求， 熔敷金屬抗拉強度為550～650 MPa。

2.3 焊接工藝

試板在焊接前， 坡口及坡口邊緣兩側(cè)25 mm范圍用砂輪打磨除銹， 對焊接試板進行組對，試板端部加焊接引弧板、 熄弧板。 試板組對后， 采用電加熱片對試板整體預(yù)熱， 每副試板上布置2 支熱電偶， 數(shù)顯溫度電箱對其進行控溫， 預(yù)熱溫度150～160 ℃。 試板采用埋弧焊進行焊接， 埋弧焊劑使用前按照廠家推薦的烘干溫度進行烘干。 埋弧焊采用多層多道焊， 每一道焊縫焊后進行道間溫度檢測， 道間溫度不超過250 ℃。 試板正面焊后， 背面采用碳弧氣刨清根， 清根深度約13 mm， 清根后采用砂輪打磨去除滲碳層并進行熱磁粉檢測， 檢測合格后繼續(xù)采用埋弧焊焊接， 試板焊完后立即進行溫度為200～250 ℃、 冷卻時間為1～1.5 h 的緩冷去氫處理， 試板具體焊接規(guī)范見表3。

表3 SA-537 CL2 試驗鋼焊接工藝參數(shù)

2.4 無損檢測

試板焊后進行MT、 RT 檢測， 檢測標準按照ASME V 卷執(zhí)行， 檢測結(jié)果滿足FULL-MT-APP.6 及FULL-RT-UW-51 要求。

2.5 試板熱處理

1#試板僅進行焊后熱處理， 2#試板進行淬火+回火+焊后熱處理， 熱處理采用電爐加熱，熱處理工藝參數(shù)見表4。

表4 SA-537 CL2 試驗鋼焊后熱處理工藝參數(shù)

3 理化性能試驗

按照ASME IX 《承壓設(shè)備焊接工藝評定》進行橫向板狀拉伸試驗、 側(cè)向彎曲試驗和-46 ℃沖擊試驗， 并補充進行了硬度試驗和金相試驗。

3.1 拉伸試驗

通常情況下， 隨熱處理時間的延長， 焊接接頭抗拉強度逐漸下降[5-7]， 故拉伸試驗僅進行了最大焊后熱處理態(tài)。 由于試板厚度較厚， 試驗機能力受限， 最大熱處理后的試板無法進行全厚度拉伸試驗， 將拉伸試樣在厚度方向等分為2 片試樣， 取樣應(yīng)滿足ASME IX 卷QW462.1（a）要求，拉伸試驗結(jié)果見表5。 試驗?zāi)覆暮穸?8 mm，其抗拉強度的下限值為515 MPa， 表5 所示抗拉強度結(jié)果均大于515 MPa， 試驗結(jié)果滿足ASME IX卷QW-153 的要求。

表5 SA-537 CL2 試驗鋼焊接接頭拉伸試驗結(jié)果

3.2 沖擊試驗

沖擊試樣熱處理狀態(tài)為最小焊后熱處理、最大焊后熱處理、 淬火+回火+最小焊后熱處理、 淬火+回火+最大熱處理四種， 取樣位置及數(shù)量滿足ASME VIII-1 UG84 要求， 試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm， 試驗溫度-46 ℃。 沖擊試驗結(jié)果見表6， 從表6 可以看出， 沖擊試驗結(jié)果均滿足設(shè)計要求 （≥34 J）。

表6 SA-537 CL2 試驗鋼焊接接頭沖擊試驗結(jié)果

3.3 彎曲試驗

彎曲試驗的熱處理狀態(tài)為最小、 最大熱處理和淬火+回火+最小、 最大熱處理四種， 每種熱處理狀態(tài)取彎曲試樣4 個， 按照ASME IX 卷QW-160 進行橫向側(cè)彎試驗， 側(cè)彎試樣加工滿足ASME IX 卷QW-462.2 要求， 彎曲試驗彎頭直徑40 mm， 試樣經(jīng)180°彎曲后， 被彎曲表面焊縫及熱影響區(qū)無開口缺陷， 結(jié)果滿足ASME IX 卷QW-163 的要求。

3.4 硬度試驗

硬度因熱處理時間延長而下降， 因此僅對經(jīng)歷最小焊后熱處理的1#、 2#試板進行硬度試驗。試驗按照ISO9015-1 標準進行， 其結(jié)果見表7，從表7 可以看出， 硬度試驗結(jié)果均滿足項目規(guī)范要求（＜235HV10）。

表7 SA-537 CL2 試驗鋼焊接接頭硬度試驗結(jié)果

3.5 微觀組織分析

對1#、 2#試板的熱影響區(qū)及焊縫進行了顯微組織分析， 分析結(jié)果如圖3 所示。 對微觀組織進行200 倍放大觀察， 未發(fā)現(xiàn)微觀裂紋及其他缺陷，組織基體為回火索氏體， 但淬火+回火處理的2#試板焊縫及熱影響區(qū)微觀組織中除了回火索氏體外， 還出現(xiàn)大的塊狀鐵素體組織。 鐵素體組織具有強度低、 硬度低的特點， 對于淬火+回火鋼， 隨著鐵素體組織的增加， 沖擊韌性會逐漸下降[8-10]，與1#試板的抗拉強度、 沖擊功、 硬度相比， 2#試板均呈下降態(tài)勢， 其微觀組織中大的塊狀鐵素體析出導(dǎo)致抗拉強度、 沖擊功和硬度下降。

圖3 1#試板和2#試板熱影響區(qū)及焊縫顯微組織形貌

4 產(chǎn)品焊接

本研究一期項目SA-537 CL2 鋼產(chǎn)品共15臺設(shè)備， 按照ASME 標準設(shè)計， 設(shè)備無法豁免沖擊試驗， 因此對A、 B 類焊縫均需帶焊接試板， 對15 臺設(shè)備30 塊焊接試板沖擊功數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)沖擊功存在波動現(xiàn)象，經(jīng)常出現(xiàn)兩高一低的情況， 表5 中的評定試驗數(shù)據(jù)也可以發(fā)現(xiàn)該問題。 雖然焊接試板的沖擊功滿足設(shè)計要求， 但不利于焊接接頭性能的穩(wěn)定性。通常認為， 焊接熱影響區(qū)的沖擊功下降一般為焊接熱輸入過大造成， 但根據(jù)焊接試板沖擊功統(tǒng)計結(jié)果， 同一取樣位置的3 個沖擊試樣僅有一個沖擊功偏低， 而不是整體偏低， 可判定為原材料本身沖擊功不穩(wěn)定。 按照ASME BPVC II.A SA-537標準中表1 化學(xué)成分要求， 允許材料熔煉分析w（Ni）超過0.25%， 最大可達0.50%[3]， 因此本研究項目后期板材采購時， 對w（Ni）增加到了0.35%～0.50%的要求， 后期產(chǎn)品焊接試板的熱影響區(qū)沖擊功再未出現(xiàn)波動現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

（1） SA-537 CL2 鋼埋弧焊焊接， 采用相匹配的F8P6-EF3 焊絲焊劑， 焊后進行焊后熱處理以及淬火+回火+焊后熱處理， 其力學(xué)性能可滿足標準及項目要求。 焊后淬火+回火+焊后熱處理與僅進行焊后熱處理的焊接接頭力學(xué)性能相比， 其抗拉強度、 沖擊功、 硬度等性能出現(xiàn)下降的現(xiàn)象， 原因是其焊縫及熱影響區(qū)微觀組織有大的塊狀鐵素析出， 導(dǎo)致焊接接頭抗拉強度、 沖擊功、 硬度等性能下降。

（2） 在進行SA-537 CL2 鋼采購時， 對w（Ni）增加到了0.35%～0.50%的要求， 經(jīng)實踐驗證， 該方法可提高焊接接頭熱影響區(qū)沖擊性能的穩(wěn)定性。