吳 婷,盧俊文,湛立寧,陳 敏,周璐璐

(河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗研究院唐山分院,河北 唐山063000)

16MnDR鋼制低溫壓力容器的焊接工藝直接影響著其產(chǎn)品的制造質(zhì)量,也關(guān)乎到其安全使用狀態(tài)和使用壽命【1】。在壓力容器產(chǎn)品制造監(jiān)檢實踐中,某制造單位接到一批低溫二氧化硫儲罐訂單,其設(shè)計溫度為－38～50℃,設(shè)計壓力1.6MPa,設(shè)計材質(zhì)為16MnDR,設(shè)計壁厚為16mm,設(shè)計直徑為1800mm。首臺制造前進行了焊接工藝評定,通過在不同焊接熱輸入條件下制作焊接試件,以及通過無損檢測和理化性能測試檢查試件焊縫能否達到設(shè)計要求,優(yōu)選出合理的焊接工藝參數(shù),以保證16MnDR鋼制低溫壓力容器的焊接質(zhì)量。

1 低溫壓力容器

低溫壓力容器一般是指設(shè)計溫度在－196～－20℃之間的容器【2】,常用于儲存液化氣體,例如液化天然氣、液化乙烯、液氮,液氧等。GB 3531—2014《低溫壓力容器用鋼板》規(guī)定了6種低溫用鋼牌號,其中16MnDR是最常用的低溫壓力容器用鋼,使用溫度下限為－40℃。低溫壓力容器用鋼的晶格結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致其韌性隨著使用溫度降低逐漸下降,當(dāng)使用溫度降到脆性轉(zhuǎn)變溫度以下時,該材料將變?yōu)榇嘈圆牧?在此狀態(tài)下,若用它制造的壓力容器有微小缺陷存在,就將導(dǎo)致焊縫金屬沿缺陷處產(chǎn)生脆性斷裂。脆斷失效無塑性變形的前兆,從自身缺陷處或結(jié)構(gòu)突變處開始,快速擴展至高韌性區(qū)或更低應(yīng)力區(qū),造成壓力容器的爆裂事故【3】。因此低溫壓力容器用鋼必須選擇脆性轉(zhuǎn)變溫度較低的材料,且有足夠的低溫韌性;結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須消除尖角等突變部位【4】,且制造完成后應(yīng)消除全部微觀缺陷。

2 焊接工藝制定

2.1 低溫鋼16MnDR的焊接性能

16MnDR作為一種經(jīng)濟型的C-Mn鋼,廣泛用于低溫壓力容器的制造。它是一種屈服強度較低的低碳合金材料,ReL為265～315MPa,最低沖擊試驗溫度為－40℃,正火熱處理狀態(tài)交貨。16MnDR低溫壓力容器用鋼劃線下料前應(yīng)對低溫沖擊韌性進行復(fù)驗,同時還要復(fù)驗化學(xué)成分及力學(xué)性能。表1所示為16MnDR化學(xué)成分復(fù)驗值,表2為16MnDR力學(xué)性能復(fù)驗結(jié)果。

表1 16MnDR化學(xué)成分復(fù)驗值(質(zhì)量分數(shù)) %

表2 16MnDR力學(xué)性能復(fù)驗結(jié)果

為防止16MnDR鋼焊后熔敷金屬形成晶粒粗大的魏氏體組織,導(dǎo)致焊縫的低溫韌性下降,應(yīng)采用分層多焊道的焊接方法;為防止焊條局部停留時間過長導(dǎo)致焊道過熱,應(yīng)適當(dāng)提高焊接速度。層間溫度要控制在250～300℃之間【5】,且應(yīng)盡量減小焊縫余高,同時焊縫表面應(yīng)圓滑過渡。焊接后層焊道時對前層焊道的重復(fù)加熱作用可細化金屬組織晶粒。

2.2 焊接方法及焊材的選用

16MnDR鋼必須采用低氫型焊材。焊材的化學(xué)成分和力學(xué)性能應(yīng)與母材相近,且低溫沖擊功指標(biāo)不得低于母材。筒體環(huán)焊縫及縱焊縫采用埋弧焊,選用Mn含量較高的H10Mn2埋弧焊絲,直徑為3.2mm;焊劑選用SJ101牌號,要求焊縫金屬中的擴散氫含量低于5 mL/100g。H10Mn2埋弧焊絲的化學(xué)成分如表3所示,SJ101焊劑的化學(xué)成分如表4所示。

表3 焊條的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %

表4 SJ101焊劑的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)) %

2.3 焊前準(zhǔn)備

16MnDR鋼焊接前按照焊接作業(yè)指導(dǎo)書的要求,將焊接件加工出坡口形狀,組對前對坡口及其兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)進行打磨處理,以便去除氧化鐵等雜質(zhì),使其露出金屬光澤,焊口點焊固定后檢查組對間隙、錯邊量,符合要求才能開始焊接。壁厚為16mm的16MnDR焊件常溫下焊接時,不需要焊前預(yù)熱,其組對間隙為0～2mm,縱向焊接接頭對口錯邊量≤3mm,環(huán)向焊接接頭對口錯邊量≤4mm。圖1所示為試件焊接坡口,選擇最常用的單V形坡口。

圖1 試板焊接坡口示意

2.4 焊接過程控制

16MnDR鋼焊接過程應(yīng)嚴格按焊接工藝卡操作。點焊固定時選用與正式焊相同的焊材,且點固焊縫的長度不宜過短,并在縱焊縫的始焊端加裝引弧板,終焊端增加熄弧板。焊接時不可在非焊縫部位引弧操作,每層焊道的接頭應(yīng)盡量錯開,以緩解接頭處的應(yīng)力集中【6】。

16MnDR低溫鋼材料移植標(biāo)志不得采用硬印標(biāo)記,以免在金屬表面留下永久印痕,形成引起低溫脆性斷裂的微觀缺陷,可以采用記號筆等其他不損害金屬表面的標(biāo)記方式。焊劑應(yīng)在300～350℃下烘焙2h,并在150℃溫度下保溫,領(lǐng)取后使用時間不得超過4h。焊后成形的焊道表面不允許有任何外觀缺陷(如咬邊等)【7】。

16MnDR鋼焊縫熔敷金屬的氫擴散易造成焊接冷裂紋,其他微觀缺陷也會誘發(fā)冷裂紋的產(chǎn)生,同時,焊材中的硫、磷等有害元素及其他低熔點合金元素,在熔敷金屬重新結(jié)晶的過程中易產(chǎn)生晶界偏聚現(xiàn)象,也可導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生,故焊后的冷卻速度不宜過快。

2.5 焊接工藝評定

2.5.1焊接工藝評定原則

焊接工藝評定是對初擬的焊接參數(shù)進行正確性評定,采用宏觀檢查、理化試驗、無損檢測等方法,檢查焊縫的外觀質(zhì)量、力學(xué)性能是否達到設(shè)計要求,焊縫是否有埋藏缺陷。通過變更焊材或調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)可以改變焊接質(zhì)量。根據(jù)評定合格的焊接參數(shù)制定焊接工藝卡。焊工依據(jù)焊接工藝卡操作能夠防止產(chǎn)生焊接缺陷,保證焊縫的力學(xué)性能達到設(shè)計要求【8】。

焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)主要是改變焊接熱輸入的大小,過大的焊接熱輸入將延長冷卻時間,形成晶粒粗大的魏氏體組織,導(dǎo)致低溫沖擊韌性下降;過小的焊接熱輸入則易使熔敷金屬形成馬氏體組織,導(dǎo)致焊接裂紋的產(chǎn)生?？梢哉{(diào)節(jié)的具體參數(shù)有焊接電流、焊接速度、電弧電壓等。在焊接速度相同的條件下,加大焊接電流或提高焊接電壓將增大焊接熱輸入;當(dāng)焊接電流固定不變時,提高焊接速度將減小焊接熱輸入。

2.5.2焊接參數(shù)的選取

在制造低溫二氧化硫儲罐的同批16MnDR低溫鋼中,制備厚度為16mm的3個焊接試件,分別在熱輸入值為15～20kJ/cm(試件1)、20～25kJ/cm(試件2)和25～30kJ/cm(試件3)的條件下進行焊接操作。不同焊接熱輸入狀態(tài)下的焊接參數(shù)如表5所示。

表5 不同焊接熱輸入狀態(tài)下的焊接參數(shù)

按照表5給出的焊接參數(shù)分別對3個試件進行焊接,做好焊接標(biāo)記后檢查有無表面缺陷,然后進行100%射線檢測,確認沒有埋藏缺陷后進入焊后熱處理環(huán)節(jié)。

3 焊后熱處理及理化檢測

3.1 焊后熱處理

依據(jù)NB/T47015—2011進行焊后熱處理。影響熱處理效果的因素有升溫速度、保溫溫度、恒溫時間及降溫速度等【9】。16MnDR鋼焊后熱處理保溫溫度為(610±10)℃,16 mm厚焊縫的恒溫時間為40 min,整體熱處理的焊件溫度超過400℃后的升溫速度為(200±10)℃/h,降溫速度為(270±10)℃/h,焊件出爐時溫度不得高于400℃,出爐后在空氣中自然冷卻。圖2所示為16MnDR鋼熱處理工藝曲線。

圖2 16MnDR鋼熱處理工藝曲線

3.2 焊接力學(xué)性能及硬度測試

3.2.1硬度測試

對熱處理后的焊接試板,分別在焊縫、熱影響區(qū)及母材上進行硬度測試。由測試結(jié)果可知:3種熱輸入狀態(tài)下的硬度值差別不大,且均滿足GB50683—2011中規(guī)定的焊縫和熱影響區(qū)熱處理后的布氏硬度HB≤225的要求;硬度最高值均在熱影響區(qū);熱輸入值較小時硬度值最高【10】。圖3所示為硬度測試值變化曲線。

圖3 硬度測試值變化曲線

3.2.2焊接接頭力學(xué)性能

焊后熱處理完成后,對不同焊接熱輸入條件下制作的3個焊接試件分別進行抗拉強度、屈服強度及低溫沖擊試驗,結(jié)果見表6。

表6 16MnDR鋼焊接力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)

從表6中可以看出:試件1的抗拉強度小于16MnDR鋼(6～16 mm)的抗拉強度下限值490MPa,故熱輸入值15～20kJ/cm不能滿足強度要求,其他兩組試件的抗拉強度合格;試件3的沖擊吸收功小于16MnDR鋼(6～16 mm)的沖擊吸收功下限值47J,故熱輸入值25～30kJ/cm不能滿足沖擊吸收功的要求,其他兩組試件滿足沖擊吸收功的要求;16MnDR鋼在不同熱輸入條件下的沖擊吸收功也不一樣,隨著熱輸入的減小而增大,在熱輸入為20～25kJ/cm時沖擊吸收功最大。圖4所示為低溫沖擊功隨熱輸入變化曲線。

圖4 低溫沖擊功隨熱輸入變化曲線

綜上所述,采用焊接熱輸入為20～25kJ/cm的焊接參數(shù)符合質(zhì)量要求。根據(jù)焊接工藝評定制定了焊接作業(yè)指導(dǎo)書,按該焊接工藝制造的2臺低溫二氧化硫儲罐已監(jiān)檢合格并投入使用。

4 結(jié)語

在壁厚為16mm、材質(zhì)為16MnDR的低溫二氧化硫儲罐試制過程中,通過對焊接材料、焊接熱輸入、焊后熱處理工藝、焊接過程控制等因素進行分析,總結(jié)出滿足設(shè)計要求的16MnDR低溫壓力容器焊接工藝控制方法,具體如下:

1)16MnDR鋼制低溫壓力容器應(yīng)選用低氫型焊材進行焊接,焊材的化學(xué)成分應(yīng)與母材相近,焊道表面不應(yīng)有任何微觀缺陷,且應(yīng)采用快速多焊道的重復(fù)加熱作用細化晶粒;壁厚為16mm的16MnDR試件常溫下焊接時,不需要焊前預(yù)熱,層間溫度應(yīng)控制在250～300℃之間。

2)通過調(diào)節(jié)焊接熱輸入的大小可以控制焊接質(zhì)量。焊接熱輸入過小時,會影響焊縫的抗拉強度,而熱輸入過大時,則會影響焊縫的低溫沖擊功。試驗結(jié)果表明,焊接熱輸入在20～25kJ/cm時,焊接厚度為16mm的試件的各種力學(xué)性能指標(biāo)均滿足要求。

3)16MnDR鋼熱處理溫度為(610±10)℃,厚度為16mm的試件保溫時間為40min,400℃以上的加熱速度為(200±10)℃/h,降溫速度為(270±10)℃/h,出爐溫度為400℃以下。不同熱輸入狀態(tài)下的焊接試件經(jīng)熱處理后,表面硬度值均滿足要求,熱輸入值較小時硬度值最高。