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    從封頭壓裂談13MnNiMoR復(fù)合板的制造工藝

    2014-12-25 05:04:00趙紅濤賈巧娟
    科技視界 2014年26期
    關(guān)鍵詞:復(fù)合板覆層封頭

    趙紅濤 賈巧娟

    (陜西榆林中煤能源化工有限公司,陜西 榆林718500)

    1 問題的提出

    某壓力容器制造廠在壓制洗滌塔球形封頭的過程中,發(fā)生了沿拼接焊縫開裂,開裂長度為600mm左右。

    封頭材料為13MnNiMoR+316L復(fù)合板,厚度為50+3mm,封頭成型后內(nèi)徑為3600mm,由于受到復(fù)合板幅面限制,該封頭由三塊板拼焊而成,即整個封頭有兩條拼接焊縫,采用先拼接后整體壓制的制造工藝。

    該廠采用的加工工藝為:封頭在正火溫度下壓制,封頭壓制完畢后按照原基板即13MnNiMoR的要求進(jìn)行正火+回火熱處理。熱處理后用碳弧氣刨的方法將原焊縫全部剔除,然后采用手工電弧焊拼接焊縫。

    事故發(fā)生后,該廠采用了整改措施:采用碳弧氣刨的方法將整條開裂的焊縫刨除,打磨去除焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)各10mm范圍,將加工坡口進(jìn)行100%MT檢測,并對距焊縫兩側(cè)邊緣各100mm范圍進(jìn)行超聲波檢測,兩種檢測方法均應(yīng)達(dá)到I級合格。采用手工焊的方式,焊前預(yù)熱焊后消氫熱處理。焊接完成后將焊縫余高打磨至與母材平齊。采用超聲波檢測焊縫質(zhì)量,合格后按照原規(guī)定的壓制溫度進(jìn)行壓制。冷卻后再進(jìn)行正火+回火熱處理以恢復(fù)板材的力學(xué)性能。

    2 13MnNiMoR的材料性能

    13MnNiMoR是中低溫壓力容器用鋼板,具有較高的強(qiáng)度指標(biāo)、良好的抗沖擊韌性、良好的焊接性能及機(jī)加工性能。13MnNiMoR鋼多用于厚壁大型壓力容器,焊接接頭均應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力處理。

    13MnNiMoR的化學(xué)成分如下:

    表1

    該鋼是在C-Mn鋼的基礎(chǔ)上,添加Mo、Cr、Ni、Nb等溶于鐵素體的元素。Mn、Si、Cr、Ni主要起固溶強(qiáng)化作用,增加了機(jī)械強(qiáng)度;Mo、Cr、Nb提高了鋼在中溫下的強(qiáng)度,同時Nb起到細(xì)化晶粒的作用;而Ni的加入改善了該鋼的低溫韌性。

    根據(jù)國際焊接協(xié)會碳當(dāng)量計算公式Ce=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15得出13MnNiMoR的碳當(dāng)量為0.573%,表明該鋼具有較大的冷脆傾向。該鋼在焊接時需要采取焊前預(yù)熱、焊后消氫等工藝措施。

    13MnNiMoR的力學(xué)性能和工藝性能:

    表2

    13MnNiMoR的高溫力學(xué)性能(表3)。

    從上面兩個表看出,13MnNiMoR具有較好的力學(xué)性能和較高的熱強(qiáng)性,尤其是其具有較高的應(yīng)力值,適合用于高壓容器、殼體壁厚較大且使用溫度不超過400℃的場合。

    表3

    3 原因分析

    該廠在封頭制造過程中存在下列問題:

    3.1 13MnNiMoR+316L復(fù)合板僅將基層進(jìn)行了拼焊,未將316L覆層進(jìn)行拼焊,且壓制前在覆層處嵌入不銹

    兩種材料的線膨脹系數(shù)不同,316L的線膨脹系數(shù)約為碳鋼的1.3倍(400℃時),且316L是在封頭內(nèi)部,封頭壓制過程中內(nèi)層被壓縮,外層被拉長,又因封頭是在正火狀態(tài)下壓制造,覆層316L的壓縮量更大,勢必會造成基層內(nèi)應(yīng)力的增加。該廠未焊接覆層,反而在覆層處嵌入不銹鋼扁鋼,更加大了基層的應(yīng)力值,造成基層焊縫的開裂也就不足為奇了。

    3.2 封頭平板拼接后進(jìn)行超聲波探傷,未進(jìn)行100%射線探傷。

    GB150明確規(guī)定:設(shè)計壓力大于或等于1.6MPa的III類容器的A類和B類焊縫進(jìn)行100%射線或超聲檢測。因為超聲檢測的質(zhì)量主要取決于檢測人員的水平,所以在工程中一般不采用超聲,而采用射線檢測。本設(shè)備圖紙中規(guī)定100%射線檢測。該廠的做法也為封頭開裂埋下了伏筆。

    3.3 對于有覆層的封頭,該廠一貫采用只焊基層,不焊覆層的做法,在封頭壓制成型后,再將基層的焊縫刨去,按照工藝評定參數(shù)重新對封頭的基層和覆層進(jìn)行焊接。

    此做法一是增加了工作量,二是反復(fù)的高溫加熱造成合金燒損,致使材料性能惡化,尤其對于高合金鋼和高強(qiáng)度材料。

    3.4 未按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行熱處理。

    GB150規(guī)定:任意厚度的13MnNiMoR需進(jìn)行焊后熱處理,而該廠只對拼接焊縫進(jìn)行了消氫處理,以至造成焊縫內(nèi)部應(yīng)力過高,也為焊縫開裂創(chuàng)造了條件。

    事故發(fā)生后,該廠被要求對封頭進(jìn)行更換或切去封頭小部分及開裂焊縫200mm處,重新對切除部分下料壓制完成后拼焊。該廠未予理睬,而是將開裂焊縫兩側(cè)各10mm范圍內(nèi)打磨去除后重新焊接。首先,考慮板材厚度,焊縫的熱影響區(qū)不可能只有10mm,這將造成焊縫熱影響區(qū)重疊,反復(fù)焊接對合金造成燒損,進(jìn)而影響材料性能。其次,兩焊件之間的間隙達(dá)20mm,很難保證焊縫的機(jī)械性能。

    4 結(jié)論

    13MnNiMoR+316L復(fù)合板的焊接是一個難題,除了要解決線膨脹系數(shù)不同的問題,還要防止基層13MnNiMoR焊接時產(chǎn)生裂紋。

    在鍋爐壓力容器制造中采用13MnNiMoR+316L復(fù)合板的,要注意以下幾方面的問題:

    4.1 焊材的選擇

    依據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和生產(chǎn)廠家長期使用的成功經(jīng)驗分別對基層和覆層分別選用合適焊材。為保證焊接質(zhì)量,防止合金稀釋,應(yīng)在基層和覆層之間增加過渡層,過渡層焊材應(yīng)保證熔敷金屬的主要元素合金含量不低于覆層母材標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值。同時,由于保證機(jī)械強(qiáng)度的是復(fù)合板基層,需要在選擇焊材時充分考慮焊縫的強(qiáng)度,尤其是焊接熱處理后的機(jī)械強(qiáng)度與基材相匹配。

    4.2 計算覆層的伸長量,尤其是在熱加工狀態(tài)下,加工坡口時去除部分覆層,以保證加工過程中兩側(cè)的覆層不發(fā)生擠壓。

    4.3 焊前預(yù)熱、焊后熱處理

    焊前將焊接坡口兩側(cè)各不小于100mm的范圍內(nèi)預(yù)熱150℃~200℃;焊接過程中層間溫度保持在200℃~250℃,每條焊縫焊接完成后立即進(jìn)行350℃~400℃x2.5h消氫熱處理;全部焊接結(jié)束后進(jìn)行630℃10℃保溫不少于2.5h(具體保溫時間根據(jù)材料厚度確定)的消除應(yīng)力熱處理,封頭的焊后熱處理應(yīng)在焊接完成后、封頭壓制前完成。

    4.4 根據(jù)板材厚度選用合適的焊接坡口

    4.5 按照工藝評定合格的參數(shù)進(jìn)行焊接操作并保證焊接過程平穩(wěn)

    4.6 覆層焊接完成后,進(jìn)行酸洗鈍化處理,以保證覆層耐腐蝕

    4.7 焊接完成后進(jìn)行100%射線檢測

    4.8 封頭壓制成型后,應(yīng)重新進(jìn)行回火處理

    其他材料的復(fù)合板在加工過程中,對以上事項也應(yīng)予以充分考慮。

    [1]周群英.13MnNiMoNbR鋼板在鍋爐壓力容器制造中的應(yīng)用[J].發(fā)電設(shè)備,2001,2.

    [2]王淑華,等.13MnNiMoNbR高強(qiáng)鋼的焊接[J].焊接技術(shù),2008,3.

    [3]龔正春.熱處理對13MnNiMoNbR鋼板性能的影響[J].壓力容器,2002,1.

    [4]王晉生,等.高強(qiáng)鋼13MnNiMoNbR材料性能分析與應(yīng)用[J].大型鑄鍛件,2005,2.

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