重型壓力容器裙座與設(shè)備本體同爐焊后熱處理技術(shù)

王慶偉

(東方電機(jī)集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川618000)

重型壓力容器裙座與設(shè)備本體同爐焊后熱處理技術(shù)

王慶偉

(東方電機(jī)集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川618000)

壓力容器裙座用Q345R鋼板在特殊條件下復(fù)驗(yàn)合格后，采用經(jīng)評(píng)定合格的焊接工藝施焊，使裙座母材和焊縫在本體規(guī)定的焊后熱處理?xiàng)l件下，仍能滿足標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件規(guī)定的力學(xué)性能，從而實(shí)現(xiàn)裙座與設(shè)備本體同爐熱處理。

壓力容器裙座；焊后熱處理；焊接工藝評(píng)定

壓力容器焊接時(shí)，當(dāng)母材相鄰區(qū)域產(chǎn)生溫差大于100℃的急劇溫度梯度時(shí)，在鐵素體鋼或相當(dāng)?shù)钠渌牧现幸鸩痪鶆虻乃苄詰?yīng)變，而在隨后的冷卻過(guò)程中，將產(chǎn)生峰值應(yīng)力達(dá)到材料屈服點(diǎn)的殘余應(yīng)力場(chǎng)，殘余應(yīng)力的存在將影響壓力容器的使用性能。因此，為改善焊接區(qū)的性能和消除焊接殘余應(yīng)力，可采取焊后熱處理方法(PWHT)松弛和緩解焊接殘余應(yīng)力，改善因焊接而被硬化及脆化的焊接熱影響區(qū)，提高焊縫金屬的延性和斷裂韌性，也可使焊接區(qū)及其附近的氫等有害氣體擴(kuò)散逸出。

由于石化煉油裝置(如加氫反應(yīng)器、熱高壓分離器)本體多為珠光體耐熱鋼，裙座組件的材質(zhì)為普通低合金高強(qiáng)鋼，通常情況下焊后需采取不同的熱處理工藝。容器組焊完畢后焊接與本體同材質(zhì)的過(guò)渡段裙座，單獨(dú)進(jìn)爐按本體材質(zhì)的要求進(jìn)行熱處理；設(shè)備出爐后焊接裙座組件，按裙座材質(zhì)的要求進(jìn)行局部熱處理。采用該方式不僅增加了生產(chǎn)成本，而且延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期。因此，要實(shí)現(xiàn)裙座與設(shè)備本體同爐PWHT，高溫長(zhǎng)時(shí)間熱處理對(duì)裙座母材及焊接接頭力學(xué)性能的影響及處理措施是急需解決的問(wèn)題。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

圖1為某設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的渣油加氫脫硫裝置-熱高壓分離器，該裝置的設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)壓力19.3 MPa，設(shè)計(jì)溫度400℃，介質(zhì)H2+油氣+油+H2S，厚度160 mm，體積18.3 m3，設(shè)備總重184 575 kg，屬于Ⅲ類壓力容器。

該設(shè)備由氣體出口、筒體、過(guò)渡段、封頭、液體出口、法蘭及裙座等組成，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求，組焊完成后整體進(jìn)爐PWHT690±14℃×8+2h。主體材料均為12Cr2Mo1Ⅳ鍛件+(E309L+E347)堆焊，母材滿足NB/T 47008《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》及相關(guān)技術(shù)要求；裙座母材為Q345R鋼板，滿足GB713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》及相關(guān)采購(gòu)技術(shù)要求。

2 PWHT對(duì)母材和焊縫性能的影響

焊件的保溫溫度和保溫時(shí)間可利用回火參數(shù)P來(lái)推算：

P=T(20+lgt)

式中，P為回火參數(shù)；T為加熱溫度(K)；t為保溫時(shí)間(h)。

回火參數(shù)與殘余應(yīng)力的關(guān)系見(jiàn)圖2。由圖2可知，當(dāng)回火參數(shù)P值為(18～19)×103時(shí)，殘余應(yīng)力急劇下降。要獲得相同的回火參數(shù)P值，選擇高溫短時(shí)間回火或低溫長(zhǎng)時(shí)間回火，而如何選擇需要根據(jù)抗拉強(qiáng)度和韌性特性來(lái)決定[1]。

圖1 石化壓力容器設(shè)備本體與裙座結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Configuration of petro-chemical pressure vessel body and skirt support

圖2 回火參數(shù)與殘余應(yīng)力的關(guān)系Figure 2 Relationship of tempering parameters and residual stress

圖3 PWHT對(duì)高強(qiáng)鋼焊縫金屬抗拉強(qiáng)度的影響Figure 3 Effect of PWHT on tensile strength for high strength steel weld metal

對(duì)一般的低合金高強(qiáng)鋼，如果長(zhǎng)時(shí)間在高溫下保溫，會(huì)對(duì)母材的塑性和韌性產(chǎn)生有害的影響。對(duì)焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)來(lái)說(shuō)，PWHT的溫度越高、保溫時(shí)間越長(zhǎng)就越低。圖3表示了各種焊縫金屬的這一變化。從圖3可知，由于焊縫金屬的合金成分不同，強(qiáng)度下降的程度也不同，其原因是PWHT過(guò)程中組織變化是因合金成分而異[1]。

針對(duì)Q345R裙座組件PWHT的工藝通常按600±20℃×2 h執(zhí)行，根據(jù)以上分析，若按本體690±14℃×8+2h進(jìn)行PWHT，勢(shì)必影響母材和焊接接頭的力學(xué)性能和斷裂韌性。因此，在原材料采購(gòu)時(shí)Q345R鋼板需在模擬690±14℃×8+2h的條件下驗(yàn)收，焊接材料熔敷金屬的力學(xué)性能和沖擊韌性指標(biāo)應(yīng)相應(yīng)的提高，經(jīng)焊接工藝評(píng)定和復(fù)驗(yàn)合格后方可用于產(chǎn)品施焊。

3 裙座下段鋼板驗(yàn)收

裙座下段鋼板為Q345R，壁厚38 mm，以正火狀態(tài)交貨，并應(yīng)在模擬PWHT的條件下進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)和沖擊韌性檢測(cè)，3個(gè)試樣沖擊功平均值≥34 J，允許其中一個(gè)試樣沖擊功值≥27 J。Q345R鋼板應(yīng)按NB/T 47014《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》進(jìn)行超聲檢測(cè)，Ⅱ級(jí)合格。

Q345R鋼板的力學(xué)性能應(yīng)在模擬PWHT后滿足GB713《鍋爐與壓力容器用鋼板》的規(guī)定。模擬PWHT的溫度為690±14℃，保溫時(shí)間為8+2h。力學(xué)性能和沖擊韌性合格后方允許與設(shè)備本體同爐熱處理。Q345R鋼板性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 Q345R鋼板性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Performance test data of Q345R steel plate

通過(guò)表1可知，該批裙座鋼板試樣經(jīng)690±14℃×8+2h模擬PWHT后的性能檢測(cè)數(shù)據(jù)滿足標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)技術(shù)要求。

4 焊接工藝評(píng)定

4.1 焊接方法及焊接材料

裙座組件的焊接主要采用焊條電弧焊打底及局部補(bǔ)焊、埋弧焊蓋面的方法。為保證焊接接頭經(jīng)690±14℃×8+2h熱處理后，焊縫金屬及熱影響區(qū)沖擊韌性≥34 J，保證焊接接頭的綜合力學(xué)性能不低于母材要求，焊前按NB/T 47014《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，文中僅對(duì)主體焊縫用埋弧焊工藝評(píng)定進(jìn)行介紹。

選用的焊接材料在焊態(tài)下應(yīng)與母材高強(qiáng)度匹配，焊條牌號(hào)為CHE557R(型號(hào)E5515-E)，符合NB/T47018.2《鋼焊條》要求，焊絲、焊劑牌號(hào)為CHW-S7R+CHF113R(型號(hào)F62A3-H08Mn2MoA)，焊劑CHF113R為氟堿型堿性燒結(jié)焊劑，硬度約2.0，呈淺灰色球形顆粒，粒度10～60目。焊材應(yīng)嚴(yán)格控制S、P含量，符合NB/T 47018.4《埋弧焊用鋼焊絲和焊劑》要求。該焊絲焊劑組合工藝性能良好、電弧燃燒穩(wěn)定、焊道成型好、脫渣容易，焊縫具有擴(kuò)散氫含量低、抗裂性、低溫沖擊韌性好等特點(diǎn)。熔敷金屬在焊態(tài)下的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)值見(jiàn)表2。

表2 熔敷金屬焊態(tài)力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)值Table 2 Mechanical properties standard values of deposited metal welding state

4.2 試板坡口制備及施焊

兩件試樣規(guī)格為40 mm×150 mm×300 mm，材質(zhì)為Q345R，已在模擬PWHT條件下復(fù)驗(yàn)合格。按圖4所示開(kāi)V型坡口，坡口角度60°，鈍邊5 mm，坡口間隙2 mm。

裝配合格后裝收、引弧板，按PWPS說(shuō)明施焊。焊前天然氣預(yù)熱≥100℃；采用多層多道焊的方式，正面分10層18道，翻面清根焊分2層2道，控制道間溫度≤250℃；為保證焊縫金屬的沖擊韌性，焊接過(guò)程中控制最大焊接熱輸入不超過(guò)30 kJ/cm；焊后立即進(jìn)行200～250℃×1 h消氫處理，天然氣加熱石棉布覆蓋緩冷。焊接過(guò)程工藝參數(shù)記錄見(jiàn)表3。

圖4 埋弧焊坡口形式及焊道層次Figure 4 Groove shape and weld bead level of submerged-arc welding

表3 SAW焊接工藝參數(shù)記錄Table 3 SAW welding process parameters records

4.3 宏觀檢查及無(wú)損檢測(cè)

對(duì)焊接試板的焊縫外觀質(zhì)量進(jìn)行檢查，焊縫成型較好，無(wú)裂紋、咬邊、氣孔等缺陷。按NB/T 47014《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》要求進(jìn)行100%射線檢測(cè)，基本達(dá)到I級(jí)要求。對(duì)局部檢測(cè)不合格部位做好標(biāo)識(shí)，制取試樣時(shí)應(yīng)避開(kāi)缺陷部位。

4.4 焊后熱處理(PWHT)

為考察焊接接頭在高于常規(guī)退火溫度和時(shí)間的條件下接頭力學(xué)性能是否滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，制定焊后熱處理曲線，如圖5所示。

圖5 模擬焊后熱處理曲線Figure 5 Simulated PWHT curve

4.5 力學(xué)性能檢驗(yàn)

按NB/T 47014《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目和取樣數(shù)量，制取兩件拉伸試樣、4件側(cè)彎試樣、6件沖擊試樣(焊縫和熱影響區(qū)各3件；沖擊試樣取自焊縫正面2 mm以下的位置)。

拉伸試驗(yàn)按GB/T 228規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)定焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，合格指標(biāo)為不低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的母材抗拉強(qiáng)度的最低值。彎曲試驗(yàn)按GB/T 2653和NB/T 47014規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)定焊接接頭的完好性和塑性，合格指標(biāo)為彎曲到規(guī)定的角度后，其拉伸面上的焊縫和熱影響區(qū)內(nèi)沿任何方向不得有單條長(zhǎng)度大于3 mm的開(kāi)口缺陷。沖擊試驗(yàn)方法應(yīng)符合GB/T 229的規(guī)定，試驗(yàn)溫度及合格指標(biāo)與母材一致。力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表4、表5、表6。

表4 拉伸試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)Table 4 Performance data of tensile test

表5 彎曲試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)Table 5 Performance data of bending test

表6 沖擊試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)Table 6 Performance data of impact test

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可知：拉伸試驗(yàn)斷裂部位均位于母材，斷裂部位具有明顯的頸縮現(xiàn)象，焊縫在退火狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度仍高于母材；在彎芯直徑D=4a的壓頭下彎曲180°，4件均未產(chǎn)生裂紋，說(shuō)明焊接接頭的致密性和塑性優(yōu)良；沖擊試驗(yàn)平均值(焊縫76 J，熱影響區(qū)146 J)高于標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明焊接接頭韌性良好。

綜上所述，焊接接頭在經(jīng)690±14℃×8+2h PWHT的條件下，仍然具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，說(shuō)明選材和工藝制定合理，裙座與設(shè)備本體具備同爐焊后熱處理的條件，在實(shí)際生產(chǎn)中將該工藝投入使用，取得良好的效果。

5 結(jié)論

在重型壓力容器制造時(shí)若要實(shí)現(xiàn)裙座與設(shè)備本體同爐PWHT，需滿足以下條件：

(1)在裙座Q345R鋼板采購(gòu)時(shí)，入廠復(fù)驗(yàn)需在模擬690±14℃×8+2h的條件下驗(yàn)收，合格指標(biāo)滿足GB 713《鍋爐與壓力容器用鋼板》和產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。

(2)選擇焊接材料時(shí)，應(yīng)保證在焊態(tài)下熔敷金屬力學(xué)性能與母材高強(qiáng)度匹配。

(3)經(jīng)焊接工藝評(píng)定和焊接材料復(fù)驗(yàn)合格后方可用于產(chǎn)品施焊，評(píng)定和復(fù)驗(yàn)時(shí)焊接試板也應(yīng)經(jīng)過(guò)模擬PWHT690±14℃×8+2h。

實(shí)踐證明，通過(guò)合理的選材和焊接工藝，裙座與設(shè)備本體具備同爐焊后熱處理的條件，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用該工藝降低了生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期，取得了良好的效果，對(duì)同類設(shè)備的制造具有一定的參考價(jià)值。

[1] 陳泰偉.壓力容器焊后熱處理技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2002.

編輯 杜青泉

Post Weld Heat Treatment Technique of Skirt Support and the Body for Heavy Duty Pressure Vessel in Same Furnace

Wang Qingwei

Q345R steel plate used for pressure vessel skirt support was welded by qualified welding process through evaluation after verified under special conditions,which made skirt support and weld apply to mechanical properties established by standards and technical terms in same conditions of post weld heat treatment with the body in order to realize the heat treatment of skirt support and the body in same furnace.

pressure vessel skirt support; post weld heat treatment; welding process evaluation

2016—11—14

王慶偉(1983—)，男，碩士，工程師，主要從事壓力容器、風(fēng)電產(chǎn)品的焊接工藝和質(zhì)量控制相關(guān)工作。

TG441.8

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