09MnNiDR低溫鋼制壓力容器的焊接問題及優(yōu)化措施

韓秋菊

摘 要：隨著近年石油化工行業(yè)的發(fā)展，低溫容器在石油煉化行業(yè)得到普遍應(yīng)用，低溫鋼在壓力容器制造中的焊接問題日益增多。常見的低溫壓力容器用鋼有09MnNiDR與16MnDR，其中09MnNiDR添加了Ni元素，而且C、S、P元素都低于16MnDR，所以在-70℃低溫條件下，仍能保持相當(dāng)高的強(qiáng)度和韌性。這種鋼的綜合性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，可用于制造大型低溫鋼壓力容器。工程公司近兩年很多化工裝置上都有大量的09MnNiDR低溫鋼制壓力容器，本文主要針對(duì)09MnNiDR進(jìn)行介紹，首先對(duì)09MnNiDR低溫鋼進(jìn)行化學(xué)成分和力學(xué)分析，而后又列舉了常見的09MnNiDR低溫鋼制壓力容器的焊接質(zhì)量問題，最后闡述了09MnNiDR低溫鋼的焊接工藝的優(yōu)化措施，此文對(duì)工程公司EPC項(xiàng)目中09MnNiDR低溫鋼制壓力容器的采購(gòu)和檢驗(yàn)起到指導(dǎo)和借鑒的作用。

關(guān)鍵詞：09MnNiDR低溫鋼;壓力容器;焊接工藝;檢驗(yàn)

1 低溫鋼的焊接性能

首先隨機(jī)抽取某制造廠的09MnNiDR鋼板，對(duì)其化學(xué)成分、力學(xué)性能與GB3531—2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值進(jìn)行比較[1]，見表1、表2。

從表中可以看出，該鋼板中的合金元素全部都在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)，同時(shí)C、S、P等元素的含量都遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，鋼的化學(xué)成分和晶粒度對(duì)低溫性能都有明顯影響，C、S、P使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，其中尤以C、P最為明顯，所以在鋼的制造階段，一般要嚴(yán)格控制鋼材中C、S、P含量，而Mn和Ni會(huì)使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低，有利于增加鋼板的低溫韌性，其中元素Ni對(duì)低溫韌性的影響最大。從表 2的數(shù)據(jù)中可見該鋼板的力學(xué)性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其中低溫沖擊韌性及斷后伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小值，可以有效地確保鋼板在使用溫度下具有足夠的韌性，衡量低溫鋼性能的主要指標(biāo)就是低溫韌性，即低溫下的沖擊性能和脆性轉(zhuǎn)變溫度，對(duì)低溫鋼的主要性能要求是保證在使用溫度下具有足夠的韌性及抵抗脆斷破壞的能力。鋼的低溫沖擊性能越高，脆性轉(zhuǎn)變溫度越低，則低溫韌性越好。以上數(shù)據(jù)說明該批鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 制造過程中常見的質(zhì)量問題

對(duì)于低溫壓力容器的焊接問題基本上和普通壓力容器一致，分為外部焊接問題和內(nèi)部焊接問題，下面對(duì)兩方面進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

外部焊接質(zhì)量問題主要外部變形、焊接尺寸不合格及咬邊等問題。

2.1外部變形問題。由于設(shè)計(jì)不合理或焊接工藝不達(dá)標(biāo)，對(duì)壓力容器產(chǎn)生外力作用，使其局部應(yīng)力增大導(dǎo)致變形出現(xiàn)，從而降低了壓力容器的安全性;

2.2焊接尺寸不合格。焊接工作進(jìn)行時(shí)，因?yàn)楹附釉O(shè)備的電流強(qiáng)度不夠，焊縫寬度寬窄不一，因此影響到焊接尺寸;

2.3咬邊問題。咬邊是常見的質(zhì)量問題，不論是焊接設(shè)備的電流過大還是焊接技術(shù)的不規(guī)范，都會(huì)導(dǎo)致咬邊現(xiàn)象;

2.4其他質(zhì)量問題。在實(shí)際焊接工作中，由于焊接工藝的不正確或者焊材選擇不合理等原因，還會(huì)出現(xiàn)表面焊瘤、凹陷等其他質(zhì)量問題。

內(nèi)部焊接質(zhì)量問題主要有氣孔、夾渣、未焊透未熔合、裂紋等問題。

2.5氣孔問題。氣孔主要是因?yàn)楹附映刂械臍馀輿]有及時(shí)逸出、以及金屬表面的油污、灰塵等沒有清理干凈而造成氣孔;

2.6夾渣問題。在焊縫中出現(xiàn)殘留的爐渣即為夾渣，常見于槽的邊緣等非平滑位置。焊接設(shè)備電流強(qiáng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)、焊接速度太快或焊接軌道不平整等否容易導(dǎo)致熔渣殘留在焊縫中;

2.7未焊透未熔合。主要表現(xiàn)為焊接接頭未完全熔化時(shí)，在兩個(gè)焊接接頭之間存在部分間隙，從而直接影響壓力容器的安全性。

2.8裂紋問題。除了普通壓力容器常見的裂紋問題外，低溫鋼制壓力容器中更重要的問題便是預(yù)防冷裂紋的產(chǎn)生，其中焊接參數(shù)的不合理、焊條保存不當(dāng)或者焊工操作不正確都會(huì)造成冷裂紋的產(chǎn)生。

3 09MnNiDR 鋼焊接工藝

3.1焊材的選擇

09MnNiD鋼為低合金鋼，一般按等強(qiáng)度原則選擇焊條，以保證焊縫和熱影響區(qū)與母材的力學(xué)性能相當(dāng)。為了保證 09MnNiDR 鋼制造的設(shè)備長(zhǎng)期在低溫條件下穩(wěn)定運(yùn)行，又要求焊縫金屬具有較高的低溫性沖擊韌性。所以，選擇Ni含量較高的焊接材料，以提高焊縫的低溫沖擊韌性。根據(jù)各類文獻(xiàn)指導(dǎo)，最終選擇W707Ni，將該焊接材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能與GB/T 5118-2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值進(jìn)行比較[2]，如下表3和表4。

從上表中可以看出焊接材料W707Ni的Ni含量高于低溫鋼09MnNiDR，從而提高了焊縫的低溫沖擊韌性[3]。

3.2焊接工藝

根據(jù)09MnNiDR低溫鋼的焊接特點(diǎn)，采取如下工藝措施：

1）焊條在使用前應(yīng)在350℃～400℃烘干一到兩小時(shí)，烘干后將其置于溫度為100℃～150℃的保溫桶內(nèi)，隨用隨取。烘干的焊條要 4 小時(shí)內(nèi)用完，未用完的需要重新烘干，但烘干焊條不能超過2次。

2）施焊時(shí)開始的第一道底層焊接電流應(yīng)稍小，可以避免出現(xiàn)粗大的鐵素體和粗大的馬氏體組織。

3）盡量采用快遞多道焊，適當(dāng)加大坡口角度來增加焊道數(shù)目。

4）焊接時(shí)采用窄焊道，盡量不連續(xù)施焊，并嚴(yán)格控制焊道間溫度小于150℃。

5）不允許出現(xiàn)表面缺陷，如焊瘤、凹陷等容易造成應(yīng)力集中而引起脆性破壞。

6）焊后應(yīng)進(jìn)行600℃的熱處理來消除應(yīng)力集中從而降低脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，提高焊接接頭的韌性。

7）焊縫成型后進(jìn)行100%射線檢測(cè)。

4 結(jié)語

焊接是制造壓力容器重要的環(huán)節(jié)，從源頭控制原材料品質(zhì)和焊接的質(zhì)量，確保壓力容器在投產(chǎn)后能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。低溫鋼制壓力容器在工程中越來越常見，運(yùn)行環(huán)境比較特殊，所以對(duì)焊接工藝有較高的要求。在焊接低溫鋼時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)母材的種類和設(shè)計(jì) 要求，特別是板厚、強(qiáng)度、低溫韌性要求、熱處理要求、施工環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮選擇適當(dāng)?shù)暮附臃椒? 其次選擇與母材化學(xué)成分和性能相匹配的焊接材料，并嚴(yán)格控制焊材的化學(xué)成分，盡量避免焊接質(zhì)量缺陷，提高焊接接頭的韌性及抵抗脆性斷裂的性能，為保障低溫鋼制壓力容器在特殊工況下能夠穩(wěn)定安全的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB3531—2014.低溫壓力容器用鋼板[S].

[2]GB/T 5118-2012.熱強(qiáng)鋼焊條[S]

[3]王占英，馬軼群，張?zhí)m娣，李桓.低溫材料09MnNiDR的焊接工藝[J]. .焊接，2006（2）：63-65

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）