非標(biāo)高壓容器厚壁不銹鋼復(fù)合鋼板焊接工藝評(píng)定

李曉亮， 韓 亮

（四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司， 成都 610051）

0 前 言

近年來， 國內(nèi)外開發(fā)的油氣田中存在較強(qiáng)的腐蝕介質(zhì)， 大量高壓厚壁復(fù)合板設(shè)計(jì)的設(shè)備用于油氣田的開采中， 然而厚壁不銹鋼導(dǎo)熱能力較差， 線膨脹系數(shù)較大， 易產(chǎn)生明顯的焊接變形，從而導(dǎo)致腐蝕裂紋及應(yīng)力開裂產(chǎn)生， 嚴(yán)重影響高壓設(shè)備的安全和使用壽命[1-2]。

本研究所涉及的（138+3）mm 厚壁Q345R（RHIC）+022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼復(fù)合板主要應(yīng)用于巨型脫硫脫碳裝置的非標(biāo)容器， 該裝置位于土庫曼斯坦南約洛坦天然氣處理廠， 單重約500 t。在焊接過程中該厚壁板材也出現(xiàn)了一些值得思考的問題， 因此對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)和工藝評(píng)定是十分必要的。 Q345R（R-HIC）+022Cr17Ni12Mo2 是由不銹鋼層022Cr17Ni12Mo2 和基層Q345R（R-HIC）復(fù)合而成， 其中022Cr17Ni12Mo2 屬于18-8Mo型奧氏體不銹鋼， 腐蝕環(huán)境中Mo 易反應(yīng)生成MoO42-離子， 吸附于材料表面活性點(diǎn)， 阻止Cl-侵蝕， 從而提高材料耐蝕性能[3]； 基層Q345R （RHIC） 主要由珠光體組成， 具有抗氫誘導(dǎo)開裂（HIC）和抗硫化物應(yīng)力開裂能力（SSC）， 起到保證強(qiáng)度作用[4]。

為了完全掌握此類厚壁不銹鋼復(fù)合板的焊接冶金性能， 為同類厚壁不銹鋼結(jié)構(gòu)件焊接提供有價(jià)值的參考， 本研究擬采用和非標(biāo)容器等質(zhì)等 厚 的（138 +3）mm 壁 厚Q345R （R-HIC）+022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼復(fù)合板材進(jìn)行焊前工藝研究及焊后性能評(píng)定， 所得各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)具有重要的參考價(jià)值， 可為厚壁不銹鋼復(fù)合板后期工程應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)。

1 焊接性分析

本研究采用的（138+3）mm壁厚Q345R（R-HIC）+022Cr17Ni12Mo2復(fù)合板的強(qiáng)度主要由基層Q345R（R-HIC） 決定， 而鋼板耐蝕性能取決于復(fù)層022Cr17Ni12Mo2， 焊接時(shí)基層和復(fù)層分別焊接，使得厚壁復(fù)合鋼板各項(xiàng)性能不降低。 復(fù)合板的化學(xué)成分見表1， 鋼的焊接性與其碳當(dāng)量有較大關(guān)系， 可通過公式（1） 計(jì)算[5-6]：

通常碳當(dāng)量<0.45%的鋼材焊接性較好， 而隨著鋼中含碳量的增加， 其塑性會(huì)降低， 淬硬傾向變大， 易產(chǎn)生裂紋影響性能。 Q345R （RHIC） 碳當(dāng)量為0.393%， 組織為珠光體+鐵素體[7]，具有較大的淬硬傾向。

022Cr17Ni12Mo2 奧氏體不銹鋼化學(xué)成分見表1， 焊接時(shí)， 易出現(xiàn)以下問題： ①熱裂紋易出現(xiàn)在焊縫或近焊縫區(qū)域， 從而導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低； ②加熱過程中， 接頭處脆性的σ 相析出會(huì)降低材料塑性； ③接頭中的Cr23C6會(huì)在晶界處析出Cr， 從而導(dǎo)致材料耐蝕性能降低，在某些特定介質(zhì)環(huán)境下使材料表面出現(xiàn)均勻腐蝕或局部出現(xiàn)如點(diǎn)蝕、 晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂等[8]。

表1 Q345R（R-HIC）+022Cr17Ni12Mo2 復(fù)合板基層和復(fù)層材料化學(xué)成分 %

另外， 焊接過程中由于奧氏體鋼與非奧氏體鋼線膨脹系數(shù)不同， 產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)使復(fù)層開裂失效， 且復(fù)層厚度越大越容易產(chǎn)生裂紋； 同時(shí)復(fù)層的含碳量較基層高出一個(gè)數(shù)量級(jí)， 而合金元素較基層低很多， 焊后復(fù)層會(huì)出現(xiàn)C 元素增加而合金元素稀釋， 導(dǎo)致基層熔合線附近出現(xiàn)“脫碳” 現(xiàn)象， 造成材料耐蝕性及強(qiáng)度下降。 因此， 焊接過程中必須增加過渡層焊縫， 保證復(fù)合板焊接過程中不產(chǎn)生裂紋， 且復(fù)層耐腐蝕性能不降低。

2 復(fù)合板焊接工藝確定

2.1 焊接方法與焊接材料的選擇

本研究采用Q345R（R-HIC）+022Cr17Ni12Mo2不銹鋼復(fù)合板作為研究對(duì)象， 不銹鋼復(fù)合板試板規(guī)格為650 mm×（138+3） mm， 采用手工電弧焊（SMAW） +埋弧自動(dòng)焊（SAW）完成復(fù)合鋼板焊接。厚壁復(fù)合鋼板焊接時(shí)要考慮碳鋼基層過渡層和不銹鋼復(fù)層之間的匹配問題， 為提高焊縫的質(zhì)量， 同一條焊縫將采用3 種不同的焊接材料來完成焊接。 焊條熔敷金屬化學(xué)成分見表2。 力學(xué)性能的匹配是基層Q345R（R-HIC）選擇焊接材料的主要依據(jù)， 焊接時(shí)使用焊條電弧焊與埋弧自動(dòng)焊。 化學(xué)成分和抗晶間腐蝕是過渡層和復(fù)層選擇焊接材料的主要依據(jù)， 基層C 元素含量高， 焊材E309MoL-16 含C 量較低， 因此復(fù)合板過渡層該牌號(hào)焊材控制復(fù)層的碳含量不變，焊條選用A042 （超低碳Cr23Ni13Mo2 不銹鋼焊條）， 不銹鋼復(fù)層選用E316L-16 焊條； 焊材中的Mo 元素（見表2） 可以減少敏化溫度對(duì)復(fù)層耐蝕性的作用， 焊條選用A022 （ 超低碳Cr18Ni12Mo2 不銹鋼焊條， 其熔敷金屬含碳量≤0.04%， 具有良好的耐熱、 耐腐蝕及抗裂、抗氣孔性能以及良好的操作工藝性能， 藥皮耐紅， 強(qiáng)度好）[9-10]。 經(jīng)操作工藝性試驗(yàn) （如焊絲內(nèi)部的均勻情況， 焊縫成形， 以及脫渣性能等） 進(jìn)行篩選， 基材的埋弧焊絲配焊劑選用H08MnHIC+SJ613HIC。

表2 焊條熔敷金屬化學(xué)成分 %

2.2 焊接坡口的選擇

本研究涉及的厚壁不銹鋼復(fù)合板焊接接頭坡口選擇時(shí)要注意： ①焊透； ②利于焊工操作方便； ③復(fù)層化學(xué)成分達(dá)到耐蝕性要求； ④減少焊接缺陷同時(shí)節(jié)約焊材[11]。

本研究中的復(fù)合板較厚， 將采用焊條電弧焊和埋弧焊組合焊接， 圖1 所示為吸收塔主體焊縫坡口示意圖。 采用窄間隙埋弧焊坡口， 考慮到焊接變形的控制， 防止夾雜和未熔合的產(chǎn)生以及后期修磨與檢驗(yàn)的便捷， 特將復(fù)層增加30°傾角，減少基層1.5～2 mm 厚度， 增加復(fù)層厚度， 通過坡口設(shè)計(jì)控制過渡層的厚度， 防止基層多次加熱對(duì)復(fù)層性能的影響， 提高了焊縫邊緣表面質(zhì)量。

圖1 厚壁復(fù)合不銹鋼板窄間隙埋弧焊坡口

2.3 焊接順序與工藝參數(shù)

焊接厚壁復(fù)合板時(shí)， 本研究按基層、 過渡層、 復(fù)層的順序逐次完成焊接， 如圖2 所示[12]?；鶎犹间摵附油瓿珊螅?采用無損探傷檢測(cè)設(shè)備（主要包括RT、 UT、 MT、 PT）， 檢測(cè)確認(rèn)焊接接頭合格無缺陷后， 再進(jìn)行焊接過渡層的焊接。 通常情況過渡層焊至距離表層約2 mm 處停止， 焊接基層內(nèi)側(cè)至距接合面1～1.5 mm 處停止。基層焊接采用SMAW+SAW， 選用直徑為4.0 mm的E5015-g 型焊條， 焊接電流和電壓分別為160～165 A、 22～23 V， 焊接速度11～12 cm/min， 層間溫度不超過240 ℃焊完基層第一、 二層； 再選用直徑5.0 mm 的E5015-g 型焊條， 提高焊接電流電壓至180～190 A 和25～26 V， 焊接速度13～14 cm/min 焊完基層第三和第四層； 其余選用直徑4.0 mm 焊絲H08MnHIC 配SJ613HIC 焊劑， 埋弧焊電流500～550 A， 電壓30～35 V，焊接速度25～30 cm/min 完成基層焊接。 過渡層焊接選用直徑4 mm 的A042 焊條， 焊接電流140～155 A， 電弧電壓21～23 V， 焊接速度10～14 cm/min， 層間溫度控制在150 ℃左右。022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼復(fù)層焊接選用直徑4 mm的A022 焊條， 焊接電流150～155 A， 電弧電壓22～23 V， 焊接速度13～14 cm/min， 層間溫度控制在250 ℃左右。

圖2 復(fù)合鋼板焊接順序示意圖

2.4 熱處理工藝的制定

根據(jù)GB 150.4—2011 《壓力容器第4 部分：制造、 檢驗(yàn)和驗(yàn)收》 的規(guī)定， 殼體Q345R 厚度大于32 mm 時(shí)， 必須進(jìn)行焊后熱處理； 參照ASME VIII 《壓力容器建造規(guī)程》 的規(guī)定， 復(fù)合板設(shè)備應(yīng)按基層的要求進(jìn)行焊后熱處理。

本試驗(yàn)采用消除應(yīng)力熱處理 （SR）， 熱處理過程如圖3 所示。 裝爐時(shí)須將工件墊穩(wěn)、 墊平， 復(fù)層向上。 工件至爐底距離≥300 mm， 工件至爐底的距離≥500 mm， 層間距離≥200 mm，具體工藝規(guī)范見表3。

圖3 復(fù)合板熱處理工藝過程示意圖

表3 復(fù)合板焊后消除應(yīng)力熱處理工藝規(guī)范

3 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)NB/T 47013.3—2015 《承壓設(shè)備無損檢 測(cè)》 的 要 求， 對(duì) 焊 后 的Q345R（R-HIC）+022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼復(fù)合板進(jìn)行100% UT（超聲檢測(cè)）， 結(jié)果為I 級(jí)合格。

3.1 力學(xué)性能

按照NB/T 47014—2011 《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》 要求， 對(duì)焊后厚壁鋼板試樣分別進(jìn)行常規(guī)的力學(xué)性能測(cè)試， 即拉伸、 彎曲和沖擊試驗(yàn)， 試驗(yàn)后試樣如圖4 所示， 試驗(yàn)結(jié)果見表4和表5。 由評(píng)定測(cè)試結(jié)果可以看出， 試樣抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)最低值均高于Q345R 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值； 試樣實(shí)測(cè)沖擊功最低值遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求， 焊接接頭韌性較好； 由彎曲試驗(yàn)結(jié)果可以看出焊接接頭具有較好的連續(xù)性和致密性， 且塑性也較好，焊后復(fù)合板能夠滿足設(shè)備力學(xué)性能方面的使用要求。

表4 復(fù)合板焊縫力學(xué)性能

表5 復(fù)合板焊縫彎曲性能

圖4 復(fù)合板焊縫力學(xué)性能試驗(yàn)后試樣形貌

3.2 基層焊縫抗HIC/SSC 性能

按照GB/T 8650—2015 進(jìn)行HIC 試驗(yàn)， 試樣規(guī)格20 mm×20 mm×100 mm， 經(jīng)過在氯化鈉醋酸溶液中浸泡96 h 后， 試樣表面如圖5 所示，有氫鼓泡現(xiàn)象出現(xiàn)。 根據(jù)GB/T 4157—2017 中的方法A 進(jìn)行SSC 試驗(yàn)， 在飽和H2S 中將加工好的試樣浸泡720 h 后加載247 MPa 應(yīng)力， 未出現(xiàn)開裂。 基層焊縫HIC/SSC 性能見表6。

圖5 經(jīng)HIC 試驗(yàn)96 h 后試樣表面形貌

表6 基層焊縫HIC/SSC 性能

3.3 復(fù)層焊縫耐蝕性能

本研究對(duì)焊后的厚壁復(fù)合板試樣不銹鋼復(fù)層分別經(jīng)行了點(diǎn)蝕、 晶間腐蝕、 均勻腐蝕和應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)， 檢驗(yàn)焊后材料復(fù)層的耐蝕性。

根據(jù)ASTM G48-11 標(biāo)準(zhǔn)要求， 按照方法A配制溶液（100 g FeCl3·6H2O+900 mL H2O）， 取試樣復(fù)層， 試樣大小為25 mm×50 mm， 溶液溫度（50±2） ℃， 將試樣置于溶液24 h 后取出， 無失重， 試樣表面光潔無點(diǎn)蝕（如圖6 所示）。

圖6 復(fù)合板復(fù)層點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)后試樣形貌

按照GB/T 4334—2020 對(duì)焊接后的厚壁復(fù)合板復(fù)層試樣進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)， 垂直于焊縫取樣， 試樣加工尺寸為80mm×20mm×3mm， 置于溶液中（700 mL 蒸餾水+100 mL H2SO4+100 g CuSO4·5H2O+蒸餾水稀釋到1 000 mL）， 16 h 后取出，進(jìn)行彎曲測(cè)試， 試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。 彎曲后的試樣在10 倍放大鏡下觀察， 外表面無晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋， 達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 晶間腐蝕試驗(yàn)后試樣形貌

根據(jù)GB/T 18590—2001 要求， 取焊縫處復(fù)層試樣進(jìn)行均勻腐蝕試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果見表7。 圖8為均勻腐蝕前后試樣復(fù)層表面形貌， 可以看出，不銹鋼復(fù)層經(jīng)過均勻腐蝕測(cè)試后， 表面依然光潔無點(diǎn)蝕坑出現(xiàn)， 符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 焊縫復(fù)層試樣均勻腐蝕前后形貌

表7 不銹鋼復(fù)層均勻腐蝕結(jié)果

按照GB/T 15970.2—2000 要求， 取焊縫處試樣， 規(guī)格為68 mm×4.7 mm×1.8 mm， 按照方法E 四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法對(duì)試樣進(jìn)行SCC測(cè)試。 結(jié)果表明， 經(jīng)過720 h 后試樣未斷裂且無裂紋， 平均加載位移為0.491 mm， 符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語

厚壁不銹鋼復(fù)合板在石油、 化工和機(jī)械等領(lǐng)域有很大應(yīng)用前景。 本研究通過對(duì)（138+3）mm 厚壁Q345R（R-HIC）+022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼復(fù)合板進(jìn)行焊接評(píng)定試驗(yàn)， 評(píng)定了該類材料焊接工藝， 焊接接頭的各項(xiàng)理化性能以及基層和復(fù)層的各項(xiàng)耐蝕性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 此次評(píng)定試驗(yàn)積累了厚壁不銹鋼復(fù)合板的焊接經(jīng)驗(yàn)， 評(píng)定的各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可為土庫曼斯坦南約洛坦氣田6 臺(tái)吸收塔的焊接提供技術(shù)保障。