杨晓冬,赵钰,樊志勤,梁雁斌
(太原重工股份有限公司,山西太原030024)
近年来,一些大型、低温、深冷容器在石油炼化行业得到普遍应用,低温钢在大型压力容器制造中的焊接加工问题日益增多。09MnNiDR是一种低温压力容器用钢,其主要化学成分为(质量百分数):ω(C)≤0.12%,ω(Si)=0.15% ~0.50%,ω(Mn)=1.20% ~1.60%,ω(Ni)=0.30% ~0.80%。09MnNiDR 与16MnDR比较,具有更优异的低温韧性,由于添加了镍元素,09MnNiDR钢在-70℃低温条件下,仍能保持相当高的强度和韧性。这种钢可用于制造低温、深冷压力容器,例如CO2吸收塔、脱乙烷塔、中压闪蒸塔、冷却器、再吸收塔、丙烷低温储罐、甲醇深冷器、粗煤气深冷器及粗煤气脱硫塔等设备。
在焊接性分析基础上,对09MnNiDR钢的典型焊接接头进行了焊接工艺评定,并用于实际生产中。
对实际生产用09MnNiDR钢板进行化学成分分析和力学性能测试,并与标准规定值进行比较,分析与测试结果分别见表1和表2。
由表1可见,09MnNiDR钢板中镍、锰、硅等合金元素的含量均在标准规定值内,而碳、硫、磷等元素含量都远低于标准规定值上限,这表明该钢材的化学成分符合标准要求。从表2可知,09MnNiDR钢板的力学性能指标均满足标准要求,其中低温冲击韧性及断后伸长率远高于标准规定的最小值,可以有效地确保钢板在使用温度下具有足够的韧性,即抗低温脆性破坏能力。
表1 09MnNiDR钢板的化学成分(质量分数,%)
Si Mn S P Ni Nb Al GB3531—2014 ≤0.12 0.15 ~0.50 1.20~1.60 ≤0.008 ≤0.020 0.30~0.80 ≤0.04 ≥数据来源C 0.020实测值0.080 0.31 1.47 0.003 0.008 0.54 0.02 0.029
表2 09MnNiDR钢板的力学性能
/J GB3531—2014 20 +NT 430~560 ≥280 ≥23 合格 ≥60数据来源板厚δ/mm供货条件抗拉强度Rm/MPa屈服强度ReL/MPa断后伸长率A(%)弯曲试验(D=40 mm,α =180°)冲击吸收能量KV2(-70℃)实测值 20 +NT 490 390 36 合格〛124,134,163(平均值140)
09MnNiDR钢板的金相组织为铁素体加少量珠光体,根据09MnNiDR钢板的实测化学成分,按照CEIIW=ω(C) +1/6ω(Mn) +1/5ω(Cr)+1/5ω(Mo) +1/5ω(V)+1/15ω(Cu)+1/15ω(Ni)碳当量计算公式,得到使用09MnNiDR钢板的CEIIW=0.365 wt.%≤0.40 wt.%,焊接时淬硬倾向较小,不易产生冷裂纹,钢板厚度为20 mm时通常无需预热。同时,09MnNiDR钢板的合金元素总质量分数仅为2.42%,远低于5%,而且C,Ni含量低,S,P等有害元素控制较严,热裂纹敏感性也很低。从焊接裂纹倾向分析,09MnNiDR钢板的焊接性良好。因此,正确选择焊接材料、采用合适的焊接工艺及参数,并配合焊后热处理,防止焊接接头组织粗化,确保焊缝金属和热影响区的低温韧性是焊接技术关键。
针对低温、深冷容器设备CO2吸收塔中的典型焊接接头进行焊接工艺评定。CO2吸收塔主体焊接构件直径2 400 mm,总长度69 270 mm,采用的主要钢材为09MnNiDR,厚度多为20 mm。制定的焊接工艺规程中,焊接接头形式及尺寸见图1,其它焊接工艺规程主要内容有:(1)焊接材料为HS09MnNiDR(φ1.2 mm)低温钢实心焊丝;(2)采用半自动(或自动)熔化极富氩气体保护(MAG)焊接方法,保护气体为80%Ar+20%CO2混合气,保护气流量为15~18 L/min;(3)由于试板厚度为20 mm,需要进行多道多层焊接如图2,并注意封底焊道不出现熔合不良、气孔等焊接缺陷;(4)所有焊接接头进行百分之百X射线探伤;(5)焊后退火热处理参数为(560℃ ±10℃)×1.5 h。
CO2吸收塔属于薄板细长焊接结构件,常采用全位置焊接,焊接工作量相对较少,但其焊缝质量要求高
图1 试板尺寸及接头形式
图2 焊接接头焊道分布图
(全部焊缝要求X射线探伤检查)。MAG焊具有焊接质量好,工艺性能优良、生产效率高及适应性强等特点,从提高生产效率和确保焊缝质量的观点出发,决定选用MAG焊方法制造CO2吸收塔主体焊接构件。主要焊接工艺参数见表3,表3中的焊接电流为平均电流值,脉冲与基值电流选用焊接电源中的标准设定值。焊接工艺规程中规定,焊接接头封底焊缝使用硬脉冲模式,填充和盖面焊缝采用中脉冲模式。
表3 焊接参数
焊接电流I/A 焊接电压U/V 极性 数值焊接速度v/(cm·min-1)热输入E/(kJ·cm-1)道间温度T2/℃直流反接 230~240 23~24 22~26 10~11 ≤120
焊接工艺评定是保证焊接质量的重要措施,可以检查对各类焊接接头编制的焊接工艺指导书的正确性和合理性。根据国家标准“钢、镍及镍合金的焊接工艺评定试验”(GB/T19869.1—2005)[1]及国际标准“金属材料焊接程序的规范和鉴定.焊接程序试验。第1部分:钢的弧焊和气焊以及镍和镍合金的弧焊”(ISO15614-1-2004)[2]及“承压设备焊接工艺评定(NB/T47014—2011)[3]”,使用 09MnNiDR 低温钢进行焊接生产前,首先要对拟订的焊接工艺规程进行焊接工艺评定,主要内容有:母材与焊材的质量检验;焊接方法及工艺参数的合理性;焊接缺陷检验;焊接接头使用性能检测;主要焊接工艺措施验证等。
3.1 母材与焊材质检
从国内某大型钢厂按GB3531—2014[4]标准提供的09MnNiDR(δ=20 mm)一批低温钢板中,随机抽取一张进行化学成分分析和力学性能测试,其检测数据见表1和表2,该钢材的化学成分和力学性能指标均满足标准要求。
对国内某品牌焊材公司提供的HS09MnNiDR(φ1.2 mm)低温钢实心焊丝,按照企业标准(Q/HWE520—2005)分别进行化学成分分析和熔敷金属力学性能试验,测试结果见表4和表5。
表4 焊丝化学成分(质量分数,%)
Mn Si S P Ni Cu焊丝说明书 ≤0.12 ≤1.20 ≤0.80 ≤0.010 ≤0.015 ≥2.50 ≤数据来源C 0.35实测值0.043 0.99 0.41 0.001 4 0.003 7 3.49 0.035
表5 焊丝熔敷金属力学性能
/J焊丝说明书 620℃ ×1.5 h 450~620 ≥280 ≥22 ≥数据来源 焊后退火热处理工艺抗拉强度Rm/MPa屈服强度ReL/MPa断后伸长率A(%)冲击吸收能量KV2(-70℃)27实测值 620 ℃ ×1.5 h 565 432 26 110,112,115
从表4及表5实测数据可以看出,HS09MnNiDR低温钢焊丝的锰、硅及镍等合金元素含量均在标准规定值内,而碳、硫、磷等有害元素含量控制严格,焊丝化学成分符合要求。焊丝熔敷金属强度适中,塑韧性良好,-70℃低温冲击韧性值接近母材水平,焊材质量合格。
3.2 焊接方法、工艺参数及焊接缺陷控制
在拟订的焊接工艺规程中,对图1焊接接头的全位置焊缝采用多层半自动熔化极富氩气体保护(MAG)焊接方法,这种焊接方法焊工易于操控,利于保证焊接质量。但是,由于CO2吸收塔主体焊接构件尺寸大,焊接电源与焊接位置距离较远,对电源与送丝机的性能及连续工作稳定性有很高要求。
多年焊接实践表明,焊接电源与送丝机系统的性能对保证焊接质量非常重要,而焊接产品性能指标的提高也促进了焊接系统的发展。例如,焊接09MnNiDR低温钢板,要求使用CO2/MAG焊机,早期为YD-500KR一元化调节机型,后来为YD-500GR全数字机型。近年来推出YD-500FR及YD-500ER数字逆变机型,施焊时只需调节焊接电流按钮,便可获得与之相匹配的焊接电压参数和电弧控制参数,而且与其配套的送丝系统采用了IVF专利技术,送丝力强劲且稳定性好,即使在40 m延长电缆的特殊情况下,仍能确保送丝的稳定性,比较适合CO2吸收塔这种大型焊接构件的生产。但是,分别使用 YD-500KR和 YD-500FR机型进行09MnNiDR低温钢焊接工艺评定时,焊后做试板X射线探伤检查发现,在焊缝中间部位发现大量断续点状小气孔,使得焊接质量达不到技术要求。
焊缝气孔主要取决于熔池凝固速度和气体逸出速度的快慢,当熔池凝固速度高于气体逸出速度时,利于产生焊缝气孔,反之可避免气孔形成。采用的低温钢焊丝含镍量高达3.49 wt.%,焊接过程中熔池金属粘性
较大、流动性差,会迟滞气体逸出速度,导致焊缝气孔。
考虑到脉冲电流对熔池有搅拌作用,可提高气体逸出速度,有利于防止气孔等缺陷。经与弧焊电源供应商讨论研究,采用带有软、中、硬三种脉冲模式的 YD-400GE型全数字控制电源,在焊接工艺评定中,分别调节焊接接头封底、填充和盖面焊道的脉冲模式,不仅获
得了成型良好的焊接接头,而且X射线探伤检查表明,焊接试板完全符合技术要求,解决了因气孔问题造成焊接质量不达标的问题。
3.3 焊接接头焊后热处理、金相检查及使用性能检测
焊接工艺评定试板焊接完成,进行表面清理后,首先按国家行业标准“承压设备无损检测,第2部分:射线检测”(JB/T4730.2—2005)[3]进行 X 射线探伤,检测结果为Ⅰ级焊缝。然后,按照焊接工艺规程对试板进行(560℃ ±10℃)×1.5 h退火热处理,退火工艺曲线见图3,冷却至室温后,将试板进行机械加工,做金相检查和接头力学性能试验。
图3 焊接工艺评定试板焊后退火热处理工艺曲线
根据“金属材料焊缝的破坏性试验——焊缝的宏观和显微金相检查”(EN1321)[2]对焊接接头进行低倍金相检查。经磨平、抛光、热酸浸蚀制备的焊接接头低倍金相照片见图4,两侧母材腐蚀较深,中间焊缝金属因含镍量高腐蚀较浅。观察接头未发现裂纹、未熔合、未焊透、气孔等焊接缺陷,余高合适,表明焊接接头成形良好。
图4 焊接接头低倍金相照片
根据“焊接接头拉伸试验方法(GB/T228.1—2010)[3]、焊接接头弯曲试验方法(GB/T232—2010)[3]和焊接接头冲击试验方法(GB/T229—2007)[3]”对焊接接头进行板状拉伸与弯曲试样、焊缝和热影响区金属“V”形缺口冲击试样的取样、加工及试验。焊接接头的拉伸、弯曲及低温冲击试验结果列于表6中。根据测试结果,2个焊接接头拉伸试样的抗拉强度均为505 MPa,达到了国家标准对09MnNiDR母材的抗拉强度要求;4个弯曲试样均合格;-70℃冲击条件下,焊缝和热影响区金属冲击试样均达到了国家标准对09MnNiDR母材的抗拉强度要求。但是,因为焊缝金属为较粗大的铸造组织,韧性差一些,而热影响区金属由于经过焊接中和焊后的两次热处理,韧性比母材有所增加。
表6 焊接接头力学性能检测结果
抗拉强度Rm/MPa冲击吸收能量KV2(-70℃)热影响区 焊缝侧弯试验(弯轴直径D=40)(弯曲角度α=180°)505,505 4 件合格 165,172,173 99,100,/J 101
从上述主要焊接工艺评定结果来看,母材与焊材质量检验、焊接方法及电源的选择、不同焊道的焊接工艺参数调整、焊接接头无损探伤、接头金相检查及使用性能等测试指标均达到了焊接质量要求,对焊接工艺规程修订后,可以编制CO2吸收塔用09MnNiDR钢板的焊接工艺指导书,并用于实际生产中。
CO2吸收塔设计压力为4.0 MPa,设计温度为-70℃;工作压力为3.4 MPa,工作温度为-27~-62℃。CO2吸收塔产品分为上部、中部、下部以及裙座四部分,均采用09MnNiDR低温钢母材拼焊成型。这四部分分别进行装配焊接后,进行X射线探伤,对局部不合格位置返修,再次X射线探伤合格后,进行退火热处理消除焊接应力。最后将吸收塔四部分部件进行总装焊接,对总装焊接接头做X射线探伤检查,结果完全满足产品技术标准的要求。
(1)对采用09MnNiDR低温钢板制造CO2吸收塔的焊接工艺规程进行了焊接工艺评定。
(2)09MnNiDR钢板的金相组织为铁素体加少量珠光体,其碳当量为0.365 wt.%,焊接性良好。正确选择焊材和合适的焊接工艺及参数,防止焊接接头组织粗化,并配合焊后热处理改善接头低温韧性是焊接技术关键。
(3)对焊接方法及工艺参数进行评定时发现,采用多层半自动熔化极富氩气体保护焊接方法进行全位置焊接,使用功能较完善的全数字控制电源,对封底、填充和盖面焊道采用不同的脉冲模式进行焊接,可有效防止焊缝气孔等缺陷。
(4)将成形良好、无缺陷的焊接接头进行(560℃±10℃)×1.5 h退火热处理后,按照相关标准取样测试,焊接接头力学性能指标均合格。
(5)将焊接工艺评定结果对焊接工艺规程进行补充修订,编制了CO2吸收塔用09MnNiDR钢板的焊接工艺指导书,得到了满足产品焊接技术要求的吸收塔部件和总成。
参考文献
[1] 中国国家标准化管理委员会.GB/T19869.1-2005,钢、镍及镍合金的焊接工艺评定试验[S].北京:中国标准出版社,2006:4.
[2] 全国焊接标准化技术委员会.ISO15614-1-2004,金属材料焊接程序的规范和鉴定.焊接程序试验第1部分:钢的弧焊和气焊以及镍和镍合金的弧焊[S].北京:全国焊接标准化技术委员会秘书处,2006:12.
[3] 国家能源局.NB/T47014-2011,承压设备焊接工艺评定[S].北京:新华出版社,2011:10.
[4] 中国国家标准化管理委员会.GB3531-2014,低温压力容器用钢板[S].北京:中国标准出版社,2015:4.
收稿日期:2017-02-13
杨晓冬简介:1971年出生,本科学历,工程师;从事焊接工艺、生产及管理工作23年;发表学术论文3篇。
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