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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