氮?dú)鈨抻娩換370R的焊接工藝

孟多南，邢 卓，鳳 桐，陳 曦，張建宇，汪德濤，李 民

(沈陽匯博熱能設(shè)備有限公司，遼寧沈陽 110043)

摘要：氮?dú)鈨薜脑O(shè)計材料為低合金高強(qiáng)鋼Q370R。通過焊接性分析，Q370R有冷裂紋傾向，沒有熱裂紋和再熱裂紋傾向。Q370R碳當(dāng)量一般為0.42%左右，有淬硬傾向，應(yīng)焊前預(yù)熱。當(dāng)鋼板厚度超過32 mm時，焊接拘束應(yīng)力增大，應(yīng)進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理。根據(jù)等強(qiáng)度原則選擇埋弧焊焊絲H08MnMoA和焊條J557R做為焊接材料分別進(jìn)行的焊接工藝評定的各項(xiàng)力學(xué)性能合格，以焊接工藝評定獲得的工藝參數(shù)焊接的氮?dú)鈨尥耆_(dá)到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：氮?dú)鈨?壓力容器用鋼；Q370R；焊接工藝

0 引言

2015年，承接一臺40 m3氮?dú)鈨?見圖1)的生產(chǎn)任務(wù)。

圖1 氮?dú)鈨藓唸D

該設(shè)備是第二類壓力容器，設(shè)計主體材料為低合金高強(qiáng)鋼Q370R，規(guī)格為DN2 900 mm×28 mm，工作介質(zhì)為氮?dú)?。設(shè)計壓力3.3 MPa，設(shè)計溫度80～-19 ℃，水壓試驗(yàn)壓力4.125 MPa。

本設(shè)備材料Q370R符合GB713-2014要求，原牌號為GB6654-1996的15MnNbR。Q370R與15MnNbR相比，降低了硫、磷含量，錳、鈮含量略有提高；-20 ℃的沖擊吸收功由34 J提高到47 J。

文獻(xiàn)[1]介紹，15MnNbR輸水管道鋼板厚度為28～52 mm，焊材為焊條J507(Φ4.0 mm、Φ5.0mm)和埋弧焊絲H10Mn2(Φ4.0)配SJ101焊劑，焊前預(yù)熱溫度100～120 ℃，層間溫度120～200 ℃，焊后保溫緩冷，沒有進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理。

文獻(xiàn)[2]介紹，15MnNbR鋼制2 000 m3球罐鋼板厚度為40 mm和48 mm，焊材為焊條J507RH(Φ3.2 mm,Φ4.0 mm)，焊前預(yù)熱溫度100 ℃，層間溫度為100 ℃，焊后消除應(yīng)力熱處理560 ℃×2 h。

文獻(xiàn)[3]介紹，15MnNbR鋼制2 000 m3液化氣球罐鋼板厚度為44 mm，焊前預(yù)熱溫度125 ℃以上，層間溫度125～180 ℃，焊材為焊條J557RH(Φ3.2 mm，Φ4.0 mm)，沒有進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理。

由以上資料可以看出，Q370R焊前需要預(yù)熱的認(rèn)識是很統(tǒng)一的，但對焊材強(qiáng)度級別的選擇和焊后是否需要消除應(yīng)力熱處理上則存在分歧。

1 材料介紹

Q370R壓力容器用鋼板是一種新型鋼材，具有優(yōu)良的綜合性能，其強(qiáng)度和韌性優(yōu)于Q345R，而焊接性能與Q345R相近。

1.1 成分特點(diǎn)

鋼中加入Nb、V、Ti與C、N形成碳化物、氮化物及碳氮化物，有效延遲奧氏體形變后的再結(jié)晶時間，在控制軋制后使鐵素體晶粒充分細(xì)化，顯著提高強(qiáng)度和韌性[4]，降低其脆性轉(zhuǎn)變溫度并改善焊接性能。對P，S含量提出了更嚴(yán)格的限制，改善鋼板的力學(xué)性能。Q370R鋼板的化學(xué)成分見表1。

表1 Q370R鋼板及焊接材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

材料標(biāo)準(zhǔn)值或?qū)崪y值CSiMnCuNiCrMoNbVTiPSQ370R鋼板GB713標(biāo)準(zhǔn)值≤0．18≤0．551．20～1．70≤0．30≤0．30≤0．30≤0．080．015～0．050≤0．05≤0．030≤0．020≤0．010實(shí)測值(爐號5L03765)0．170．251．420．010．010．020．0010．0170．0010．0040．0160．002埋弧焊焊絲CHW-S9RGB/T12470NB/T47018．4標(biāo)準(zhǔn)值≤0．10≤0．251．20～1．60≤0．35≤0．30≤0．20≤0．50——≤0．15≤0．030(0．025)≤0．030(0．015)實(shí)測值(爐號14-3917)0．0720．251．540．110．0370．0730．34——0．0390．011(0．019)0．0038(0．006)焊條牌號CHE557R(焊條型號E5515-E)GB/T5118NB/T47018．2標(biāo)準(zhǔn)值—≥0．80≥1．00—≥0．50≥0．30≥0．20—≥0．10—≤0．025≤0．015實(shí)測值(爐號158419B)0．0980．241．310．0190．790．0270．24—0．0069—0．0120．0079

注：1.埋弧焊焊絲一欄中，括號中的值為NB/T47018.4要求的熔敷金屬的S,P含量的標(biāo)準(zhǔn)值和實(shí)測值，其他數(shù)值為焊絲化學(xué)成分的標(biāo)準(zhǔn)值和實(shí)測值。

2.CHE557R焊條型號為E5515-E，按GB/T5118-1995的要求，只要有1個元素符合規(guī)定即可。

1.2 力學(xué)性能

Q370R為低合金高強(qiáng)鋼，抗拉強(qiáng)度在530～630 MPa之間，屈服強(qiáng)度不小于370 MPa(適用于板厚為10～16 mm)，力學(xué)性能要求見表2。

表2 Q370R鋼板及焊接材料熔敷金屬的力學(xué)性能

材料標(biāo)準(zhǔn)值或?qū)崪y值抗拉強(qiáng)度Rm/MPa屈服強(qiáng)度ReL/MPa斷后伸長率A/%沖擊吸收能量KV2(-20℃)/J彎曲試驗(yàn)Q370R鋼板GB713標(biāo)準(zhǔn)值(厚度16～36mm正火狀態(tài))530～630≥360≥20≥47180°D=3a實(shí)測值(批號5L03765JB10A)5333782682，177，186(均值148)合格埋弧焊絲CHW-S9R配CHF101焊劑熔敷金屬(焊后熱處理620℃×1h)GB/T12470，NB/T47018．4標(biāo)準(zhǔn)值550～670≥470≥20≥34180°D=4t實(shí)測值(批號14-3917)57649228．579，126，110(均值105)合格焊條牌號CHE557R(焊條型號E5515-E)GB/T5118NB/T47018．2標(biāo)準(zhǔn)值540～660≥440≥20(-40℃)≥54—實(shí)測值(爐號158419B)61052828．5113，87，61(均值87)—

1.3 焊接材料

1.3.1 焊條

根據(jù)等強(qiáng)度原則選用55 kgf/mm2級的CHE557R焊條。CHE557R是低氫型藥皮堿性焊條，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2。降低其中C、S、P含量，適當(dāng)添加Nb，保證熔敷金屬的強(qiáng)度，又提高熔敷金屬的韌性。

1.3.2 埋弧焊絲和焊劑

埋弧焊絲選用CHW-S9R(型號F55P2-H08MnMoA)焊絲，配CHF101(SJ101)燒結(jié)焊劑，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2。

2 焊接性分析

2.1 冷裂紋

焊前預(yù)熱和焊后熱處理是預(yù)防冷裂紋的有效措施。

是否需要焊前預(yù)熱和焊后熱處理取決于鋼種的淬硬傾向，熔敷金屬擴(kuò)散氫含量和拘束應(yīng)力狀態(tài)(與板厚有關(guān))。淬硬傾向的大小由鋼種的碳當(dāng)量判斷。

2.1.1 碳當(dāng)量鑒定冷裂紋敏感性

國際焊接學(xué)會IIW推薦的碳當(dāng)量計算公式[5]：

Ceq=C+++

(1)

式中C，Mn，Cr,Mo,V,Ni,Cu為鋼材化學(xué)成分的百分含量值。

式(1)用于粗略估計低合金高強(qiáng)鋼冷裂紋敏感性。

當(dāng)Ceq<>

當(dāng)Ceq=0.4%～0.6%時，尤其是Ceq>0.5%時，鋼材易淬硬，焊接性差，需焊前預(yù)熱。隨著板厚增大和擴(kuò)散氫增多，預(yù)熱溫度也相應(yīng)提高。

取Q370R化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)值的上限，計算出碳當(dāng)量最大值為0.589%，此爐號的鋼板Ceq=0.412%。因此，Q370R有淬硬傾向，應(yīng)焊前預(yù)熱。

2.1.2 冷裂紋敏感性指數(shù)

冷裂紋敏感性指數(shù)Pc(單位為%)是應(yīng)用比較廣泛的冷裂紋判據(jù)。Pc與擴(kuò)散氫含量、板厚、根部裂紋敏感性的關(guān)系見式(2)[5]：

Pc=Pcm++

(2)

式中：Pcm為合金元素的冷裂紋敏感性系數(shù)，%；[H]為熔敷金屬的擴(kuò)散氫含量，mL/100 g；δ為被焊金屬的板厚，mm。

Pcm=C++++++5B

(3)

取Q370R的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)值的上限，計算得合金元素的冷裂紋敏感性系數(shù)Pcm最大值為0.328 6%，此爐號鋼板的實(shí)際值為0.251 0%。

NB/T47018.2要求焊條J557R的熔敷金屬擴(kuò)散氫含量[H]不超過3 mL/100 g。

本容器的筒體壁厚為28 mm，即為被焊金屬板厚δ值。

由此計算出冷裂紋敏感性指數(shù)Pc的最大值為0.425 27%，此爐號鋼板的實(shí)際值為0.347 67%。

若某種鋼產(chǎn)生冷裂紋敏感性指數(shù)臨界值為Pcr時，當(dāng)PcPcr將不會產(chǎn)生冷裂紋。

2.1.3 預(yù)熱溫度的確定

在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立為了避免冷裂紋所需的預(yù)熱溫度公式[5]：

T0=1 440Pc-392

(4)

式中T0為預(yù)熱溫度，℃。

計算得出所需最低預(yù)熱溫度T0的上限值為220 ℃，針對此爐號Q370R鋼板，最低預(yù)熱溫度為109 ℃。這與NB/T47015-2011《壓力容器焊接規(guī)程》推薦的當(dāng)Q370R鋼板厚度大于25 mm，最低預(yù)熱溫度大于80 ℃相吻合。

最終確定焊接Q370R時最低預(yù)熱溫度為120 ℃。

2.2 熱裂紋

最常見的熱裂紋是結(jié)晶裂紋，主要發(fā)生在焊縫區(qū)。合金元素和雜質(zhì)元素是影響熱裂紋最本質(zhì)的因素。對于低合金高強(qiáng)鋼，判斷熱裂紋敏感性系數(shù)(簡稱HCS)公式見式(5)[5]：

HCS=×103

(5)

當(dāng)HCS≤4時，一般不會產(chǎn)生熱裂紋。

取Q370R的C，S，P，Si，Ni標(biāo)準(zhǔn)值的上限值和Mn，Cr，Mo，V標(biāo)準(zhǔn)值的下限值代入計算，得出熱裂紋敏感性系數(shù)HCS最大值為2.75。因此，Q370R一般不具有熱裂紋敏感性。

2.3 再熱裂紋

再熱裂紋是焊件焊后在一定溫度范圍內(nèi)再次加熱而產(chǎn)生的裂紋，如消除應(yīng)力熱處理或其他加熱過程而產(chǎn)生的裂紋。鋼中Cr，Mo，V，Nb，Ti等元素促使形成再熱裂紋。再熱裂紋敏感性鑒定公式見式(6)[5]：

ΔG=Cr+3.3Mo+8.1V+10C-2

(6)

式中ΔG為再熱裂紋敏感指數(shù)，%。

當(dāng)ΔG<>

當(dāng)1.5%<>G<>

當(dāng)ΔG>2%時，對再熱裂紋敏感。

取Q370R的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)值的上限值代入計算，得出再熱裂紋敏感指數(shù)ΔG的最大值為0.769%，遠(yuǎn)小于1.5%，因此，Q370R對再熱裂紋不敏感。

通過對Q370R焊接性的分析，得出Q370R焊接有冷裂紋傾向，但并不嚴(yán)重，可采取預(yù)熱緩冷的措施防止。鑒于氮?dú)鈨薹蹢l件(儲存不是能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)，如濕硫化氫或液氨等)和筒體的壁厚沒有達(dá)到文獻(xiàn)[6]表5規(guī)定的超過32 mm應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理的條件，因此，氮?dú)鈨藓负蟛槐剡M(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

3 焊接工藝

3.1 焊接方法

根據(jù)氮?dú)鈨薜慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，筒體的縱縫和環(huán)縫采用埋弧焊；封頭與筒體封閉的環(huán)縫里側(cè)采用焊條電弧焊，外側(cè)采用埋弧焊；接管與筒體采用焊條電弧焊。

3.2 坡口制備

筒體的縱縫和環(huán)縫坡口采用刨邊機(jī)加工，坡口形式為Y型內(nèi)坡口，鈍邊留8 mm，坡口角度60°。與封頭封閉的筒體環(huán)縫為內(nèi)小外大的X型坡口。筒體上與接管焊接的坡口用乙炔-氧氣火焰切割，然后用砂輪磨光。

3.3 預(yù)熱方式

采用自制加熱工裝，以丙烷氣體為燃料進(jìn)行焊前預(yù)熱。筒體的縱縫、環(huán)縫和接管與筒體的焊縫均需焊前預(yù)熱。

3.4 工藝參數(shù)

按NB/T47015-2011進(jìn)行了2項(xiàng)焊接工藝評定(見表3)。

應(yīng)采用多層多道焊，埋弧焊每層的厚度宜為3.5 ～4.0 mm，焊條電弧焊宜為2.0～3.0 mm。

預(yù)熱溫度不低于120 ℃，道間溫度不能低于預(yù)熱溫度，規(guī)定為120～160 ℃。

4 檢驗(yàn)

經(jīng)檢測，焊接工藝評定的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)滿足GB713的要求，合格(見表4)。

5 結(jié)束語

工程實(shí)踐證明，采用等強(qiáng)度的H08MnMoA焊絲和CHE557R焊條，采用埋弧焊和焊條電弧焊，輔以焊前預(yù)熱，焊接氮?dú)鈨抻肣370R鋼是滿足要求的。氮?dú)鈨尥搀wA、B類焊接接頭一次射線檢測合格率達(dá)100%，水壓試驗(yàn)合格。

表3 焊接工藝評定參數(shù)表

焊評編號HP257HP258接頭型式對接接頭對接接頭材 料Q370RQ370R試件規(guī)格/mmδ=28δ=28評定對象接管與殼體角接接頭對接焊縫筒體對接接頭對接焊縫焊接方法焊條電弧焊(SMAW)埋弧焊(SAW)焊接牌號CHE557R(J557R) 焊絲H08MnMoA 焊劑CHF101(SJ101)焊材規(guī)格Φ4．0mm Φ5．0mmΦ4．0mm 10～60目焊接電流/A160 200550～650電弧電壓/V24～30 26～3232～34焊接速度/(mm·min-1)150～200 180～240420～450電流極性直流反接(DC+)直流正接(DC-)預(yù)熱溫度/℃>120>120層間溫度/℃120～160120～160

表4 焊接工藝評定檢驗(yàn)項(xiàng)目表

焊評編號HP257HP258無損檢測RT，Ⅰ級RT，Ⅰ級抗拉強(qiáng)度Rm/MPa560565575550沖擊吸收能量KV2(-20℃)/J焊縫 81，76，68 85，87，92HAZ 150，112，158 165，159，172側(cè)彎180°(D=4S)4支均合格4支均合格

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Welding Technology for Steel Q370R of Nitrogen Storage Tank

MENG Duo-nan,XING Zhuo,FENG Tong,CHEN Xi,ZHANG Jian-yu,WANG De-tao,LI Min

(Shenyang Huibo Heat Energy Equipment Co., Ltd.,Shenyang 110043,China)

Abstract：Low alloy high strength steel Q370R was designed material for nitrogen storage tank.Q370R had tendency to cold crack, did not have hot crack and reheat crack tendency through analyzing the weld ability.Q370R should be preheated before welding because it has tendency to hardening for its carbon equivalent about 0.42% generally. When plate thickness was more than 32 mm，welding restraint stress increases，it should be eliminated stress heat treatment after welding. According to the equal strength principle, H08MnMoA submerged arc welding wire and electrode J557R was selected as welding material, all kinds of mechanical properties of welding procedure qualification were qualified. Nitrogen tank with welding process parameters qualified by welding procedure meet the design requirements completely.

Key words：nitrogen storage tank；steel for pressure vessel；Q370R；welding technology

中圖分類號：TG457

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-9614(2016)05-0034-04

作者簡介：孟多南(1985—)，工程師，從事壓力容器工藝工作。E-mail：mengdn@126.com

收稿日期：2015-12-18