大直徑06Cr13馬氏體不銹復合板壓力容器的制造

傅 華，徐 洪

(1.四川川化永鑫建設工程有限責任公司，四川 成都 610300；2.江陰市東發機械設備制造有限公司，江西 江陰 214437)

大直徑06Cr13馬氏體不銹復合板壓力容器的制造

傅 華1，徐 洪2

(1.四川川化永鑫建設工程有限責任公司，四川 成都 610300；2.江陰市東發機械設備制造有限公司，江西 江陰 214437)

以直徑為DN5 800 mm的06Cr13+Q345R不銹復合板容器為例，介紹了大直徑馬氏體不銹復合鋼板壓力容器的制造過程和質量控制，重點描述了馬氏體復合鋼板的材料控制，封頭的熱壓成型及分瓣和組焊，筒體的成型、焊接、分片和現場組焊。通過設置工藝性焊縫，采用合適的焊接工藝制作專用工裝，進行有效工藝控制，同時選擇奧氏體不銹鋼焊材作為填充金屬，合理避免了設備的焊后熱處理，并經過嚴格的無損檢測和壓力試驗，確保了馬氏體不銹復合板壓力容器的制造質量。

大直徑；06Cr13；馬氏體不銹復合板；壓力容器；焊接

0 前言

隨著我國煤化工項目的不斷開發與應用，煤化工裝置規模化，大型設備產業化，大直徑、厚壁容器不斷增多，同時世界能源日趨緊張，節能減排給制造業也提出了更高的要求，因此為節約材料，復合板容器逐漸增多，給壓力容器制造、檢驗、運輸和安裝等提出了更高的要求。某煤化工企業回煉油罐盛裝介質為油氣、油等，設備直徑達5 800 mm，總高度20 700 mm，采用馬氏體不銹復合鋼板，因材料的特殊性、直徑大且整體運輸困難等原因，充分考慮設備的材質、焊接性、熱處理難度、封頭制作、現場組焊等一系列要求，結合實際情況詳細分析工藝論證，制定了合理的制造工藝方案，采取一系列工藝保證措施，加強材料及制造過程質量控制，解決了該設備制造中的難題，避免了容器焊后熱處理，設備經最終檢驗合格，并已順利投入使用。

1 設備概況

回煉油罐盛裝介質為油氣、油等，筒體直徑DN 5800mm，主體材質Q345R+06Cr13復合板，厚度20 mm+ 3 mm，上下封頭均為橢圓封頭，厚度22 mm+3 mm，其結構示意如圖1所示，設備設計技術參數如表1所示。

圖1 回煉油罐結構簡圖

表1 回煉油罐設計技術參數

2 材料的復驗和試驗

材料是容器制造質量控制的源頭，考慮到介質的特殊性和腐蝕性，選用了焊接性能較差的馬氏體不銹鋼作為復層金屬。按圖紙和技術協議的要求，材料回廠后參照JB／T4730.3-2005《承壓設備無損檢測》的規定對筒體復合板進行100%超聲波檢測，按技術協議要求II級合格。對復層06Cr13的化學成分、力學性能和復合板復合界面的結合剪切強度進行復驗，06Cr13的化學成分和力學性能滿足GB／T4237-2007《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》的規定，復合板復合界面的結合剪切強度滿足JB4733-1996《壓力容器用爆炸不銹鋼復合鋼板》及技術協議的要求，06Cr13的化學成分如表2所示，06Cr13的力學性能及復合板復合界面的結合剪切強度如表3所示。

表2 06Cr13的化學成分%

表306 Cr13力學性能及復合板復合界面的結合剪切強度

3 焊接工藝評定和焊工技能評定

3.1 焊接材料的選擇和焊接順序

基層選擇焊接材料主要考慮強度匹配，焊條選用J507，焊絲選用H10Mn2配焊劑HJ431。過渡層和復層主要考慮滿足化學成分和耐腐蝕性能的要求。由于基材含碳量較高，過渡層選用低碳焊材A302，以降低對復層金屬的稀釋，保證復層金屬的耐腐蝕性能。對于復層焊材的選擇，因復層采用06Cr13馬氏體不銹鋼，如果選用同質材料，則焊后必須進行消應熱處理，而該設備直徑太大，采用現場組焊，無法進行焊后消應熱處理，故采用純奧氏體焊材A302進行過渡層的焊接，A102進行復層的焊接，合理地避免了焊后消應熱處理。

根據不銹復合板的特點，采用先焊接基層，再焊接過渡層，最后焊接復層的順序，過渡層焊縫必須同時熔合基層和復層。

3.2 焊接工藝試驗和焊接工藝評定

按照JB4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》、JB／T4709-2000《鋼制壓力容器焊接工藝規程》以及產品標準和圖紙的要求，查閱相關資料后，制定了相應的焊接工藝試驗方案，進行了多次試驗，最終確定了焊接材料、焊接坡口、焊接工藝參數等工藝措施。并在此基礎上進行了焊接工藝評定，評定合格后編制了產品的焊接工藝規程用于指導產品的焊接。

由于封頭的熱壓過程相當于進行了一次正火熱處理，故焊接工藝評定分為兩種情況，一是焊后進行正火熱處理，另一個是焊后不進行正火熱處理。工藝評定各項檢驗指標全部符合要求。進行的焊接工藝試驗和焊接工藝評定如表4所示。

3.3 焊工技能評定

在進行工藝試驗和評定的同時，還要進行焊工培訓和技能評定，使焊工了解該新材料的焊接性能，掌握操作技能，并按照《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規則》取得奧氏體不銹鋼和碳鋼材料

及耐蝕堆焊層相應項目的操作資格證，從技能上確保產品的焊接質量。

表4 焊接工藝評定

4 封頭的拼焊、壓制和分瓣

容器復層采用焊接性較差的馬氏體不銹鋼，且直徑大，因此封頭的整體熱壓成型和現場組對是本設備制造的關鍵之一。不僅要控制好熱壓成型的溫度，還要縮短復層焊縫金屬在敏化區溫度的停留時間，以防止貧鉻區的產生，降低復層的耐蝕性能。綜合考慮，采用在封頭成型前焊好基層和過渡層焊縫、封頭熱壓成型后再焊接復層金屬的施工工藝。同時因容器直徑大，整體成型后運輸困難，考慮設計一條工藝焊縫，封頭成型后，從工藝焊縫處剖開，運輸到現場后再進行組焊。

4.1 坡口選擇和加工

結合復合板的焊接經驗和相關標準要求，為保證焊縫質量，選擇坡口形式如圖2所示。在內側采用階梯型坡口，可以有效防止焊接基層時焊縫金屬對不銹鋼復層的污染，同時也有效避免了碳鋼成分熔入不銹鋼復層中形成焊道裂紋等缺陷。

圖2 坡口示意

坡口采用在刨床上加工的方法，將復層端部離基層坡口邊緣各刨掉10 mm，并往基層厚度方向刨掉1.5 mm。坡口表面應平整，不得有裂紋、分層等缺陷。同時因材料特殊性，為確保封頭焊接和熱壓質量，制作一副封頭產品焊接試板，并隨爐熱處理。

4.2 封頭拼縫的焊接

因封頭直徑太大，必須進行拼板，先模擬出封頭的展開圖，根據復合板尺寸設計好工藝焊縫和拼接焊縫位置，按拼板圖尺寸下料，拼板圖如圖3所示，設置了FA1、FA2、FA3三條拼縫，其中FA2為工藝焊縫，FA1和FA3為永久連接焊縫。焊接方法的選擇需考慮復層金屬的特殊性，為避免焊接基層時對復層金屬造成影響，采用焊條電弧焊焊接復層一側的基層，然后背面用碳弧氣刨清根，并用砂輪打磨后采用埋弧焊接，焊完基層金屬后再焊接過渡層焊縫，待封頭熱壓成型后再進行復層金屬焊接。焊接工藝參數如表5所示。

圖3 封頭拼板示意

表5 焊接工藝參數

4.3 封頭的熱壓成型

熱壓成型前，應將復層表面的油污和其他附著物清理干凈，入爐加熱前將毛坯冷壓至封頭曲面深度的1／3，為避免封頭加熱時，復層表面發生氧化，應對復層涂上抗氧化涂料。

4.3.1 熱壓操作

(1)為加快工件升溫速度且保證受熱均勻，待爐膛加熱到400℃左右，方可將工件入爐加熱，并通過工藝控制，按如圖4所示的爐溫曲線圖加熱工件，使工件在15 min內達到920℃±10℃。

(2)在加熱工件的同時，將模壓的下模圈預熱至450℃～550℃。

(3)將出爐后的工件迅速放置于已預熱好的下模圈上并壓制成型，控制熱壓時間以保證終壓溫度高于850℃。

(4)為保證復層的耐蝕性能，封頭成型后采用多臺大功率風扇對封頭復層進行強制冷卻，使其壁溫迅速降至450℃以下。

(5)待封頭完全冷卻后，焊接焊縫FA1、FA3的復層金屬。

圖4 爐溫曲線

4.4 封頭檢驗和分瓣

對封頭的FA1、FA3兩條焊縫按JB／T4730-2005進行100%射線檢測，III級合格，對復層表面進行100%滲透檢測，I級合格，同時對隨爐焊接試板進行檢驗和相關性能試驗，結果均符合要求。

檢驗合格后按如圖5所示的位置用角鋼加固封頭，防止分瓣后產生變形影響封頭最終的組對成形質量，并做好工藝焊縫FA2的復原樣沖印，以便現場組對焊接。為保證復層金屬不被污染，在角鋼端部均采用不銹鋼材料與復層接觸。然后采用碳弧氣刨刨去工藝焊縫FA2進行分瓣,氣刨前復層表面需涂刷防飛濺涂料以防止碳弧氣刨飛濺損傷復層表面。刨開后，將FA2坡口修磨坡口成如圖6所示的X型階梯狀坡口。

圖5 封頭加強筋布置

圖6 FA2坡口示意

5 筒體制作

筒體的制作也是本設備制造的重難點之一。筒體的橢圓度直接關系到容器的組裝質量、焊接質量以及復層不銹鋼的有效使用厚度。因筒體直徑太大，運輸困難，筒體的制作也采用工藝性焊縫卷制、校圓、分片運輸，然后在現場進行組對焊接。

5.1 筒體下料和坡口設置

在已成型好的封頭未分瓣前，測量封頭的外圍周長，以外周長為參照，確定筒體直徑。坡口的設計，由于考慮到筒體的縱焊縫在自由狀態下焊接收縮量大，造成坡口角度減小等因素，為避免基層焊接時基層材料對復層造成影響，采用增大坡口面角度的辦法，縱焊縫坡口形式如圖7所示。筒體環焊縫的坡口仍按圖2所示坡口尺寸加工。

圖7 筒節縱焊縫坡口示意

5.2 筒體的組對成形與校圓

因設備直徑太大，超限運輸費用昂貴，因此考慮每個筒節先在廠內組對焊接卷制成型后，再分割成三片運輸到現場進行組焊。每節筒體設置了A1、A2、A3三條工藝焊縫拼接而成。

(1)拼接焊縫A1、A2，使三塊板連接成整體，因該焊縫僅作為工藝性焊縫，因此在A1、A2的兩端和中部各焊接300 mm基層焊縫，能保證成形強度即可，不必滿焊。

(2)用焊條電弧焊焊接復層一側的基層，外側碳弧氣刨清根后再進行焊接。

(3)將復層表面的油污及其他附著物清理干凈，用于卷制的卷板機的軸輥需作防護，防止鐵離子對復層的污染，卷好后焊接焊縫A3的兩端和中部各300 mm長基層焊縫。

(4)對筒節進行校圓處理，校圓時用內、外檢測樣板多點多處測量，以保證橢圓度等符合標準要求。

5.3 檢驗和刨除工藝性焊縫

(1)檢驗合格后，按如圖8所示位置用角鋼對筒體進行加固，以防止筒體分片后產生變形，影響現場組對質量，同時做好焊縫A1、A2、A3的復原樣沖印，以便現場組對焊接。為保證復層金屬不被污染，在角鋼端部均采用焊接不銹鋼材料與筒體接觸。

(2)用碳弧氣刨刨除工藝性焊縫A1、A2、A3，將每節筒體分成三片，氣刨前復層表面需涂刷防飛濺涂料，以防止損傷復層表面。將坡口修磨成V型階梯狀坡口(見圖2)。

圖8 筒節分片加固示意

6 現場組焊

6.1 封頭組焊

為保證封頭的組裝質量，需對封頭組對制作一專用工裝，工裝采用不銹鋼制作，以避免污染復層金屬。然后按照分瓣前所劃出的樣沖印復劃出調整焊縫寬度的位置線，根據封頭的拼接位置，結合現場組對條件，采用焊條電弧焊焊接。焊接時采用間斷法，由兩名焊工同時小線能量、對稱爬坡方式施焊，以盡量減小焊接變形，焊接過程中用內外檢驗樣板進行多次多點測量，及時調整焊接位置，以保證封頭尺寸符合標準的要求。

6.2 筒體組焊

現場制作兩個φ 5 800／φ 5 400的加強圈，為避免對不銹鋼復層造成污染，采用不銹鋼板制作加強圈，兩個加強圈之間用角鋼連接形成一個立式圓柱體，將成型后分片的筒體按編號順序依次圍繞在兩加強圈內放置，根據分片前所劃的樣沖印復劃出調整焊縫寬度的位置線，利用合理的工裝調節，并在基層外側進行定位焊。筒體制作一副產品焊接試板，并帶在首筒施焊。產品試板各項性能檢驗合格后才能進行筒體其余焊縫的焊接。

各筒節組對完成并檢驗合格后進行筒節間環縫的組對。組對時以復層為基準，焊接時先進行基層的焊接，再進行過渡層的焊接，最后焊接復層。焊接時注意采用小線能量、間斷對稱施焊，以盡量減小焊接應力和焊接變形，有效保證焊接接頭的質量。各筒節間現場組焊要嚴格控制筒體的直線度，保證垂直度等的要求。

6.3 內件組焊

復合板容器制造時，內件與筒體內壁的焊接應避免污染復層，并避免復層產生剝離。因此，根據設計圖紙的要求，先進行預組對，劃好切割線，用碳弧氣刨將復層部分剝開，采用砂輪打磨掉熱影響區，內件不銹鋼托架采用過渡層焊條A302直接焊在基層殼體上，過渡層焊接完成后，再采用復層焊條A102完成面層焊接，并圓滑過渡至母材。

6.4 焊接注意事項

(1)焊接時注意復層不銹鋼表面的保護，施焊前在焊縫坡口兩側200 mm范圍內涂刷防飛濺涂料，防止焊接飛濺物損傷復層表面。

(2)定位焊時，只允許采用基層焊接材料在基層側進行點焊，不得在復層進行點焊。

(3)當從復層一側焊接基層時，應嚴防復層金屬熔化到基層焊縫中，以免少量高鉻、高鎳的不銹鋼成分稀釋到碳素鋼焊縫中形成馬氏體組織而發生硬化。

(4)焊接過渡層以前，應當對基層焊縫進行打磨，并且對基層表面和經打磨過的基層焊縫進行磁粉檢測，不得有裂紋等缺陷存在，清理待焊接面時采用不銹鋼絲刷。

(5)過渡層的焊接，應盡量減少母材對焊縫的稀釋率，在保證焊透的條件下，盡量采用小直徑焊條進行小電流焊接。焊接過渡層焊縫時，必須蓋滿基層焊縫，且要高出基層與復層交界線約1 mm，焊縫成形平滑，不可凸起，否則需打磨掉。

(6)焊接復層前，必須將過渡層焊縫表面和坡口邊緣清理干凈。

(7)縱縫和環縫的T型接頭焊接。由于縱縫全部焊完后再進行環縫焊接，很容易將縱縫端部的過渡層焊縫熔入環向基層焊縫，且該處焊接應力比較復雜，可能產生裂紋或較嚴重的焊接質量隱患，因此縱縫兩端端部附近的過渡層和復層焊縫必須在環向基層焊縫焊完后再焊接。

(8)禁止在容器的非焊接部分引弧，因電弧擦傷而產生的弧坑和焊疤必須打磨平滑。

7 檢驗檢測

7.1 無損檢測

不銹復合板焊縫無損檢測的程序通常有兩種：一種是基層、過渡層和復層焊縫全部焊接完成后，按設計要求分別進行射線檢測和復層表面滲透檢測；二是在滿足焊接接頭處基層厚度不小于設計計算厚度和復層為非空氣淬硬的不銹鋼材料等條件時，可在基層焊縫焊接完后按圖紙設計要求進行射線檢測，合格后再焊過渡層和復層，復層金屬表面做滲透檢測。考慮到馬氏體不銹鋼焊接性能較差，控制不好容易產生裂紋等缺陷，所以采用第一種方法進行無損檢測，確保焊縫質量。

本設備所有A、B類焊縫根據設計要求均按JB／T4730-2005進行無損檢測，焊縫焊接完成后進行大于等于20%射線檢測Ⅲ級合格，所有丁字焊縫全部進行射線檢測，復層表面進行100%滲透檢測，Ⅰ級合格。與基層相焊的不銹鋼角焊縫，進行100%滲透檢測，Ⅰ級合格，碳鋼角焊縫進行100%磁粉檢測，Ⅰ級合格；與復層相焊的角焊縫，以及復層上割除工卡具拉筋等臨時附件后遺留的焊疤必須打磨光滑，并進行100%滲透檢測，Ⅰ級合格，同時在距離邊緣100 mm范圍內進行超聲檢測，Ⅰ級合格。

7.2 水壓試驗

按照設計要求，設備制作完成并按規定的項目全部檢驗合格后再進行水壓試驗，水壓試驗壓力為0.892 MPa，并嚴格控制試壓用水中的氯離子濃度不大于15 mg／L。水壓試驗嚴格按照《壓力容器安全技術監察規程》的要求進行，水壓試驗后立即將水漬清除干凈，并封閉全部開口。

8 結論

綜上所述，大型馬氏體不銹復合板容器現場制作由于受到客觀條件的限制，采用制造廠內成型、現場組焊，縮短了制作周期，同時通過合理調整焊接材料，選用奧氏體焊材，避免了焊后熱處理帶來的諸多問題，通過采用焊接工藝性焊縫及相應的工裝，控制合理的焊接參數和各個關鍵環節，確保了大型馬氏體不銹復合板容器的制造質量。

Manufacture of large diameter pressure vessel with 06Cr13 martensite stainless steel composite board

FU Hua1，XU Hong2
(1.Sichuan Chuanhua Yongxin Construction＆Engineering Co.，Ltd.，Chengdu 610300，China；2.Jiangyin Dongfa Mechanical Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Jiangyin 214437，China)

In this paper，based on the example of pressure vessel with diameter DN5 800 mm made of 06Cr13+Q345R stainless steel composite board，introduces the manufacturing process and quality control of a large diameter pressure vessel Martensite stainless steel composite board，emphasis on describing the inspection of Martensite composite steel sheet，the hot forming of the head and subvalve＆welding，cylinder forming，welding，sub-valve and on-site welding.By setting the process welding seam，to adopt a suitable welding process to produce special tooling，and to carry out the effective process control.At the same time，chooses austenitic stainless steel as a filler metal，and reasonably avoids the heat treatment after welding，undergoes a strict non-destructive testing and pressure testing to ensure the manufacturing quality of Martensite stainless steel composite board.

large diameter；06Cr13；Martensite stainless steel composite board；pressure vessel；welding

TG457.11

B

1001-2303(2010)02-0064-06

2010-01-09

傅 華(1972—)，女，四川邛崍人，高級工程師，國際焊接工程師，主要從事石油化工機械設備制造、安裝、檢修等技術管理工作。