15MnNiNbDR鋼制乙烯球罐組焊技術

王傳標

(合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230088)

15MnNiNbDR鋼制乙烯球罐組焊技術

王傳標

(合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230088)

采用-50℃的15MnNiNbDR國產鋼用于2 000 m3乙烯球罐的制造，通過分析該鋼的焊接性，焊接工藝評定研究以及實際生產的應用等，總結了該鋼的焊接工藝以及現場焊接施工的關鍵點。實踐表明：該焊接工藝符合相關技術標準要求，能夠用于指導乙烯球罐的焊接生產，確保了乙烯球罐的產品質量，同時對以后該鋼種用于球罐焊接有一定的參考價值。

15MnNiNbDR鋼；焊接性；焊接工藝

0 前言

隨著石油化工行業的發展，盛裝低溫介質的壓力容器也日益增多，在球罐大型化、低溫化的趨勢下，我國建設大型球罐的球片和鋼板主要依靠進口，為實現大型球罐國產化，合肥通用機械研究院與武漢鋼鐵集團公司合作開發了-50℃15MnNiNbDR (WHD3)鋼板，該鋼板于2008年在天津石化乙烯項目中第一次大規模應用。球罐主要參數：公稱體積2 000 m3，內徑15 700 mm，設計壓力1.95 MPa，設計溫度-45℃，殼體材質15MnNiNbDR，壁厚47 mm，十支柱四帶混合式結構，單臺球罐共54塊球殼板。由于該鋼種還處在應用初期，其工藝和關鍵控制點尚未成熟，本研究從鋼材的焊接性、焊材匹配、合理的焊接工藝措施等方面進行了相應的探討和研究，并介紹了焊接過程中的質量控制。

1 球殼板材料焊接性分析和焊材的選用

1.1 球殼板材料焊接性分析

殼體材質15MnNiNbDR鋼板的化學成分和力學性能如表1、表2所示。根據國際焊接學會碳當量(單位：%)計算公式

以及冷裂紋敏感指數(單位：%)公式

表115 MnNiNbDR的化學成分 %

表215 MnNiNbDR鋼板的力學性能

可得CE＝0.42%，Pcm＝0.33%。由15MnNiNbDR鋼板的CE和Pcm結合表1、表2可知：15MnNiNbDR含碳量低，碳當量和冷裂紋敏感指數都不高，淬硬傾向小，產生冷裂紋的傾向小，且強度高，韌性好，焊接性優良。但是由于該鋼種合金成分的組成有一定的再熱裂紋傾向。因此焊接工藝的重點是防止再熱裂紋，在采取一定的預熱和后熱措施保證不產生冷裂紋的情況下，盡量采取較低的焊接線能量施焊，嚴格控制層間溫度，以保證有充足的塑性和韌性。

1.2 焊接材料的選擇

15MnNiNbDR鋼具有較高的強度和韌性，這就要求與其配套的焊接材料在保證焊接接頭具有高強度的同時，沖擊韌性也要有較大的儲備。在建造2 000 m3乙烯球罐中，還要求焊接材料具有良好的焊接性和較低的焊接裂紋敏感性。參照其機械性能(見表2)，選擇φ 4.0 mm的PP.J557RH焊條進行焊接試驗，其化學成分和力學性能如表3所示。

表3 PP.J557RH焊材的化學成分和力學性能

2 焊接工藝評定

2.1 斜Y型坡口焊接冷裂紋試驗

斜Y坡口焊接裂紋試驗按GB4675.1-84《斜Y坡口焊接裂紋試驗方法》進行，主要用于評價厚板多層焊根部焊道的冷裂紋敏感性。

對于板厚47 mm的15MnNiNbDR鋼板，采用直徑φ 4mm的PP.J557RH焊條，按《斜Y坡口焊接裂紋試驗方法》的要求焊接試板。共制作了6塊試板，其焊接工藝參數為：焊接電流170 A，電弧電壓24 V，焊接速度150 mm／min，試驗結果如表4所示。

表4 斜Y坡口焊接裂紋試驗結果

由于Y型鐵試驗拘束度較大，一般認為，當裂紋率小于20%時，實際結構不會產生冷裂紋[1]。由斜Y坡口焊接裂紋試驗結果可見：在6個小鐵研試樣中，室溫時，有一個試樣的根部裂紋率達到20.53%，有出現冷裂紋的傾向；在預熱75℃以上時，未出現斷面和根部裂紋，故在用PP.J557RH焊接47 mm厚的5MnNiNbDR鋼板時，預熱溫度應在75℃以上。結合施工技術條件，在天津石化的2 000 m3乙烯球罐制造工程中，預熱溫度控制在125℃以上，能夠有效避免實際焊縫出現冷裂紋。

2.2 焊接工藝參數

按照JB4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》和GB12337-1998《鋼制球形儲罐》，并結合15MnNiNbDR鋼焊接性分析和斜Y坡口焊接裂紋試驗，對厚47 mm的15MnNiNbDR鋼進行焊接工藝評定，評定后的工藝參數為：預熱溫度大于等于125℃，層間溫度125℃～180℃，后熱溫度200℃～250℃，保溫時間1 h，其焊接規范參數如表5所示。

表5 焊接規范參數

3 現場焊接和控制要點

3.1 對焊工的要求

球罐焊縫為全位置焊接，焊接難度較大，對焊工的技能熟練程度要求高，因此參加該工程球罐焊接的焊工必須通過國質檢[2002]109號《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試管理規則》規定的考試，焊工資格經業主組織焊工培訓且考核合格后，方能參加球罐的焊接工作。

3.2 嚴格控制焊接線能量為了使15MnNiNbDR焊接接頭具有良好的低溫韌性，應盡量使鋼材原有的熱處理效果不受到較大的損傷，必須嚴格控制線能量。焊接線能量增大，冷裂紋傾向減小，但線能量過大，熱影響區易產生過熱組織，裂紋傾向也會增大；焊接線能量過小，熱影響區易產生馬氏體組織，冷裂紋傾向增大，因此現場焊接時，平焊、立焊和仰焊要求焊接線能量在12～35 kJ／cm，橫焊要求焊接線能量在12～

30 kJ／cm。

3.3 加強對焊接裂紋的控制

據有關資料統計，球形儲罐焊縫表面裂紋發生概率為78%。裂紋長度小于等于10 mm、深度3 mm左右的小裂紋大多發生在夾具定位焊以及補焊部位，因此在焊接夾具定位焊和補焊時，夾具定位焊必須將球殼板表面油漆徹底清除，引弧點和熄弧點應在夾具焊道上，以免損傷母材，同時應采用與球殼焊縫相同的焊接材料和焊接工藝。

3.4 采用多層焊道和回火焊道

采用多層多道焊可提高焊接速度，從而降低焊接線能量。多層焊時，后層對前一層有消氫和改善熱影響區組織的作用，前層焊道對后層焊道有預熱作用，這樣除了蓋面焊道和底層焊道的熱影響區具有較高的冷卻速度外，中間各層焊縫施焊時，熱影響區的冷卻速度均較低。因此只要控制好蓋面焊道和底層焊道不出現裂紋，中間焊接時也不會出現裂紋，為防止底層出現裂紋，要控制好預熱，同時增加底層焊的厚度。為防止蓋面焊道出現裂紋以及產生淬硬組織，則需要在蓋面焊道上加焊一道回火焊道。

4 焊后無損檢測和焊后熱處理

焊接結束36 h后，對球罐對接接頭進行100% X射線檢測，為避免焊后應力集中，將全部對接焊縫內外表面均打磨至與母材齊平(不低于母材)，角焊縫需打磨圓滑過渡，檢測底片采用細晶粒度T2膠片，按JB／T4730.2-2005《承壓設備無損檢測》要求，Ⅱ級合格。現場合格率99%以上，沒有出現裂紋片。

為了消除焊接應力，進一步改善焊接接頭性能，焊后進行了高溫回火處理，焊后整體熱處理溫度為585℃±15℃，恒溫時間2 h。當溫度處于400℃以上，升溫時速度控制在50℃～80℃／h，降溫時速度控制在30℃～50℃／h，且升降溫期間任意兩熱電偶的溫差不得大于130℃；當溫度處于400℃以下降溫時，自然冷卻。

5 產品試板力學性能試驗

按JB4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》和技術規范要求，每臺球罐需要焊制3塊產品試板，包括橫焊、立焊和仰焊各一塊。根據技術要求，對焊接工藝試板進行585℃±15℃焊后熱處理，保溫時間2 h。

按照JB4744-2000《鋼制壓力容器產品焊接試板的力學性能檢驗》進行力學性能檢測，其拉伸、彎曲實驗結果如表6所示。

表6 焊接產品試板的力學性能檢測結果

低溫沖擊按照GB／T229-1994《金屬夏比沖擊試驗方法》進行試驗，結果如表6所示。從表6可以看出，-50℃下V型沖擊功均值，橫焊的焊縫和熱影響區分別為78 J、158 J，立焊的焊縫和側熱影響區處為70 J、146 J，平仰的焊縫和側熱影響區處為82 J、165 J，均滿足技術條件要求。

6 結論

(1)15MnNiNbDR鋼具有良好的焊接性，預熱溫度達到125℃，嚴格控制層間溫度，不會產生冷裂紋。

(2)焊接線能量和焊后熱處理對材料的性能尤其是低溫沖擊韌性有一定的影響，因此在施工過程中應加強對工藝措施的控制。

(3)熱處理后的產品試板力學性能和焊后的磁粉檢驗滿足設計和規范要求，說明此工藝的可行性，為以后此類低溫球罐的熱處理提供了借鑒。

[1] 蘇 立，苑宏智.1 000 m3球形氧氣儲罐現場組焊技術[J].包鋼科技，2008，38(3)：67-69.

Welding technology of 15MnNiNbDR steel alloy th ethylene spherical tank

WANG Chuan-biao
(Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230088，China)

-50℃15MnNiNbDR steel alloy was applied the 2 000 m3ethylene spherical tank.Through the analysis of weldability，welding procedure qualification，as well as the application of actual production.The welding process and the key point of welding were summed up.The practice shows that the welding process in line with relevant technical standards can be used to guide welding of the spherical tank and ensure product quality.While the article has some referential significance to the steel alloy with the spherical tank welding.

15MnNiNbDR steel alloy；weldability；welding process

TG406

B

1001-2303(2010)02-0081-03

2009-12-15

王傳標(1981—)，男，安徽太和人，在讀碩士，主要從事壓力容器的焊接、制造、安裝等相關研究。