JFE-HITEN610U2L鋼制聚丙烯球罐組焊技術(shù)

王清棟，郝偉沙，王安軍，王傳標

(合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230088)

JFE-HITEN610U2L鋼制聚丙烯球罐組焊技術(shù)

王清棟，郝偉沙，王安軍，王傳標

(合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230088)

日本JFE-HITEN610U2L屬-50℃低溫調(diào)質(zhì)高強鋼，可用于3 000 m3丙烯球罐的制造，試驗研究表明該鋼不僅具有優(yōu)良的低溫韌性，且可焊性良好，焊接接頭的力學(xué)性能較高。通過分析球罐的焊接工藝評定以及工程施工實踐，總結(jié)該鋼的焊接工藝，介紹了焊接施工的關(guān)鍵技術(shù)措施。實踐證明，該焊接工藝符合相關(guān)技術(shù)標準要求，能夠用于指導(dǎo)3 000 m3高參數(shù)丙烯球罐的建造，可以確保其焊接質(zhì)量，為該類球罐的建造提供了借鑒。

JFE-HITEN610U2L鋼；焊接性；焊接工藝；TOFD

0 前言

隨著低合金高強度鋼的普遍應(yīng)用，工程結(jié)構(gòu)也朝著大型化、輕量化方向發(fā)展，如大型儲罐、大型球罐等，設(shè)計參數(shù)也越來越高。以慶陽石化300萬t／年搬遷改造集中加工工程為例，丙烯球罐體積3 000 m3，設(shè)計溫度50℃，設(shè)計壓力2.16 MPa，以往使用的球罐用鋼已不能滿足需要。經(jīng)過多方論證，采用日本JFE-HITEN610U2L鋼，由于該鋼在我國3 000 m3丙烯球罐制造中應(yīng)用較少，其工藝和施工過程中的質(zhì)量控制成為關(guān)鍵。對JFE-HITEN610U2L焊接性進行了分析，結(jié)合球罐的焊接工藝評定以及工程施工實踐等方面進行了相應(yīng)的探討和研究，簡述球罐焊接施工中如控制焊接線能量、預(yù)熱溫度、層間溫度、焊后消氫處理及焊前對焊工進行培訓(xùn)等關(guān)鍵點控制，為建造高參數(shù)的球罐提供借鑒。

1 球殼用鋼板和焊條

1.1 球殼用鋼板

球殼采用的JFE-HITEN610U2L鋼屬于-50℃調(diào)質(zhì)高強鋼，通過了日本焊接協(xié)會標準WE3003認證。我國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會于2006年也對其進行了認證，在我國可作為-50℃低溫壓力容器用鋼。其化學(xué)成分(熔煉分析)如表1所示，力學(xué)性能如表2所示。由表可知，該鋼板性能優(yōu)良，滿足技術(shù)條件要求。

1.2 焊條

球罐選用與JFE-HITEN610U2L鋼板相匹配的日本LB-65L焊條，該焊條主要特點如下：

表1 JFE-HITEN610U2L鋼板化學(xué)成分 %

表2 JFE-HITEN610U2L鋼板力學(xué)性能和彎曲性能

(1)該焊條熔敷金屬為Ni-Ti-B系，Ti-B聯(lián)合作用可抑制粗大先共析鐵素體的出現(xiàn)和促進細小針狀鐵素體形成。金相研究表明：針狀鐵素體之間呈大角度相接，當(dāng)裂紋擴展到針狀鐵素體時，由于針狀鐵素體沒有確定的位向，晶界多，裂紋擴展路徑曲折，受到的阻力較大，而且該焊條熔敷金屬中Ni含量較高(約2.5%)，晶粒細小，低溫沖擊韌性優(yōu)良。

(2)熔敷金屬擴散氫含量較低，氣相色譜法測定[H]≤5.0 ml／100 g，屬于超低氫型，具有良好的抗裂性能。

(3)該焊條引弧、脫渣等工藝性能優(yōu)良，適合全位置焊接。

其熔敷金屬主要化學(xué)成分、力學(xué)性能分別如表3、表4所示。實驗數(shù)據(jù)顯示，該焊條熔敷金屬性能良好，與技術(shù)要求相比，存在較大的富裕量。

表3 焊條熔敷金屬的化學(xué)成分 %

表4 LB-65L焊條熔敷金屬力學(xué)性能和彎曲性能

2 JFE-HITEN610U2L鋼焊接性

JFE-HITEN610U2L鋼板采用的是低C、低Pcm值的微量合金化技術(shù)和控制較低溫加熱-低溫軋制DQ-T(淬火+回火)工藝，主要金相組織是細小的低C貝氏體。該鋼強度雖高，但Pcm值較低，冷裂紋傾向不明顯；該鋼加入合金元素較多，含有Mo、V、Ti、Nb等沉淀強化相元素，具有一定的再熱裂紋傾向；焊接線能量對該鋼焊接接頭低溫沖擊韌性的影響也較大。

2.1 鋼板冷裂紋敏感性

(1)鋼板最低預(yù)熱溫度計算。

鋼材的化學(xué)成分與其焊接熱影響區(qū)的硬度和冷裂紋傾向的關(guān)系密切，但單純根據(jù)合金元素含量，如碳當(dāng)量Ceq等，評定鋼的冷裂傾向較為片面。根據(jù)冷裂機理可知，擴散氫含量、焊后殘余應(yīng)力和熱循環(huán)條件等都有很大影響。因此，采用冷裂紋敏感指數(shù)Pcm、焊接冷裂紋敏感性指數(shù)Pc和焊接預(yù)熱溫度T0，評定JFE-HITEN610U2L鋼的冷裂紋敏感性。低合金高強度鋼的焊接裂紋敏感性系數(shù)Pcm和焊接冷裂紋敏感性指數(shù)Pc(單位：%)為[1]：

Pcm＝C+Si／30+Mn／20+Cu／20+Ni／60+Cr／20+Mo／15+ V／10+5B

Pc＝Pcm+[H]／60+δ／600

T0＝1440Pc-392

式中 δ為板厚(單位：mm)；T0為最低焊前預(yù)熱溫度(單位：℃)。

按上述公式計算，50 mm厚JFE-HITEN610U2L鋼板的焊接冷裂紋敏感性指數(shù)Pc＝0.31%，則最低焊前預(yù)熱溫度T0≈54℃。由此可見，該鋼板具有較低的焊接冷裂紋敏感性。

(2)斜Y型坡口焊接冷裂紋試驗。

斜Y型坡口焊接裂紋試驗按GB／T4675.1《斜Y坡口焊接裂紋試驗方法》進行，評價厚板多層焊根部焊道的冷裂紋敏感性。取50mm厚的JFE-HITEN 610U2L鋼板，采用φ 4.0 mm的LB-65L焊條施焊，共進行了三組試驗，每組試驗制作兩塊試板，其焊接工藝參數(shù)為：焊條烘干溫度及時間為400℃×1 h，焊接電流160～180 A，電弧電壓24～26 V，焊接速度100～120 mm／min。焊接48 h后解剖，將每塊試板的焊接接頭切成四片五個斷面進行裂紋檢查，試驗結(jié)果如表5所示。

表5 斜Y坡口焊接裂紋試驗結(jié)果

由于Y型坡口試驗拘束度較大，當(dāng)裂紋率小于20%時，實際結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生冷裂紋[2]。由試驗數(shù)據(jù)可知：在采用50 mm厚試板(標準要求20 mm厚)的情況下，預(yù)熱80℃時，未出現(xiàn)斷面和根部裂紋。故在施工中，焊接預(yù)熱溫度控制在125℃以上，能夠有效避免出現(xiàn)冷裂紋。

2.2 鋼板再熱裂紋敏感性

(1)鋼板再熱裂紋敏感指數(shù)計算。

鋼材的化學(xué)成分是影響其再熱裂紋敏感性的主要因素之一。在此使用日本伊藤提出的再熱裂紋敏感性指數(shù)PSR(單位：%)的概念來確定鋼板再熱裂紋敏感程度，計算式為：

PSR＝Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb+5Ti-2

PSR≥0時，則易產(chǎn)生再熱裂紋。

根據(jù)表1中的復(fù)驗數(shù)據(jù)計算，PSR＝-0.69，因此JFE-HITEN610U2L鋼板再熱裂紋敏感性較低。

(2)插銷應(yīng)力松馳再熱裂紋敏感性試驗。

插銷應(yīng)力松馳再熱裂紋敏感性試驗參照GB／T 9446《插銷冷裂紋試驗方法》進行，采用“斷裂”準則，即試樣在高溫下經(jīng)一定時間不斷裂所承受的最大應(yīng)力評定鋼材的再熱裂紋敏感性。本試驗內(nèi)容又分為再熱裂紋“C”形曲線的測定和再熱裂紋斷裂時間與初應(yīng)力的測定。采用深缺口插銷試樣，以模擬實際焊接接頭中的焊根、焊趾、未焊透、夾渣及咬邊等部位所引起的三向應(yīng)力狀態(tài)。

a.再熱裂紋“C”形曲線。

測定再熱裂紋“C”形曲線加載初應(yīng)力R0按Murray推薦的公式計算，結(jié)果如表6所示。

表6 插銷再熱裂紋試驗時的加載初應(yīng)力R0

式中 R0為加載初應(yīng)力值；R為拘束應(yīng)力(Murray推薦為0.8ReL，本試驗選取1.256ReL)；ER、EH為鋼材在室溫、高溫下的彈性模數(shù)。

根據(jù)表6中不同SR溫度下的加載初應(yīng)力，進行不同SR溫度下應(yīng)力松馳試驗，測得再熱裂紋“C”形曲線，如圖1所示。

圖1 再熱裂紋“C”形曲線

b.再熱裂紋斷裂時間和加載初應(yīng)力。

利用插銷應(yīng)力松弛試驗測定出不同焊后SR處理溫度下焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的加載初應(yīng)力與斷裂時間，結(jié)果如圖2所示，得出各試驗溫度下的臨界斷裂初應(yīng)力值如表7所示。

圖2 再熱裂紋應(yīng)力松弛曲線

表7 各試驗溫度下的臨界斷裂初應(yīng)力

插銷應(yīng)力松弛試驗測定JFE-HITEN610U2L鋼的再熱裂紋敏感溫度約620℃，但該溫度下臨界斷裂初應(yīng)力雖高于加載初應(yīng)力值，但與580℃、600℃相比，與加載初應(yīng)力值R0差值已明顯偏小。因此可認為，JFE-HITEN610U2L鋼存在一定的再熱裂紋敏感性。

(3)焊接接頭力學(xué)性能分析。

JFE-HITEN 610U2L調(diào)質(zhì)鋼對焊接線能量尤其敏感，焊接線能量越大，t8／5越長，焊接接頭晶粒粗大，致使低溫沖擊韌性下降。取50 mm厚JFE-HITEN 610U2L試板，采用不同焊接熱輸入，焊接試板進行(575℃±15℃)×2h熱處理，然后對焊縫和熱影響區(qū)分別進行-50℃和-60℃沖擊韌性試驗，數(shù)據(jù)如表8所示。根據(jù)結(jié)果得到的焊接線能量與焊縫和熱影響區(qū)沖擊韌性的關(guān)系曲線如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，隨著熱輸入的增加，焊接熱影響區(qū)下降幅度較小，但焊縫金屬的沖擊韌性下降明顯。焊接熱輸入小于35 kJ／cm時，焊接接頭能保持較高的沖擊韌性水平。當(dāng)線能量大于40 kJ／cm時，在焊縫和熱影響區(qū)沖擊功均有單個偏低值。

圖3 焊接熱輸入對焊縫和熱影響區(qū)HAZ-50℃沖擊性能的影響

3 球罐現(xiàn)場焊接和控制要點

3.1 焊工要求

圖4 焊接熱輸入對焊縫WM和熱影響區(qū)HAZ-60℃沖擊性能的影響

一般球罐在野外施工，其焊接質(zhì)量受人、環(huán)境等因素的影響較大，且焊縫為全位置焊接，對焊工的技能要求較高。因此，焊工須通過《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試管理規(guī)則》規(guī)定的考試，持有SMAW-Ⅱ-2G／3G／4G-12(K)-F3J合格資質(zhì)且在有效期內(nèi)，經(jīng)現(xiàn)場考核合格后，方能進行球罐的焊接工作。

3.2 焊接工藝評定

安裝公司按照JB 4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評定》和《3000m3丙烯原料球罐制造安裝及驗收技術(shù)條件》對50 mm厚的JFE-HITEN610U2L鋼進行立焊、橫焊、平焊+仰焊焊接工藝評定，評定結(jié)果均合格，評定的最大焊接線能量為35 kJ／cm，這也與試驗結(jié)果及技術(shù)條件要求相一致。

3.3 嚴格控制焊接線能量

為使JFE-HITEN610U2L鋼焊接接頭具有良好的低溫韌性，焊接時要求焊工采用窄焊道，焊條不擺或微擺，嚴格控制焊接線能量不超過工藝評定最大值，從而使焊接接頭保持較高的低溫沖擊韌性。

3.4 焊接冷裂紋的控制

據(jù)統(tǒng)計，球罐夾具定位焊和補焊部位易產(chǎn)生長度不大于10 mm、深度不大于3 mm的冷裂紋，在夾具定位焊和補焊時，應(yīng)將球殼板表面油漆清除干凈，采用與球罐主體焊縫相同的焊條和焊接工藝焊接。引弧點和熄弧點應(yīng)在夾具焊道上，以免損傷母材和產(chǎn)生冷裂紋。

3.5 采用多層焊道和回火焊道

采用多層多道焊可降低焊接線能量，尤其在球罐立焊位置時糾正了焊工單層單道焊的不良習(xí)慣，實施了分道焊接。多層多道焊時，后層(道)對前層(道)起回火作用，可進一步細化晶粒，提高焊接接頭低溫沖擊韌性，因蓋面層沒有后續(xù)焊道對其回火，因此按技術(shù)條件要求對蓋面層加一層回火焊道，焊接完畢后，磨除回火焊道。

3.6 球罐焊接順序

球罐由10名焊工同步對稱施焊，一般焊接順序為先大坡口后小坡口，先縱后環(huán)，本球罐采取的順序為：赤道板縱縫(外)→上、下極(外)→大環(huán)(外)→赤道板縱縫(內(nèi))→上、下極(內(nèi))→大環(huán)(內(nèi))。

3.7 其他注意事項

焊條按照規(guī)定烘干保溫；焊接采用直流反接；球罐對接焊縫焊前預(yù)熱溫度不小于125℃；焊后立即進行250℃×1 h后熱消氫處理；焊道始端采用后退引弧法，各層之間的接頭宜錯開50 mm以上，每層焊后將焊渣清除干凈。為避免應(yīng)力集中，對接焊縫內(nèi)外表面均打磨至圓滑過渡，不存在急劇的形狀變化，焊縫余高符合技術(shù)要求。記錄球罐主體焊接的工藝參數(shù)和焊工鋼印號、焊縫代號和日期。焊后對球罐進行幾何尺寸檢查，棱角度(允許小于等于10)最大誤差+4，橢圓度(允許小于等于80)最大誤差+10。檢查結(jié)果均符合GB12337-1998及技術(shù)條件要求。

4 焊后無損檢測和熱處理

焊后36 h對球罐對接焊縫進行100%TOFD(超聲波衍射時差法)檢測。TOFD是一種利用超聲波衍射現(xiàn)象、非基于波幅的自動超聲檢測方法。通常使用縱波斜探頭，采用一發(fā)一收模式。當(dāng)存在缺陷時，在直通波和底面反射波之間，接收探頭就會接收到缺陷處產(chǎn)生的衍射波，以此用于缺陷的檢測、定量和定位。與傳統(tǒng)的檢測方法(如射線檢測)相比，TOFD具有適用厚度大、檢測靈敏度高、安全環(huán)保以及對裂紋類缺陷敏感性強等優(yōu)勢。隨著球殼板厚度的增大，射線檢測靈敏度下降，檢測時間也更長。再者由于射線輻射的存在，對安裝現(xiàn)場安全防護有很高的要求。因此選用TOFD檢測技術(shù)。按合肥通用機械研究院企業(yè)標準Q／GMRI01-2008《承壓設(shè)備超聲波衍射時差法(TOFD)自動超聲檢測》要求，Ⅰ級合格。檢測結(jié)果為一次焊接合格率達99%以上，主要缺陷為夾渣和氣孔，沒發(fā)現(xiàn)裂紋。

為了消除焊接殘余應(yīng)力，焊后對球罐進行了(575℃±15℃)×2 h整體熱處理。當(dāng)溫度高于400℃時，升溫速度控制在50～80℃／h，降溫時降溫速度控制在30～50℃／h，當(dāng)溫度低于400℃后自然冷卻。

5 力學(xué)性能試驗

按GB 12337-1998《鋼制球形儲罐》要求每臺球罐制備產(chǎn)品焊接試板，并按JB 4744-2000《鋼制壓力容器產(chǎn)品焊接試板的力學(xué)性能檢驗》要求進行試板力學(xué)性能和彎曲性能檢驗，如表9所示，結(jié)果合格。力學(xué)性能和彎曲性能性能數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范與技術(shù)條件要求，且有一定的富裕量。

表9 產(chǎn)品焊接試板力學(xué)性能和彎曲性能

6 水壓和氣密性能試驗

球罐水壓試驗壓力為2.7MPa，所有焊接接頭部位無任何滲漏和異常現(xiàn)象。球罐氣密性試驗壓力為2.16 MPa，采用肥皂水進行檢查，所有法蘭密封面無泄漏。

7 結(jié)論

(1)JFE-HITEN610U2L鋼和LB-65L焊條性能良好，適用于3 000 m3丙烯球罐的建造。

(2)JFE-HITEN610U2L對焊接冷裂紋不敏感，但具有一定的再熱裂紋敏感性。

(3)JFE-HITEN610U2L采用LB-65L焊條焊接時，線能量應(yīng)嚴格控制在35 kJ／cm以下；施焊宜采用短弧多層多道焊，以強化后續(xù)焊道對前焊道的熱作用。

(4)選用適當(dāng)?shù)暮附庸に囀┖福瑖栏窨刂祁A(yù)熱溫度、層間溫度以及采用焊后及時消氫處理等工藝措施，可防止50 mm厚的JFE-HITEN610U2L焊接接頭產(chǎn)生焊接冷裂紋。

(5)球罐經(jīng)(575℃±15℃)×2 h整體熱處理后，產(chǎn)品試板低溫沖擊韌性較高，且有一定的富裕量。

[1]佐藤邦彥.溶接工學(xué)[M].大阪：日本理工學(xué)社，l979.

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

[3]袁 浩，房務(wù)農(nóng).07MnNiMoVDR鋼制乙烯球罐的建造技術(shù)[J].焊接技術(shù)，2011，40(8)：62-64.

[4]王傳標.15MnNiNbDR鋼制乙烯球罐組焊技術(shù)[J].電焊機，2010，40(2)：81-83.

Assembly welding technology of JFE-HITEN610U2L quenched and tempered high strength steel polypropylene spherical tank

WANG Qing-dong，HAO Wei-sha，WANG An-jun，WANG Chuan-biao
(Hefei General Machinery Research Insititute，Hefei 230088，China)

-50℃JFE-HITEN610U2L quenched and tempered high strength steel which made in Japan can be used for the 3 000 m3propylene spherical tanks.Experimental studies show that the steel has excellent low temperature toughness，good weldability and the mechanical properties of the welded joint is higher，too.With the study of the spherical tank welding technology assessment and construction practices，summarizes the welding process and introduces the key technical measures.Practice has proved，the welding process in accordance with the relevant requirements of technical standards，can be used to guide welding of the high number of propylene spherical tank and the quality of the tank are assured,While the article has some referential significance to the steel with the spherical tank welding.

JFE-HITEN610U2L quenched and tempered high strength steel alloy；weldability；welding process；TOFD

TG457.6

B

1001-2303(2012)04-0028-06

2011-12-28

王清棟(1982—)，男，山東濟南人，學(xué)士，主要從事壓力容器的焊接、制造、安裝等方面的研究工作。