甲醇裝置用16MnDR低溫鋼的焊接

丁全有，楊菀娜，任世宏，張凱翔，張建曉

(蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730050）

0 前言

隨著石化工業的發展，新工藝、新設備不斷出現，對壓力容器的用材、設計、制造、檢驗、運輸和安裝都提出了新要求。石油化工設備用鋼要求在各種使用條件下具有一定強度的同時，更要保證足夠的塑性和低溫韌性。16MnDR鋼在主要強化元素Mn、Si的基礎上，通過添加微合金元素Nb和Ti，采用高潔凈度鋼的冶煉方法，通過控軋控冷卻和熱處理后得到的一種高韌性鋼種，其最低溫度達-46℃，在壓力容器、化工設備、車輛等行業得到了廣泛的應用。

甲醇洗滌塔進料/塔底換熱器主殼體材料為16MnDR鋼板，其化學成分和力學性能要求見表1、表2，設計壓力 2.04 MPa，設計溫度-29 ℃，介質為甲醇、碳酸氫，規格φ1400 mm×36 mm，結構簡圖如圖1所示。

表1 16MnDR化學成分 %

表2 16MnDR力學性能

圖1 甲醇洗滌塔進料/塔底換熱器結構簡圖

1 16MnDR低溫鋼的焊接特點

對不含鎳的低溫鋼16MnDR而言，由于其含碳量低，其他合金元素含量也較少，故其淬硬傾向和冷裂傾向都小，因而具有良好的焊接性能，一般可不預熱或用較低的預熱溫度來進行焊接，當板厚較厚或低溫環境下焊接時，才需要一定的預熱溫度。所以這一類鋼焊接時，只要選擇相匹配的焊材和合適的工藝，同時采用合適的焊接規范，使焊縫有較大的焊縫成形系數，即避免形成窄而深的焊道成形截面，可以保證焊縫及熱影響區的低溫韌性。

2 16MnDR低溫鋼的焊接要點

（1）采用小的焊接熱輸入量。

為避免焊縫及熱影響區形成粗大組織而降低其沖擊韌性，焊接時必須采用較小的焊接熱輸入量，具體要求是：焊接電流不宜過大；焊條電弧焊時，焊條盡量不擺動；采用窄焊道、多道多層焊和快速多道焊以減小焊道過熱，并通過多層焊的重復加熱作用細化晶粒。多層焊時嚴格控制層間溫度。

（2）選擇適當的焊接速度。

進行埋弧自動焊時，采用合理的焊接速度。當焊接速度較高時，熔池易形成典型的雨滴狀，且焊道成形變成窄而深的截面形狀，此時就易產生焊道中心的熱裂紋。

（3）避免咬邊缺陷。

表3 焊接材料及焊接工藝規范參數

低溫鋼焊接時注意避免弧坑、未焊透和咬邊等缺陷，這些缺陷在低溫條件下應力作用時都會造成較大的應力集中而引起脆性破壞。所以對于低溫壓力容器而言，不允許有任何尺寸的咬邊缺陷存在。

3 焊接工藝評定的制定

結合16MnDR低溫鋼的焊接特點和反應器的結構特點，依據NB/T 47014-2011及換熱器技術條件，進行了16MnDR低溫鋼的焊條電弧焊、埋弧焊的工藝評定。

經多次焊接試驗后，在厚度δ=38 mm的16MnDR低溫鋼上分別進行了焊條電弧焊、埋弧焊的工藝評定，焊接材料和工藝規范參數見表3。焊后經消除應力處理后對焊接試板進行了化學成分、力學性能的檢測。試驗結果分別見表4、表5，結果為合格。

表4 焊縫金屬化學成分 %

表4、表5結果表明，焊縫金屬化學成分、焊接接頭力學性能均滿足NB/T 47014-2011及換熱器產品技術條件要求，證明所選用焊接材料、制定的焊接及熱作工藝正確合理。

表5 焊接接頭力學性能

4 產品焊接

在工藝試驗和工藝評定的基礎上，制定了嚴格的包含多項質量檢查點的16MnDR低溫鋼焊接作業指導書，指導控制了換熱器的焊接全過程。事實證明，焊縫成形美觀，無損檢測合格率高，各項技術指標均滿足設計和工藝控制要求。

5 結論

正確選用焊接材料、嚴格控制焊接熱輸入量以及制定合理的焊接工藝是16MnDR低溫鋼焊接的關鍵。通過對16MnDR低溫鋼的焊接工藝試驗、焊接工藝評定及產品的施焊，各項技術指標均滿足要求，證明所選用的焊接方法、焊接材料及焊接工藝正確合理，達到了產品設計的各項技術指標。