Q345R+0Cr18Ni10Ti復(fù)合板甲醇分離器的制造與缺陷分析修復(fù)

大連中集重化裝備有限公司（遼寧 116600）魯果昌 凌全杰 隋 力

1.概述

某公司煤制甲醇項(xiàng)目甲醇分離器殼體為復(fù)合板，其基材為Q345R，復(fù)材為0Cr18Ni10Ti，結(jié)構(gòu)如圖1所示。復(fù)合板按JB4733—19 96《壓力容器用爆炸不銹鋼復(fù)合鋼板》中B2要求以熱處理狀態(tài)交貨。塔中介質(zhì)為反應(yīng)氣、粗甲醇。最高工作壓力為7.6MPa，最高工作溫度為40℃。

圖1 甲醇分離器殼體

由于鋼板較厚，封頭需高溫成形，為滿足設(shè)計(jì)要求，制造廠對復(fù)合鋼板的焊接和熱處理工藝進(jìn)行了分析和討論，進(jìn)行了不同焊材焊接接頭經(jīng)歷相變以上溫度成形和熱處理力學(xué)性能的變化趨勢的試驗(yàn)，解決了異種鋼焊接的難題，確保了設(shè)備的制造質(zhì)量和使用性能。

2.Q345R鋼母材及其焊接性分析

（1）母材及焊接試板性能 GB 713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》中規(guī)定了Q345R鋼板厚度＞60～100mm時(shí)，其化學(xué)成分及常溫主要力學(xué)性能如表1、表2所示。

（2）焊接性分析 根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)碳當(dāng)量計(jì)算公式：CE（%）=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。從表1可看出，碳當(dāng)量為0.39%，焊接性能良好，但母材較厚，焊接前預(yù)熱溫度需≥150℃。從表2可看出，經(jīng)過爆炸復(fù)合及高于上轉(zhuǎn)變溫度處理以后，其抗拉強(qiáng)度值有明顯的下降，韌性提高。

表1 Q345R鋼板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%)

表2 Q345R+321基材和復(fù)合板力學(xué)性能

3.Q345R鋼焊接材料的選擇

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，需在相變溫度以上熱成形的拼接焊縫(封頭)，選用焊條電弧焊、埋弧焊兩種方法，焊接材料的力學(xué)性能結(jié)果如表3所示。從表3可看出，試驗(yàn)編號(hào)為6-10和7-500，經(jīng)過正火+回火處理以后，其抗拉強(qiáng)度值遠(yuǎn)低于母材標(biāo)準(zhǔn)下限值490MPa，而試驗(yàn)編號(hào)為5-11和9-83，經(jīng)過正火+回火處理以后，其抗拉強(qiáng)度值均高于母材標(biāo)準(zhǔn)下限值，符合設(shè)計(jì)要求。其中焊條J607Ni已經(jīng)高出2個(gè)等級(jí)，埋弧焊絲焊劑為昆山京群焊材特殊定制的。

對比試驗(yàn)編號(hào)為6-10和6-11兩組結(jié)果（見表4），可以看出，采用焊后正火+回火處理后的抗拉強(qiáng)度值較消應(yīng)熱處理后下降45～93MPa.

需要特別說明的是，試驗(yàn)編號(hào)為5-11和9-83，并沒用于本設(shè)備的制造上，本文列出僅用于說明和比較。由于本設(shè)備的焊接工藝評(píng)定中焊縫金屬強(qiáng)度低于母材下限值不能滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)由于焊材已購入，故封頭熱成形返廠后不得不刨掉重焊。

表3 不同焊接材料經(jīng)過正火+回火熱處理后的性能比較

表4 試驗(yàn)編號(hào)6-11經(jīng)過消應(yīng)熱處理后的性能

4.鍛制不銹鋼管與殼體的焊接

（1）本設(shè)備制造的難點(diǎn) 鍛制不銹鋼管與殼體（90+4）mm的焊接，制造過程如下：

劃線后首先采用碳弧氣刨除掉一周不銹鋼層，用火焰切割Q345R，切割后砂輪打磨光亮，并對坡口進(jìn)行磁粉和滲透探傷，隨后對母材進(jìn)行硫酸銅檢測。

組對、焊條點(diǎn)固（A302、φ4.0mm），將工件預(yù)熱到150℃以上，預(yù)熱范圍以孔心為圓心，半徑為300mm，道間溫度為150～250℃。

坡口形式為J形，先焊內(nèi)側(cè)，然后外側(cè)清根、打磨，磁粉探傷，焊接外側(cè)。

共8個(gè)不銹鋼接管全部焊接完成后，進(jìn)行最終熱處理，（600～640）℃×（2.5～3）h。

進(jìn)行水壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)不銹鋼接管與主體焊接接頭在Q345R側(cè)熔合線處出現(xiàn)環(huán)向泄漏。

將水放凈吹干后，氣刨缺陷部位，發(fā)現(xiàn)裂紋已經(jīng)穿透，進(jìn)而用超聲波檢測其余不銹鋼接管，又發(fā)現(xiàn)2個(gè)接管有缺陷，由于其中6個(gè)接管間距較小，如圖2所示，給返修帶來很大的困難。

圖2 筒體上的6個(gè)管口分布

將有缺陷的接管全部拿掉，打磨殼體及加工接管坡口，對坡口表面進(jìn)行滲透檢查，無缺陷后整體進(jìn)爐預(yù)熱150℃，焊接內(nèi)側(cè)，外側(cè)清根，焊后進(jìn)行消應(yīng)力處理，經(jīng)超聲波檢測，仍有裂紋存在，同時(shí)發(fā)現(xiàn)其余接管也出現(xiàn)裂紋。

（2）可能產(chǎn)生缺陷的原因 由于碳鋼和不銹鋼的熱導(dǎo)率、比熱容相差較大，導(dǎo)致熱輸入失衡，熔化量不均和改變焊縫及其兩側(cè)的結(jié)晶條件，熱導(dǎo)率高的金屬熱影響區(qū)寬，冷卻速度快容易淬硬，而熱導(dǎo)率低的金屬則發(fā)生過熱。

由于兩種金屬的線膨脹系數(shù)差別較大，彼此間冷卻收縮不一致，便會(huì)引起較大的焊接應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)能導(dǎo)致焊接裂紋。

焊接時(shí)由于母材的稀釋，會(huì)出現(xiàn)對裂紋相當(dāng)敏感的馬氏體組織。例如當(dāng)?shù)吞间?、低合金鋼和不銹鋼焊接時(shí)，若用一般不銹鋼焊材（如309型），由于焊縫金屬被低碳鋼或低合金鋼稀釋，往往會(huì)產(chǎn)生奧氏體和馬氏體組織，而熔合線附近會(huì)產(chǎn)生馬氏體帶，易產(chǎn)生焊接裂紋，如圖3所示，裂紋方向由熔合線向熔敷金屬方向擴(kuò)展。

圖3 異種鋼焊縫熔合線處的裂紋形貌（200×）

由于需要一次性焊接完成返修的接管，且焊接工作量非常大，所以會(huì)有多名焊工共同參與焊接，其技能水平、質(zhì)量意識(shí)不同，導(dǎo)致焊接后的某一部位仍然存在缺陷。

用E309焊條焊接的異種鋼，在進(jìn)行兩次退火處理后，產(chǎn)生了脆化及裂紋。在ASME—Ⅱ C規(guī)范中也有此說明。

（3）解決方案 經(jīng)評(píng)審，由總工程師批示，得到業(yè)主認(rèn)可后，將不銹鋼鍛管改為碳鋼鍛管+堆焊不銹鋼及加內(nèi)襯不銹鋼管的結(jié)構(gòu)，由于殼體開孔尺寸變的很大，如圖2所示，將鍛管與殼體進(jìn)行研配，焊接后超聲波探傷一次合格。

（4）堆焊所產(chǎn)生的裂紋及解決方法 在經(jīng)過幾次的返修和熱處理后，并不能完全消除焊縫周圍的母材所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，并且在最后一次焊接碳鋼鍛管與殼體焊縫前，并沒有對殼體進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。由于碳鋼與碳鋼的焊接性尚可，并未出現(xiàn)裂紋，當(dāng)用異種鋼焊條堆焊過渡層時(shí)，出現(xiàn)了大量細(xì)小的微裂紋，焊條為E309—16，后改為E309Mo—16，因?yàn)楹秀f元素，抗裂性要好一些，但仍然出現(xiàn)熱裂紋。

最后改用鎢極氬弧焊堆焊，焊接參數(shù)如表5所示。當(dāng)焊縫金屬塑韌性指標(biāo)高時(shí)，則焊縫產(chǎn)生裂紋幾率會(huì)減小。而影響焊縫金屬塑韌性的一個(gè)重要因素是焊縫金屬中的非金屬夾雜物的含量。因氬氣具有很好的保護(hù)作用，能有效地隔絕周圍空氣，從而獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫。焊后表面進(jìn)行100% PT檢測，無裂紋。水壓試驗(yàn)后再次進(jìn)行100% PT檢測，未出現(xiàn)裂紋。

表5 氬弧焊焊接參數(shù)

5.甲醇分離器的焊后整體熱處理

焊后整體熱處理采用（600～640）℃×（2.5～3）h（見圖4），熱處理后，產(chǎn)品焊縫金屬硬度（159～212HV）、熱影響區(qū)硬度（150～189HV），硬度均在規(guī)定范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)規(guī)定；焊接試板力學(xué)性能試驗(yàn)和晶間腐蝕試驗(yàn)均合格（見表6）。

圖4 焊后整體熱處理工藝曲線

表6 整體熱處理后產(chǎn)品焊接試板各項(xiàng)性能試驗(yàn)結(jié)果

6.結(jié)語

本設(shè)備焊接遇到了三個(gè)困難：其一，封頭的拼接，要選擇高強(qiáng)匹配的焊接材料，甚至是專用的埋弧焊焊接材料，才能保證其熱成形加回火后的力學(xué)性能。其二，異種鋼的焊接，由于兩次熱處理后導(dǎo)致周圍的接管產(chǎn)生裂紋，在異種鋼焊接評(píng)定的金相圖5中可以看出，長時(shí)間的熱處理導(dǎo)致異種鋼焊縫（309型）偏向碳鋼側(cè)產(chǎn)生細(xì)小裂紋，如果受到一定拘束應(yīng)力，則其會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，直至有大的裂紋產(chǎn)生。通過評(píng)審，從多方面考慮，將不銹鋼鍛管改為碳鋼鍛管，使此處問題得以解決。其三，當(dāng)采用焊條堆焊過渡層出現(xiàn)裂紋后，可以采用鎢極氬弧焊堆焊，由于氬氣可以隔絕焊縫周圍的空氣，使得焊縫金屬中的非金屬夾雜物含量比其他焊接方法少得多，因而塑韌性指標(biāo)提高，有效減少了裂紋發(fā)生的幾率。

水壓試驗(yàn)后分別對主體焊縫進(jìn)行100% PT、MT、UT檢測，均合格。最終確保產(chǎn)品順利交貨，運(yùn)行至今良好。