從封頭壓裂談13MnNiMoR復合板的制造工藝

趙紅濤 賈巧娟

（陜西榆林中煤能源化工有限公司，陜西 榆林718500）

1 問題的提出

某壓力容器制造廠在壓制洗滌塔球形封頭的過程中，發(fā)生了沿拼接焊縫開裂，開裂長度為600mm左右。

封頭材料為13MnNiMoR+316L復合板，厚度為50+3mm，封頭成型后內徑為3600mm，由于受到復合板幅面限制，該封頭由三塊板拼焊而成，即整個封頭有兩條拼接焊縫，采用先拼接后整體壓制的制造工藝。

該廠采用的加工工藝為：封頭在正火溫度下壓制，封頭壓制完畢后按照原基板即13MnNiMoR的要求進行正火+回火熱處理。熱處理后用碳弧氣刨的方法將原焊縫全部剔除，然后采用手工電弧焊拼接焊縫。

事故發(fā)生后，該廠采用了整改措施：采用碳弧氣刨的方法將整條開裂的焊縫刨除，打磨去除焊縫兩側熱影響區(qū)各10mm范圍，將加工坡口進行100%MT檢測，并對距焊縫兩側邊緣各100mm范圍進行超聲波檢測，兩種檢測方法均應達到I級合格。采用手工焊的方式，焊前預熱焊后消氫熱處理。焊接完成后將焊縫余高打磨至與母材平齊。采用超聲波檢測焊縫質量，合格后按照原規(guī)定的壓制溫度進行壓制。冷卻后再進行正火+回火熱處理以恢復板材的力學性能。

2 13MnNiMoR的材料性能

13MnNiMoR是中低溫壓力容器用鋼板，具有較高的強度指標、良好的抗沖擊韌性、良好的焊接性能及機加工性能。13MnNiMoR鋼多用于厚壁大型壓力容器，焊接接頭均應進行消除應力處理。

13MnNiMoR的化學成分如下：

表1

該鋼是在C-Mn鋼的基礎上，添加Mo、Cr、Ni、Nb等溶于鐵素體的元素。Mn、Si、Cr、Ni主要起固溶強化作用，增加了機械強度；Mo、Cr、Nb提高了鋼在中溫下的強度，同時Nb起到細化晶粒的作用；而Ni的加入改善了該鋼的低溫韌性。

根據國際焊接協(xié)會碳當量計算公式Ce=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15得出13MnNiMoR的碳當量為0.573%，表明該鋼具有較大的冷脆傾向。該鋼在焊接時需要采取焊前預熱、焊后消氫等工藝措施。

13MnNiMoR的力學性能和工藝性能：

表2

13MnNiMoR的高溫力學性能（表3）。

從上面兩個表看出，13MnNiMoR具有較好的力學性能和較高的熱強性，尤其是其具有較高的應力值，適合用于高壓容器、殼體壁厚較大且使用溫度不超過400℃的場合。

表3

3 原因分析

該廠在封頭制造過程中存在下列問題：

3.1 13MnNiMoR+316L復合板僅將基層進行了拼焊，未將316L覆層進行拼焊，且壓制前在覆層處嵌入不銹

兩種材料的線膨脹系數(shù)不同，316L的線膨脹系數(shù)約為碳鋼的1.3倍（400℃時），且316L是在封頭內部，封頭壓制過程中內層被壓縮，外層被拉長，又因封頭是在正火狀態(tài)下壓制造，覆層316L的壓縮量更大，勢必會造成基層內應力的增加。該廠未焊接覆層，反而在覆層處嵌入不銹鋼扁鋼，更加大了基層的應力值，造成基層焊縫的開裂也就不足為奇了。

3.2 封頭平板拼接后進行超聲波探傷，未進行100%射線探傷。

GB150明確規(guī)定：設計壓力大于或等于1.6MPa的III類容器的A類和B類焊縫進行100%射線或超聲檢測。因為超聲檢測的質量主要取決于檢測人員的水平，所以在工程中一般不采用超聲，而采用射線檢測。本設備圖紙中規(guī)定100%射線檢測。該廠的做法也為封頭開裂埋下了伏筆。

3.3 對于有覆層的封頭，該廠一貫采用只焊基層，不焊覆層的做法，在封頭壓制成型后，再將基層的焊縫刨去，按照工藝評定參數(shù)重新對封頭的基層和覆層進行焊接。

此做法一是增加了工作量，二是反復的高溫加熱造成合金燒損，致使材料性能惡化，尤其對于高合金鋼和高強度材料。

3.4 未按照標準規(guī)定進行熱處理。

GB150規(guī)定：任意厚度的13MnNiMoR需進行焊后熱處理，而該廠只對拼接焊縫進行了消氫處理，以至造成焊縫內部應力過高，也為焊縫開裂創(chuàng)造了條件。

事故發(fā)生后，該廠被要求對封頭進行更換或切去封頭小部分及開裂焊縫200mm處，重新對切除部分下料壓制完成后拼焊。該廠未予理睬，而是將開裂焊縫兩側各10mm范圍內打磨去除后重新焊接。首先，考慮板材厚度，焊縫的熱影響區(qū)不可能只有10mm，這將造成焊縫熱影響區(qū)重疊，反復焊接對合金造成燒損，進而影響材料性能。其次，兩焊件之間的間隙達20mm，很難保證焊縫的機械性能。

4 結論

13MnNiMoR+316L復合板的焊接是一個難題，除了要解決線膨脹系數(shù)不同的問題，還要防止基層13MnNiMoR焊接時產生裂紋。

在鍋爐壓力容器制造中采用13MnNiMoR+316L復合板的，要注意以下幾方面的問題：

4.1 焊材的選擇

依據相關的標準規(guī)定和生產廠家長期使用的成功經驗分別對基層和覆層分別選用合適焊材。為保證焊接質量，防止合金稀釋，應在基層和覆層之間增加過渡層，過渡層焊材應保證熔敷金屬的主要元素合金含量不低于覆層母材標準要求的下限值。同時，由于保證機械強度的是復合板基層，需要在選擇焊材時充分考慮焊縫的強度，尤其是焊接熱處理后的機械強度與基材相匹配。

4.2 計算覆層的伸長量，尤其是在熱加工狀態(tài)下，加工坡口時去除部分覆層，以保證加工過程中兩側的覆層不發(fā)生擠壓。

4.3 焊前預熱、焊后熱處理

焊前將焊接坡口兩側各不小于100mm的范圍內預熱150℃~200℃；焊接過程中層間溫度保持在200℃~250℃，每條焊縫焊接完成后立即進行350℃~400℃x2.5h消氫熱處理；全部焊接結束后進行630℃10℃保溫不少于2.5h（具體保溫時間根據材料厚度確定）的消除應力熱處理，封頭的焊后熱處理應在焊接完成后、封頭壓制前完成。

4.4 根據板材厚度選用合適的焊接坡口

4.5 按照工藝評定合格的參數(shù)進行焊接操作并保證焊接過程平穩(wěn)

4.6 覆層焊接完成后，進行酸洗鈍化處理，以保證覆層耐腐蝕

4.7 焊接完成后進行100%射線檢測

4.8 封頭壓制成型后，應重新進行回火處理

其他材料的復合板在加工過程中，對以上事項也應予以充分考慮。

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