-101℃用3.5Ni低溫鋼焊接工藝研究

馬元學 陳 濤 雒旭亮

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司)

隨著石油化工行業的不斷發展，低溫化工設備和壓力容器的應用日益廣泛。我國以大型乙烯、合成氨和城市煤氣裝置中的低溫設備國產化為目的，對低溫鋼及其應用技術列出了專門的研究開發項目，其中以含質量分數3.5%Ni的3.5Ni鋼的應用研究為首選重點項目[1]。3.5Ni鋼主要用于制造石油和空分制氧設備、煤化工以及合成氨設備中的甲醇洗滌塔、H2S濃縮塔及CO2塔等容器設備[2]。3.5Ni鋼最低使用溫度為-101℃，進行夏比V形缺口沖擊試驗，沖擊吸收能應滿足27J。它是按照ASME SA-203/SA-203M標準生產的一種低溫碳鋼，共分為A、B、D、E、F 5個等級，其中A、B等級的ω(Ni)=2.25% ，而D、E、F 3個等級的ω(Ni)=3.5% ，故將此鋼歸為3.5Ni鋼， D、E兩種等級的板材已成為化工低溫設備制造中最常用的材料，筆者主要對E級3.5Ni鋼進行了研究。

就3.5Ni鋼的焊接性而言，其重點是如何保證焊接接頭的低溫韌性(-101℃)，而接頭韌性最薄弱環節一般在熱影響區和焊縫這兩個部位，在《ASME鍋爐及壓力容器規范》Ⅱ卷材料A篇壓力容器用鎳合金鋼板SA-203中7.2.1條按5.1.1.1規定進行熱處理的級別A、B、D、E的鋼板應進行夏比V形缺口沖擊試驗，沖擊吸收功應滿足不低于27J的要求，為了改善和提高焊縫和熔合區的韌性，合理選用焊接材料，焊接規范和熱處理規范成為突破技術難點的關鍵。

1 焊接參數

張凱等通過一系列試驗提出了3.5Ni鋼焊接工藝參數[3～5]。筆者參考焊材廠家推薦的焊接工藝參數并結合前期所做的3.5Ni鋼焊材試驗確定了3.5Ni鋼焊材的焊接工藝參數，具體見表1。

表1 焊材焊接工藝參數

2 焊材選擇

對伯樂蒂森和沙福公司3.5Ni鋼焊材埋弧自動焊進行了試驗對比，共進行了6次試驗，結果見表2、3。

表2 伯樂蒂森公司焊材熔敷金屬-101℃沖擊功

表3 沙福公司焊材熔敷金屬-101℃沖擊功

試驗結果顯示：兩家公司的電弧焊焊材的-101℃熔敷金屬低溫韌性沖擊功數值均能滿足要求，但伯樂蒂森公司的焊材-101℃熔敷金屬低溫韌性數值波動較大，對焊接參數敏感，不利于實際生產中使用；沙福公司提供的焊材試驗結果相對穩定，熱處理后數值明顯改善，因而選用沙福公司的3.5Ni焊材進行試驗。

3 熱處理工藝及試驗數據分析

本次實驗采用3種不同規范的熱處理工藝(表4)分別進行[6～8]。

表4 不同熱處理工藝

制作130mm×240mm×20mm試板，在不同模擬退火狀態下進行-101℃距焊縫不同位置處焊條電弧焊和埋弧自動焊低溫沖擊韌性試驗，分析試驗數據可以看出：

a. 在560±10℃×6h模擬退火狀態下焊條電弧焊試板距焊縫表面0.5～2.0mm處沖擊功平均值為110J，T/2處沖擊功平均值為149J，數值比較高；埋弧自動焊試板距焊縫表面0.5～2.0mm處沖擊功平均值為47J，T/2處沖擊功平均值為40J，數值比較低。

b. 在580±10℃×6h模擬退火狀態下焊條電弧焊試板距焊縫表面0.5～2.0mm處沖擊功平均值為97J，T/2處沖擊功平均值為103J，數值比較高；埋弧自動焊試板距焊縫表面0.5～2.0mm處沖擊功平均值為127J，T/2處沖擊功平均值為100J，數值都較高。

c. 在610±10℃×6h模擬退火狀態下焊條電弧焊試板距焊縫表面0.5～2.0mm處沖擊功平均值為133J，T/2處沖擊功平均值為122J，數值較高；埋弧自動焊試板距焊縫表面0.5～2.0mm處沖擊功平均值為75J，T/2處沖擊功平均值為108J，數值都較高。

在不同熱處理工藝條件下，焊條電弧焊與埋弧自動焊距焊縫表面0.5～2.0mm 處試件的-101℃低溫沖擊功隨熱處理溫度變化趨勢如圖1a所示，同樣，T/2處變化趨勢如1b所示。

圖1 試件-101℃沖擊功隨熱處理溫度變化趨勢

根據ASME《鍋爐及壓力容器規范》Ⅷ卷第一冊壓力容器建造規則UCS-56焊后熱處理要求，3.5Ni鋼(屬于P-No.9B組1)的最低保溫溫度為595℃，制造廠在無法保證此溫度時，最低可在540℃。

4 3.5Ni鋼焊接工藝試驗

結合熱處理工藝試驗數據，將3.5Ni鋼試板熱處理工藝定為595±15℃×6h，冷卻方式為隨爐冷卻至400℃以下出爐空冷。焊接試驗接頭如圖2所示。

圖2 焊接接頭簡圖

3.5Ni鋼焊條電弧焊焊接工藝參數見表5，焊縫化學成分見表6，沖擊性能見表7(試驗溫度-101℃)，焊縫組織及硬度試驗數據見表8。兩次接頭板拉伸試驗平均Rm=545MPa，斷裂位置位于焊縫。

表5 焊接工藝參數

表6 焊縫化學成分 %

表7 沖擊性能試驗數據

(續表7)

表8 焊縫組織及硬度試驗數據

3.5Ni鋼埋弧自動焊焊接工藝參數見表9，焊縫化學成分見表10，沖擊性能見表11(試驗溫度-101℃)，焊縫組織及硬度試驗數據見表12。兩次接頭板拉伸試驗平均Rm=542.5MPa，斷裂位置位于母材。

仔細分析表5～12中的各項數據可以得出：

a. 3.5Ni鋼化學成分滿足《ASME鍋爐及壓力容器規范》Ⅱ卷材料A篇壓力容器用鎳合金鋼板SA-203中對于3.5Ni鋼化學成分要求。

b. 拉伸試驗數據滿足《ASME鍋爐及壓力容器規范》Ⅱ卷材料A篇壓力容器用鎳合金鋼板SA-203中Rm=485～620MPa的要求。

表9 焊接工藝參數

表10 焊縫化學成分 %

表11 沖擊性能試驗數據

表12 焊縫組織及硬度試驗數據

c. 4件側彎試驗(a=10mm，d=4a，α=180°)結果均合格。

d. -101℃低溫沖擊功滿足《ASME鍋爐及壓力容器規范》Ⅱ卷材料A篇壓力容器用鎳合金鋼板SA-203中3.5Ni鋼-101℃夏比V形缺口沖擊試驗沖擊功平均值應不低于27J的要求，且余量空間較大。

e. 硬度檢測數據滿足《鋼制化工容器材料選用規定》低合金鋼HV10不高于245的要求。

f. 3.5Ni鋼為鐵素體型低溫鋼，顯微組織為鐵素體加少量珠光體，而索氏體屬于珠光體類型的組織，但其組織比珠光體細，故金相組織符合3.5Ni鋼金相組織要求。

5 結束語

選用沙福公司3.5Ni焊材，埋弧自動焊采用焊絲牌號OE-S2Ni3,焊絲直徑φ3.2mm，焊劑牌號OP 121TT/W；焊條電弧焊采用焊條牌號為OE-CRY087，焊條直徑φ4.0mm。對應采用表1所列各項焊接參數，選擇熱處理工藝595±15℃×6h，可保證3.5Ni鋼焊接接頭性能各項數據滿足《ASME鍋爐及壓力容器規范》的要求。

[1] 徐道榮.低溫用3.5Ni鋼的焊接工藝[J].材料開發與應用，1998,13(4)：33～38.

[2] 李濤，林麗華，于輝.SA203Gr.D甲醇洗滌塔的制造[J].化工設備與管道，2005,42(2)：51～52.

[3] 張凱，湯傳健，王天先，等.低溫容器用3.5Ni鋼的焊接[J].電焊機，2010,40(3)：86～90.

[4] 李平瑾，徐道榮.3.5Ni鋼低溫設備的制造與焊接[J].壓力容器，2000,17(1)：61～66.

[5] 董安霞.3.5Ni鋼低溫設備焊接工藝[J].中國鍋爐壓力容器安全，2001，17(4)：20～23.

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[7] 張勇，王家輝，劉林.3.5Ni鋼的低溫韌性試驗[J].石油化工設備，1991,20(4)：28～31.

[8] 徐道榮，李平瑾，卜華全，等. 3.5Ni鋼的熱成形工藝試驗研究[J].壓力容器，1999，16(3)：11～15.