20R+0Cr13Al復合鋼容器的焊接

楊琛 席連玉 萬波 許良燕 秦志燕

我公司為某石化公司生產的100萬t/a延遲焦化裝置均是由主體材質為20R+0Cr13Al復合鋼板制作的塔器，產品規格為：φ1 400~2 200mm，復合板材（14~18）mm+3mm，設計標準為GB150—1998、JB/T4710—2005，設計壓力為1.43MPa，設計溫度73℃，介質為柴油、汽油、焦化干氣，要求設備焊后對塔體內表面進行酸洗鈍化處理。

1. 20R+0Cr13Al復合鋼板焊接性分析

（1）化學成分及力學性能 20R+0Cr13Al復合材料屬于鐵素體-馬氏體系復合鋼板，復層為鐵素體-馬氏體不銹鋼，基層為20R鋼，化學成分和力學性能分別如表1、表2所示，20R+0Cr13Al復合鋼板的力學性能如表3所示。

（2）焊接特點 該類復合鋼板的焊接性主要取決于馬氏體鋼的物理性能、化學成分、接頭形式及填充材料的種類。

焊接接頭容易產生冷裂紋：復合鋼板的焊接也屬于異種鋼的焊接，其基層與復層母材本質在成分、性能等方面有較大差異，而且基層與復層的焊接材料也同樣存在較大差異，因此稀釋作用強烈，增大了結晶裂紋傾向；異種鋼接頭在焊后冷卻時容易形成淬硬組織，同時珠光體與馬氏體的線膨脹系數相差較大，接頭中會產生較大的焊接應力，都會促使焊接冷裂紋的產生。

表1 20R鋼板的化學成分和力學性能

表2 0Cr13Al鋼板的化學成分和力學性能

表3 20R+0Cr13Al復合鋼板的力學性能

焊接接頭產生脆化：基層和復層的含鉻量差別較大，促使碳向覆層遷移擴散，而在其交界的焊縫金屬區域形成增碳層和脫碳層，加劇熔合區的脆化。

2. 焊前準備

（1）焊接方法的選擇 根據設計圖樣要求采用焊條電弧焊，但生產單位可以自選焊接方法。由于延遲焦化裝置的塔器規格大、數量多，我們采用焊條電弧焊和埋弧焊相結合的焊接方法，這樣既能保證產品的焊接質量，又能滿足客戶的工期要求。

（2）焊材的選擇 為保證復合鋼板的焊接質量，首先要分別選擇復層和基層的焊接材料。為有效防止稀釋和碳遷移等，在基層與復層之間加焊過渡層。

復層用焊接材料應保證熔敷金屬的主要合金元素含量不低于復層母材標準規定的下限值，對于0Cr13Al鋼板的焊接采用焊條電弧焊，焊條選用E309—16；基層按鋼材合金含量選用焊接材料，保證焊接接頭的抗拉強度不低于基層母材標準規定的下限值，基層焊接根焊選用焊條電弧焊，焊條選用E4315，填充采用埋弧焊，焊絲用H08A，焊劑HJ431；過渡層焊接材料選用E309—16，以保證能補充基層對覆層造成的稀釋。焊接20R+0Cr13Al復合鋼板的焊條及焊絲的化學成分如表4所示。

（3）焊接程序 復合鋼板的坡口及焊接順序如附圖所示，即先焊基層，再焊過渡層，最后焊復層，過渡層的熔焊金屬在基層的厚度為1.5~2.5mm，在復層的厚度為0.5~1.5mm。

坡口及焊接順序

3. 焊接要點

（1）基層的焊接 先焊基層焊縫，采用焊條電弧焊打底，選用E4315焊條，根焊的厚度不能太薄，以防埋弧焊時因參數太大而燒穿，焊前對焊條進行350℃烘干，短弧焊接，防止氣孔產生。然后用埋弧焊進行填充焊接，嚴格控制焊接速度等工藝參數，保證焊縫的一次合格率。用磨光機徹底清理根部焊縫，焊條電弧焊從背面進行封底焊，保證焊縫背面的成形和內在質量。

（2）過渡層的焊接 復合鋼板焊接的重點和難點均在于過渡層的焊接，在焊基層焊縫時，預留出1.5~2.5mm的厚度，選用E309—16焊條進行焊接。焊前對焊條進行150℃烘干，采用小的熱輸入、反極性、直線運條和多層多道焊。

（3）復層的焊接 復層焊接時采用E309—16焊條進行焊接，焊前對焊條進行150℃烘干，采用短弧、小電流、快速焊，不作橫向擺動，并且嚴格控制層間溫度≤150℃，這樣可以有效防止焊縫在高溫停留時間過長，否則會促使粗晶脆化傾向。各焊道具體焊接參數如表5所示。

（4）酸洗鈍化處理 復合鋼板的基板就是要保證容器要求承受的壓力，而復層滿足需要的耐腐蝕性能。在復合容器的生產制造過程中，復層可能被污染，因此焊后需對塔體內表面進行酸洗鈍化處理。

4. 無損檢測

鐵素體-馬氏體系復合鋼板接頭產生冷裂紋的潛伏期與填充材料種類和焊接工藝密切相關，焊后需停留24h再進行無損檢測，以保證產品的焊接質量。

（1） 滲透檢測 對復合鋼板的復合層焊縫進行100%滲透檢測，符合JB/T4730.5—2005的規定，I級合格

（2） 射線檢測 對所有塔器的對接焊接接頭進行射線檢測，符合JB/T4730.5—2005的規定，II級合格。

5. 工藝評定

對20R+0Cr13Al（14+3）復合鋼板的對接焊縫進行了工藝評定，其力學性能試驗結果如表6所示。

6. 結語

采取上述工藝措施后，產品焊接一次合格率達到了99%，滿足了設計和業主的要求。

表4 焊條及焊絲的化學成分（質量分數） （%）

表5 焊接參數

表6 復合鋼板對接焊縫的力學性能試驗