爆炸焊不銹鋼復(fù)合鋼板制造壓力容器難點(diǎn)分析

李小東

摘 要：復(fù)合鋼板制壓力容器錯(cuò)邊量的要求比較嚴(yán)格，在制作時(shí)，應(yīng)綜合考慮多方面的因素，將錯(cuò)邊量控制到最小。不銹鋼-鋼復(fù)合鋼板的焊接過程比較復(fù)雜，容易產(chǎn)生缺陷，所以，要充分考慮各種影響焊接因素，采用不同的工藝控制缺陷的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：復(fù)合鋼板；壓力容器；錯(cuò)邊量；裂紋

中圖分類號(hào)：TG457.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.099

不銹鋼復(fù)合鋼板是由較薄的、具有耐腐蝕性的不銹鋼板和較厚的、具有價(jià)格和強(qiáng)度性能優(yōu)勢(shì)的碳鋼板通過爆炸焊復(fù)合而成的，它不僅經(jīng)濟(jì)，而且有較強(qiáng)的耐腐蝕使用效果，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)藥和核工業(yè)等領(lǐng)域，其多用于制造介質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)的設(shè)備。

1 設(shè)備概述

在山西華鑫肥業(yè)股份有限公司“18·60”項(xiàng)目中，所使用的設(shè)備有淬冷器1臺(tái)、變換氣分離器Ⅰ1臺(tái)、變換氣分離器Ⅱ1臺(tái)，共3臺(tái)。淬冷器材料為Q345R+S30408，筒體厚度（22+3）mm，封頭厚度（24+3）mm，設(shè)備內(nèi)徑Φ2 600 mm，介質(zhì)變換氣（H245%）；變換氣分離器Ⅰ、Ⅱ材料為Q345R+S30408，筒體厚度（16+3）mm，封頭厚度（18+3）mm，設(shè)備內(nèi)徑Φ2 200 mm，介質(zhì)為氮?dú)錃狻O2、CO和水蒸氣。

2 制造要求

復(fù)合鋼板的對(duì)口錯(cuò)邊量不大于鋼板覆層厚度的50%，并且不大于2 mm，而這幾臺(tái)設(shè)備的鋼板覆層厚度均為3 mm，所以，錯(cuò)邊量不得大于1.5 mm，這就需要設(shè)備在制造過程中嚴(yán)格控制筒節(jié)的周長偏差。由于復(fù)合鋼板在爆炸焊過程中造成的內(nèi)部應(yīng)力不均勻，熱處理、校平處理過程不均勻，所以，筒體在卷制過程中出現(xiàn)了卷制方向的延伸。這時(shí)，在卷制過程中，就要控制直徑和厚度相同的筒節(jié)，并且滾壓次數(shù)也要基本相同。由于設(shè)備封頭和筒體厚度不相同，因此，為了保證設(shè)備的耐腐蝕性能，就需要將筒體與封頭的覆層對(duì)齊。

3 下料

在切割復(fù)合鋼板時(shí)，采用的是等離子切割方式，在劃線和切割過程中，要嚴(yán)格控制周長方向的尺寸，這樣才能保證錯(cuò)邊量符合相關(guān)要求。一般均質(zhì)鋼板筒體下料尺寸要以實(shí)測(cè)封頭的外周長為基礎(chǔ)來計(jì)算，以中徑展開長度下料。

采用普通均質(zhì)鋼板制作筒節(jié)時(shí)，下料尺寸為：

L=π（C/π-2δ封+δn）. （1）

式（1）中：L為筒節(jié)實(shí)際下料尺寸；C為封頭實(shí)測(cè)外周長；δ封為封頭理論厚度；δn為筒節(jié)理論厚度。

復(fù)合鋼板制壓力容器的錯(cuò)邊量要求比較嚴(yán)格，所以，在制作時(shí)，要考慮卷制延伸量、焊縫對(duì)接間隙和縱焊縫焊接收縮量等因素。由于制成復(fù)合鋼板的2種材料的力學(xué)性能不同，基層與覆層之間存在過渡的結(jié)合面，所以，復(fù)合板的性能與基層板和覆層板也都不同，因此，復(fù)合鋼板筒體的下料尺寸也與普通均質(zhì)板的下料尺寸不同。在卷制時(shí)，鋼板的中性面向強(qiáng)度比較高的金屬側(cè)，即覆層側(cè)移動(dòng)。筒體內(nèi)壁到中性面距離為：

X={σ1/σ2（δ+δ0）-δ0+k0[δ02/（2R0）]}

/[k0（δ0/R0）+2σ1/σ2]. （2）

式（2）中：σ1，σ2為基層、復(fù)層材料的屈服強(qiáng)度下限；δ為復(fù)合鋼板理論厚度；δ0為理論覆層鋼板厚度；k0為復(fù)層強(qiáng)化系數(shù)，一般取k0=210；R0為中性面曲率半徑，mm，可近似認(rèn)為R0=（C/π-2δ封+δn）/2.

用復(fù)合鋼板制作筒節(jié)時(shí)，下料尺寸為：

L=π（C/π-2δ封1+2X）-ΔL-nb+np. （3）

式（3）中：δ封1為封頭直段邊緣實(shí)測(cè)厚度；ΔL為卷制周長延伸量；n為筒節(jié)縱縫條數(shù)；b為縱焊縫對(duì)接間隙，b=2；P為縱焊縫環(huán)向焊接收縮量，一般取p=3.

卷制周長延伸量為：

ΔL=ηπδn[1+δn/（C/π-2δ封）]. （4）

式（4）中：η為鋼板卷制系數(shù)，取0.06.

在制作產(chǎn)品時(shí)，測(cè)得淬冷器封頭直段外周長為8 338 mm和8 340 mm，取平均值為8 339 mm，厚度取2個(gè)封頭直段均布8點(diǎn)厚度的平均值為28.15 mm。變換氣分離器Ⅰ封頭直段外周長為7 047 mm和7 049 mm，取平均值為7 048 mm；變換氣分離器Ⅱ封頭直段外周長為7 044 mm和7 047 mm，取平均值為7 045.5 mm；變換氣分離器Ⅰ厚度取2個(gè)封頭直段均布8點(diǎn)厚度的平均值為21.9 mm；變換氣分離器Ⅱ厚度取2個(gè)封頭直段均布8點(diǎn)厚度的平均值為22.3 mm。

在制作產(chǎn)品時(shí)，對(duì)于淬冷器，如果筒體按普通均質(zhì)鋼板理論展開，其長度為8 247 mm，按復(fù)合鋼板筒體展開，其長度為8 231 mm，實(shí)際筒體下料尺寸為8 231 mm。對(duì)于變換氣分離器Ⅰ，如果筒體按普通均質(zhì)鋼板理論展開，其長度為6 982 mm，按復(fù)合鋼板筒體展開，其長度為6 963.5 mm，實(shí)際筒體下料尺寸為6 963.5 mm。對(duì)于變換氣分離器Ⅱ，如果筒體按普通均質(zhì)鋼板理論展開，其長度為6 982 mm，按復(fù)合鋼板筒體展開，其長度為6 958 mm，實(shí)際筒體下料尺寸為6 958 mm。

對(duì)于產(chǎn)品制成后的環(huán)縫最大錯(cuò)邊量，淬冷器為1.0 mm，變換氣分離器Ⅰ為0.8 mm，變換氣分離器Ⅱ?yàn)?.1 mm。

4 坡口的選擇

采用等離子弧切割、氣割方法加工坡口，應(yīng)除去坡口表面的氧化層和過熱層。用等離子切割坡口時(shí)，覆層朝上，從覆層側(cè)開始切割。用氣割坡口時(shí)，基層朝上，從基層開始切割。坡口型式和尺寸如圖1所示。

圖1 坡口型式和尺寸

5 焊接

5.1 異種鋼焊接

不銹鋼復(fù)合鋼板基層和覆層過渡部分的焊接為異種鋼焊接，異種鋼的焊接比同種鋼焊接要困難和復(fù)雜，既存在因?yàn)椴煌覆闹g和母材與填充金屬之間相互作用的不同給冶金帶來的困難，又存在因?yàn)槲锢硇阅苌洗嬖诓町惗鴰砗附庸に嚿系睦щy。基材、覆材和復(fù)合鋼板的拉伸力學(xué)性能如表1所示。

表1 拉伸力學(xué)性能

屈服強(qiáng)度Re/MPa 抗拉強(qiáng)度Rm/MPa 延長率

A/%

δ=（16+3）mm δ=（22+3）mm δ=（16+3）mm δ=（22+3）mm

覆材 Re1≥205 Rm1≥520 A1≥40

基材 Re2≥345 Re2≥325 510≤Rm2≤640 500≤Rm2≤630 A2≥21

復(fù)合

鋼板 Re≥（Re1t1+

Re2t2）/（t1+t2）=322.9 Re≥（Re1t1+

Re2t2）/（t1+t2）=310.6 Rm≥（Rm1t1+

Rm2t2）/（t1+t2）

=511.6 Rm≥（Rm1t1+

Rm2t2）/（t1+t2）

=502.4 A≥A2=21

注：t1為覆材厚度，mm；t2為基材厚度，mm；Re為屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，覆材Re1取鋼材的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2值，MPa；Rm為抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)下限值，MPa

5.2 裂紋產(chǎn)生的因素

由于基材與覆材的線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率和熔點(diǎn)不同，所以，在焊接時(shí)，基層與覆層交界處的過渡層容易出現(xiàn)裂紋等缺陷。基材與覆材的成分差異比較大，因此，在焊接過程中，成分稀釋會(huì)導(dǎo)致裂紋出現(xiàn)。

5.2.1 線膨脹系數(shù)不同的影響

基材與覆材的線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)2種金屬焊接在一起時(shí)，由于彼此的冷卻收縮不一致，便會(huì)引起較大的焊接應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生焊接裂紋。

5.2.2 比熱容和熱導(dǎo)率不同的影響

基材與覆材的熱導(dǎo)率和熔點(diǎn)不同，導(dǎo)致熱輸入失衡、熔化量不均，改變了焊縫及其兩側(cè)的結(jié)晶條件。低熔點(diǎn)的金屬過早熔化，就會(huì)發(fā)生流淌或與高熔點(diǎn)金屬未熔合的情況。因?yàn)槿埸c(diǎn)高的金屬凝固和收縮比較早，所以，使得尚處于部分凝固和薄弱狀態(tài)的低熔點(diǎn)金屬產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。

5.2.3 成分稀釋的影響

當(dāng)奧氏體復(fù)合鋼板焊接時(shí)，由于基層碳鋼板的含碳量高于覆層，所以，在熔焊過程中，基材與焊縫金屬熔合處就會(huì)發(fā)生碳遷移，從而產(chǎn)生脫碳層（基材母材側(cè)）和滲碳層（焊縫熔敷金屬側(cè)）。焊縫的奧氏化元素含量不足，便會(huì)導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)脆性的馬氏體組織，從而惡化接頭性能，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。

5.3 防止裂紋的措施

防止復(fù)合鋼板焊接裂紋可采取的主要措施是：選擇正確的焊接方法、焊接程序，合理選擇填充材料，正確制訂焊接工藝，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程。

5.3.1 選擇焊接方法

基層的焊接宜采用焊條電弧焊、埋弧焊，覆層和過渡層的焊接宜采用鎢極氬弧焊和焊條電弧焊。根據(jù)我廠焊接技術(shù)和焊接效率，基層可選用埋弧焊加焊條電弧焊，過渡層和覆層可選用焊條電弧焊。

5.3.2 焊接程序

定位焊應(yīng)在基層上進(jìn)行，焊接工藝可遵循基層的焊接工藝。在定位焊的過程中，當(dāng)出現(xiàn)裂紋或其他不允許存在的缺陷時(shí)，應(yīng)鏟除并移位再焊。

在焊接時(shí)，應(yīng)先焊基層，再焊過渡層，最后焊覆層。在焊接基層時(shí)，焊道不應(yīng)觸及和熔化覆層，焊道根部應(yīng)距復(fù)合界面1～3 mm。在焊接過渡層時(shí)，應(yīng)從覆層側(cè)先將基層焊接時(shí)的未焊透、焊瘤等采用碳弧氣刨或角磨機(jī)清理干凈，并補(bǔ)焊后再焊。此時(shí)，應(yīng)采用直徑比較小的焊條或焊絲和能量較小的焊接線，并且過渡層的厚度應(yīng)不小于2 mm。在焊接覆層時(shí)，應(yīng)在覆層表面坡口兩側(cè)各200 mm的范圍內(nèi)涂敷白堊粉或防飛濺劑保護(hù)，已黏上的飛濺物必須仔細(xì)清除掉，不銹鋼覆層不可有劃傷或被污染。另外，焊縫余高應(yīng)不大于1.5 mm，焊道間溫度應(yīng)不高于100 ℃，并盡可能采用能量較小的焊接線。

5.3.3 焊接材料和焊接工藝參數(shù)

焊接材料和焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2 焊接材料和焊接工藝參數(shù)

名稱 焊接

層次 焊接方法 焊接材料 焊材規(guī)格 電流/A 電壓/V

基層 t2=22

t2=16 1～3 埋弧自動(dòng)焊

埋弧自動(dòng)焊 H10Mn2/HJ431

H10Mn2/HJ431 Φ4.0/10-60目

Φ4.0/10-60目 620～640

600～620 33～35

32～34

/ 4 焊條電弧焊 J507 Φ3.2 mm 110～120 18～20

過渡層 5 焊條電弧焊 A307 Φ3.2 mm 100～110 18～20

覆層 6 焊條電弧焊 A107 Φ4.0 mm 150～160 20～22

6 結(jié)束語

通過對(duì)上述幾方面內(nèi)容的控制，可以很好地完成這幾臺(tái)復(fù)合鋼板壓力容器的制造任務(wù)。經(jīng)過各項(xiàng)檢驗(yàn)、試驗(yàn)，其均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，并且能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這說明，本文制定的方法和工藝是可行的。

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〔編輯：白潔〕