緩沖罐用Q345R鋼焊接性試驗及工藝評定*

趙太源，李亞軍，肖 莉

（中國石油濟柴動力有限公司 成都壓縮機分公司，成都 610100）

Q345R 鋼屬于 GB/T 713—2014 中的鋼種，因其具有較高的強度、良好的塑韌性和焊接性能，在鍋爐、壓力容器、橋梁、水電站等領域得到了廣泛的應用[1-4]。緩沖罐是石油化工行業中一種重要的壓力容器儲罐，能夠減小機組運行時對管道造成的震動損害，延長管道的使用壽命[5-6]。緩沖罐生產過程中焊接質量的好壞直接影響到其整體的使用性能[7-8]。本研究采用鎢極氬弧焊打底、埋弧焊填充和蓋面的方式，對Q345R 鋼級Φ600 mm×32 mm 鋼管進行了焊接工藝試驗，并對其焊接接頭進行了力學性能檢測和顯微組織分析，希望為緩沖罐焊接生產提供一定的參考。

1 Q345R 鋼焊接性分析

焊接熱影響區的淬硬和冷裂傾向與材料的化學成分有著密切的聯系。在化學成分中，碳含量對鋼的淬硬和冷裂傾向最為敏感，通常把各種合金元素對鋼的淬硬和冷裂的影響折合成碳的影響，再用碳當量公式進行計算[9]。Q345R 鋼的化學成分見表1。依據國際焊接協會碳當量計算公式可以得出，Ceq=0.399%，其碳當量≤0.400%，淬硬傾向不大。嚴格控制焊接熱輸入和道間溫度，一般不會在焊接接頭出現淬硬馬氏體組織。本研究試驗材料為 Q345R 鋼級 Φ600 mm×32 mm 鋼管，厚度小于38 mm，焊前可不進行預熱，但焊后必須進行消除應力的熱處理。選用低氫堿性焊材，可以降低焊接接頭的擴散氫含量，減少氫在晶界處的聚集，防止冷裂紋的發生。

表1 Q345R 鋼的主要化學成分

2 焊接材料及方法

2.1 焊接材料

試驗材料為 Q345R 鋼級 Φ600 mm×32 mm鋼管，將其切割成若干個長度150 mm 的管段，進行管段對接。焊接坡口為V 形，角度為60°，對接間隙3 mm，鈍邊2 mm，焊接坡口形狀如圖1所示。焊接材料選用與母材等強匹配，打底采用遼寧錦州錦泰金屬工業有限公司生產的氬弧焊絲 JG-50 （Φ=2.4 mm）；填充和蓋面采用四川大西洋焊接材料股份有限公司生產的埋弧焊絲 CHW-S3R （Φ=4.0 mm），埋弧焊劑為CHF101R。

2.2 焊接方法

埋弧焊劑焊前需要烘干至350 ℃，并保溫2 h。試驗采用鎢極氬弧焊打底、埋弧焊填充和蓋面的方式進行焊接，焊接接頭的焊道分布如圖2所示，焊接工藝參數見表2。焊絲干伸長為24～28 mm，焊劑堆積高度為 32～38 mm。焊后進行消除應力熱處理，工藝為：先升溫到300 ℃，然后以≤220 ℃/h 的速度升溫，升到 620±10 ℃后保溫 2 h，最后以≤195 ℃/h 的速度冷卻到300 ℃后取出，空冷至室溫。

圖1 試樣焊接坡口示意圖

圖2 焊道分布示意圖

表2 試樣焊接工藝參數

3 試驗結果檢測與分析

3.1 焊縫宏觀檢查及探傷檢測

焊縫宏觀檢查成形美觀，焊縫表面沒有粘渣、氣孔和壓坑等缺陷。焊接完成后根據NB/T 47014—2017《承壓設備焊接工藝評定》[10]對焊縫進行RT 探傷檢測，結果評定為Ⅰ級，檢測結果合格。

3.2 顯微組織分析

根據GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》[11]，在 OLYMPUS GX-71F 倒置金相顯微鏡上觀察焊縫金屬顯微組織，如圖3所示。圖3（a）中可以看出，焊縫組織為塊狀先共析鐵素體，晶內為針狀鐵素體，并且含有珠光體組織。圖3（b）中可以看出，焊縫熱影響區晶粒方向性不明顯，為粗大的沿晶分布的先共析鐵素體，晶內有少量的針狀鐵素體以及珠光體，未發現有淬硬的馬氏體組織。由此可以得出，該焊接工藝下獲得的焊接接頭淬硬傾向較小。

圖3 試樣焊接接頭顯微組織

3.3 力學性能檢測

依據GB/T 228—2010 《金屬材料拉伸試驗》[12]在SHT4605 型60 t 微機控制電液伺服萬能試驗機上進行試樣拉伸試驗，試樣寬度分別為20.08 mm和20.05 mm，厚度分別為25.13 mm 和25.10 mm。依據GB/T 229—2007 《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》[13]在ZBC2302-C 擺錘式沖擊試驗機上進行試樣夏比沖擊試驗，沖擊試樣的尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，開 V 形坡口，角度 45°，坡口深度為 2.0±0.2 mm。依據 GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》[14]在SHT4605 型60 t微機控制電液伺服萬能試驗機上進行試樣橫向側彎試驗，試樣彎曲面厚度為10 mm。依據GB/T 231—2018 《金屬材料布氏硬度試驗》[15]在HRS-150 布氏硬度試驗機上進行焊縫硬度檢測。試樣各項力學性能檢測結果見表3。

表3 試樣焊縫力學性能檢測結果

從表3可以看出，試樣抗拉強度達到525 MPa以上；-20 ℃焊縫和熱影響區沖擊吸收功達到100 J 以上，富余量比較大，且相對集中，穩定性能較好；側彎試樣彎曲后表面無裂紋，滿足NB/T 47018—2017 《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件》[16]的要求；焊接接頭硬度值在136～157HB之間，其中最高硬度值157HB 出現在焊接熱影響區，遠小于要求值200HB。因此，可以判定本研究焊接工藝下獲得的焊接接頭冷裂傾向較小。

3.4 耐壓試驗

某Q345R 緩沖罐筒體尺寸為Φ1 864 mm×32 mm，按照現有的焊接工藝對筒體進行焊接，焊接完成后對焊縫進行RT 探傷，最后進行焊后熱處理 （升溫到620 ℃后保溫2 h）。耐壓試驗的工作介質為常溫水 （水溫≥5 ℃），壓力為6.25 MPa，保壓1 h。試驗后焊縫未發生滲漏，無可見變形和異常聲響，試驗結果合格。表明本研究的焊接工藝在緩沖罐上的應用是可靠的。

4 結 論

（1）采用鎢極氬弧焊打底、埋弧焊填充和蓋面的焊接工藝，對Q345R 鋼級緩沖罐進行對接焊試驗，焊縫成形美觀，表面沒有粘渣、氣孔和壓坑等缺陷，焊縫RT 探傷合格。

（2）焊縫熱處理后抗拉強度在525 MPa 以上，-20 ℃焊縫和熱影響區沖擊吸收功達到100 J以上，側彎試驗合格，滿足NB/T 47018—2017標準要求。

（3）對 Q345R 緩沖罐進行耐壓試驗，在6.25 MPa 水壓下保持 1 h，焊縫未發生滲漏，無可見變形和異常聲響，表明設計的焊接工藝在緩沖罐上的應用是可靠的。