3.5％Ni低溫鋼容器焊接及熱處理工藝研究

付啟帥 王慶 曲世超

摘要： 對(duì)3.5%Ni低溫鋼采用兩種焊后熱處理制度分別進(jìn)行焊接性試驗(yàn)，確定合適的焊接工藝參數(shù)及熱處理制度，保證焊縫的低溫沖擊韌性。

關(guān)鍵詞： 3.5%Ni低溫鋼;焊接;熱處理;沖擊韌性

前言

3.5Ni低溫鋼具有良好的低溫沖擊韌性，是目前石油化工行業(yè)廣泛應(yīng)用低溫設(shè)備的制造鋼種[1]，掌握3.5Ni低溫鋼的焊接技術(shù)是制造技術(shù)的關(guān)鍵。3.5Ni鋼在–100℃低溫下具有良好的性能，其技術(shù)難點(diǎn)在于如何解決焊接接頭的低溫沖擊韌性問(wèn)題。本文通過(guò)選擇合適的焊材材料、焊接工藝規(guī)范及兩組焊后熱處理制度對(duì)比進(jìn)行焊接性試驗(yàn)研究，解決實(shí)際產(chǎn)品中遇到的低溫沖擊韌性不足問(wèn)題，從而確定合適的焊接工藝及熱處理制度。

3.5Ni低溫鋼的焊接性分析

08Ni3DR為壓力容器低溫用鋼，等同于3.5%Ni，廣泛用于石油化工低溫設(shè)備的制造。對(duì)3.5%Ni低溫鋼而言，可焊性比無(wú)Ni鋼差，雖然Ni的添加增大了鋼的淬透性，但由于其含碳量和碳當(dāng)量較低，通常情況下產(chǎn)生冷裂紋傾向并不大。材料上應(yīng)控制C，S及P的含量，以及采用合理的焊接工藝，增大焊縫成形系數(shù)用來(lái)避免熱裂紋傾向。3.5%Ni低溫鋼除了考慮焊接接頭的強(qiáng)度外，如何保證焊接接頭的低溫韌性是低溫用鋼焊接的技術(shù)關(guān)鍵。當(dāng)焊接線能量過(guò)大時(shí)，高溫停留時(shí)間變長(zhǎng)，冷卻速度減慢，會(huì)使過(guò)熱區(qū)晶粒變大，焊縫容易產(chǎn)生粗大的板條貝氏體組織和馬氏體組織嚴(yán)重降低低溫韌性[2]。焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制線能量和層間溫度，焊后應(yīng)采用合適熱處理工藝來(lái)提高焊接接頭的低溫韌性。

3.5Ni低溫鋼焊后熱處理溫度的分析

相關(guān)資料規(guī)定焊后熱處理溫度在600℃以上有利于消除殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的塑韌性，而560℃有利于保持材料和焊縫的綜合性能。一般低溫容器鋼焊后熱處理溫度不易超出620℃，ASME規(guī)范雖然規(guī)定3.5%Ni等低溫容器鋼的焊后熱處理最低溫度為595℃以上，同時(shí)也在附注重規(guī)定不能超過(guò)635℃，當(dāng)不能在此溫度范圍進(jìn)行焊后熱處理時(shí)可降低延時(shí)，在545℃以上進(jìn)行焊后熱處理。結(jié)合我司多年焊后消除應(yīng)力熱處理的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，550℃左右鋼的韌性和強(qiáng)度匹配最佳，隨著焊后熱處理溫度的提高，沖擊韌性和抗拉強(qiáng)度明顯下降，雖然繼續(xù)提高溫度可以使應(yīng)力消除率增加，但是在600℃以上已不明顯，因此對(duì)3.5%Ni低溫鋼壓力容器建議焊后熱處理溫度不超過(guò)600℃。

焊接試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用同一焊接工藝不同的熱處理制度進(jìn)行試驗(yàn)，焊接兩塊試板，具體要求如下：

試驗(yàn)用的母材及坡口型式

母材為09Ni3DR，試板規(guī)格500×125×40mm，材料的性能滿足GB 150–2011《壓力容器》規(guī)定;為減少填充量，坡口采用雙面U型坡口。

焊接工藝的選擇

焊接時(shí)采用手工電弧焊（SMAW），焊接位置為平焊。為了減少焊接線能量，保證焊接接頭強(qiáng)度和沖擊韌性焊接，焊接時(shí)采用窄焊道，焊接過(guò)程中不允許擺動(dòng)，采用小電流，同時(shí)注意層間溫度的控制。焊接工藝要求：焊材牌號(hào)及規(guī)格W107DR Φ4.0mm，焊接電流140～160A，電壓22～26V，焊接速度16～20cm/min，預(yù)熱溫度20℃，道間溫度≤110℃。

熱處理工藝的選擇

為了消除焊接接頭的殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的性能，對(duì)焊接試板分別采用不同熱處理制度進(jìn)行試驗(yàn)，分別為610±10℃/5h、590±10℃/5h。

試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)兩組試板分別進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)得出的試驗(yàn)結(jié)果，按熱處理制度590±10℃/5h進(jìn)行的試驗(yàn)均合格;按610±10℃/5h進(jìn)行的試驗(yàn)中–100℃沖擊試驗(yàn)不合格，具體詳細(xì)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

試驗(yàn)分析

對(duì)上述兩組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，兩組拉伸試驗(yàn)結(jié)果無(wú)差異，但沖擊韌性試驗(yàn)差異很大，這種情況主要由不同熱處理溫度引起的。隨焊后熱處理溫度的提高對(duì)焊接接頭強(qiáng)度變化不大，但低溫沖擊韌性下降，而且沖擊韌性不穩(wěn)定。

試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

3.5Ni低溫鋼焊接時(shí)焊接工藝參數(shù)范圍電流在140～160A、電壓22～26V、焊接速度16～20cm/min，線能量應(yīng)控制在14.63KJ/cm以內(nèi)。另外，焊接時(shí)采用窄焊道，焊接過(guò)程中不擺動(dòng)焊，道溫度控制在110℃。

3.5Ni低溫鋼焊后熱處理制度590±10℃/5h能夠保證焊接接頭的低溫沖擊韌性，建議3.5Ni低溫鋼焊后熱處理制度不要超出600℃。

參考文獻(xiàn)

高立峰. 3.5%Ni低溫鋼塔的焊接及熱處理[J].煤炭技術(shù)，2003，22（3）：9–10.

王振坤.淺談3.5%Ni低溫鋼塔器的焊接工藝及熱處理[J].中國(guó)化工貿(mào)易，2014，1（01）：108.

ASME–Ⅷ 第一冊(cè) 壓力容器建造規(guī)則，C分卷，UCS-56（2017版）.