07MnNiMoDR鋼制-50 ℃乙烯球罐用焊條研制及應用

蔣軍, 房務農, 童天旺

(1.合肥通用機械研究院有限公司,合肥 230031;2.昆山京群焊材科技有限公司, 江蘇 昆山 215312)

0 前言

球形儲罐(以下簡稱球罐)與同容積的其他儲存容器相比,具有表面積小、重量輕、制造周期短和占地面積少等優點,是石油化工行業中廣泛應用的一種氣、液體存儲設備[1]。中國對石化能源的需求量增大,每年需建造大批球罐用于生產裝置原料罐或儲存罐,而乙烯球罐由于具有壓力高、溫度低、介質易燃易爆的特點,一直被認為是建造難度最大的球罐之一[2]。通常建造乙烯球罐殼體的材料為JFE-HITEN610U2L,15MnNiNbDR,07MnNiMoDR及09MnNiDR四種材質[3-6],隨著天津石化首次實現乙烯球罐鋼板國產化,日本JFE-HITEN610U2L因價格昂貴,徹底退出了中國市場;15MnNiNbDR屬于-50 ℃正火型鋼,由于板幅小、強度低,建造的球罐壁厚較厚,性價比較低,現已基本不用于乙烯球罐的建造;而09MnNiDR用于-70 ℃乙烯球罐,但強度更低,壁厚更厚,目前在國內保有量少。國內目前大部分-50 ℃乙烯球罐均選擇性價比較高的07MnNiMoDR來建造,最大容積達3 000 m3,設計壓力為2.16 MPa,采用分析設計的球罐壁厚僅44 mm,節約了建造成本。該類球罐殼體用鋼板雖早已實現國產化,但焊條一直被日本神鋼LB-65L所壟斷,價格、工期及技術要求均受制于人,實現配套焊條國產化的意義重大。文中結合該類球罐焊條國產化研制過程,詳細介紹其各項性能。

1 乙烯球罐用07MnNiMoDR鋼板及焊接性介紹

07MnNiMoDR鋼屬抗拉強度610 MPa級的低合金調質高強鋼,是在原來07MnNiMoVDR鋼板基礎上進行成分設計而得,主要用于制造-50 ℃乙烯球罐等低溫壓力容器[7]。該鋼在Mn,Cr,Mo等強化元素基礎上,添加了約0.3%Ni及微量合金元素,S,P等雜質元素含量極低。采用先進的熱機械控制技術(Thermo mechanical control process,TMCP)[8],細化了奧氏體晶粒,加工應變控制了相變組織,軋制后加速冷卻,抑制晶粒長大,再通過回火,從而獲得高強度高韌性的超細的回火貝氏體組織,厚板時需加微量的B元素,提高鋼板的淬透性,標準中規定該鋼-50 ℃AKV≥100 J,實物水平可達280 J左右。該鋼由于加入合金元素較少,焊接冷裂紋敏感性組成Pcm=ωC+ωSi/30+ωMn/20+ωCu/20+ωNi/60+ωMo/15+ωV/10+5ωB[9-12]較低,實物水平通常在19%左右。該鋼含有Cr,Mo,V沉淀強化相元素,因此有一定的再熱裂紋傾向,再熱裂紋“C”曲線“鼻尖”約在615 ℃,因此該鋼的焊后熱處理溫度通常規定為580±20 ℃,另外該鋼調質狀態交貨,焊接時熱影響區存在一定程度的軟化問題[13-17]。

2 07MnNiMoDR低溫球罐用焊條特點及難點

球罐用焊條首先要滿足全位置下脫渣性好、飛濺小、發塵量少及成形美觀等要求;其次立焊位置焊條需擺動焊接,焊接熱輸入較大,即便合理控制在35 kJ/cm以下,仍遠大于平焊位置;再者球罐焊后熱處理較特殊,如3 000 m3球罐的測溫點全部達到保溫時間,上極保溫時間比下極約多出2 h,如考慮開罐檢查后返修的熱處理時間,所以焊條的熔敷金屬熱處理保溫時間需按6 h來考慮[18-19]。

07MnNiMoDR球罐用E6215-N5M1焊條的技術要求見表1和表2,且焊接接頭需滿足在立焊位置、熱處理狀態下焊縫金屬-50 ℃AKV≥54 J,為此,制訂了攻關目標:①藥皮選擇合理的渣系,焊條熔敷金屬的擴散氫含量≤5.0 mL/100 g;②全位置下焊接工藝性能良好,脫渣良好,成形美觀;③熔敷金屬雜質元素含量少,以針狀鐵素體為主;④熔敷金屬經580 ℃×6 h長時間熱處理后力學性能仍滿足表2要求;⑤在40 kJ/cm大焊接熱輸入下焊縫金屬沖擊韌性仍可滿足-50 ℃AKV≥54 J,比設計技術條件35 kJ/cm更嚴;⑥焊縫金屬需具有較低的再熱裂紋敏感性;⑦焊縫金屬的無塑性轉變溫度低于-50 ℃,斷裂韌性好。

表1 熔敷金屬化學成分技術要求 (質量分數,%)

表2 熔敷金屬力學性能技術要求

3 07MnNiMoDR低溫球罐用焊條研制及試驗

3.1 渣系選擇

GER-N27M焊條采用 CaCO3-TiO2-CaF2高堿度渣系。適度提高TiO2含量,可降低熔渣表面張力、細化熔滴、減少飛濺、改善脫渣性、熔渣覆蓋性,并能降低發塵量;但從提高焊縫金屬韌性和降低擴散氫含量的角度出發,氟化物的含量不能太少,碳酸鹽也必須占有一定的比例[20-24]。其擴散氫含量實測值通常低于2.5 mL/100 g,焊接冷裂紋敏感性較低。

3.2 焊條在全位置下焊接工藝性

由于選擇了合理的渣系,對原材料的目數嚴格控制,并輔以適量穩弧劑,其中K,Na離子可提供電子,提高電弧的穩定性,減少焊接飛濺。試驗參照GB/T 25776—2010《焊接材料焊接工藝性能評定方法》,在平焊位置測定其電弧穩定性見表3,在立焊位置評價焊條脫渣性見表4。

表3 綜合性焊接工藝性試驗評價

表4 立焊位置脫渣率

3.3 合金體系選擇

由于焊條需要熔敷金屬高強度、高韌性,最終確定以Mn-Ni-Mo為合金體系。研究表明,Mn含量保持在1.2%左右,Ni含量適度增加利于熔敷金屬中針狀鐵素體(AF)的形成[25]。試驗表明Ni含量在2.00%~2.75%之間,熔敷金屬隨Ni含量增加先共析鐵素體減少,針狀鐵素體增多,并使針狀鐵素體的長寬比發生改變,使板條變得更加多角化,提高了低溫韌性。熔敷金屬金相組織如圖1所示,低溫韌性見表5,由圖1可見,針狀鐵素體細小,從而得到的表5數據較理想,并高于攻關指標表2。

表5 熔敷金屬力學性能

圖1 熔敷金屬組織

3.4 微合金化先進技術

該焊條強度級別較高,熔敷金屬中錳含量較高,而高Mn助長馬氏體-奧氏體組元(M-A)形成,必須采用微合金化技術。例如含鈦的氧化性夾雜物(TiO)可促進在奧氏體晶粒內形核,有利于晶內針狀鐵素體的生成。研究表明加入適量稀土,可以使熔敷金屬組織得到細化,細小均勻的針狀鐵素體含量增加[26],可以降低焊縫金屬對焊接熱輸入敏感性,這對球罐現場立焊至關重要。

試驗采用48 mm厚的07MnNiMoDR鋼,?4.0 mm的GER-N27M焊條,預熱溫度為75 ℃,進行焊接熱輸入系列試驗,焊后進行 (580 ±15 ℃)×6 h熱處理,按NB/T47014—2011的規定在1/4T處制取焊縫金屬的沖擊試樣,分別進行-50 ,-60 ℃低溫沖擊試驗,焊接熱輸入對焊縫金屬影響如圖2所示。由圖2可見,焊接熱輸入達40 kJ/cm,焊縫金屬-50 ℃AKV仍在70 J以上,高于技術條件要求,表明該焊條有較寬的焊接工藝規范范圍,完全適應球罐全位置焊接。

圖2 焊接熱輸入對焊縫沖擊能量的影響

3.5 焊縫金屬再熱裂紋敏感性

焊縫金屬再熱裂紋試驗參照GB/T 9446—1995《焊接用插銷冷裂紋試驗方法》的有關規定進行。在焊接試板上制取如圖3所示的試樣,半V形缺口開在焊縫金屬上,單邊V形坡口根部應力集中系數(缺口軸向峰值應力/缺口軸向平均應力)高達3.99[27],試驗條件苛刻。試驗采用“斷裂”準則,即試樣經一定時間不斷裂所承受的最大應力為焊縫金屬抗裂能力。

圖3 插銷再熱裂紋試驗試樣要求

試驗得到再熱裂紋敏感“C”曲線如圖4所示,由圖4可看出該焊縫再熱裂紋敏感溫度即“鼻尖”處溫度約625 ℃,高于母材的再熱裂紋溫度,再熱裂紋敏感性較低。

圖4 焊縫金屬插銷再熱裂紋試驗結果

3.6 焊縫金屬在不同焊后熱處理下的沖擊韌性

對48mm厚的GER-N27M焊條焊制的立焊位置試板,進行不同的焊后熱處理,參照NB/T 47014制取焊縫金屬沖擊試樣,結果見表6,由表6可見,焊縫經長時間熱處理仍可滿足技術條件要求。

表6 熱處理規范對立焊位置焊接接頭性能影響

3.7 焊縫金屬韌脆性轉變溫度測定

采用GER-N27M焊條焊制48 mm厚的07MnNiMoDR立焊位置試板,經(580±15) ℃×6 h焊后處理,參照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》在1/4板厚處取沖擊試樣, V形缺口垂直于試板表面,焊縫金屬系列沖擊試驗結果分別如圖5和圖6所示。由圖5、圖6得出立焊位置焊縫金屬的韌脆性轉變溫度VTE,VTs分別為-53.2 ℃,-51.7 ℃,表明該焊縫金屬低溫韌性優良,正常情況下不會發生脆性斷裂。

圖5 焊縫金屬沖擊吸收能量與溫度的關系

圖6 焊縫金屬剪切斷面收縮率與溫度的關系

3.8 焊縫金屬無塑性轉變溫度測定

試驗采用GER-N27M焊條焊接制備48 mm厚的07MnNiMoDR立焊位置試板,焊后經(580±15) ℃×6 h熱處理,制取落錘P-2試樣,按GB/T 6803—2008《鐵素體鋼的無塑性轉變溫度落錘試驗方法》對焊縫金屬進行落錘試驗,結果見表7。

表7 焊縫金屬落錘試驗結果

由表7可看出,立焊位置的焊縫金屬的無塑性轉變溫度(Nil-ductility transition temperature,NDTT)為-60 ℃,表明該焊縫金屬在正常使用情況下止裂能力較強。

3.9 焊縫金屬-50 ℃低溫斷裂韌性測定

試驗采用GER-N27M焊條焊接制備48 mm厚的07MnNiMoDR立焊位置試板,焊后經(580±15) ℃×6 h熱處理,按GB/T 2358制取試樣,進行裂紋尖端張開位移試驗(Crack tip opening displacement,CTOD),采用全板厚試樣測定焊縫金屬的脆性啟裂-50 ℃ CTOD值δC,見表8。

表8 焊縫金屬-50 ℃的CTOD特征值

由表8可見,該焊縫金屬-50 ℃ CTOD特征值較佳,試樣均未脆性斷裂,這樣確保了焊縫金屬在球罐運行期間的安全性。通過對比何前進等人對LB-65焊條[28]進行的各項研究數據表明,GER-27M焊條整體性能與LB-65焊條處于同一水平。

4 GER-27M焊條工程應用情況

GER-27M焊條在國內多個項目中進行了工程應用,結果見表9,可以看出,焊縫金屬性能優良,運行1年后開罐檢查,無任何裂紋,該焊條獲得各方的高度認可。

表9 GER-27M焊條實際應用性能

5 結論

(1)GER-N27M焊條選用了合理的渣系,全位置下焊接工藝性良好,熔敷金屬擴散氫含量極低。

(2)焊條采用Mn-Ni-Mo合金體系,并采用微合金化技術,在立焊位置40 kJ/cm下的焊縫金屬經長時間焊后熱處理,其-50 ℃AKV數據仍高于技術條件要求。

(3)焊縫金屬再熱裂紋敏感性較低,焊縫金屬經580 ℃×12 h焊后熱處理,力學性能仍滿足要求,熱處理范圍較寬。

(4)立焊位置焊縫金屬韌脆性轉變溫度低于-51 ℃,抗脆性斷裂能力強,且焊縫金屬NDTT溫度為-60 ℃,止裂性能良好。

(5)焊縫金屬-50 ℃下的斷裂韌性較佳。

(6)GER-N27M焊條研發與工程應用,使國內07MnNiMoDR鋼制-50 ℃低溫球罐的建造,得以擺脫進口焊條的束縛,社會效益、經濟效益顯著。