SA-537 CL2 碳錳硅鋼埋弧焊工藝研究

劉玉祥

（森松（江蘇） 重工有限公司上海分公司， 上海 201323）

SA-537 CL2 鋼是近年來國內外制造儲罐或球罐采用的一種材質， 尤其是廣泛應用于低溫服役的產品制造[1-2]。 與SA-516 Gr.70 鋼相比， SA-537 CL2 鋼具有更高的強度， 適用于低溫工況。設計采用SA-537 CL2 材料， 具有可降低設備整體質量、 減少設備運輸成本以及降低海洋平臺承重等優勢。 近年來常用于海洋石油平臺除汞洗滌器、 VRU 除塵器以及化工行業聚丙烯反應器的制造和使用。

1 SA-537 CL2 鋼介紹

1.1 化學成分及力學性能

SA-537 CL2 是通過熱處理強化的碳錳硅鋼板， 其材料供貨狀態為淬火+回火， 是晶粒度為5 號及以上的細晶粒鋼。 不同板厚的SA-537 CL2 鋼， 其化學成分和力學性能也有所不同， SA-537 CL2 鋼成品板材的化學成分見表1[3]，力學性能見表2[3]。

表1 SA-537 CL2 鋼化學成分 %

表2 SA-537 CL2 鋼力學性能

SA-537 CL2 鋼主要成分為C、 Mn、 Si 三種元素， P、 S 為雜質元素， 標準規定的微量元素為Cu、 Ni、 Cr、 Mo， 實際成品板材中還添加了V、 Ti、 Al、 B 微量元素。 C 元素可提高鋼的強度和硬度， 但會使塑性、 韌性降低； Mn 元素具有非常高的淬透性， 在鋼中起到基體強化作用，隨著板厚的增加， Mn 的含量也隨之增加， 通過Mn 元素的淬透性， 提高厚板芯部的強度； Si 在淬火+回火鋼中的作用是增加鋼的淬透性， 提高鋼的強度并具有一定的耐回火性； Cu 元素對鋼的沖擊韌性有輕微的提高， 但對鋼的強度， 特別是屈強比有很大的提高； Ni 元素具有細化晶粒的作用， 可以提高鋼的沖擊韌性； Cr 元素可以提高鋼的抗氧化性， 并能提高鋼的強度； 微量的Mo 元素能提高鋼的淬透性及抗回火性[4]； V、 Ti、Al、 B 均可提高鋼的基體強度， 細化晶粒并改善沖擊韌性。 綜上所述， SA-537 CL2 主要通過C、Mn、 Si、 Cr、 Mo、 Ni、 Cu 及少量的微量元素共同作用， 經淬火+回火熱處理后， 得到強度及韌性較好的回火索氏體， 其基體微觀組織如圖1所示。

圖1 SA-537 CL2 鋼基體回火索氏體組織形貌

1.2 焊接性分析

SA-537 CL2 鋼熱紋傾向不明顯[2]， 根據碳當量公式Ceq 以及冷裂紋敏感指數公式Pcm 對SA-537 CL2 鋼冷裂紋敏感性進行評估， 由表1中試驗材料化學成分按照公式 （1） 及公式 （2）計算碳鋼量Ceq 以及冷裂紋敏感指數Pcm， Ceq約為0.45%， Pcm 約為0.26%。

當Ceq＞0.4%、 Pcm＞0.23%時， 這說明材料的焊接具有冷裂紋傾向， 因此SA-537 CL2 鋼具有一定的冷裂紋敏感性。 冷裂紋形成原因主要基于焊接冷卻速度過快， 產生淬硬組織， 以及焊縫中的殘余氫擴散聚集在焊接殘余應力的作用下產生冷裂紋， 因此焊接前應采取預熱措施， 通過預熱達到消氫的目的， 并減緩t8/5冷卻速度， 改善組織性能，避免冷裂紋的產生。 同時， 對SA-537 CL2 鋼焊后進行溫度200～250 ℃、 冷卻時間為1～1.5 h 的緩冷處理， 進一步消除焊縫的氫， 減小冷裂紋傾向。

2 焊接工藝評定試驗

考慮設備壁厚因素以及大直徑封頭拼縫熱成型的情況， 焊接工藝評定試驗共進行了兩組， 一組焊接試板進行焊后熱處理， 另一組進行淬火+回火+焊后熱處理。 在實際制造過程中存在產品正常的焊后熱處理以及產品熱處理后返修、 客戶現場返修后重新熱處理的情況， 評定試板的焊后熱處理又分為產品焊后熱處理（即最小焊后熱處理） 和3 倍熱循環焊后熱處理（即最大焊后熱處理）， 因此每組試板數量為2 副， 分別為最小焊后熱處理態和最大焊后熱處理態。

2.1 焊接坡口

試驗用SA-537 CL2 鋼厚度為68 mm， 坡口形式如圖2 所示， 坡口采用機械加工而成， 加工后對坡口表面進行FULL-MT-APP.6 檢測。

圖2 SA-537 CL2 試驗鋼坡口示意圖

2.2 焊材選用

試驗用埋弧焊材選用EF3 焊絲， 匹配同廠家F8P6 焊劑， 焊絲焊劑匹配后滿足ASME SFA-5.23要求， 熔敷金屬抗拉強度為550～650 MPa。

2.3 焊接工藝

試板在焊接前， 坡口及坡口邊緣兩側25 mm范圍用砂輪打磨除銹， 對焊接試板進行組對，試板端部加焊接引弧板、 熄弧板。 試板組對后， 采用電加熱片對試板整體預熱， 每副試板上布置2 支熱電偶， 數顯溫度電箱對其進行控溫， 預熱溫度150～160 ℃。 試板采用埋弧焊進行焊接， 埋弧焊劑使用前按照廠家推薦的烘干溫度進行烘干。 埋弧焊采用多層多道焊， 每一道焊縫焊后進行道間溫度檢測， 道間溫度不超過250 ℃。 試板正面焊后， 背面采用碳弧氣刨清根， 清根深度約13 mm， 清根后采用砂輪打磨去除滲碳層并進行熱磁粉檢測， 檢測合格后繼續采用埋弧焊焊接， 試板焊完后立即進行溫度為200～250 ℃、 冷卻時間為1～1.5 h 的緩冷去氫處理， 試板具體焊接規范見表3。

表3 SA-537 CL2 試驗鋼焊接工藝參數

2.4 無損檢測

試板焊后進行MT、 RT 檢測， 檢測標準按照ASME V 卷執行， 檢測結果滿足FULL-MT-APP.6 及FULL-RT-UW-51 要求。

2.5 試板熱處理

1#試板僅進行焊后熱處理， 2#試板進行淬火+回火+焊后熱處理， 熱處理采用電爐加熱，熱處理工藝參數見表4。

表4 SA-537 CL2 試驗鋼焊后熱處理工藝參數

3 理化性能試驗

按照ASME IX 《承壓設備焊接工藝評定》進行橫向板狀拉伸試驗、 側向彎曲試驗和-46 ℃沖擊試驗， 并補充進行了硬度試驗和金相試驗。

3.1 拉伸試驗

通常情況下， 隨熱處理時間的延長， 焊接接頭抗拉強度逐漸下降[5-7]， 故拉伸試驗僅進行了最大焊后熱處理態。 由于試板厚度較厚， 試驗機能力受限， 最大熱處理后的試板無法進行全厚度拉伸試驗， 將拉伸試樣在厚度方向等分為2 片試樣， 取樣應滿足ASME IX 卷QW462.1（a）要求，拉伸試驗結果見表5。 試驗母材厚度68 mm，其抗拉強度的下限值為515 MPa， 表5 所示抗拉強度結果均大于515 MPa， 試驗結果滿足ASME IX卷QW-153 的要求。

表5 SA-537 CL2 試驗鋼焊接接頭拉伸試驗結果

3.2 沖擊試驗

沖擊試樣熱處理狀態為最小焊后熱處理、最大焊后熱處理、 淬火+回火+最小焊后熱處理、 淬火+回火+最大熱處理四種， 取樣位置及數量滿足ASME VIII-1 UG84 要求， 試樣尺寸10 mm×10 mm×55 mm， 試驗溫度-46 ℃。 沖擊試驗結果見表6， 從表6 可以看出， 沖擊試驗結果均滿足設計要求 （≥34 J）。

表6 SA-537 CL2 試驗鋼焊接接頭沖擊試驗結果

3.3 彎曲試驗

彎曲試驗的熱處理狀態為最小、 最大熱處理和淬火+回火+最小、 最大熱處理四種， 每種熱處理狀態取彎曲試樣4 個， 按照ASME IX 卷QW-160 進行橫向側彎試驗， 側彎試樣加工滿足ASME IX 卷QW-462.2 要求， 彎曲試驗彎頭直徑40 mm， 試樣經180°彎曲后， 被彎曲表面焊縫及熱影響區無開口缺陷， 結果滿足ASME IX 卷QW-163 的要求。

3.4 硬度試驗

硬度因熱處理時間延長而下降， 因此僅對經歷最小焊后熱處理的1#、 2#試板進行硬度試驗。試驗按照ISO9015-1 標準進行， 其結果見表7，從表7 可以看出， 硬度試驗結果均滿足項目規范要求（＜235HV10）。

表7 SA-537 CL2 試驗鋼焊接接頭硬度試驗結果

3.5 微觀組織分析

對1#、 2#試板的熱影響區及焊縫進行了顯微組織分析， 分析結果如圖3 所示。 對微觀組織進行200 倍放大觀察， 未發現微觀裂紋及其他缺陷，組織基體為回火索氏體， 但淬火+回火處理的2#試板焊縫及熱影響區微觀組織中除了回火索氏體外， 還出現大的塊狀鐵素體組織。 鐵素體組織具有強度低、 硬度低的特點， 對于淬火+回火鋼， 隨著鐵素體組織的增加， 沖擊韌性會逐漸下降[8-10]，與1#試板的抗拉強度、 沖擊功、 硬度相比， 2#試板均呈下降態勢， 其微觀組織中大的塊狀鐵素體析出導致抗拉強度、 沖擊功和硬度下降。

圖3 1#試板和2#試板熱影響區及焊縫顯微組織形貌

4 產品焊接

本研究一期項目SA-537 CL2 鋼產品共15臺設備， 按照ASME 標準設計， 設備無法豁免沖擊試驗， 因此對A、 B 類焊縫均需帶焊接試板， 對15 臺設備30 塊焊接試板沖擊功數據進行統計， 結果發現熱影響區沖擊功存在波動現象，經常出現兩高一低的情況， 表5 中的評定試驗數據也可以發現該問題。 雖然焊接試板的沖擊功滿足設計要求， 但不利于焊接接頭性能的穩定性。通常認為， 焊接熱影響區的沖擊功下降一般為焊接熱輸入過大造成， 但根據焊接試板沖擊功統計結果， 同一取樣位置的3 個沖擊試樣僅有一個沖擊功偏低， 而不是整體偏低， 可判定為原材料本身沖擊功不穩定。 按照ASME BPVC II.A SA-537標準中表1 化學成分要求， 允許材料熔煉分析w（Ni）超過0.25%， 最大可達0.50%[3]， 因此本研究項目后期板材采購時， 對w（Ni）增加到了0.35%～0.50%的要求， 后期產品焊接試板的熱影響區沖擊功再未出現波動現象。

5 結 論

（1） SA-537 CL2 鋼埋弧焊焊接， 采用相匹配的F8P6-EF3 焊絲焊劑， 焊后進行焊后熱處理以及淬火+回火+焊后熱處理， 其力學性能可滿足標準及項目要求。 焊后淬火+回火+焊后熱處理與僅進行焊后熱處理的焊接接頭力學性能相比， 其抗拉強度、 沖擊功、 硬度等性能出現下降的現象， 原因是其焊縫及熱影響區微觀組織有大的塊狀鐵素析出， 導致焊接接頭抗拉強度、 沖擊功、 硬度等性能下降。

（2） 在進行SA-537 CL2 鋼采購時， 對w（Ni）增加到了0.35%～0.50%的要求， 經實踐驗證， 該方法可提高焊接接頭熱影響區沖擊性能的穩定性。