13MnNiMoR鋼大直徑封頭拼縫的組織及性能研究

孔凡紅， 劉寶劍， 王天先， 郭 俊

青島蘭石重型機械設備有限公司，山東 青島 266426

0 引言

水煤漿氣化技術是以煤與添加劑為原料在一定條件下生成CO 和H2合成氣的煤化工技術，可最大程度實現煤及焦炭等燃料的清潔、高效利用，更能適應當今社會對經濟效益與環境保護的要求［1-3］。水洗塔作為凈化合成氣的最后一步，是氣化框架中非常重要的設備。13MnNiMoR材料是制造水洗塔的常用材料，隨著煤化工行業的發展，水煤漿氣化技術產量逐年升高，水洗塔設備的直徑越來越大，受國內鋼板寬度的限制，大直徑容器封頭通常采用先拼焊后整體熱成形的制造技術，因此對13MnNi-MoR鋼大直徑封頭拼縫的性能研究勢在必行［4-5］。

目前針對13MnNiMoR封頭鋼板的研究成果較多，但是針對焊接接頭的成果較少，因13MnNiMoR鋼板強度高，若制造過程中焊接、熱處理工藝不合理將導致材料沖擊韌性下降。為了同時保證焊接接頭的強度和韌性，需要針對該材料的特殊性匹配不同的焊材進行一系列試驗。

本文通過采用不同的材料進行焊接試驗，并對焊接試件模擬熱成形、恢復性能熱處理以及最終焊后熱處理后的各項性能進行對比，確定了13MnNi-MoR材料封頭拼縫焊接的最優焊接及熱處理工藝，并在某公司承制的氣化框架水洗塔上進行應用。

1 試驗材料及方法

試驗采用埋弧焊。試驗母材為厚度82 mm 的13MnNiMoR鋼板，交貨狀態為正火（加速冷卻）+回火，金相組織為鐵素體+珠光體+回火貝氏體；焊材分別選用H08Mn2MoA+SJ101 和H09MnNiMoG+SJ16G，焊絲直徑4.0 mm。母材及焊材熔敷金屬的化學成分及力學性能分別如表1～表4所示。

表1 13MnNiMoR鋼板化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of 13MnNiMoR steel （wt.%）

表2 13MnNiMoR鋼板力學性能Table 2 Mechanical properties of 13MnNiMoR steel

表3 焊材熔敷金屬化學成分（質量分數，%）Table 3 Chemical composition of undiluted weld metal of welding materials （wt.%）

表4 焊材熔敷金屬力學性能Table 4 Mechanical properties of undiluted weld metal of welding materials

2 焊接試驗

2.1 試件焊接

兩對試件分別編號為A和B，按圖1所示氣割坡口后，打磨去除坡口表面的淬硬層（約3～5 mm）［6-7］，兩對試件同時焊接，焊接工藝參數如表5所示。

圖1 試件坡口Fig.1 Schematic diagram of weld joint groove

表5 焊接工藝參數Table 5 Welding process parameters

2.2 模擬焊后熱處理

試件焊后按NB/T47013.3 100%UT 檢測合格后，模擬封頭所經受的熱處理過程，包括熱成形、恢復性能熱處理及最終焊后熱處理等。熱處理工藝參數見表6。

表6 熱處理工藝參數Table 6 Heat treatment process parameters

2.3 試件的理化試驗結果

2.3.1 化學成分分析

采用火花放電原子發射光譜法對熔敷金屬進行化學成分分析，檢測結果見表7。兩對試件焊縫區的化學成分與13MnNiMoR 鋼的成分相近，但試件B 相較于試件A， Mn、Cr、Ni、Mo 等元素含量稍高、C、Si等元素含量稍低。其中Cr、Mo元素能顯著提高鋼的熱強性，Mn主要起固溶強化作用，Ni的添加可細化晶粒、提高沖擊韌性、提高淬透性，Mo 的添加可使過冷奧氏體更穩定、并提高鋼的淬透性及抗回火性［8-9］。

表7 熔敷金屬化學成分（質量分數，%）Table 7 Chemical composition of weld metal （wt.%）

2.3.2 力學性能試驗

兩對焊接試件經過模擬熱成形、恢復性能熱處理后，分別模擬Max.PWHT及Min.PWHT后進行力學性能檢測，并采用圖表法進行對比，焊接接頭橫向拉伸試驗結果見圖2，焊縫區的-20 ℃沖擊韌性試驗結果見圖3，試件熔敷金屬縱向室溫拉伸及400 ℃下的高溫拉伸試驗結果見圖4。

圖2 試件焊接接頭的橫向拉伸試驗結果Fig.2 Transverse tensile test results of welded joints

圖3 焊縫區-20 ℃沖擊試驗結果Fig.3 Impact test results of weld metal at -20 ℃

圖4 試件熔敷金屬縱向拉伸試驗結果Fig.4 Longitudinal tensile test results of weld metal

從圖中可以看出，試件A 室溫焊接接頭及熔敷金屬的拉伸試驗結果不能滿足13MnNiMoR材料的最低要求，試件B的綜合力學性能結果較好、富余量較大；兩對試件焊縫區-20 ℃夏比V 型缺口沖擊韌性試驗結果均能滿足標準要求，且富余量較大。拉伸試驗結果與化學成分顯示的結果相呼應，試件B的焊接接頭及焊縫區的強度要優于試件A。

2.3.3 金相檢驗

對試件A、B 進行宏觀金相檢驗。兩對試件沿橫向切取的各一件焊接接頭試樣經8%硝酸酒精溶液室溫腐蝕20 min 后，在20 倍放大鏡下觀察，受檢面未出現裂紋、氣孔、夾渣、未熔合和未焊透等焊接缺欠。

對試件A、B 的焊縫及熱影響區進行微觀金相檢驗。試驗結果顯示，兩對試件焊縫區的組織均為索氏體+鐵素體，其中試件B 中索氏體含量占比更高，且晶粒相對試件A 更細小，索氏體含量的增加可提高焊縫的強度和沖擊韌性［10-11］，兩對試件熱影響區的金相組織均為索氏體+鐵素體。其金相照片和金相組織見表8。

表8 微觀金相組織及宏、微觀金相照片Table 8 Micro-microstructure and macro- and micro-metallographic photographs

2.4 在某項目氣化框架水洗塔上應用

上述試驗結果顯示，13MnNiMoR 鋼板經模擬熱成形、恢復性能及Max. PWHT、Min. PWHT后，采用H09MnNiMoG 焊絲匹配SJ16G 焊劑所獲接頭的熔敷金屬性能更佳，且相較于標準要求值，富余量較大，說明所擬定的焊接工藝和熱處理工藝可行。

因此，某項目氣化框架水洗塔的大直徑封頭拼縫基層選用H09MnNiMoG 焊絲匹配SJ16G 焊劑進行焊接，由圖5的封頭焊接照片可以看出，該焊材焊接工藝性及抗裂性較好，焊縫成形美觀。對封頭按照擬定的焊接工藝進行封頭的熱成形及恢復性能熱處理，封頭拼縫焊接接頭試件的各項理化性能均滿足標準及技術條件的要求，且富余量較大。

圖5 氣化框架水洗塔封頭板拼縫焊接Fig.5 Spliced joint of washing tower head of gasification frame finished welding

3 結論

（1）采用H08Mn2MoA 焊絲匹配SJ101 焊劑焊接的13MnNiMoR鋼板試件，模擬相應的熱處理后，沖擊韌性較好，但是焊接接頭及熔敷金屬的拉伸性能較低，不滿足標準及技術條件要求，焊縫區組織為索氏體+鐵素體，晶粒粗大。

（2）采用H09MnNiMoG焊絲匹配SJ16G焊劑焊接的13MnNiMoR 鋼板試件，焊縫區化學成分Mn、Ni、Mo 等元素更高，模擬相應的熱處理后，各項力學性能、沖擊韌性較好，均能滿足標準及技術條件要求且富余量較大，焊縫區組織為索氏體+少量鐵素體，晶粒細小。

（3）在氣化框架水洗塔封頭板拼縫上進行應用焊接，H09MnNiMoG焊絲匹配SJ16G焊劑的焊接工藝性優良，焊縫成形美觀，所帶焊接接頭試件的各項性能優良，均滿足標準及技術條件要求。

綜上，13MnNiMoR 鋼大直徑封頭板拼縫焊接應選用H09MnNiMoG 焊絲+SJ16G 焊劑，按照擬定的焊接工藝及熱處理工藝可得到性能優良的封頭拼縫。