Q370R/S31603爆炸焊復合板制4 000 m3厚壁球罐焊接工藝及接頭性能

蔣軍，房務農(nóng)，劉孟德，周楊

1.合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230031

2.盛虹煉化（連云港）有限公司，江蘇 連云港 222065

0 引言

不銹鋼復合鋼板是以不銹鋼板為覆層、低合金鋼為基層，通過軋制或爆炸復合的方式使之結合成一整體，既具有耐蝕性，又具有較高的強度，綜合性能優(yōu)異，可節(jié)約大量貴金屬，且基層越厚，節(jié)約量越多，大大降低生產(chǎn)成本，因而被廣泛應用于冶金、石油化工、水利等諸多領域［1-2］。近幾年來，隨著國內(nèi)石化行業(yè)快速發(fā)展，采用不銹鋼復合板建造有耐腐蝕需求的球形儲罐需求逐年增加。

某石化企業(yè)新建2臺4 000 m3不合格液化氣球罐，設計壓力為1.77 MPa，由于介質(zhì)中H2S含量可高達8 000 ppm以上，球殼材料選用Q370R/S31603（δ=46+3 mm）爆炸焊復合板，為國內(nèi)目前容積最大的厚壁不銹鋼復合板球罐。現(xiàn)有文獻對Q345R/S31603爆炸焊復合板焊接工藝及接頭性能研究較多，但針對Q370R/S31603爆炸焊復合板的研究較少，將其應用于球罐的研究更不多見。為了項目的順利完成，針對該厚壁不銹鋼復合板球罐坡口等離子切割、復合球殼板的壓制、組對錯邊量的控制、全位置過渡層和耐蝕層的焊接、無損檢測及焊后熱處理等各方面技術難點進行了一系列研究，本文僅介紹該球罐攻關課題中焊接工藝及接頭性能的研究工作，為今后大容積Q370R/S31603不銹鋼復合板球罐的推廣應用提供一些借鑒。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試驗母材

試驗母材選用球罐殼體材料S31603/Q370R不銹鋼爆炸焊復合板，基材為46 mm厚的370R，供貨狀態(tài)為正火，考慮到介質(zhì)苛刻，將沖擊試驗溫度由標準-20 ℃降為-24 ℃，力學性能要求見表1；覆材為3 mm厚的S31603，供貨狀態(tài)為固溶，化學成分見表2。

表1 370R力學性能技術要求Table 1 Technical requirements for 370R mechanical properties

表2 S31603化學成分技術要求（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 2 Chemical composition of S31603 （wt.%）

復合板爆炸工藝結構如圖1所示，覆板置于基板之上，中間加間隙柱隔開一定距離，在覆板上鋪設炸藥，雷管引爆后利用炸藥爆轟產(chǎn)生的能量使覆板和基板在高壓、高速、高溫和瞬時下傾斜撞擊時接觸面上發(fā)生劇烈的物理和化學過程，即冶金過程，實現(xiàn)復合［3］。本項目所有復合板檢測均符合NB/T 47002.1—2019中B1級要求，即未結合率為0%，剪切強度實測值超過300 MPa。

圖1 復合板爆炸工藝安裝結構Fig.1 Installation structure of composite plate explosion process

1.2 焊接材料

球罐安裝需全位置焊接，立焊位置較多；現(xiàn)場焊接時焊工一般都會選擇大電流，熱輸入最大可達40 kJ/cm；且本項目對基層焊接接頭低溫沖擊韌性要求很高，因此基層選用E5515-N2焊條，熔覆金屬力學性能見表3。為了保證覆層焊縫金屬耐腐蝕性能，其Cr、Ni、Mo等主要合金元素的含量應不低于覆板標準規(guī)定的下限值，覆層選用E316L-16焊條。過渡層焊材選用E309LMo-16焊條，其C含量較低，Cr、Ni等合金元素高，既可以避免基層焊縫中形成硬脆的馬氏體組織，又可以保證覆層低碳和Cr、Mo元素不會降低［4］。E316L-16、E309MoL熔覆金屬化學成分見表4。

表3 E5515-N2熔覆金屬力學性能Table 3 Mechanical properties of E5515-N2 cladding metal

表4 熔覆金屬化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）Table 4 Chemical composition of cladding metals （wt.%）

1.3 焊后熱處理

研究表明，不銹鋼/碳鋼復合板的最佳熱處理溫度在600 ℃左右［5］，結合基材、覆材材料性能及目前熱處理設備的溫控性能，確定球罐焊后熱處理溫度為590±15 ℃。目前大型球罐的整體熱處理均采用內(nèi)部燃燒法加熱，即球罐作為爐體，球殼板外側(cè)設置測溫熱電偶并加巖棉保溫，上人孔設排煙筒，下人孔安裝噴嘴燃燒器，以輕質(zhì)柴油作燃料，霧化燃燒產(chǎn)生熱對流使球罐各部位加熱至恒溫溫度，再保溫一段時間（一般為2 h）達到消除應力的目的。實踐表明，由于熱氣流向上流動，球罐上極板先達到恒溫溫度，在恒溫區(qū)間內(nèi)時長要比下極板多2個小時左右，再考慮開罐檢查返修后的一次熱處理，因此將試板的焊后熱處理時長設定為6 h。

1.4 坡口形式設計

據(jù)NB/T47015—2011附錄B中“當復合比特別大或預先開坡口有困難時”，推薦坡口形式見圖2。該坡口形式有臺階面，目前在復合板容器上應用廣泛，對于控制復合板焊接質(zhì)量優(yōu)勢顯著：坡口在基層金屬的終止面預留約1.5 mm臺階，可防止復合層在焊接應力作用下，近坡口處的覆層與基層脫離；焊工可以非常清晰地看清過渡層與基層的交界面，防止基層焊材接觸到覆層而產(chǎn)生馬氏體組織［6］。

圖2 NB/T47015-2011推薦坡口形式Fig.2 NB/T47015-2011 Recommended Groove Form

但球殼板尺寸大，工藝要求壓制成曲面后才能加工坡口，即采用等離子切割的二次下料法，現(xiàn)有技術對壓制成型后的球殼板球形面復合板坡口無法刨邊處理，因此，只能采用NB/T47015—2011附錄B中的X形坡口，根據(jù)球罐的結構特點及應力分布，最終優(yōu)化為非對稱X形坡口，如圖3所示，既減小應力，又節(jié)約了貴重的不銹鋼焊材［7］。

圖3 焊縫示意Fig.3 Weld Diagram

1.5 焊接工藝參數(shù)

（1）基層性能。選用尺寸為600 mm×150 mm×49 mm的復合板，采用焊條電弧焊，立焊位置。焊接順序為先從大坡口側(cè)焊接基層，反面清根并經(jīng)PT合格后，焊接背面基層，焊接過渡層，經(jīng)TOFD檢測合格后，最后焊接覆層，焊后進行消應力處理。Q370R材料應用于球罐已有成熟焊接工藝，此處不再闡述。

（2）覆層和過渡層的研究。根據(jù)NB/T47014-2011標準分別在立焊、橫焊及仰焊位置進行，采用?3.2 mm的E309LMo-16和 E316L-16焊條，在厚度20 mm的Q370R試板上堆焊，焊接工藝參數(shù)見表5，焊接時要求采用小電流、薄層多道焊。有研究表明，小直徑焊條、小電流、多道焊、淺熔深，可以有效地控制過渡層焊縫金屬Cr、Ni、Mo的元素稀釋［8］。

表5 過渡層及覆層焊接工藝參數(shù)Table 5 Welding parameters of transition layer and cladding layer

清除覆層焊縫表面層后的加工面上進行化學成分測定，符合E316L-16化學成分的加工面至熔合線的最小厚度見表6。由此最終確定過渡層厚度控制在3～4 mm之間。

表6 符合E316L-16化學成分的加工面至熔合線的最小厚度Table 6 Minimum thickness from processing surface to fusion line in accordance with E316L-16 chemical composition

2 試驗結果與討論

2.1 復合板焊接接頭的硬度測試

采用相同工藝焊接2塊立焊試板，分別進行2 h和6 h的焊后熱處理，截取的硬度試樣宏觀圖片如圖4所示。

圖4 立焊焊接接頭宏觀圖片F(xiàn)ig.4 Macro image of vertical welding joint

分別在基層、過渡層、覆層3個區(qū)域選取相應位置進行硬度測試，計算平均硬度值，如圖5所示。過渡層焊縫與基層焊縫交界面處HV10硬度均在250以下，表明在該部位未形成高碳馬氏體組織，焊接工藝控制合理。同時可以看出，焊后熱處理時間延長對焊接接頭的硬度影響并不明顯。

圖5 立焊位置基層、過渡層、覆層硬度曲線Fig.5 Hardness curve of base layer，transition layer，and cladding layer at vertical welding position

2.2 基層力學性能

按NB/T47015附錄C規(guī)定當覆層不參與強度計算，焊接工藝評定試板采用復合板制作，焊后熱處理后加工去除覆層，制備拉伸、沖擊和彎曲試樣。拉伸試樣正視圖如圖6所示，除掉覆層后的拉伸試樣中仍有部分過渡層不銹鋼焊縫金屬，即過渡層不銹鋼焊縫金屬參與了焊接接頭強度，而在NB/T47014附錄C中規(guī)定，當覆層不參與強度計算，只需考慮基層焊縫金屬，建議此處應按不銹鋼與低合鋼組合焊縫金屬來考慮，希該標準修訂時能慎重考慮。

圖6 拉伸試樣正視圖Fig.6 Front view of tensile specimen

基層立焊位置焊接工藝評定力學性能結果見表7，所有試驗結果滿足設計要求，且-24 ℃ KV2富余量較大，能夠滿足工程現(xiàn)場實際需要。

表7 基層立焊位置焊接接頭力學性能Table 7 Mechanical properties of welded joints at the vertical welding position of the base layer

2.3 覆層應力腐蝕試驗

根據(jù)GB/T 4157—2017標準中E法的要求，對覆層進行抗硫化物應力開裂（SSC）試驗。為了可制取5 mm厚的不銹鋼焊接接頭試樣，采用E316L-16焊條在復合板試板表面堆焊增厚后，再截取覆層焊縫金屬，按圖7制備試樣。

圖7 應力腐蝕E法試樣尺寸Fig.7 Sample size of stress corrosion E method

用240粒度砂紙手工打磨試樣表面和邊緣，打磨方向平行于試樣的軸向，試樣經(jīng)脫脂并用丙酮清洗后，放入試驗裝置。試驗選取標準中的A溶液，試驗溫度24 ℃，四點加載，加載應力為80%屈服強度，試驗持續(xù)720 h。經(jīng)10×放大鏡觀察，橫焊、立焊、仰焊三個位置的試樣受拉伸表面均未見裂紋，表明覆層焊縫金屬經(jīng)6 h焊后熱處理后，耐應力腐蝕性能良好，其中立焊位置試樣試驗前后對比如圖8所示。

圖8 應力腐蝕E法試驗前后試樣圖片F(xiàn)ig.8 Sample images before and after stress corrosion E method test

2.4 覆層晶間腐蝕試驗

（1）根據(jù)GB/T 4334—2020標準中C法的要求，截取覆層焊縫金屬，并按圖9制備試樣。

圖9 晶間腐蝕C法試樣尺寸Fig.9 Sample size of intergranular corrosion C-method

測量試樣尺寸、計算表面積，并稱重。將試樣放入65%硝酸溶液中，試樣經(jīng)5個周期腐蝕，每周期須連續(xù)煮沸48 h后，在流水中用軟刷子刷掉表面腐蝕產(chǎn)物，洗凈、干燥、稱重。橫焊、立焊、仰焊三個位置的試樣平均腐蝕速率均小于設計要求的0.6 g/（m2·h），其中立焊位置試樣的具體試驗數(shù)據(jù)見表8。

表8 晶間腐蝕試驗（C法）腐蝕速率結果（單位：［g·（m2·h）-1］）Table 8 Corrosion rates of intergranular corrosion test （Method C）

（2）根據(jù)GB/T 4334-2020 標準中E法的要求，截取覆層焊縫金屬，并按圖10制備試樣。

圖10 晶間腐蝕E法試樣尺寸Fig.10 Sample size of intergranular corrosion E method

將試樣放入16%CuSO4溶液，保持微沸狀態(tài)，試驗20 h后取出試樣，洗凈、干燥，進行180°彎曲試驗，彎曲后的試樣經(jīng)10×放大鏡觀察。橫焊、立焊、仰焊三個位置的試樣均未見裂紋，其中立焊位置試樣彎曲后圖片如圖11所示。

圖11 晶間腐蝕E法試驗后試樣圖片F(xiàn)ig.11 Sample image after intergranular corrosion E method test

由晶間腐蝕試驗（C法、E法）結果可看出，覆層焊縫金屬經(jīng)6 h的焊后熱處理后，耐晶間腐蝕性能良好。雖然結果均合格，但是實際球罐整體熱處理時仍應采取相應的改進措施，避免覆層過多停留在敏化溫度范圍內(nèi)（450～850 ℃），因為敏化會減弱覆層的耐晶間腐蝕能力，且隨著時間的延長，減弱的幅度不斷增加［9］。

2.5 復合板坡口未貼合的修復工藝研究

復合板爆炸焊復合過程中，由于爆炸能量的不均勻性，會出現(xiàn)基材與覆材局部未貼合現(xiàn)象；在坡口切割或焊接過程中，坡口邊緣覆層與基層受熱后也可能產(chǎn)生未貼合。對坡口邊緣未貼合可進行焊接修復，但應引起充分重視。經(jīng)試驗研究，當基層E5515-N2焊條在E309LMo過渡層上施焊，對過渡層不銹鋼的稀釋率高達60%～70%，導致在焊縫交界面處產(chǎn)生硬度高達400 HB的馬氏體組織，如圖12所示（注：第1層為E309LMo焊條的焊縫，第2層及以上為E5515-N2焊條的焊縫）。在應力作用下，高硬度的馬氏體組織將會導致焊縫中形成裂紋。

圖12 焊接接頭硬度Fig.12 Hardness of welded joints

因此本項目制造過程中出現(xiàn)的坡口邊緣未貼合，制造單位修復后，對相應部位的位置、深度和范圍均作出詳細標記，以便現(xiàn)場球罐安裝焊接到此位置時可以作相應調(diào)整，避免出現(xiàn)E5515-N2焊條在修復部位過渡層不銹鋼焊縫金屬及熔合區(qū)內(nèi)施焊的情況。對于坡口未貼合部位，參照NB/T47016-2011標準按圖13所示將覆層往下除去1.0～2.0 mm，再根據(jù)制定的焊接工藝分別采用E309LMo-16、E316L-16焊條焊接修復。

圖13 復合板修復補焊示意Fig.13 Schematic diagram of repair welding for composite plates

3 結論

（1）厚度為46 mm+3 mm 的Q370R/S31603復合板球罐，采用非對稱X型坡口，在E5515-N2焊接基層、E309LMo焊接過渡層及E316L-16焊接覆層的工藝情況下，基層焊接接頭的力學性能仍滿足要求，且韌性數(shù)據(jù)富余量較大；

（2）試板經(jīng)（590±15） ℃×6 h焊后熱處理，覆層焊縫金屬的抗硫化物應力腐蝕試驗（E法）、晶間腐蝕試驗（C法、E法）均合格，耐蝕性能良好，焊接工藝、熱處理工藝選擇較合適。但在球罐整體熱處理時，需采取改進措施，盡可能縮短覆層在敏化溫度區(qū)間的停留時間。

（3）復合板的過渡層焊縫參與了主體焊縫的強度，建議NB/T47014修訂時按不銹鋼與低合金鋼組合焊縫來考慮。

（4）制造單位在進行復合板坡口未貼合的修復時應做好詳細標記，以便現(xiàn)場球罐安裝焊接到相應位置時可作出調(diào)整，避免出現(xiàn)E5515-N2焊條在修復部位過渡層不銹鋼焊縫金屬及熔合區(qū)內(nèi)施焊的情況。