低温压力容器的焊接制造

1、低温压力容器的焊接制造杨志军 杨凤华 郭焱霞摘要：甲醇生产过程常处于-70左右的低温工况，设备是否可以安全使用对制造容器用的材料及焊材有很高的要求，尤其是低温冲击韧性要求。本文通过对国产09MnNiDR及ASME规范材料SA203-D等低温材料的焊接试验及生产应用，总结了低温钢焊接的特点及焊接时易出现的问题，明确了焊接时应注意的要点。关键词：低温钢、焊接材料、焊接工艺评定、生产1、 前言低温钢主要用于低温下工作的压力容器、管道等，工作温度常在-20以下。低温钢主要分不含Ni及含Ni两大类，对低温钢的主要性能要求是保证在使用温度下具有足够的韧性及抵抗脆怀破坏的能力。低温用钢一般是合金元素的固溶强

2、化、晶粒细化，并通过正火或正火加回火（调质处理）处理细化晶粒、均匀组织，而获得良好的低温韧性。低温钢中的Ni、Mn等元素可抑制脆性转变温度的提高，为有利元素，而C、P、S、Si、O等则会提高脆性转变温度，为有害元素，其中C、P的影响尤为显著。低温钢在回火时，沿晶会有碳化物析出分布，回火温度高会使碳化物长大而影响低温冲击韧性。我公司近期承接了为数不少的低温压力容器设备的制造任务，其中甲醇洗涤塔是国内目前采用09MnNiDR材料制造的容积最大的低温压力容器设备，名义使用温度为-70。还有采用ASME规范材料SA203-D（名义使用温度为-101）制造的一些塔设备。2、 材料设备用板材的化学成分材料

3、名称化 学 成 分CMnSiVAlNiNbSP标准 要求09MnNiDR0.121.21.60.150.60.0150.30.80.040.0200.025SA203-D0.170.70.150.33.253.750.0400.035实际值09MnNiDR0.0841.420.320.00060.0270.780.020.010.009SA203-D0.070.660.20.0053.590.010.010.008设备用板材的力学性能材料名称力学性能s/Mpab/Mpa5/%Akv/J标准 要求09MnNiDR2604305602370：27SA203-D25545152924101：34实际

4、值09MnNiDR3534553570：260、266、272SA203-D32654331101：47、38、49焊材的化学成分焊材牌号化学成分CMnSiSPNiCrCu标准 要求W707Ni0.051.250.50.0350.0352.02.75H07MnNiDR SJ603W0.100.30.010.0153.00.35E7016-C2L0.051.250.50.030.033.03.75F7P15-ENi3-Ni30.121.60.80.0250.032.83.80.150.35实 际 值W707Ni0.070.790.210.0030.0112.37H07MnNiDR SJ603W0

5、.030.750.20.0040.0083.540.03E7016-C2L0.0470.6160.2280.0090.013.7360.0490.023F7P15-ENi3-Ni30.0470.9120.30.0040.0073.2560.0290.053焊材的力学性能焊材牌号力学性能s/Mpab/Mpa5/%Akv/J标准 要求W707Ni4605501970：47H07MnNiDR SJ603W380480-6502270：47E7016-C2L39048025101：41F7P15-ENi3-Ni340048066022101：41实 际 值W707Ni51060027.570：96、9

6、5、88H07MnNiDR SJ603W4305303270：120、142、115E7016-C2L43249633.7101：152、139、141F7P15-ENi3-Ni346454929.8101：103、68、833、 焊接工艺评定为保证设备在今后生产过程中能安全有效的在低温工况下使用，针对低温钢材料做了不同条件和焊接方法的焊接工艺评定试验。低温钢通过调质处理后具有很细的晶粒度，焊接接头区域同样也需要有细的晶料度，以保证良好的低温韧性。影响低温钢焊接接头力学性能，尤其是低温冲击韧性的工艺因素，主要是焊接线能量。线能量的公式： E=I U/v E焊接线能量(KJ/cm)I焊接电流(A

7、)U电弧电压(V)v焊接速度(cm/s)电弧有效功率系数：埋弧焊取0.85，焊条电弧焊取0.8由此公式可看出：焊接电流、电弧电压增大，焊接速度减少会使焊接线能量增大。焊接线能量增大，焊缝冷却凝固缓慢，使焊缝的厚度、宽度增加。焊缝组织变得粗大，焊缝晶粒间会出现连续的碳化物析出分布，使低温冲击韧性显著降低。同时新焊道对上一层焊缝有回火作用，正常的线能量的回火作用会使焊缝的性能提高，而大的线能量会造成回火温度高，会降低低温冲击韧性指标。相关资料介绍，对于低温钢的焊接，采用焊条电弧焊时线能量最大不易超过20KJ/cm，埋弧焊时线能量最大不易超过25KJ/cm。从以上分析可以看出：低温钢焊接时控制线能量

8、的大小是尤为关键的。采用小线能量、多层多道焊，较低的层间温度有利于焊缝形成细化的晶粒组织，通过焊道间的回火作用使焊缝具有较好的低温冲击韧性。据此，我们编制了焊接工艺指导书，采用多层多道焊焊接工艺评定试板。埋弧焊较焊条电弧焊有较高的焊接效率，但是单层焊缝厚度较大，会弱化焊道间的回火作用。为此，我们在制定方案时决定厚度在16mm以上的对接焊缝采用埋弧焊，16mm以下的采用焊条电弧焊。焊接工艺评定试板经过消应力热处理后，对试板取试样进行了力学性能试验，取得了较理想的数据，说明制定的焊接工艺规范参数可以满足焊接要求。各项数据见下表：焊接工艺评定规范参数:试板材料厚度mm焊接方法层数焊接材料焊材规格 m

9、m焊接电流 A电弧电压 V焊接速度焊接线能量 KJ/cm焊后热 处理09MnNiDR62SAW21H07MnNiDR SJ603W445052032-3426-28m/h16-21正火+回火+消应力09MnNiDR40SMAW SAW10W707Ni H07MnNiDR SJ603W4130160 50055022-24 30-3214-19cm/min 26-28m/h9-16 16-19消应力09MnNiDR16SMAW7W707Ni414016022-2414-19cm/min 9-16消应力09MnNiDR18GMAW (Ar+CO2)7HS09MnNiDR1.216018028-30

10、18-27cm/min10-18消应力SA203-D18SAW8F7P15-ENi3-Ni33.238042028-3026-28m/h12-16正火+回火+消应力SA203-D16SAW7F7P15-ENi3-Ni33.238042028-3026-28m/h12-16消应力SA203-D18GMAW (Ar+CO2)7HS09MnNiDR1.216018028-3018-26cm/min10-18消应力SA203-D14SMAW7E7016-C2L45140150 16019022-24 22-2414-19cm/min 9-16 11-19消应力焊接工艺评定力学性能：试板材料厚度 mm焊

11、接方法抗拉强度 b/Mpa侧弯冲击功 Akv/J硬度 HV焊缝热影响区(HAZ)母材HAZ焊缝09MnNiDR62SAW478、468 467、470无裂纹188、156、90/145231、253、278/25413413713709MnNiDR40SMAW SAW541、540无裂纹77、36、65/ 59 73、60、47/ 60115、36、96/82 190、216、176/194/09MnNiDR16SMAW512、512无裂纹180、60、94/ 111185、205、194/195/09MnNiDR18GMAW (Ar+CO2) 486、486无裂纹134、156、147/ 1

12、46141、113、146/133143148149SA203-D18SAW512、528无裂纹96、84、120/ 100240、35、198/158149149148SA203-D16SAW555、553无裂纹80、78、54/ 7144、129、137/103155170167SA203-D18GMAW (Ar+CO2)520、523无裂纹73、78、107/ 86118、179、173/157154161172SA203-D14SMAW548、550无裂纹90、92、87/ 90230、199、200/2101661701674、焊接生产根据焊接工艺评定试验的结果编制了焊接工艺规程，并

13、在工程施工前对相关车间、处室进行了工艺贯彻，讲解了低温钢焊接时应注意的事项，并对车间焊工进行了培训、考试，取得了相应的资格证。在施工过程中，车间和检查部门都较为重视，基本能按照工艺要求去做。但是还存在着一些问题，尤其是产品试板力学性能指标出现不合格的现象，影响了工期的顺利进行。出现这些问题的原因主要体现在以下几点：思想认识不到位，没有把低温钢与其它材料严格区分开来，头脑中存在着只要无损检测没有问题就算合格的意识。无损检测只是一种手段来判定在焊接接头内部是否存在有缺陷，而不能当做能否满足力学性能要求的依据，只有对产品试板的焊接接头进行破坏性试验才是最终检验焊接接头是否合格的依据，。不能完全贯彻工

14、艺，焊接工艺上的每一个参数都是根据合格的焊接工艺评定数据而来的，不是工艺人员凭空杜撰出来的。如果偏离了这些规范参数，就会使焊缝的性能出现偏差。线能量变大，使焊接接头力学性能变差。在一次处理问题时，发现现场焊接电流偏大，焊接速度缓慢，与焊接工艺中制定的规范参数有较大偏离，从而导致线能量增大，对日后设备的使用可能造成隐患。基于这种情况，决定将此焊缝清除掉，按照焊接工艺规范参数重焊。采用较小的线能量所得到的焊缝薄而窄，而采用大线能量焊接出的焊缝宽而厚，晶粒粗大，性能变差。以埋弧焊为例进行实测，焊接电流、电弧电压及焊接速度对焊缝尺寸的影响见下表：焊丝直径 （mm） 焊接电流（A）电弧电压（V）焊接速度

15、（m/h） 焊缝宽度（mm）焊缝厚度（mm）焊接线能量 KJ/cm450030-322613218455032-342615.52.521460034-362616.5325465034-362618327450030-3220162.524455032-342019326460034-362020.5332465034-3620213.535470038-4015353.554由上表可以看出，随焊接电流、电弧电压的不断增大，焊缝宽度及厚度也会增加。当焊缝宽度为35时，焊接电流、电弧电压范围已远超出工艺的要求，线能量也超出最大允许值2倍以上。而这种情况在平常的实际生产中也常出现。对焊缝断面抛光

16、后浸蚀，会显现出焊缝的宏观金相，可以明显地看出焊缝的层数。焊条、焊剂使用上不能完全按照要求去做，一次领用太多，不能在满4小时后将剩余焊条或焊剂退库重新烘干。这样做会使焊条药皮和焊剂吸潮使焊缝中存在较多的氢，使焊缝出现气孔及裂纹的机率增大。产品试板出现不合格的情况。出现的原因是多种的，但是主要的原因还是由于超规范引起的。在某一工程中我们对09MnNiDR材料专门按大规范和正常规范焊接了产品焊接试板。低温冲击韧性及硬度值见下表：焊接规范试板材料厚度 焊接方法冲击功 Akv/J硬度 Hv焊缝热影响区（HAZ）母材HAZ焊缝正常09MnNiDR22SAW156、24、154261、259、251143163182大09MnNiDR22SAW18、26、44248、250、237148167179从上表可见，采用正常规范的焊接试板焊缝冲击功数值高，而采用大规范焊接的产品试板冲击功就很低，达不到合格指标。从硬度上可以看出，两者之间没有大的差别。说明硬度值不足以直观的反映出焊缝冲击韧性的好坏。这里重点提出的是，焊接试板的力学性能代表了设备所具有的性能。试板力学性能不合格，代表着设备焊接接头不合格。补做试件或重新调整设备热处理状态既耽误工期又增加费用，甚至使设备无法通过检验而出厂，给企业带来损失。所以如何焊好试板就是整个设备制造中最重要的环节之一。5