低溫奧氏體不銹鋼塔器的焊接工藝方法介紹

 浙江至德鋼業(yè)有限公司對奧氏體不銹鋼的焊接性進(jìn)行了分析。在保證焊縫-120℃低溫沖擊韌性的同時，選擇了經(jīng)濟(jì)的焊接材料，采用了合理的焊接方法，取得了良好效果。公司承接中國石化80萬噸/年乙烯工程項(xiàng)目，其中有一臺低溫不銹鋼塔器，制造標(biāo)準(zhǔn)為GB 150—2011《壓力容器》及JB/T 4710—2005《鋼制塔式容器》，筒體材料為S30408奧氏體不銹鋼，筒體有φ2600、40mm和φ3400、52mm兩種規(guī)格；上封頭壁厚為44 mm，下封頭壁厚為54 mm，中間設(shè)有變徑段，設(shè)計(jì)溫度為-115℃，設(shè)計(jì)壓力為3.8MPa。主體A、B類焊接接頭100%RT，根據(jù)JB/T 4730—2005《承壓設(shè)備無損檢測》，Ⅱ級合格。設(shè)備總長61.21m，金屬總質(zhì)量251噸。

 分析：GB 150.4—2011《壓力容器第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》第7.2.3條規(guī)定：設(shè)計(jì)溫度低于-100℃且不低于-196℃的鉻鎳奧氏體不銹鋼容器，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)溫度選擇合適的焊接工藝，母材應(yīng)為含碳量小于或等于0.1%的鉻鎳奧氏體不銹鋼；在相應(yīng)的焊接工藝評定中，應(yīng)進(jìn)行焊縫金屬的低溫夏比（V形缺口）沖擊試驗(yàn)，在不高于設(shè)計(jì)溫度下的沖擊吸收功（KV2）不得小于31 J。此臺壓力容器結(jié)構(gòu)龐大、筒體較厚，焊接有一定難度。

一、S30408不銹鋼母材焊接性分析

 奧氏體鋼由于具有較高的變形能力且不可淬硬，總的來說焊接性良好，但是為了全面保證焊接接頭的質(zhì)量，往往需要解決一些特殊的問題，如焊接接頭晶間腐蝕、焊接熱裂紋以及鐵素體含量等。

 1. 晶間腐蝕

 在腐蝕介質(zhì)作用下起源于金屬表面并沿晶界深入內(nèi)部，使晶粒結(jié)合力損傷，嚴(yán)重時材料強(qiáng)度幾乎消失，這種現(xiàn)象稱為晶間腐蝕。不銹鋼的晶間腐蝕，通常用“貧鉻”理論解釋，即固溶于不銹鋼中的碳在450～850℃加熱（最危險(xiǎn)的“敏化溫度”為650℃左右），在晶界附近生成Cr23C6并沿晶界析出。由于碳比鉻向晶界擴(kuò)散快，形成碳化物所消耗的鉻大量取自晶界附近，導(dǎo)致晶界貧鉻。當(dāng)鉻降低于耐腐蝕的極限含量（12%）時，就出現(xiàn)晶間腐蝕。防止晶間腐蝕的措施有：

  a. 采用超低碳（≤0.03%或更低）。

  b. 添加Ti或Nb等穩(wěn)定化元素，并經(jīng)850～950℃穩(wěn)定化處理，形成固定碳的TiC或NbC。

  c. 固溶處理（1 010～1 120℃加熱后適當(dāng)快冷），使Cr23C6固溶于奧氏體[2]。

 2. 焊接熱裂紋

 奧氏體不銹鋼焊接時產(chǎn)生的裂紋是熱裂紋，在焊縫和熱影響區(qū)都可能出現(xiàn)，焊縫中主要是結(jié)晶裂紋，熱影響區(qū)及多層焊層間金屬則多為高溫液化裂紋，二者都與由于偏析而導(dǎo)致的晶間液化有關(guān)。在鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫金屬中，低熔點(diǎn)共晶物磷、硫、硅、碳含量較高時，就可能在結(jié)晶后期以低熔點(diǎn)液膜的形式存在于奧氏體柱狀晶體之間，當(dāng)焊接熔池繼續(xù)冷卻而產(chǎn)生收縮時，被液膜分隔的晶體邊界就會被拉開而形成裂紋。由于低熔點(diǎn)共晶液膜的存在，凝固時間越長，產(chǎn)生熱裂紋的傾向越高，而焊接熱輸入決定焊縫金屬在高溫區(qū)停留的時間，所以，焊接熱輸入越大，產(chǎn)生熱裂紋的傾向越大。由于奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率小，線膨脹系數(shù)大，也延長了焊縫金屬在高溫區(qū)停留的時間，同時焊接區(qū)在冷卻期間焊接接頭必然承受較大的拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致熱裂紋的產(chǎn)生。防止焊縫結(jié)晶裂紋的措施：嚴(yán)格控制有害雜質(zhì)，主要是硫、磷含量；調(diào)整焊縫金屬為雙相組織；合理進(jìn)行合金化；使焊縫金屬中存在一定量的鐵素體；減少熔池過熱和接頭殘余應(yīng)力。

 3. 鐵素體含量控制

 奧氏體不銹鋼焊縫中含適量的鐵素體組織，可有效抑制熱裂紋和提高抗晶間腐蝕性能，δ相可有效消除γ相組織的方向性并使其細(xì)化，進(jìn)而避免低熔物質(zhì)在晶界上析集而形成不連續(xù)分散狀態(tài)，因而可緩和有害雜質(zhì)的不良作用。4%～8%的鐵素體組織抑制焊接熱裂紋效果最佳，為此希望能有5%左右的鐵素體組織[4]。但當(dāng)鐵素體組織超過3%～4%時，會降低焊縫的低溫沖擊韌性。顯然，通過使焊縫金屬生成鐵素體以提高焊縫的抗裂性與保證焊縫金屬的低溫沖擊韌性是相互矛盾的，必須限制鐵素體相的數(shù)量。鐵素體盡可能地少或焊縫為單相的奧氏體組織，低溫沖擊韌性就高。兼顧抑制熱裂紋又不影響焊縫低溫韌性，較佳的鐵素體含量為2%左右[5]。

二、焊接工藝評定

 S30408不銹鋼可以采用手工電弧焊、埋弧焊以及鎢極氬弧焊等熔焊方法，焊接接頭具有相當(dāng)好的塑性和韌性。但當(dāng)以較高的熱輸入量焊接奧氏體不銹鋼時，焊接接頭的熱裂傾向高，其耐蝕性亦會下降。經(jīng)試驗(yàn)，各種焊接方法、焊接材料沖擊韌性指標(biāo)如表所示。

 以上幾種焊接方法和焊接材料的焊縫金屬鐵素體含量實(shí)測值在5.1%～7.6%之間，可以滿足鐵素體含量4%～8%良好抗裂性要求。從經(jīng)濟(jì)性和工藝性綜合考慮，焊材選用如下：鎢極氬弧焊ER308L、手工電弧焊E308L-16、埋弧焊HJ107-ER308。根據(jù)容器厚度共做了6項(xiàng)焊接工藝評定，其中包括：

  1. 焊態(tài)：GTAW：8 mm一項(xiàng)，14 mm一項(xiàng)；SMAW：8 mm一項(xiàng)，38 mm一項(xiàng)；SAW：38 mm一項(xiàng)；

  2. 封頭固溶：SAW：38 mm一項(xiàng)。按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》和GB 150.4—2011《壓力容器第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》7.2.3條規(guī)定，對工藝評定試板做機(jī)械性能試驗(yàn)和熱影響區(qū)與焊縫-120℃低溫韌性沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果全部合格。

三、容器焊接

 1. 焊前準(zhǔn)備

   a. 坡口加工：通過查閱相關(guān)資料、依據(jù)焊接經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合公司實(shí)際情況，決定40 mm采用Y形坡口，鈍邊7 mm；44 mm、52 mm、54 mm采用X形坡口，鈍邊6 mm；52 mm、44 mm與40 mm對接接頭按3:1削薄厚板邊緣，坡口用刨邊機(jī)加工。

   b. 焊接前，先將焊條E308L-16烘干，100～150℃保溫1 h；埋弧焊焊劑HJ107烘干，200～300℃保溫2 h。

   c. 根據(jù)合格的焊接工藝評定編制焊接工藝規(guī)程（WPS），要求焊工在焊接過程中必須嚴(yán)格執(zhí)行本焊接工藝規(guī)程規(guī)定。施焊前，由檢驗(yàn)人員確認(rèn)焊工資格。容器縱焊縫進(jìn)行組對、定位，定位焊采用手工電弧焊，焊接工藝與正式焊接時相同。定位焊縫長度宜為80～100 mm，且不超過壁厚的2/3，間距200 mm；定位焊均勻分布，不宜少于4～5點(diǎn)；焊縫應(yīng)保證焊透并熔合良好，且無氣孔、夾渣等缺陷；焊縫應(yīng)平滑過渡到母材，并將焊縫兩端削成斜坡。組對時，工卡具的材料應(yīng)與母材相同，焊接同正式焊相同，卡具去除后應(yīng)用砂輪打磨，不得用敲打、掰扭等方法。（4）將坡口表面30～40 mm范圍內(nèi)的雜質(zhì)、油污等清理干凈，焊絲表面用丙酮擦拭除油處理。手工電弧焊時，坡口兩側(cè)各100 mm范圍內(nèi)涂防沾劑白堊粉。

 2. 焊接工藝

  首先焊接封頭拼縫，采用埋弧焊。拼接完畢后外協(xié)壓制封頭，封頭熱壓成型，成型后做固溶處理。并進(jìn)行100%RT檢測，按JB/T 4730.2—2005《承壓設(shè)備無損檢測第2部分射線檢測》，Ⅱ級合格；100%PT檢測，按JB/T 4730.4—2015《承壓設(shè)備無損檢測第4部分磁粉檢測》，Ⅰ級合格。其次進(jìn)行筒節(jié)縱縫與對接環(huán)縫焊接，然后進(jìn)行筒節(jié)和封頭的對接環(huán)縫焊接。主體縱、環(huán)焊縫采用埋弧焊，接管與殼體焊縫采用手工電弧焊，接管與法蘭對接環(huán)縫采用鎢極氬弧焊和手工電弧焊。

  注意事項(xiàng)：焊接時，采用小線能量、短電弧，不擺動或小擺動方法，快速焊；宜采用多層、多道焊，控制道間溫度≤150℃，每一道完成后，均應(yīng)徹底清除焊道表面的焊渣，并消除各種表面缺陷，每層焊道的接頭應(yīng)錯開，且不小于20 mm。鎢極氬弧焊時，焊絲前端應(yīng)置于保護(hù)氣體中，背面充氬保護(hù)。筒體表面嚴(yán)禁電弧擦傷，并嚴(yán)禁在焊件表面引弧、收?。缓附又袘?yīng)保證引弧與收弧質(zhì)量，收弧時應(yīng)將弧坑填滿，并用砂輪將收弧處修磨平整。焊接完畢，必須及時將焊縫表面的焊渣及周圍的飛濺物清理干凈。GB 150.4—2011《壓力容器第4部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》第10.4的d）條規(guī)定“鋼材厚度大于20 mm的奧氏體型不銹鋼、奧氏體-鐵素體不銹鋼容器的對接和角接頭表面應(yīng)進(jìn)行滲透檢測”，設(shè)備主體縱、環(huán)縫探傷按100%RT-Ⅱ級+100%PT-Ⅰ級合格，角接頭按100%PT-Ⅰ級合格。主體縱、環(huán)焊縫RT拍片合格率98%，封頭及主體焊接試板試驗(yàn)結(jié)果合格，說明所編制焊接工藝合理。

四、結(jié)論

  1. 焊接時采用小線能量、快速焊，多層、多道焊，嚴(yán)格控制道間溫度不大于150℃，對坡口及焊絲認(rèn)真進(jìn)行清理，控制污染。選用合理的焊接材料，嚴(yán)格控制焊縫鐵素體含量4%～8%，既滿足了低溫奧氏體不銹鋼低溫沖擊韌性要求，又降低了生產(chǎn)成本。

  2. 采用鎢極氬弧焊+手工電弧焊+埋弧焊綜合焊接方法焊接大型低溫塔器，提高了生產(chǎn)效率，降低了焊工的勞動強(qiáng)度。

  3. 焊縫外觀成型質(zhì)量良好，受到客戶一致好評，設(shè)備安全運(yùn)行至今。