楊曉冬，趙鈺，樊志勤，梁雁斌
(太原重工股份有限公司，山西太原030024)
近年來，一些大型、低溫、深冷容器在石油煉化行業得到普遍應用，低溫鋼在大型壓力容器制造中的焊接加工問題日益增多。09MnNiDR是一種低溫壓力容器用鋼，其主要化學成分為(質量百分數):ω(C)≤0.12%，ω(Si)=0.15% ～0.50%，ω(Mn)=1.20% ～1.60%，ω(Ni)=0.30% ～0.80%。09MnNiDR 與16MnDR比較，具有更優異的低溫韌性，由于添加了鎳元素，09MnNiDR鋼在－70℃低溫條件下，仍能保持相當高的強度和韌性。這種鋼可用于制造低溫、深冷壓力容器，例如CO2吸收塔、脫乙烷塔、中壓閃蒸塔、冷卻器、再吸收塔、丙烷低溫儲罐、甲醇深冷器、粗煤氣深冷器及粗煤氣脫硫塔等設備。
在焊接性分析基礎上，對09MnNiDR鋼的典型焊接接頭進行了焊接工藝評定，并用于實際生產中。
對實際生產用09MnNiDR鋼板進行化學成分分析和力學性能測試，并與標準規定值進行比較，分析與測試結果分別見表1和表2。
由表1可見，09MnNiDR鋼板中鎳、錳、硅等合金元素的含量均在標準規定值內，而碳、硫、磷等元素含量都遠低于標準規定值上限，這表明該鋼材的化學成分符合標準要求。從表2可知，09MnNiDR鋼板的力學性能指標均滿足標準要求，其中低溫沖擊韌性及斷后伸長率遠高于標準規定的最小值，可以有效地確保鋼板在使用溫度下具有足夠的韌性，即抗低溫脆性破壞能力。
表1 09MnNiDR鋼板的化學成分(質量分數，%)
Si Mn S P Ni Nb Al GB3531—2014 ≤0.12 0.15 ～0.50 1.20～1.60 ≤0.008 ≤0.020 0.30～0.80 ≤0.04 ≥數據來源C 0.020實測值0.080 0.31 1.47 0.003 0.008 0.54 0.02 0.029
表2 09MnNiDR鋼板的力學性能
/J GB3531—2014 20 +NT 430～560 ≥280 ≥23 合格 ≥60數據來源板厚δ/mm供貨條件抗拉強度Rm/MPa屈服強度ReL/MPa斷后伸長率A(%)彎曲試驗(D=40 mm，α =180°)沖擊吸收能量KV2(－70℃)實測值 20 +NT 490 390 36 合格?124，134，163(平均值140)
09MnNiDR鋼板的金相組織為鐵素體加少量珠光體，根據09MnNiDR鋼板的實測化學成分，按照CEIIW=ω(C) +1/6ω(Mn) +1/5ω(Cr)+1/5ω(Mo) +1/5ω(V)+1/15ω(Cu)+1/15ω(Ni)碳當量計算公式，得到使用09MnNiDR鋼板的CEIIW=0.365 wt.%≤0.40 wt.%，焊接時淬硬傾向較小，不易產生冷裂紋，鋼板厚度為20 mm時通常無需預熱。同時，09MnNiDR鋼板的合金元素總質量分數僅為2.42%，遠低于5%，而且C，Ni含量低，S，P等有害元素控制較嚴，熱裂紋敏感性也很低。從焊接裂紋傾向分析，09MnNiDR鋼板的焊接性良好。因此，正確選擇焊接材料、采用合適的焊接工藝及參數，并配合焊后熱處理，防止焊接接頭組織粗化，確保焊縫金屬和熱影響區的低溫韌性是焊接技術關鍵。
針對低溫、深冷容器設備CO2吸收塔中的典型焊接接頭進行焊接工藝評定。CO2吸收塔主體焊接構件直徑2 400 mm，總長度69 270 mm，采用的主要鋼材為09MnNiDR，厚度多為20 mm。制定的焊接工藝規程中，焊接接頭形式及尺寸見圖1，其它焊接工藝規程主要內容有:(1)焊接材料為HS09MnNiDR(φ1.2 mm)低溫鋼實心焊絲;(2)采用半自動(或自動)熔化極富氬氣體保護(MAG)焊接方法，保護氣體為80%Ar+20%CO2混合氣，保護氣流量為15～18 L/min;(3)由于試板厚度為20 mm，需要進行多道多層焊接如圖2，并注意封底焊道不出現熔合不良、氣孔等焊接缺陷;(4)所有焊接接頭進行百分之百X射線探傷;(5)焊后退火熱處理參數為(560℃ ±10℃)×1.5 h。
CO2吸收塔屬于薄板細長焊接結構件，常采用全位置焊接，焊接工作量相對較少，但其焊縫質量要求高
圖1 試板尺寸及接頭形式
圖2 焊接接頭焊道分布圖
(全部焊縫要求X射線探傷檢查)。MAG焊具有焊接質量好，工藝性能優良、生產效率高及適應性強等特點，從提高生產效率和確保焊縫質量的觀點出發，決定選用MAG焊方法制造CO2吸收塔主體焊接構件。主要焊接工藝參數見表3，表3中的焊接電流為平均電流值，脈沖與基值電流選用焊接電源中的標準設定值。焊接工藝規程中規定，焊接接頭封底焊縫使用硬脈沖模式，填充和蓋面焊縫采用中脈沖模式。
表3 焊接參數
焊接電流I/A 焊接電壓U/V 極性 數值焊接速度v/(cm·min－1)熱輸入E/(kJ·cm－1)道間溫度T2/℃直流反接 230～240 23～24 22～26 10～11 ≤120
焊接工藝評定是保證焊接質量的重要措施，可以檢查對各類焊接接頭編制的焊接工藝指導書的正確性和合理性。根據國家標準“鋼、鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗”(GB/T19869.1—2005)［1］及國際標準“金屬材料焊接程序的規范和鑒定.焊接程序試驗。第1部分:鋼的弧焊和氣焊以及鎳和鎳合金的弧焊”(ISO15614-1-2004)［2］及“承壓設備焊接工藝評定(NB/T47014—2011)［3］”，使用 09MnNiDR 低溫鋼進行焊接生產前，首先要對擬訂的焊接工藝規程進行焊接工藝評定，主要內容有:母材與焊材的質量檢驗;焊接方法及工藝參數的合理性;焊接缺陷檢驗;焊接接頭使用性能檢測;主要焊接工藝措施驗證等。
3.1 母材與焊材質檢
從國內某大型鋼廠按GB3531—2014［4］標準提供的09MnNiDR(δ=20 mm)一批低溫鋼板中，隨機抽取一張進行化學成分分析和力學性能測試，其檢測數據見表1和表2，該鋼材的化學成分和力學性能指標均滿足標準要求。
對國內某品牌焊材公司提供的HS09MnNiDR(φ1.2 mm)低溫鋼實心焊絲，按照企業標準(Q/HWE520—2005)分別進行化學成分分析和熔敷金屬力學性能試驗，測試結果見表4和表5。
表4 焊絲化學成分(質量分數，%)
Mn Si S P Ni Cu焊絲說明書 ≤0.12 ≤1.20 ≤0.80 ≤0.010 ≤0.015 ≥2.50 ≤數據來源C 0.35實測值0.043 0.99 0.41 0.001 4 0.003 7 3.49 0.035
表5 焊絲熔敷金屬力學性能
/J焊絲說明書 620℃ ×1.5 h 450～620 ≥280 ≥22 ≥數據來源 焊后退火熱處理工藝抗拉強度Rm/MPa屈服強度ReL/MPa斷后伸長率A(%)沖擊吸收能量KV2(－70℃)27實測值 620 ℃ ×1.5 h 565 432 26 110，112，115
從表4及表5實測數據可以看出，HS09MnNiDR低溫鋼焊絲的錳、硅及鎳等合金元素含量均在標準規定值內，而碳、硫、磷等有害元素含量控制嚴格，焊絲化學成分符合要求。焊絲熔敷金屬強度適中，塑韌性良好，－70℃低溫沖擊韌性值接近母材水平，焊材質量合格。
3.2 焊接方法、工藝參數及焊接缺陷控制
在擬訂的焊接工藝規程中，對圖1焊接接頭的全位置焊縫采用多層半自動熔化極富氬氣體保護(MAG)焊接方法，這種焊接方法焊工易于操控，利于保證焊接質量。但是，由于CO2吸收塔主體焊接構件尺寸大，焊接電源與焊接位置距離較遠，對電源與送絲機的性能及連續工作穩定性有很高要求。
多年焊接實踐表明，焊接電源與送絲機系統的性能對保證焊接質量非常重要，而焊接產品性能指標的提高也促進了焊接系統的發展。例如，焊接09MnNiDR低溫鋼板，要求使用CO2/MAG焊機，早期為YD-500KR一元化調節機型，后來為YD-500GR全數字機型。近年來推出YD-500FR及YD-500ER數字逆變機型，施焊時只需調節焊接電流按鈕，便可獲得與之相匹配的焊接電壓參數和電弧控制參數，而且與其配套的送絲系統采用了IVF專利技術，送絲力強勁且穩定性好，即使在40 m延長電纜的特殊情況下，仍能確保送絲的穩定性，比較適合CO2吸收塔這種大型焊接構件的生產。但是，分別使用 YD-500KR和 YD-500FR機型進行09MnNiDR低溫鋼焊接工藝評定時，焊后做試板X射線探傷檢查發現，在焊縫中間部位發現大量斷續點狀小氣孔，使得焊接質量達不到技術要求。
焊縫氣孔主要取決于熔池凝固速度和氣體逸出速度的快慢，當熔池凝固速度高于氣體逸出速度時，利于產生焊縫氣孔，反之可避免氣孔形成。采用的低溫鋼焊絲含鎳量高達3.49 wt.%，焊接過程中熔池金屬粘性
較大、流動性差，會遲滯氣體逸出速度，導致焊縫氣孔。
考慮到脈沖電流對熔池有攪拌作用，可提高氣體逸出速度，有利于防止氣孔等缺陷。經與弧焊電源供應商討論研究，采用帶有軟、中、硬三種脈沖模式的 YD-400GE型全數字控制電源，在焊接工藝評定中，分別調節焊接接頭封底、填充和蓋面焊道的脈沖模式，不僅獲
得了成型良好的焊接接頭，而且X射線探傷檢查表明，焊接試板完全符合技術要求，解決了因氣孔問題造成焊接質量不達標的問題。
3.3 焊接接頭焊后熱處理、金相檢查及使用性能檢測
焊接工藝評定試板焊接完成，進行表面清理后，首先按國家行業標準“承壓設備無損檢測，第2部分:射線檢測”(JB/T4730.2—2005)［3］進行 X 射線探傷，檢測結果為Ⅰ級焊縫。然后，按照焊接工藝規程對試板進行(560℃ ±10℃)×1.5 h退火熱處理，退火工藝曲線見圖3，冷卻至室溫后，將試板進行機械加工，做金相檢查和接頭力學性能試驗。
圖3 焊接工藝評定試板焊后退火熱處理工藝曲線
根據“金屬材料焊縫的破壞性試驗——焊縫的宏觀和顯微金相檢查”(EN1321)［2］對焊接接頭進行低倍金相檢查。經磨平、拋光、熱酸浸蝕制備的焊接接頭低倍金相照片見圖4，兩側母材腐蝕較深，中間焊縫金屬因含鎳量高腐蝕較淺。觀察接頭未發現裂紋、未熔合、未焊透、氣孔等焊接缺陷，余高合適，表明焊接接頭成形良好。
圖4 焊接接頭低倍金相照片
根據“焊接接頭拉伸試驗方法(GB/T228.1—2010)［3］、焊接接頭彎曲試驗方法(GB/T232—2010)［3］和焊接接頭沖擊試驗方法(GB/T229—2007)［3］”對焊接接頭進行板狀拉伸與彎曲試樣、焊縫和熱影響區金屬“V”形缺口沖擊試樣的取樣、加工及試驗。焊接接頭的拉伸、彎曲及低溫沖擊試驗結果列于表6中。根據測試結果，2個焊接接頭拉伸試樣的抗拉強度均為505 MPa，達到了國家標準對09MnNiDR母材的抗拉強度要求;4個彎曲試樣均合格;－70℃沖擊條件下，焊縫和熱影響區金屬沖擊試樣均達到了國家標準對09MnNiDR母材的抗拉強度要求。但是，因為焊縫金屬為較粗大的鑄造組織，韌性差一些，而熱影響區金屬由于經過焊接中和焊后的兩次熱處理，韌性比母材有所增加。
表6 焊接接頭力學性能檢測結果
抗拉強度Rm/MPa沖擊吸收能量KV2(－70℃)熱影響區 焊縫側彎試驗(彎軸直徑D=40)(彎曲角度α=180°)505，505 4 件合格 165，172，173 99，100，/J 101
從上述主要焊接工藝評定結果來看，母材與焊材質量檢驗、焊接方法及電源的選擇、不同焊道的焊接工藝參數調整、焊接接頭無損探傷、接頭金相檢查及使用性能等測試指標均達到了焊接質量要求，對焊接工藝規程修訂后，可以編制CO2吸收塔用09MnNiDR鋼板的焊接工藝指導書，并用于實際生產中。
CO2吸收塔設計壓力為4.0 MPa，設計溫度為－70℃;工作壓力為3.4 MPa，工作溫度為－27～－62℃。CO2吸收塔產品分為上部、中部、下部以及裙座四部分，均采用09MnNiDR低溫鋼母材拼焊成型。這四部分分別進行裝配焊接后，進行X射線探傷，對局部不合格位置返修，再次X射線探傷合格后，進行退火熱處理消除焊接應力。最后將吸收塔四部分部件進行總裝焊接，對總裝焊接接頭做X射線探傷檢查，結果完全滿足產品技術標準的要求。
(1)對采用09MnNiDR低溫鋼板制造CO2吸收塔的焊接工藝規程進行了焊接工藝評定。
(2)09MnNiDR鋼板的金相組織為鐵素體加少量珠光體，其碳當量為0.365 wt.%，焊接性良好。正確選擇焊材和合適的焊接工藝及參數，防止焊接接頭組織粗化，并配合焊后熱處理改善接頭低溫韌性是焊接技術關鍵。
(3)對焊接方法及工藝參數進行評定時發現，采用多層半自動熔化極富氬氣體保護焊接方法進行全位置焊接，使用功能較完善的全數字控制電源，對封底、填充和蓋面焊道采用不同的脈沖模式進行焊接，可有效防止焊縫氣孔等缺陷。
(4)將成形良好、無缺陷的焊接接頭進行(560℃±10℃)×1.5 h退火熱處理后，按照相關標準取樣測試，焊接接頭力學性能指標均合格。
(5)將焊接工藝評定結果對焊接工藝規程進行補充修訂，編制了CO2吸收塔用09MnNiDR鋼板的焊接工藝指導書，得到了滿足產品焊接技術要求的吸收塔部件和總成。
參考文獻
［1］ 中國國家標準化管理委員會.GB/T19869.1－2005，鋼、鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗［S］.北京:中國標準出版社，2006:4.
［2］ 全國焊接標準化技術委員會.ISO15614－1－2004，金屬材料焊接程序的規范和鑒定.焊接程序試驗第1部分:鋼的弧焊和氣焊以及鎳和鎳合金的弧焊［S］.北京:全國焊接標準化技術委員會秘書處，2006:12.
［3］ 國家能源局.NB/T47014－2011，承壓設備焊接工藝評定［S］.北京:新華出版社，2011:10.
［4］ 中國國家標準化管理委員會.GB3531－2014，低溫壓力容器用鋼板［S］.北京:中國標準出版社，2015:4.
收稿日期:2017－02－13
楊曉冬簡介:1971年出生，本科學歷，工程師;從事焊接工藝、生產及管理工作23年;發表學術論文3篇。
