爆炸焊不銹鋼復合鋼板制造壓力容器難點分析

李小東

摘 要：復合鋼板制壓力容器錯邊量的要求比較嚴格，在制作時，應綜合考慮多方面的因素，將錯邊量控制到最小。不銹鋼-鋼復合鋼板的焊接過程比較復雜，容易產生缺陷，所以，要充分考慮各種影響焊接因素，采用不同的工藝控制缺陷的發生。

關鍵詞：復合鋼板；壓力容器；錯邊量；裂紋

中圖分類號：TG457.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.099

不銹鋼復合鋼板是由較薄的、具有耐腐蝕性的不銹鋼板和較厚的、具有價格和強度性能優勢的碳鋼板通過爆炸焊復合而成的，它不僅經濟，而且有較強的耐腐蝕使用效果，被廣泛應用于石油、化工、醫藥和核工業等領域，其多用于制造介質腐蝕性較強的設備。

1 設備概述

在山西華鑫肥業股份有限公司“18·60”項目中，所使用的設備有淬冷器1臺、變換氣分離器Ⅰ1臺、變換氣分離器Ⅱ1臺，共3臺。淬冷器材料為Q345R+S30408，筒體厚度（22+3）mm，封頭厚度（24+3）mm，設備內徑Φ2 600 mm，介質變換氣（H245%）；變換氣分離器Ⅰ、Ⅱ材料為Q345R+S30408，筒體厚度（16+3）mm，封頭厚度（18+3）mm，設備內徑Φ2 200 mm，介質為氮氫氣、CO2、CO和水蒸氣。

2 制造要求

復合鋼板的對口錯邊量不大于鋼板覆層厚度的50%，并且不大于2 mm，而這幾臺設備的鋼板覆層厚度均為3 mm，所以，錯邊量不得大于1.5 mm，這就需要設備在制造過程中嚴格控制筒節的周長偏差。由于復合鋼板在爆炸焊過程中造成的內部應力不均勻，熱處理、校平處理過程不均勻，所以，筒體在卷制過程中出現了卷制方向的延伸。這時，在卷制過程中，就要控制直徑和厚度相同的筒節，并且滾壓次數也要基本相同。由于設備封頭和筒體厚度不相同，因此，為了保證設備的耐腐蝕性能，就需要將筒體與封頭的覆層對齊。

3 下料

在切割復合鋼板時，采用的是等離子切割方式，在劃線和切割過程中，要嚴格控制周長方向的尺寸，這樣才能保證錯邊量符合相關要求。一般均質鋼板筒體下料尺寸要以實測封頭的外周長為基礎來計算，以中徑展開長度下料。

采用普通均質鋼板制作筒節時，下料尺寸為：

L=π（C/π-2δ封+δn）. （1）

式（1）中：L為筒節實際下料尺寸；C為封頭實測外周長；δ封為封頭理論厚度；δn為筒節理論厚度。

復合鋼板制壓力容器的錯邊量要求比較嚴格，所以，在制作時，要考慮卷制延伸量、焊縫對接間隙和縱焊縫焊接收縮量等因素。由于制成復合鋼板的2種材料的力學性能不同，基層與覆層之間存在過渡的結合面，所以，復合板的性能與基層板和覆層板也都不同，因此，復合鋼板筒體的下料尺寸也與普通均質板的下料尺寸不同。在卷制時，鋼板的中性面向強度比較高的金屬側，即覆層側移動。筒體內壁到中性面距離為：

X={σ1/σ2（δ+δ0）-δ0+k0[δ02/（2R0）]}

/[k0（δ0/R0）+2σ1/σ2]. （2）

式（2）中：σ1，σ2為基層、復層材料的屈服強度下限；δ為復合鋼板理論厚度；δ0為理論覆層鋼板厚度；k0為復層強化系數，一般取k0=210；R0為中性面曲率半徑，mm，可近似認為R0=（C/π-2δ封+δn）/2.

用復合鋼板制作筒節時，下料尺寸為：

L=π（C/π-2δ封1+2X）-ΔL-nb+np. （3）

式（3）中：δ封1為封頭直段邊緣實測厚度；ΔL為卷制周長延伸量；n為筒節縱縫條數；b為縱焊縫對接間隙，b=2；P為縱焊縫環向焊接收縮量，一般取p=3.

卷制周長延伸量為：

ΔL=ηπδn[1+δn/（C/π-2δ封）]. （4）

式（4）中：η為鋼板卷制系數，取0.06.

在制作產品時，測得淬冷器封頭直段外周長為8 338 mm和8 340 mm，取平均值為8 339 mm，厚度取2個封頭直段均布8點厚度的平均值為28.15 mm。變換氣分離器Ⅰ封頭直段外周長為7 047 mm和7 049 mm，取平均值為7 048 mm；變換氣分離器Ⅱ封頭直段外周長為7 044 mm和7 047 mm，取平均值為7 045.5 mm；變換氣分離器Ⅰ厚度取2個封頭直段均布8點厚度的平均值為21.9 mm；變換氣分離器Ⅱ厚度取2個封頭直段均布8點厚度的平均值為22.3 mm。

在制作產品時，對于淬冷器，如果筒體按普通均質鋼板理論展開，其長度為8 247 mm，按復合鋼板筒體展開，其長度為8 231 mm，實際筒體下料尺寸為8 231 mm。對于變換氣分離器Ⅰ，如果筒體按普通均質鋼板理論展開，其長度為6 982 mm，按復合鋼板筒體展開，其長度為6 963.5 mm，實際筒體下料尺寸為6 963.5 mm。對于變換氣分離器Ⅱ，如果筒體按普通均質鋼板理論展開，其長度為6 982 mm，按復合鋼板筒體展開，其長度為6 958 mm，實際筒體下料尺寸為6 958 mm。

對于產品制成后的環縫最大錯邊量，淬冷器為1.0 mm，變換氣分離器Ⅰ為0.8 mm，變換氣分離器Ⅱ為1.1 mm。

4 坡口的選擇

采用等離子弧切割、氣割方法加工坡口，應除去坡口表面的氧化層和過熱層。用等離子切割坡口時，覆層朝上，從覆層側開始切割。用氣割坡口時，基層朝上，從基層開始切割。坡口型式和尺寸如圖1所示。

圖1 坡口型式和尺寸

5 焊接

5.1 異種鋼焊接

不銹鋼復合鋼板基層和覆層過渡部分的焊接為異種鋼焊接，異種鋼的焊接比同種鋼焊接要困難和復雜，既存在因為不同母材之間和母材與填充金屬之間相互作用的不同給冶金帶來的困難，又存在因為物理性能上存在差異而帶來焊接工藝上的困難。基材、覆材和復合鋼板的拉伸力學性能如表1所示。

表1 拉伸力學性能

屈服強度Re/MPa 抗拉強度Rm/MPa 延長率

A/%

δ=（16+3）mm δ=（22+3）mm δ=（16+3）mm δ=（22+3）mm

覆材 Re1≥205 Rm1≥520 A1≥40

基材 Re2≥345 Re2≥325 510≤Rm2≤640 500≤Rm2≤630 A2≥21

復合

鋼板 Re≥（Re1t1+

Re2t2）/（t1+t2）=322.9 Re≥（Re1t1+

Re2t2）/（t1+t2）=310.6 Rm≥（Rm1t1+

Rm2t2）/（t1+t2）

=511.6 Rm≥（Rm1t1+

Rm2t2）/（t1+t2）

=502.4 A≥A2=21

注：t1為覆材厚度，mm；t2為基材厚度，mm；Re為屈服強度標準值，覆材Re1取鋼材的規定非比例延伸強度Rp0.2值，MPa；Rm為抗拉強度標準下限值，MPa

5.2 裂紋產生的因素

由于基材與覆材的線膨脹系數、熱導率和熔點不同，所以，在焊接時，基層與覆層交界處的過渡層容易出現裂紋等缺陷。基材與覆材的成分差異比較大，因此，在焊接過程中，成分稀釋會導致裂紋出現。

5.2.1 線膨脹系數不同的影響

基材與覆材的線膨脹系數不同，當2種金屬焊接在一起時，由于彼此的冷卻收縮不一致，便會引起較大的焊接應力，進而產生焊接裂紋。

5.2.2 比熱容和熱導率不同的影響

基材與覆材的熱導率和熔點不同，導致熱輸入失衡、熔化量不均，改變了焊縫及其兩側的結晶條件。低熔點的金屬過早熔化，就會發生流淌或與高熔點金屬未熔合的情況。因為熔點高的金屬凝固和收縮比較早，所以，使得尚處于部分凝固和薄弱狀態的低熔點金屬產生應力，進而產生裂紋。

5.2.3 成分稀釋的影響

當奧氏體復合鋼板焊接時，由于基層碳鋼板的含碳量高于覆層，所以，在熔焊過程中，基材與焊縫金屬熔合處就會發生碳遷移，從而產生脫碳層（基材母材側）和滲碳層（焊縫熔敷金屬側）。焊縫的奧氏化元素含量不足，便會導致焊縫出現脆性的馬氏體組織，從而惡化接頭性能，進而產生裂紋。

5.3 防止裂紋的措施

防止復合鋼板焊接裂紋可采取的主要措施是：選擇正確的焊接方法、焊接程序，合理選擇填充材料，正確制訂焊接工藝，嚴格遵守操作規程。

5.3.1 選擇焊接方法

基層的焊接宜采用焊條電弧焊、埋弧焊，覆層和過渡層的焊接宜采用鎢極氬弧焊和焊條電弧焊。根據我廠焊接技術和焊接效率，基層可選用埋弧焊加焊條電弧焊，過渡層和覆層可選用焊條電弧焊。

5.3.2 焊接程序

定位焊應在基層上進行，焊接工藝可遵循基層的焊接工藝。在定位焊的過程中，當出現裂紋或其他不允許存在的缺陷時，應鏟除并移位再焊。

在焊接時，應先焊基層，再焊過渡層，最后焊覆層。在焊接基層時，焊道不應觸及和熔化覆層，焊道根部應距復合界面1～3 mm。在焊接過渡層時，應從覆層側先將基層焊接時的未焊透、焊瘤等采用碳弧氣刨或角磨機清理干凈，并補焊后再焊。此時，應采用直徑比較小的焊條或焊絲和能量較小的焊接線，并且過渡層的厚度應不小于2 mm。在焊接覆層時，應在覆層表面坡口兩側各200 mm的范圍內涂敷白堊粉或防飛濺劑保護，已黏上的飛濺物必須仔細清除掉，不銹鋼覆層不可有劃傷或被污染。另外，焊縫余高應不大于1.5 mm，焊道間溫度應不高于100 ℃，并盡可能采用能量較小的焊接線。

5.3.3 焊接材料和焊接工藝參數

焊接材料和焊接工藝參數如表2所示。

表2 焊接材料和焊接工藝參數

名稱 焊接

層次 焊接方法 焊接材料 焊材規格 電流/A 電壓/V

基層 t2=22

t2=16 1～3 埋弧自動焊

埋弧自動焊 H10Mn2/HJ431

H10Mn2/HJ431 Φ4.0/10-60目

Φ4.0/10-60目 620～640

600～620 33～35

32～34

/ 4 焊條電弧焊 J507 Φ3.2 mm 110～120 18～20

過渡層 5 焊條電弧焊 A307 Φ3.2 mm 100～110 18～20

覆層 6 焊條電弧焊 A107 Φ4.0 mm 150～160 20～22

6 結束語

通過對上述幾方面內容的控制，可以很好地完成這幾臺復合鋼板壓力容器的制造任務。經過各項檢驗、試驗，其均符合相關標準的規定，并且能達到設計要求。這說明，本文制定的方法和工藝是可行的。

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〔編輯：白潔〕