低溫奧氏體不銹鋼塔器的焊接

陳蒙蒙

（上海浦賢機械科技有限公司，上海200137）

0 引言

公司承接中國石化80萬噸/年乙烯工程項目，其中有一臺低溫不銹鋼塔器，制造標準為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φ2 600、40 mm和φ3 400、52 mm兩種規格；上封頭壁厚為44 mm，下封頭壁厚為54 mm，中間設有變徑段（圖1），設計溫度為-115℃，設計壓力為3.8 MPa。主體A、B類焊接接頭100%RT，根據JB/T 4730—2005《承壓設備無損檢測》，Ⅱ級合格。設備總長61.21 m，金屬總質量251 t。

圖1 低溫奧氏體不銹鋼塔器尺寸示意圖

分析：GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》第7.2.3條規定：設計溫度低于-100℃且不低于-196℃的鉻鎳奧氏體不銹鋼容器，應根據設計溫度選擇合適的焊接工藝，母材應為含碳量小于或等于0.1%的鉻鎳奧氏體不銹鋼；在相應的焊接工藝評定中，應進行焊縫金屬的低溫夏比（V形缺口）沖擊試驗，在不高于設計溫度下的沖擊吸收功（KV2）不得小于31 J[1]。此臺壓力容器結構龐大、筒體較厚，焊接有一定難度。

1 S30408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。

1.1 晶間腐蝕

在腐蝕介質作用下起源于金屬表面并沿晶界深入內部，使晶粒結合力損傷，嚴重時材料強度幾乎消失，這種現象稱為晶間腐蝕。

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散快，形成碳化物所消耗的鉻大量取自晶界附近，導致晶界貧鉻。當鉻降低于耐腐蝕的極限含量（12%）時，就出現晶間腐蝕。防止晶間腐蝕的措施有：

（1）采用超低碳（≤0.03%或更低）。

（2）添加Ti或Nb等穩定化元素，并經850～950℃穩定化處理，形成固定碳的TiC或NbC。

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

1.2 焊接熱裂紋

奧氏體不銹鋼焊接時產生的裂紋是熱裂紋，在焊縫和熱影響區都可能出現，焊縫中主要是結晶裂紋，熱影響區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致的晶間液化有關。在鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫金屬中，低熔點共晶物P、S、Si、C含量較高時，就可能在結晶后期以低熔點液膜的形式存在于奧氏體柱狀晶體之間，當焊接熔池繼續冷卻而產生收縮時，被液膜分隔的晶體邊界就會被拉開而形成裂紋。由于低熔點共晶液膜的存在，凝固時間越長，產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停留的時間，所以，焊接熱輸入越大，產生熱裂紋的傾向越大。

由于奧氏體不銹鋼的熱導率小，線膨脹系數大，也延長了焊縫金屬在高溫區停留的時間，同時焊接區在冷卻期間焊接接頭必然承受較大的拉應力，從而導致熱裂紋的產生[3]。防止焊縫結晶裂紋的措施：嚴格控制有害雜質，主要是S、P含量；調整焊縫金屬為雙相組織；合理進行合金化；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力。

1.3 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化，進而避免低熔物質在晶界上析集而形成不連續分散狀態，因而可緩和有害雜質的不良作用。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]。

2 焊接工藝評定

S30408可以采用手工電弧焊、埋弧焊以及鎢極氬弧焊等熔焊方法，焊接接頭具有相當好的塑性和韌性。但當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。

經試驗，各種焊接方法、焊接材料沖擊韌性指標如表1所示。

表1 各種焊接方法、焊接材料沖擊韌性指標

由表1可以看出，所試驗焊接材料低溫沖擊韌性指標都能達到標準要求：不小于31 J。

用鐵素體測量儀測得數據如表2所示。

表2 用鐵素體測量儀測得數據

以上幾種焊接方法和焊接材料的焊縫金屬鐵素體含量實測值在5.1%～7.6%之間，可以滿足鐵素體含量4%～8%良好抗裂性要求。

從經濟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。根據容器厚度共做了6項焊接工藝評定，其中包括：

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

（2）封頭固溶：SAW：38 mm一項。

按NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》和GB 150.4—2011《壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收》7.2.3條規定，對工藝評定試板做機械性能試驗和熱影響區與焊縫-120℃低溫韌性沖擊試驗，試驗結果全部合格。

3 容器焊接

3.1 焊前準備

（1）坡口加工：通過查閱相關資料、依據焊接經驗并結合公司實際情況，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，坡口用刨邊機加工。

（2）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。

（3）根據合格的焊接工藝評定編制焊接工藝規程（WPS），要求焊工在焊接過程中必須嚴格執行本焊接工藝規程規定。施焊前，由檢驗人員確認焊工資格。容器縱焊縫進行組對、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；焊縫應保證焊透并熔合良好，且無氣孔、夾渣等缺陷；焊縫應平滑過渡到母材，并將焊縫兩端削成斜坡。組對時，工卡具的材料應與母材相同，焊接同正式焊相同，卡具去除后應用砂輪打磨，不得用敲打、掰扭等方法。

（4）將坡口表面30～40 mm范圍內的雜質、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，坡口兩側各100 mm范圍內涂防沾劑白堊粉。

3.2 焊接工藝

首先焊接封頭拼縫，采用埋弧焊。拼接完畢后外協壓制封頭，封頭熱壓成型，成型后做固溶處理。并進行100%RT檢測，按JB/T 4730.2—2005《承壓設備無損檢測 第2部分 射線檢測》，Ⅱ級合格；100%PT檢測，按JB/T 4730.4—2015《承壓設備無損檢測第4部分磁粉檢測》，Ⅰ級合格。

其次進行筒節縱縫與對接環縫焊接，然后進行筒節和封頭的對接環縫焊接。主體縱、環焊縫采用埋弧焊，接管與殼體焊縫采用手工電弧焊，接管與法蘭對接環縫采用鎢極氬弧焊和手工電弧焊。焊接工藝規程參數如表3所示。

表3 焊接工藝規程參數

注意事項：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，每層焊道的接頭應錯開，且不小于20 mm。鎢極氬弧焊時，焊絲前端應置于保護氣體中，背面充氬保護。筒體表面嚴禁電弧擦傷，并嚴禁在焊件表面引弧、收??；焊接中應保證引弧與收弧質量，收弧時應將弧坑填滿，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、檢驗和驗收》第10.4的d）條規定“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進行滲透檢測”，設備主體縱、環縫探傷按100%RT-Ⅱ級+100%PT-Ⅰ級合格，角接頭按100%PT-Ⅰ級合格。

主體縱、環焊縫RT拍片合格率98%，封頭及主體焊接試板試驗結果合格，說明所編制焊接工藝合理。

4 結論

（1）焊接時采用小線能量、快速焊，多層、多道焊，嚴格控制道間溫度不大于150℃，對坡口及焊絲認真進行清理，控制污染。選用合理的焊接材料，嚴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，提高了生產效率，降低了焊工的勞動強度。

（3）焊縫外觀成型質量良好，受到客戶一致好評，設備安全運行至今。

[1]壓力容器：GB150.1～GB150.4—2011[S].

[2]李平瑾，徐道榮.鍋爐壓力容器焊接技術及焊工問答[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]徐文曉，徐文慧.奧氏體不銹鋼容器的焊接[J].焊接技術，2006，35（5）：26-27.

[4]周振豐，張文鉞.焊接冶金與金屬焊接性[M].2版.北京：機械工業出版社，1994.

[5]AVERY R E,PARSONS D.Welding Stainless and 9%Nickel Steel Cryogenic Vessels[J].Welding Journal,1995,74(11):45-50.