13MnNiMoR 汽包的焊接工藝

唐亞梅

(無錫翔龍環球科技股份有限公司，江蘇 無錫 214421)

隨著國內工業的蓬勃發展帶來的汽包壓力容器的高參數化，各種針對中高溫，高壓力工況下使用的鋼板不斷涌現，寬厚板被更多地生產并應用到大型鍋爐壓力容器中。作為鍋爐壓力容器廠家面臨的是高強度寬厚板材料的加工使用以及探究其焊接性能。本公司于2018年承接了高壓汽包，汽包工作壓力為15.1Mpa，汽包外形尺寸11220mmXΦ1780mm、內直徑Φ1600mm、容積26.8m3，主體材料為13MnNiMoR，材料厚度90mm。為了制訂合理的焊接工藝，進行了一系列的焊接試驗。

1 材料焊接性能分析

根據表1可知，13MnNiMoR鋼的C、S及P元素的含量非常低，因此焊接熱裂紋傾向較小。而由于13MnNiMoR合金含量較多，板厚大，但材料是細晶粒鋼，抗層狀撕裂性能好，但受碳當量高、拘束度大以及氫含量的影響，焊接冷裂紋(包括氫致裂紋)容易出現在焊縫區及熱影響區[1]。

（1）材料成份及金相組織分析。13MnNiMoR鋼仿造于德國的BHW35鋼，屬于高壓鍋爐和高壓壓力容器用鋼。根據GB713-2014《鍋爐和壓力容器鋼板》供貨狀態為正火+回火，正火時組織為貝氏體加鐵素體，回火時的組織為回火貝氏體加鐵素體，一般也稱為低合金貝氏體鋼。鋼材加入一定量Cr、Mo元素可以提高鋼的淬透性，提高鋼的室溫和中溫強度，能抑制鋼熱脆性和回火脆性，熱強性能高；Ni的加入，可以提高鋼的淬透性，保證大截面工件得到均勻的組織和性能；可以提高鋼的抗疲勞能力和減少鋼對缺口的敏感性；一定量的Nb元素加入，可以顯著提高鋼的相變點，減小鋼的淬硬性。在合理的熱處理條件下，晶粒細化、抗裂紋擴展敏感性好，被廣泛用以制造高壓鍋爐汽包、高壓容器等。該材料的化學成分見表1。

（2）采用國際焊接學會（IIW）所推薦的碳當量計算公式：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/·5(%)=0.5767%；采用日本JIS標準所規定的碳當量計算公式：Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)=0.5758%。

兩種公式計算結果，碳當量都大于0.5%，說明13MnNiMoR鋼在焊接時淬硬傾向大，為冷裂紋產生的三條件之一。

（3）汽包板厚較厚，焊接時焊縫及熱影響區承受不均勻的加熱以及不均勻的冷卻所產生的三向應力，焊接后工件外形無尺寸變化，因此，拘束度大。

（4）焊縫中的氫。由于主要采用SAW和SMAW兩種焊接方法焊接汽包的縱環縫及接管的角焊縫，盡管采用低氫焊接材料以及徹底清除坡口上的油銹等污染物，焊接材料中多少還會存在水份，如果沒有措施，將導致焊縫最終還會存在氫。

綜上所述，因此13MnNiMoR鋼設備焊接過程中，冷裂紋出現的三個條件都存在，而采用預熱及后熱是減少甚至消除上述三條件的根本方法及措施[2]。

2 焊接準備及條件

2.1 各種焊接接頭坡口的確定

坡口確定原則是根據公司設備，兼考慮焊接材料的消耗量，以及利于焊接操作等因素。

（1）筒體縱縫坡口。由于筒體采用中溫卷制，坡口采用火焰切割（打磨后表面探傷合格），坡口簡圖見圖1。采用自動埋弧焊。

圖1 坡口簡圖外側

（2）筒體環縫坡口。待筒體卷圓后，坡口車削，坡口簡圖見圖2。采用自動埋弧焊[3]。

圖2 坡口簡圖內側

表1 13MnNiMoR鋼化學成分（質量分數）（%）

（3）接管與筒體接頭坡口。公司有專用的接管角焊縫自動埋弧焊機，坡口采用自動火焰切割機切割（打磨后表面探傷合格），坡口簡圖見圖3。采用自動埋弧焊+焊條電弧焊。

2.2 焊工資格及培訓

焊工能力高低決定產品焊接質量的優劣，焊接上述接頭的焊工必須按TSG Z6002-2010取得焊工合格證。在此前提下對焊工進行針對性培訓，學習焊接工藝并針對各種接頭坡口練習。

圖3 坡口簡圖弧度

2.3 焊材準備及環境要求

按規范要求烘烤焊材，CHE607NiR烘干溫度為350℃～380℃，保溫時間2h；SJ101R焊劑烘干溫度為350℃～400℃，保溫2h；焊接區內保證焊接時風速＜8m/s。

2.4 預熱及后熱的實施細節的確定

（1）預熱的細節應嚴格按照《水管鍋爐》GB/T16507.5第8.7條要求進行，其中包括加熱范圍及測量位置。預熱溫度確定150℃～200℃，層間溫度不低于預熱溫度。

（2）由于13MnNiMoR材料冷裂敏感性較大，板厚，焊接時產生三向應力，拘束度大，焊接后應立即（不小于200℃）進行后熱消氫處理。后熱溫度350℃，至少保持2h。

3 汽包焊接

筒體裝配組對前要對坡口打磨除銹及油污，切割坡口表面需無損探傷合格。采用火焰加熱，焊接內側時，加熱在外側，且測溫在內側，反之則相反。這樣保證加熱透徹。焊接時焊道布置也很重要，除打底外，其余層數都采用一層2道甚至多道，有利于脫渣，且焊接應力較小。筒體焊接試件與筒體縱縫連在一起，采用與縱縫相同工藝一起焊接。一般每條焊縫一次焊完，焊后立即進行后熱消氫處理，如中途因故停止施焊，也需要后熱消氫處理。由于板厚，焊接接頭有延遲裂紋傾向，必須焊接完成36h后，才能按JB/T4730-2005進行縱環縫100%MT+100%UT+100%RT無損檢測，接管與筒體的焊縫接頭100%MT+100%UT。RTⅡ級合格，UT與MTⅠ級合格。

4 焊后熱處理

焊后進行整體熱處理。熱處理前，所有焊接工作必須完成。熱處理工藝嚴格按照《水管鍋爐》GB/T16507.5第9.3條要求進行。包括升溫降溫速度，熱電偶設置爐內氣氛等。試板隨爐熱處理，并設置熱電偶。熱處理溫度為（620±20）℃，保溫時間不小于2.5h。熱處理后對縱環縫及接管與筒體的焊縫進行100%MT+100%UT無損探傷，Ⅰ級合格。

5 產品焊接試件的常溫力學性能

根據NB/T47016-2011《承壓設備產品焊接試件的力學性能試驗》和產品技術要求進行了各項力學性能試驗，抗拉強度、屈服強度、彎曲試驗、延伸率、沖擊試驗全部合格。

6 總結

通過焊接性試驗及焊接工藝評定，驗證了預焊接工藝的正確性，結合工廠實際狀況，制訂出了適合指導該產品的焊接工藝指導書。實際焊接過程中，通過加強焊接過程控制，該產品的焊接一次合格率在95%，證明了該工藝的可靠性，也為本公司制造高壓汽包高壓容器積累了豐富的經驗。