09MnNiDR低溫鋼制壓力容器的焊接問題及優化措施

韓秋菊

摘 要：隨著近年石油化工行業的發展，低溫容器在石油煉化行業得到普遍應用，低溫鋼在壓力容器制造中的焊接問題日益增多。常見的低溫壓力容器用鋼有09MnNiDR與16MnDR，其中09MnNiDR添加了Ni元素，而且C、S、P元素都低于16MnDR，所以在-70℃低溫條件下，仍能保持相當高的強度和韌性。這種鋼的綜合性能達到國際先進水平，可用于制造大型低溫鋼壓力容器。工程公司近兩年很多化工裝置上都有大量的09MnNiDR低溫鋼制壓力容器，本文主要針對09MnNiDR進行介紹，首先對09MnNiDR低溫鋼進行化學成分和力學分析，而后又列舉了常見的09MnNiDR低溫鋼制壓力容器的焊接質量問題，最后闡述了09MnNiDR低溫鋼的焊接工藝的優化措施，此文對工程公司EPC項目中09MnNiDR低溫鋼制壓力容器的采購和檢驗起到指導和借鑒的作用。

關鍵詞：09MnNiDR低溫鋼;壓力容器;焊接工藝;檢驗

1 低溫鋼的焊接性能

首先隨機抽取某制造廠的09MnNiDR鋼板，對其化學成分、力學性能與GB3531—2014標準規定值進行比較[1]，見表1、表2。

從表中可以看出，該鋼板中的合金元素全部都在規定的標準值內，同時C、S、P等元素的含量都遠低于標準規定值，鋼的化學成分和晶粒度對低溫性能都有明顯影響，C、S、P使鋼的脆性轉變溫度升高，其中尤以C、P最為明顯，所以在鋼的制造階段，一般要嚴格控制鋼材中C、S、P含量，而Mn和Ni會使脆性轉變溫度降低，有利于增加鋼板的低溫韌性，其中元素Ni對低溫韌性的影響最大。從表 2的數據中可見該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，衡量低溫鋼性能的主要指標就是低溫韌性，即低溫下的沖擊性能和脆性轉變溫度，對低溫鋼的主要性能要求是保證在使用溫度下具有足夠的韌性及抵抗脆斷破壞的能力。鋼的低溫沖擊性能越高，脆性轉變溫度越低，則低溫韌性越好。以上數據說明該批鋼板的化學成分和力學性能符合標準要求。

2 制造過程中常見的質量問題

對于低溫壓力容器的焊接問題基本上和普通壓力容器一致，分為外部焊接問題和內部焊接問題，下面對兩方面進行簡單的介紹。

外部焊接質量問題主要外部變形、焊接尺寸不合格及咬邊等問題。

2.1外部變形問題。由于設計不合理或焊接工藝不達標，對壓力容器產生外力作用，使其局部應力增大導致變形出現，從而降低了壓力容器的安全性;

2.2焊接尺寸不合格。焊接工作進行時，因為焊接設備的電流強度不夠，焊縫寬度寬窄不一，因此影響到焊接尺寸;

2.3咬邊問題。咬邊是常見的質量問題，不論是焊接設備的電流過大還是焊接技術的不規范，都會導致咬邊現象;

2.4其他質量問題。在實際焊接工作中，由于焊接工藝的不正確或者焊材選擇不合理等原因，還會出現表面焊瘤、凹陷等其他質量問題。

內部焊接質量問題主要有氣孔、夾渣、未焊透未熔合、裂紋等問題。

2.5氣孔問題。氣孔主要是因為焊接池中的氣泡沒有及時逸出、以及金屬表面的油污、灰塵等沒有清理干凈而造成氣孔;

2.6夾渣問題。在焊縫中出現殘留的爐渣即為夾渣，常見于槽的邊緣等非平滑位置。焊接設備電流強度不符合標準、焊接速度太快或焊接軌道不平整等否容易導致熔渣殘留在焊縫中;

2.7未焊透未熔合。主要表現為焊接接頭未完全熔化時，在兩個焊接接頭之間存在部分間隙，從而直接影響壓力容器的安全性。

2.8裂紋問題。除了普通壓力容器常見的裂紋問題外，低溫鋼制壓力容器中更重要的問題便是預防冷裂紋的產生，其中焊接參數的不合理、焊條保存不當或者焊工操作不正確都會造成冷裂紋的產生。

3 09MnNiDR 鋼焊接工藝

3.1焊材的選擇

09MnNiD鋼為低合金鋼，一般按等強度原則選擇焊條，以保證焊縫和熱影響區與母材的力學性能相當。為了保證 09MnNiDR 鋼制造的設備長期在低溫條件下穩定運行，又要求焊縫金屬具有較高的低溫性沖擊韌性。所以，選擇Ni含量較高的焊接材料，以提高焊縫的低溫沖擊韌性。根據各類文獻指導，最終選擇W707Ni，將該焊接材料的化學成分、力學性能與GB/T 5118-2012標準規定值進行比較[2]，如下表3和表4。

從上表中可以看出焊接材料W707Ni的Ni含量高于低溫鋼09MnNiDR，從而提高了焊縫的低溫沖擊韌性[3]。

3.2焊接工藝

根據09MnNiDR低溫鋼的焊接特點，采取如下工藝措施：

1）焊條在使用前應在350℃～400℃烘干一到兩小時，烘干后將其置于溫度為100℃～150℃的保溫桶內，隨用隨取。烘干的焊條要 4 小時內用完，未用完的需要重新烘干，但烘干焊條不能超過2次。

2）施焊時開始的第一道底層焊接電流應稍小，可以避免出現粗大的鐵素體和粗大的馬氏體組織。

3）盡量采用快遞多道焊，適當加大坡口角度來增加焊道數目。

4）焊接時采用窄焊道，盡量不連續施焊，并嚴格控制焊道間溫度小于150℃。

5）不允許出現表面缺陷，如焊瘤、凹陷等容易造成應力集中而引起脆性破壞。

6）焊后應進行600℃的熱處理來消除應力集中從而降低脆性斷裂的風險，提高焊接接頭的韌性。

7）焊縫成型后進行100%射線檢測。

4 結語

焊接是制造壓力容器重要的環節，從源頭控制原材料品質和焊接的質量，確保壓力容器在投產后能夠安全穩定運行。低溫鋼制壓力容器在工程中越來越常見，運行環境比較特殊，所以對焊接工藝有較高的要求。在焊接低溫鋼時，首先應根據母材的種類和設計 要求，特別是板厚、強度、低溫韌性要求、熱處理要求、施工環境以及經濟性等方面綜合考慮選擇適當的焊接方法; 其次選擇與母材化學成分和性能相匹配的焊接材料，并嚴格控制焊材的化學成分，盡量避免焊接質量缺陷，提高焊接接頭的韌性及抵抗脆性斷裂的性能，為保障低溫鋼制壓力容器在特殊工況下能夠穩定安全的運行。

參考文獻：

[1]GB3531—2014.低溫壓力容器用鋼板[S].

[2]GB/T 5118-2012.熱強鋼焊條[S]

[3]王占英，馬軼群，張蘭娣，李桓.低溫材料09MnNiDR的焊接工藝[J]. .焊接，2006（2）：63-65

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）