16Mo3 板材的焊接性能及設計選用要點分析

張彥斌

（天津渤化工程有限公司，天津 300193）

石墨化通常指鋼材中的珠光體組織中的滲碳體長期在高溫及應力的作用下, 分解為游離態的碳,并以石墨形態析出的現象。大量析出的游離態石墨阻斷了材料組織的連續性，大大降低了材料的強度和塑性；使材質沖擊韌性明顯降低，脆性增強。材質發生石墨化后，單從外觀上很難被發現，致使承壓設備發生毫無征兆的破裂、爆炸等惡性事故。故而承壓設備材質的石墨化傾向必須在選材階段引起設計者的足夠重視。GB150.2-2011 中3.6.2條要求“碳素鋼和碳錳鋼在高于425℃溫度下長期使用時，應考慮碳化物相的石墨化傾向。”

1 設計材質比選

某反應器,直徑為5.6m，壁厚為28mm,工作溫度為430℃，由于生產操作要求，部分主要受壓原件需要現場焊接。分析該設備的選材方案，如下：1）選用 C-Mn 鋼 （Q345R）；2）選用 Cr-Mo 鋼（15CrMoR）；3）選擇 C-Mo（16Mo3）鋼。下文從設備運輸、現場整體熱處理可行性、材質高溫性能幾方面分析設備選材思路要點。

1.1 采用Q345R 鋼板

Q345R 是壓力容器常用的低合金C-Mn 鋼。根據 TSG21-2016 及 GB150.4-2011 的要求，綜合考慮設備壁厚、介質條件等因素，該材質可以不進行焊后熱處理，設備組焊可以在裝置現場完成，解決了超限設備運輸的問題。根據GB150.2-2011 的要求，Q345R 允許使用的設計溫度為不超過475℃，雖然規范并沒有禁止Q345R 在475℃以下的溫度進行使用，但其在長期工作溫度（430℃）下運行，石墨化傾向是必須考慮的問題。傳統的石墨化檢測只能在設備檢修的時候進行，往往具有滯后性，無法保證設備的本質安全。在設備制造時通過要求鋼材訂貨時控制Si、Al、Ni 等雜質含量（全部選取GB/T713 中所允許的下限值）、進行高溫力學性能試驗、提高沖擊試驗指標，增強韌性儲備等方式來提高安全性。但在上述條件下，Q345R 仍然不是一種很好的選擇。

1.2 采用15CrMoR 鋼板

該材料屬于Cr-Mo 低合金鋼，由于Cr 元素的加入，能夠阻止Fe3C 的分解，能夠極為有效的阻止石墨化過程[1]。15CrMoR 允許使用的設計溫度為不超過550℃，且在設計溫度下的許用應力遠高于Q345R（約為Q345R 的1.7 倍），是該工況向下合理的選材。但根據GB150.4-2011 中8.2.2.1要求，任意厚度的15CrMoR 焊接接頭均要求進行焊后熱處理。這一要求在施工現場很難滿足要求。而設備自身尺寸又限制了整體運輸的問題。根據我國《道路大型物件運輸管理辦法》對大型物件的分級規定，該設備屬于四級大型物件,因此受項目建設地影響很大，整體運輸較難實現。且受工藝操作因素制約，部分主要受壓原件需要現場焊接。主要受壓原件焊接后如不進行焊后熱處理，淬硬性傾向大，回火脆性強的15CrMoR 很難滿足設備安全使用的要求。

1.3 選用C-Mo 鋼制造該壓力容器

我國壓力容器規范中并未列用常用的C-Mo系列鋼材。美國ASTM 規范中的SA-204（0.5Mo鋼） 和歐洲 EN 10028-2-2009 規范中的 1.5415（0.3Mo 鋼）均為常用的C-Mo 系列鋼。1.5415 鋼板原引于德標DIN17155-1983，牌號為15Mo3，后被引入DIN EN 10028-2-2009，牌號改為16Mo3，二者為同種鋼材，其允許使用的設計溫度為不超過于530℃，考慮存在石墨化影響時，其工作溫度應不超過450℃[2]。三種牌號鋼材化學成分（質量分數，%）對比詳見表 1。由于16Mo3的S、P 等雜質元素的含量更為符合我國固定式壓力容器安全技術監察規程的要求，下面著重對選用16Mo3進行制造該反應器的要點進行分析。

表1 三種牌號鋼材化學成分（質量分數，%）對比

2 16Mo3 設計要點

2.1 焊接性能分析

2.1.1 碳當量計算

根據國際焊接協會（IIW）和中國焊接操作指導手冊[3]分別計算碳當量，得出 CE（IIW）=0.328(%)；Ceq=0.358(%)。16Mo3碳當量的計算結果＜0.4(%)。說明該材質淬硬傾向不明顯。

2.1.2 冷裂紋敏感系數計算

根據算式③計算得出，PCM=0.224(%)。大量工程經驗顯示，當PCM≤0.25(%)時，材料對冷裂紋敏感性不明顯。實踐證明，控制焊材的擴散氫含量，根據焊材厚度增加焊前預熱等方法，有助于控制冷裂紋的產生。

2.1.3 熱裂紋敏感系數計算

根據算式④計算得出，HSC=3.484。大量工程經驗顯示，當HCS≤3.6 時，材料對熱裂紋敏感性不明顯。由于該材質HCS 較為接近判斷基準線，應在控制材質S、P 等雜質含量、控制焊接工藝上予以重視。

2.1.4 再熱裂紋敏感系數計算

根據算式⑤計算得出，PSR=-1.4(%)。當PSR≤0時，材料對再熱裂紋敏感性不明顯。

根據公式①②③④⑤分別計算Q345R、16Mo3、15CrMoR 的焊接性能參數，并進行對比，結果如表2 所示。

表2 三種材料（Q345R、16Mo3、15CrMoR）焊接性能參數對比

通過對比可以看出: 16Mo3的焊接性能與Q345R 更為接近。根據國際通用的ISO TR 15608-2017 焊接金屬材料分類導則中對焊接材料的分類可以看出，16Mo3與Q345R 的分組相同，有著相似的焊接性能（見表3）。

表 3 三種材料（Q345R、16Mo3、15CrMoR）的焊接金屬材料分類

2.2 焊后熱處理要求

焊后熱處理可以起到消除焊接殘余應力,改善母材及焊接接頭的力學性能, 穩定焊接件形狀和尺寸等作用。焊后熱處理是提高壓力容器焊接性能和質量的重要手段，世界各國的標準規范都做出了相應的要求。由于我國常用的壓力容器鋼板規范中沒有C-Mo 鋼，GB150.4-2011 也沒有對此類鋼板提出明確要求。對于Q345R 鋼板，當焊接接頭＞32（38，焊前預熱 100℃以上）mm 時，需進行焊后熱處理。

對于 16Mo3，根據 EN13445.4-2014 的要求，除應力腐蝕和抗氫工況下，焊接接頭厚度＜35mm 時，無需進行焊后熱處理[4]。筆者認為，對于這個國外牌號的鋼材，在國內標準沒有明確要求的情況下，按照原產國壓力容器標準規范要求執行，是安全可靠的。綜合考慮16Mo3的焊接分組，及本反應器的厚度，此反應器在現場組焊后，無需進行焊后熱處理。

3 結論

壓力容器的設計選材要綜合考慮制造、加工、運輸等多種因素的成本及可行性、安全性問題。同時還要兼顧業主在容器使用過程中可能遇到的更換催化劑、定期檢驗等要求。采用16Mo3制造本文所提及工況的反應器，能夠避免材質在430℃工作條件下材質石墨化傾向的問題。16Mo3良好的焊接性能，使設備在不進行整體熱處理的前提下，具有良好的安全性能，滿足業主現場再次組焊等使用的要求。