大型原油儲罐用12MnNiVR鋼板配套國產氣電立焊藥芯焊絲開發及應用

房務農，肖輝英，蔣 軍，楊詠梅，張 健

(1.合肥通用機械研究院有限公司，合肥 230031；2.天津市金橋焊材集團股份有限公司，天津 300300)

0 引言

近十幾年來，我國每年均需建造大批單臺儲存容積在10萬m3及其以上的浮頂原油儲罐用于石油儲備，所用12MnNiVR高強度鋼板于21世紀初就已全部實現國產化[1]，但配套的氣電立焊藥芯焊絲一直被日本神鋼等焊材企業壟斷，價格高居不下，且供貨周期長。為此，合肥通用機械研究院有限公司(以下簡稱合肥通用院)與某公司合作，于2017年研制出12MnNiVR鋼板用大焊接熱輸入氣電立焊JQ.YJL60G藥芯焊絲。該焊絲經合肥通用院和各安裝單位試驗，焊接工藝性能優良，焊縫金屬力學性能與日本同期的產品水平相當。但開發的藥芯焊絲一直未在儲罐工程上實現應用。2020年初，中石化基于研制單位前期試驗數據充分，在幾個新建10萬m3儲罐工程項目上選用了JQ.YJL60G藥芯焊絲，真正實現了大型原油儲罐從鋼板到配套焊材的全面國產化。本文介紹JQ.YJL60G藥芯焊絲的研制過程及工程應用情況，以增強儲罐和壓力容器行業對高端國產焊材的信心，并期待更多的壓力容器用高端焊材國產化。

1 原油儲罐用12MnNiVR鋼板簡介

12MnNiVR鋼板中的C含量通常不大于0.10%和Pcm值不大于0.20%，厚度≤50 mm時，鋼板焊前可不預熱或稍加預熱，具有優異的焊接性[2]。該鋼采用二次爐外LF精煉及RH真空等，大幅降低了鋼中的S,P,N,O,H含量，并結合先進TMCP和調質處理，相變和少量析出相等形成高密度位錯的組織結構，使其抗拉強度達610 Pa級，-20 ℃KV2不小于100 J。另通過降低C，Si含量和添加除Nb以外的微合金元素，利用冶煉過程中形成高熔點第二相質點，抑制了奧氏體晶粒長大和阻止HAZ晶粒粗化[3]，可適應100 kJ/cm大熱輸入的焊接。通常厚度21.5 mm鋼板的縱縫一次成型，厚度21.5 mm以上的縱縫分兩次成型，大大提高了焊接效率[4]，見圖1。

(a)

2 12MnNiVR鋼板配套氣電立焊JQ.YJL60G藥芯焊絲的主要性能指標

該藥芯焊絲需抗吸潮性好、熔敷金屬擴散氫含量低于5 ml/100 g；在100 kJ/cm大焊接熱輸入下，脫渣性、焊縫成型等焊接工藝性能良好，焊縫金屬的力學性能需與12MnNiVR鋼板相匹配，即焊接接頭Rm≥610 MPa，-20 ℃KV2≥47 J，-20 ℃的CTOD特征值δm(20)≥0.3 mm等。

3 JQ.YJL60G藥芯焊絲渣系選擇及藥粉處理技術

氣電立焊JQ.YJL60G藥芯焊絲非金屬藥粉的比例較少，但起到造渣、穩弧、減小飛濺及脫氫等重要作用[5]。不同造渣劑加入量對該藥芯焊絲的焊縫金屬力學性能影響見表1。

表1 造渣劑加入量對JQ.YJL60G藥芯焊絲的焊縫金屬力學性能影響結果

1)拉伸試棒沿焊縫方向制取。

由表1中數據可以看出，造渣劑加入量為5%，比例過小，雖焊渣覆蓋不全，影響焊縫成形，但對焊縫金屬力學性能影響較小；造渣劑加入量為15%，則比例過大，焊接時渣浮在立焊熔池表面，造成電弧不穩，飛濺量增大，焊縫金屬中亦出現較多夾雜物，對焊縫金屬的斷后伸長率和沖擊韌性造成較大影響；造渣劑加入量為10%，比例適中，焊縫成形和焊縫金屬力學性能均較佳。

CaF2作為主要的脫氫劑，可以顯著降低焊縫金屬擴散氫含量；CaCO3分解生成的CO2可排除焊縫周圍空氣，阻止氮氣進入液態金屬中，并降低電弧氣氛中氫分壓；TiO2和SiO2熔點較高，鍵能較小，被排擠到熔渣的表面層中，表面張力小，可降低熔滴表面張力和熔渣堿度，細化熔滴，減少飛濺，改善焊縫成形和脫渣性等[6]；穩弧劑中K,Na離子可提供電子，提高電弧穩定性，降低焊渣熔點。最終確定12MnNiVR鋼板配套氣電立焊藥芯焊絲的渣系為氟化物-CaO-MgO型。在大焊接熱輸入完畢后冷至室溫，渣殼就會自動開裂，如圖2所示，脫渣率見表2。由圖2、表2可以看出，在大焊接熱輸入下脫渣率為100%，在焊縫中不會出現夾渣現象。

圖2 氣電立焊焊接后渣殼狀態(未錘擊) Fig.2 Slag shell state after gas-electric vertical welding (without hammering)

表2 氣電立焊脫渣率試驗結果

為進一步降低該藥芯焊絲焊縫金屬擴散氫含量，對非金屬類藥粉進行700 ℃以上高溫烘焙，去除藥粉中結晶水，非金屬藥粉亦由片狀變成球狀(見圖3)，這更有利于非金屬細微粉填滿金屬粉之間的縫隙，防止在拔絲過程中產生“空管”現象[7]。非金屬細微粉未烘焙和經高溫烘焙的焊縫金屬力學性能見表3。可以看出，藥粉經高溫烘焙后，其焊縫金屬低溫沖擊韌性得到大幅度提升。

(a)未烘焙 (b)經700 ℃以上烘焙 圖3 非金屬細微粉電鏡掃描照片 Fig.3 SEM photos of nonmetallic fine powder

表3 藥粉處理方式對JQ.YJL60G藥芯焊絲焊縫金屬力學性能的影響結果

4 JQ.YJL60G藥芯焊絲的合金元素設計

JQ.YJL60G藥芯焊絲采用逆向設計技術，通過不同合金成分下金屬的凝固曲線及析出相特性等，對焊縫金屬組織及性能進行預測，分析不同元素夾雜物的形核能力，確定選用Mn-Ni-Mo-Ti合金系復合微合金化，使之在焊接過程中不僅降低O,N,H等有害氣體以及S,P等雜質元素含量，還可以避免產生氣孔、裂紋及夾雜等焊接缺陷[8]。

加入Ti元素使電弧集中、穩定，減少飛濺，細化晶粒，提高焊縫金屬沖擊韌性，另外，由于Ti元素與O的親和力較大，增加了Mn,Si等合金元素過渡系數，Ti還可與N結合，降低焊縫金屬氣孔敏感性[9]；加入少量稀土，增加脫氧，且稀土氧化物可促使鐵素體盡快形核，有利于焊縫金屬中形成細小的針狀鐵素體[10]，如圖4所示。

圖4 焊縫金屬金相組織 (針狀鐵素體+少量貝氏體) 500× Fig.4 Metallographic structure of weld metal (acicular ferrite + a little bainite) 500×

5 JQ.YJL60G藥芯焊絲填充率

氣電立焊JQ.YJL60G藥芯焊絲常用直徑為1.6 mm，焊接電流一般在300～400 A范圍內，藥粉添加主要是為保證該焊絲能夠連續穩定地進行氣電立焊，且最大限度提高其焊接效率。氣電立焊藥芯焊絲填充率如過低，不利于大電流焊接，影響焊接效率；如過高，鋼帶外皮薄，在高速送絲過程中焊絲易被壓扁，將會影響焊絲送絲穩定性[11]。根據經驗公式：藥粉填充率×100≈鋼帶寬度/鋼帶厚度，最終確定該藥芯焊絲填充率為24%±0.5%。

6 JQ.YJL60G藥芯焊絲綜合性能評價

合肥通用院針對大型原油儲罐用12MnNiVR鋼的焊接特點，結合壓力容器對焊接材料的特殊要求，對JQ.YJL60G藥芯焊絲綜合性能進行評價。試驗采用厚度21.5 mm的12MnNiVR鋼板，熱處理狀態為調質。

6.1 JQ.YJL60G藥芯焊絲焊縫金屬化學成分及力學性能

該藥芯焊絲焊縫金屬化學成分見表4，力學性能見表5，焊縫金屬中的雜質元素含量很低，低溫沖擊韌性優良。

表4 JQ.YJL60G藥芯焊絲焊縫金屬化學成分

表5 JQ.YJL60G藥芯焊絲焊縫金屬力學性能

6.2 JQ.YJL60G藥芯焊絲熔敷金屬擴散氫含量及抗吸潮性

撕開該藥芯焊絲外塑料皮包裝，裸放在室內24，48 h后分別測定其熔敷金屬擴散氫含量,如表6所示。可以看出，隨著裸放時間延長，熔敷金屬擴散氫含量上升，即使48 h后仍低于5 ml/100 g，表明該焊絲藥粉采用高溫烘焙、搭接口的密封等技術措施效果較佳。

表6 JQ.YJL60G藥芯焊絲熔敷金屬中的擴散氫含量(熱提取法)

6.3 JQ.YJL60G藥芯焊絲氣電立焊熱輸入選擇試驗

12MnNiVR鋼制原油儲罐在現場制作安裝時，焊接熱輸入隨著板厚、坡口角度、焊縫根部的間隙變化而變化，氣電立焊的坡口在工藝評定中應屬補加因素，但在NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》中卻被列為次要因素，該標準修訂時需改正。為確定現場可用于儲罐最大的焊接熱輸入及最佳焊接熱輸入范圍，合肥通用院參照NB/T 47014—2011，分別采用約70,85,100,120 kJ/cm四檔焊接熱輸入進行試驗，在1/4T處制取焊縫金屬的沖擊試樣，并進行-20，-30 ℃低溫沖擊試驗，其結果見表7。可以看出，焊接熱輸入在70～120 kJ/cm很寬松的范圍內，隨著焊接熱輸入增加，焊縫金屬-20 ℃KV2下降特性不明顯，當焊接熱輸入達120 kJ/cm時，焊縫金屬-20 ℃KV2仍達到145 J，遠高于技術要求值。但焊接熱輸入達100 kJ/cm，其熔合線和熱影響區-20 ℃KV2波動較大。因此，從12MnNiVR母材角度考慮，焊接熱輸入需控制在100 kJ/cm 以下，控制在90 kJ/cm以下更佳。

表7 不同焊接熱輸入焊縫金屬沖擊試驗結果

6.4 焊接工藝評定試驗

合肥通用院按照NB/T 47014—2011，采用JQ.YJL60G焊絲和厚度21.5 mm的12MnNiVR試板進行氣電立焊，焊接熱輸入量為108 kJ/cm，試驗結果見表8。可以看出，在焊接熱輸入為108 k/cm 時，焊接接頭抗拉強度滿足技術要求，焊縫金屬的-20 ℃KV2值高達136 J，與《10萬m3原油儲罐制造安裝技術條件》要求值-15 ℃KV2≥47 J 相比有很大的裕量，但熔合線處沖擊吸收能量出現波動。

表8 12MnNiVR/JQ.YJL60G焊接接頭力學性能及彎曲試驗結果

6.5 焊縫金屬系列溫度沖擊試驗

焊接試板的制備、檢驗參照NB/T 47014執行，試板氣電立焊焊接熱輸入為101 kJ/cm。在位于1/4T板厚處制取沖擊試樣，系列溫度沖擊試驗結果見圖5,6。由圖5,6得出焊縫金屬的韌脆性轉變溫度見表9。

圖5 焊縫金屬KV2與溫度的關系 Fig.5 The relationship between KV2 of the weld metal and the temperature

圖6 焊縫金屬剪切斷面率與溫度的關系 Fig.6 Relationship between shear section ratio of weld metal and temperature

表9 焊縫金屬的韌脆性轉變溫度

由圖5,6可以看出,焊縫金屬延性斷裂與脆性斷裂過渡比較平緩；由表9中數據可看出，由不同判據評定的焊縫金屬韌脆性轉變溫度均低于-61 ℃，說明該藥芯焊絲用于12MnNiVR鋼板氣電立焊，只要焊接熱輸入控制在適當的范圍內，有足夠的韌性儲備，在-20 ℃時不會產生脆性斷裂。

6.6 焊縫金屬無塑性轉變溫度測定

采用厚度21.5 mm的12MnNiVR試板對接，氣電立焊焊接熱輸入為96.3 kJ/cm。按標準GB/T 6803—2008《鐵素體鋼的無塑性轉變溫度落錘試驗方法》制取焊縫金屬落錘P2試樣，試驗結果如表10所示。可以看出，立焊位置焊縫金屬的NDTT溫度為-50 ℃，表明其止裂能力較強[12]。

表10 焊縫金屬落錘試驗結果

6.7 焊接接頭的斷裂韌性試驗

采用與第6.6節相同的試板，合肥通用院按GB/T 21143—2014《金屬材料 準靜態斷裂韌度的統一試驗方法》制取了焊縫金屬CTOD試樣并進行斷裂韌性試驗，其結果見圖7、表11。

注：Δa為包括鈍化區的穩定裂紋擴展量；δ為裂紋尖端張開位移CTOD。

表11 阻力曲線方程及斷裂韌性特征值

從圖7、表11可以看出，在96.3 kJ/cm焊接線能量下，氣電立焊的焊縫金屬的-20 ℃δm(20)高達0.658 mm，且CTOD試樣斷口均呈韌性斷裂，表明該焊縫金屬抗脆性斷裂能力較強。

由于國內缺少日本DWS-60G藥芯焊絲氣電立焊焊縫金屬的斷裂韌性試驗數據，因此某公司委托天津大學在同樣試驗條件下，分別對日本DWS-60G，JQ.YJL60G藥芯焊絲氣電立焊的焊縫金屬按GB/T 21143—2014進行-20 ℃斷裂韌性試驗，結果見表12。可看出，JQ.YJL60G藥芯焊絲的焊縫金屬斷裂韌性遠高于日本的同類產品。

表12 氣電立焊焊縫金屬斷裂韌性

7 工程應用

JQ.YJL60G藥芯焊絲于2020年下半年正式開始應用于中石化商儲油庫建設，目前已應用于商儲項目10萬m3原油儲罐庫車1臺、天津南港2臺、福建古雷16臺、洛陽8臺、湛江2臺、岳陽4臺等。幾家安裝公司采用該藥芯焊絲分別進行了焊接工藝評定，結果見表13。可以看出，采用國產藥芯焊絲沖擊試驗結果優良。在10萬m3原油儲罐現場施焊過程中，脫渣容易，焊縫成型美觀，一次焊接合格率也達98%以上，得到了用戶的一致好評。另從表13中的中石化五公司數據可以看出，JQ.YJL60G藥芯焊絲與神鋼的DWS-60G 藥芯焊絲水平相當。

表13 安裝公司焊接工藝評定主要數據匯總

8 結論

(1)12MnNiVR鋼板氣電立焊配套用JQ.YJL60G藥芯焊絲優化了藥芯焊絲渣系、焊縫金屬合金組分，填充率合適，熔敷金屬擴散氫含量較低，為綜合性能提供了有利的基礎條件。

(2)采用藥粉高溫烘焙等技術，該焊絲抗吸潮性能力強，藥粉在成品焊絲中均勻性良好，填充率誤差控制在0.5%以內。

(3)該焊絲嚴格控制了熔渣比例和黏度，氣電立焊電弧穩定，脫渣性好，飛濺小，焊縫成型美觀。

(4)該焊絲優化了熔渣酸堿度，氣電立焊滿足工藝性能的同時，焊縫金屬低溫韌性較好、NDTT溫度較低。

(5)該焊絲氣電立焊線能量適應范圍較寬，在96.3 kJ/cm大焊接熱輸入下，焊縫金屬CTOD的-20 ℃δm(20)仍高達0.658 mm，遠高于日本同類產品。

(6)該焊絲經幾家安裝單位工藝評定及工程實際應用，焊接工藝性能優良，一次焊接合格率高，焊縫金屬力學性能與12MnNiVR鋼匹配良好，與神鋼的DWS-60G水平相當。