對半拼接的NCu30復合鋼板封頭高溫壓制工藝探討

馬險峰*

(廣州廣重企業集團有限公司)

0 前言

NCu30 鎳銅合金是一種耐腐蝕合金，對應美國ASME 標準中的Monel 400（NS04400）牌號，具有優良的耐還原性介質腐蝕能力，被廣泛應用于石油化工行業。而為了降低制造成本、提高產品的經濟性，將NCu30 鎳銅合金鋼板與普通鋼板（碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼、優質碳素結構鋼等）復合，使之同時具有兩種不同鋼種的特性，既有NCu30 的耐蝕性，又具有普通鋼價格低廉、強度高等優點，復合板的成本性價比更具優勢。

某臥式氣液分離器，設計壓力為3.1 MPa, 設計溫度為120 ℃，內直徑為3 400 mm，介質是氫氣、油氣（含H2S）和含硫水。考慮到液態介質是含硫水，成分復雜，但只存在于設備的下半部分，為了節省設備成本，設備中心線以下則選用NCu30+Q345R 復合鋼板, 設備中心線以上選用Q345R(R-HIC)鋼板。因此，與設備同一截面采用單一材料不同，本設備主體材料同一截面由碳鋼和復合板兩種材料對半拼接而成，并且復合板的覆層采用NCu30 鎳銅合金。

主體結構和材料的特殊性提高了設備的制造難度。封頭成型是該設備制造過程的關鍵過程，本文就封頭的制造工藝進行了探討。

1 封頭特點

該封頭為標準橢圓封頭。使用的板材以設備中心線為界，下部為NCu30+Q345R 復合鋼板，最小板厚要求為（3+35.7）mm，上部為Q345R(R-HIC)鋼板，最小板厚要求為35.7 mm。其結構形式可見圖1。

圖1 封頭截面圖（單位：mm）

封頭所用NCu30+Q345R 復合鋼板的NCu30 鎳銅合金覆層會和封頭基層板材一起高溫壓制，在封頭壓制成型、熱處理后NCu30 鎳銅合金覆層應保持原有的耐腐蝕性能。

2 難點分析

封頭的最小板厚要求為35.7 mm，考慮到壓制過程中的板厚減薄因素，封頭板基層的下料厚度應至少為40 mm，因此基層材料必須采用正火材料且只能采用高溫沖壓成型的壓制工藝[1]。封頭高溫沖壓成型的壓制過程是將板材加熱到950～980 ℃后進行壓制，終壓溫度≥870 ℃，成型后再按基層材料進行正火熱處理，熱處理溫度為（915±15）℃。復合鋼板的NCu30 鎳銅合金覆層以退火狀態交貨和使用，但隨基層材料加熱成型及隨后的正火處理后，其熱處理狀態已發生變化[2]。覆層材料的熱處理狀態變化后，其原有的耐腐蝕性能能否保持，是封頭制造工藝必須考慮的重要鍵因素[3]。

一般情況下，封頭材料要么全部是同一種材料的非復合鋼板，要么全部采用復合鋼板。但該設備封頭采用了NCu30+Q345R 復合鋼板和Q345R（R-HIC）鋼板兩種材料。在基層厚度相同的情況下，封頭壁厚結構將會與NCu30+Q345R 復合鋼板厚度一致，而比Q345R（R-HIC）鋼板多3 mm。這種壁厚不同的結構將使封頭在沖壓成型過程中難以形成圓滑內表面。

另外，封頭采用兩種板材，需要確定是基層Q345R（R-HIC）與Q345R 先拼接，再單邊復合NCu30，還是基層Q345R 先與NCu30 復合，再與Q345R（R-HIC）鋼板拼接的問題。

3 工藝方案設計

3.1 驗證NCu30鎳銅合金覆層在隨基層板壓制成型熱處理后的耐腐蝕能力

為了保證NCu30 鎳銅合金覆層材料在經歷高溫成型及熱處理后依然具備耐腐蝕的能力，封頭的制造工藝須保證覆層在經歷高溫成型及熱處理后能通過氯離子應力腐蝕試驗。

為了檢測該封頭高溫沖壓成型的壓制工藝及熱處理工藝對NCu30 鎳銅合金覆層性能的影響，在工藝方案中提出制作三組NCu30 鎳銅合金覆層高溫模擬試件，采用YB/T 5362—2006《不銹鋼在氯化鎂溶液中應力腐蝕試驗方法》標準進行試驗檢測，測試試驗溫度為155 ℃，試驗溶液為45% MgCl（質量分數），加載方式為U 型彎。試驗其進行兩個周期，每個周期為96 h。為了模擬封頭高溫沖壓后的熱處理過程，試件NCu30 鎳銅合金材料須先經900 ℃熱處理。

3.2 調整封頭基層板材厚度

原設計中，NCu30+Q345R 復合鋼板下料厚度為（3+40）mm，Q345R（R-HIC）鋼板下料厚度為40 mm，導致NCu30+Q345R 復合鋼板厚度比Q345R（R-HIC）鋼板厚度多3 mm。封頭壁厚不同，會造成封頭內壁不平整，在封頭的沖壓成型過程中使封頭表面不圓滑。一種方案是壓制時在Q345R（R-HIC）鋼板表面墊一塊3 mm 厚的鋼板，來消除封頭的壁厚差異。但實際情況是由于壓制時板厚存在差異，且不同材料的變形延伸不同，所墊的3 mm 鋼板會脫離封頭內表面，影響封頭壓制后的成型質量。為了使封頭壓制后形狀圓滑流暢，將Q345R（R-HIC）鋼板下料厚度調整為43 mm，可換封頭板內壁無形狀突變。

3.3 封頭板材拼接順序

先將基層Q345R(R-HIC)與Q345R 板拼焊，再單邊復合NCu30 覆層材料，這個工藝順序可能存在爆炸復合后復合板達不到B1 級要求而使整塊拼接板材作廢的技術風險。

先將Q345R 基層板復合NCu30 覆層材料，可以保證復合板符合NB/T 47002.2—2009《壓力容器用復合板 第2 部分：鎳-鋼復合板》標準的B1 級要求的基礎上，再進入下個工序。故采用封頭板先復合再拼接的工藝，然后將合格的NCu30+Q345R 復合鋼板與Q345R(R-HIC)鋼板進行拼接[4-6]，拼接坡口可見圖2。拼接時采取措施保證錯邊量不超過1 mm[7]。拼焊、沖壓成型后對拼接焊縫進行100%射線+100%滲透(覆層）/100%磁粉(碳鋼)無損檢測。RT 射線探傷檢測技術水平AB 級，符合NB/T 47013—2015 標準的II級為合格；磁粉及著色探傷符合NB/T47013-2015 標準的I 級為合格。

圖2 封頭板拼焊坡口圖（單位：mm）

4 工藝方案實施

4.1 驗證NCu30鎳銅合金覆層的耐腐蝕情況

采用模擬試件進行試驗，檢測Ncu30 鎳銅合金材料在隨基層板壓制成型熱處理的耐腐蝕性能。三組試件的理檢測結果分別如圖3～圖5 所示。

圖3 第一組試件金相圖

圖4 第二組試件金相圖

圖5 第三組試件金相圖

從三組試件的第二周期金相圖來看，試件均沒有出現裂紋。證明封頭高溫沖壓成型的壓制工藝及隨后的熱處理工藝不影響NCu30 鎳銅合金材料的耐氯離子應力腐蝕能力。

4.2 封頭壓制成型

在確保NCu30 鎳銅合金材料的耐氯離子應力腐蝕能力不受影響的基礎上，通過采用調整封頭板厚、將材料先復合后拼接的加工制作工藝，使得實際壓制成型的封頭尺寸符合規范要求，焊縫無損檢測結果也滿足設計要求。

5 結論

通過設計對半拼接的NCu30 復合鋼板封頭高溫壓制的制造工藝及其實施結果，可以得出以下結論：

（1）NCu30+Q345R 復合鋼板經歷封頭成型過程中的高溫加熱及熱處理后，NCu30 鎳銅合金覆層的耐氯離子應力腐蝕能力沒有受到影響。

（2）當封頭板所用板材厚度不同時，為了保證封頭的成型質量，應將板材調整至厚度相同，然后再壓制成型。

（3）對于一些特殊介質的壓力容器容器及其封頭，同一截面采用一半復合板、一半碳鋼的結構，在制造工藝上是可行的。而該結構較全復合板結構在經濟性上更有優勢。