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低温奥氏体不锈钢塔器的焊接

来源:至德钢业 日期:2019-01-19 20:42:17 人气:678

对奥氏体不锈钢的焊接性进行了分析。在保证焊缝-120℃低温冲击韧性的同时,选择了经济的焊接材料,采用了合理的焊接方法,取得了良好效果。

公司承接中国石化80万吨/年乙烯工程项目,其中有一台低温不锈钢塔器,制造标准为GB 1502011《压力容器》及JB/T 47102005《钢制塔式容器》,筒体材料为S30408奥氏体不锈钢,筒体有φ2 60040 mm和φ3 40052 mm两种规格;上封头壁厚为44 mm,下封头壁厚为54 mm,中间设有变径段(图1),设计温度为-115℃,设计压力为3.8 MPa。主体AB类焊接接头100%RT,根据JB/T 47302005《承压设备无损检测》,Ⅱ级合格。设备总长61.21 m,金属总质量251 t

分析:GB 150.42011《压力容器第4部分:制造、检验和验收》第7.2.3条规定:设计温度低于-100℃且不低于-196℃的铬镍奥氏体不锈钢容器,应根据设计温度选择合适的焊接工艺,母材应为含碳量小于或等于0.1%的铬镍奥氏体不锈钢;在相应的焊接工艺评定中,应进行焊缝金属的低温夏比(V形缺口)冲击试验,在不高于设计温度下的冲击吸收功(KV2)不得小于31 J[1]。此台压力容器结构庞大、筒体较厚,焊接有一定难度。

1 S30408母材焊接性分析

奥氏体钢由于具有较高的变形能力且不可淬硬,总的来说焊接性良好,但是为了全面保证焊接接头的质量,往往需要解决一些特殊的问题,如焊接接头晶间腐蚀、焊接热裂纹以及铁素体含量等。

1.1 晶间腐蚀

在腐蚀介质作用下起源于金属表面并沿晶界深入内部,使晶粒结合力损伤,严重时材料强度几乎消失,这种现象称为晶间腐蚀。不锈钢的晶间腐蚀,通常用“贫铬”理论解释,即固溶于不锈钢中的碳在450850℃加热(最危险的“敏化温度”为650℃左右),在晶界附近生成Cr23C6并沿晶界析出。由于碳比铬向晶界扩散快,形成碳化物所消耗的铬大量取自晶界附近,导致晶界贫铬。当铬降低于耐腐蚀的极限含量(12%)时,就出现晶间腐蚀。防止晶间腐蚀的措施有:

(1)采用超低碳(0.03%或更低)。

(2)添加TiNb等稳定化元素,并经850950℃稳定化处理,形成固定碳的TiCNbC

(3)固溶处理(1 0101 120℃加热后适当快冷),使Cr23C6固溶于奥氏体[2]

1.2 焊接热裂纹

奥氏体不锈钢焊接时产生的裂纹是热裂纹,在焊缝和热影响区都可能出现,焊缝中主要是结晶裂纹,热影响区及多层焊层间金属则多为高温液化裂纹,二者都与由于偏析而导致的晶间液化有关。在铬镍奥氏体不锈钢焊缝金属中,低熔点共晶物PSSiC含量较高时,就可能在结晶后期以低熔点液膜的形式存在于奥氏体柱状晶体之间,当焊接熔池继续冷却而产生收缩时,被液膜分隔的晶体边界就会被拉开而形成裂纹。由于低熔点共晶液膜的存在,凝固时间越长,产生热裂纹的倾向越高,而焊接热输入决定焊缝金属在高温区停留的时间,所以,焊接热输入越大,产生热裂纹的倾向越大。由于奥氏体不锈钢的热导率小,线膨胀系数大,也延长了焊缝金属在高温区停留的时间,同时焊接区在冷却期间焊接接头必然承受较大的拉应力,从而导致热裂纹的产生[3]。防止焊缝结晶裂纹的措施:严格控制有害杂质,主要是SP含量;调整焊缝金属为双相组织;合理进行合金化;使焊缝金属中存在一定量的铁素体;减少熔池过热和接头残余应力。

1.3 铁素体含量控制

奥氏体不锈钢焊缝中含适量的铁素体组织,可有效抑制热裂纹和提高抗晶间腐蚀性能,δ相可有效消除γ相组织的方向性并使其细化,进而避免低熔物质在晶界上析集而形成不连续分散状态,因而可缓和有害杂质的不良作用。4%8%的铁素体组织抑制焊接热裂纹效果最佳,为此希望能有5%左右的铁素体组织[4]。但当铁素体组织超过3%4%时,会降低焊缝的低温冲击韧性。显然,通过使焊缝金属生成铁素体以提高焊缝的抗裂性与保证焊缝金属的低温冲击韧性是相互矛盾的,必须限制铁素体相的数量。铁素体尽可能地少或焊缝为单相的奥氏体组织,低温冲击韧性就高。兼顾抑制热裂纹又不影响焊缝低温韧性,较佳的铁素体含量为2%左右[5]

2焊接工艺评定

S30408可以采用手工电弧焊、埋弧焊以及钨极氩弧焊等熔焊方法,焊接接头具有相当好的塑性和韧性。但当以较高的热输入量焊接奥氏体不锈钢时,焊接接头的热裂倾向高,其耐蚀性亦会下降。经试验,各种焊接方法、焊接材料冲击韧性指标如表1所示。

以上几种焊接方法和焊接材料的焊缝金属铁素体含量实测值在5.1%7.6%之间,可以满足铁素体含量4%8%良好抗裂性要求。从经济性和工艺性综合考虑,焊材选用如下:钨极氩弧焊ER308L、手工电弧焊E308L-16、埋弧焊HJ107-ER308。根据容器厚度共做了6项焊接工艺评定,其中包括:

(1)焊态:GTAW8 mm一项,14 mm一项;SMAW8 mm一项,38 mm一项;SAW38 mm一项;

(2)封头固溶:SAW38 mm一项。按NB/T 470142011《承压设备焊接工艺评定》和GB 150.42011《压力容器第4部分:制造、检验和验收》7.2.3条规定,对工艺评定试板做机械性能试验和热影响区与焊缝-120℃低温韧性冲击试验,试验结果全部合格。

3容器焊接

3.1焊前准备

1)坡口加工:通过查阅相关资料、依据焊接经验并结合公司实际情况,决定40 mm采用Y形坡口,钝边7 mm44 mm52 mm54 mm采用X形坡口,钝边6 mm52 mm44 mm40 mm对接接头按3:1削薄厚板边缘,坡口用刨边机加工。

2)焊接前,先将焊条E308L-16烘干,100150℃保温1 h;埋弧焊焊剂HJ107烘干,200300℃保温2 h

3)根据合格的焊接工艺评定编制焊接工艺规程(WPS),要求焊工在焊接过程中必须严格执行本焊接工艺规程规定。施焊前,由检验人员确认焊工资格。容器纵焊缝进行组对、定位,定位焊采用手工电弧焊,焊接工艺与正式焊接时相同。定位焊缝长度宜为80100 mm,且不超过壁厚的2/3,间距200 mm;定位焊均匀分布,不宜少于45点;焊缝应保证焊透并熔合良好,且无气孔、夹渣等缺陷;焊缝应平滑过渡到母材,并将焊缝两端削成斜坡。组对时,工卡具的材料应与母材相同,焊接同正式焊相同,卡具去除后应用砂轮打磨,不得用敲打、掰扭等方法。(4)将坡口表面3040 mm范围内的杂质、油污等清理干净,焊丝表面用丙酮擦拭除油处理。手工电弧焊时,坡口两侧各100 mm范围内涂防沾剂白垩粉。

3.2焊接工艺

首先焊接封头拼缝,采用埋弧焊。拼接完毕后外协压制封头,封头热压成型,成型后做固溶处理。并进行100%RT检测,按JB/T 4730.22005《承压设备无损检测第2部分射线检测》,Ⅱ级合格;100%PT检测,按JB/T 4730.42015《承压设备无损检测第4部分磁粉检测》,Ⅰ级合格。其次进行筒节纵缝与对接环缝焊接,然后进行筒节和封头的对接环缝焊接。主体纵、环焊缝采用埋弧焊,接管与壳体焊缝采用手工电弧焊,接管与法兰对接环缝采用钨极氩弧焊和手工电弧焊。

注意事项:焊接时,采用小线能量、短电弧,不摆动或小摆动方法,快速焊;宜采用多层、多道焊,控制道间温度150℃,每一道完成后,均应彻底清除焊道表面的焊渣,并消除各种表面缺陷,每层焊道的接头应错开,且不小于20 mm。钨极氩弧焊时,焊丝前端应置于保护气体中,背面充氩保护。筒体表面严禁电弧擦伤,并严禁在焊件表面引弧、收弧;焊接中应保证引弧与收弧质量,收弧时应将弧坑填满,并用砂轮将收弧处修磨平整。焊接完毕,必须及时将焊缝表面的焊渣及周围的飞溅物清理干净。GB 150.42011《压力容器第4部分:制造、检验和验收》第10.4d)条规定“钢材厚度大于20 mm的奥氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体不锈钢容器的对接和角接头表面应进行渗透检测”,设备主体纵、环缝探伤按100%RT-Ⅱ级+100%PT-Ⅰ级合格,角接头按100%PT-Ⅰ级合格。主体纵、环焊缝RT拍片合格率98%,封头及主体焊接试板试验结果合格,说明所编制焊接工艺合理。

4结论

(1)焊接时采用小线能量、快速焊,多层、多道焊,严格控制道间温度不大于150℃,对坡口及焊丝认真进行清理,控制污染。选用合理的焊接材料,严格控制焊缝铁素体含量4%8%,既满足了低温奥氏体不锈钢低温冲击韧性要求,又降低了生产成本。

(2)采用钨极氩弧焊+手工电弧焊+埋弧焊综合焊接方法焊接大型低温塔器,提高了生产效率,降低了焊工的劳动强度。

(3)焊缝外观成型质量良好,受到客户一致好评,设备安全运行至今。

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