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（合肥通用機(jī)械研究院安徽壓力容器與管道安全技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230031）

0 前言

在國(guó)內(nèi)某MTO裝置中，大型乙烯球罐因其低溫、高壓，一直是設(shè)計(jì)、制造及安裝的重點(diǎn)和難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)部分設(shè)計(jì)院本著本質(zhì)安全的設(shè)計(jì)理念，考慮到乙烯介質(zhì)的蒸發(fā)溫度為-67℃，將乙烯球罐的設(shè)計(jì)溫度定為-70℃，采用低溫壓力容器用09MnNiDR鋼來(lái)建造。09MnNiDR鋼雖于20世紀(jì)80年代末期由合肥通用機(jī)械研究院等單位研制成功并廣泛應(yīng)用于各類(lèi)低溫壓力容器制造，但直到2013年才在國(guó)內(nèi)某MTO項(xiàng)目上用它建造大型低溫乙烯球罐。與通常低溫壓力容器用焊條相比，低溫球罐用焊條條件比其他類(lèi)壓力容器條件苛刻得多，不但要求全位置下具有良好的焊接工藝性能，還要有更高的韌性?xún)?chǔ)備，因此用于09MnNiDR鋼制壓力容器成熟的W707DR焊條并不適用于低溫球罐，須對(duì)其進(jìn)行較大幅度的改進(jìn)。

本研究根據(jù)低溫乙烯球罐的建造特點(diǎn)，對(duì)新研制的配套09MnNiDR鋼制低溫球罐用W707DRQ焊條進(jìn)行了焊縫金屬冷裂紋敏感性相關(guān)試驗(yàn)，研究焊接線(xiàn)能量對(duì)焊接接頭低溫韌性的影響，并測(cè)定焊接接頭韌脆性轉(zhuǎn)變溫度。

1 焊接技術(shù)難點(diǎn)

W707DR焊條在球罐全位置施焊時(shí)，易出現(xiàn)夾渣和未熔合等缺陷，表面成形較差，且其焊縫金屬－70℃KV2值偏低，韌脆性轉(zhuǎn)變溫度及無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度均較高，韌性?xún)?chǔ)備不足。因此，開(kāi)發(fā)新的適用于09MnNiDR鋼制球罐的W707DRQ焊條應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

（1）在全位置施焊時(shí)，焊條焊接工藝性能良好。

（2）立焊位置焊接接頭－70℃KV2（平均值）≥49 J，因此該焊條熔敷金屬必須具備足夠高的韌性?xún)?chǔ)備，韌脆性轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)盡可能低于－70℃。

（3）球罐焊后整體熱處理時(shí)上極帶保溫時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于下極帶，考慮到球罐運(yùn)行后開(kāi)罐檢查返修時(shí)的局部熱處理，該焊條熔敷金屬應(yīng)具有較高的抗拉強(qiáng)度，防止長(zhǎng)時(shí)間及多次熱處理造成焊縫金屬?gòu)?qiáng)度不足。

2 球罐用受壓元件用材料

2.1 材料成分和性能

主材09MnNiDR鋼板化學(xué)成分（熔煉分析）如表1所示。此外，鋼板還應(yīng)滿(mǎn)足1/2T處-70℃KV2（平均值）≥49J、橫向拉伸斷面收縮率Z≥45%、無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度NDTT≤-70℃，非金屬夾雜物級(jí)別小于等于4.0 級(jí)等要求[1]。

表1 09MnNiDR鋼板化學(xué)成分（熔煉分析） %

2.2 球罐主體用W707DRQ焊條

（1）球罐主體采用哈爾濱威爾焊接有限責(zé)任公司新研制的W707DRQ焊條。該焊條以?xún)?yōu)質(zhì)的H08E為焊心，熔敷金屬為Mn-Ni-Ti-B合金體系，Ni名義含量2.5%的基礎(chǔ)上添加微合金化，使其成為以針狀鐵素體為主的組織，較高的Ni含量，抑制了熔敷金屬中先共析鐵素體的形成，使針狀鐵素體增多，且使其板條更加多角化[2]，以提高熔敷金屬的低溫沖擊性能；藥皮采用CaCO3-CaF2-TiO2-SiO2堿性渣系，熔敷金屬雜質(zhì)元素含量和擴(kuò)散氫含量較低，從而降低了焊接接頭氫致冷裂紋的敏感性。

（2）優(yōu)選粒度較細(xì)的大理石及合適的大理石/螢石配比，改善焊條藥皮的熔化特性，避免立焊或仰焊位置時(shí)藥皮套筒過(guò)長(zhǎng)的現(xiàn)象，同時(shí)提高電弧的穩(wěn)定性，增加電弧的吹力，細(xì)化熔滴，從而大大改善了焊條全位置施焊的工藝性能。

其熔敷金屬雜質(zhì)元素S、P含量極低，見(jiàn)表2[3]，力學(xué)性能較佳，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間熱處理后抗拉強(qiáng)度仍滿(mǎn)足要求，－70 KV2實(shí)物水平達(dá)140 J以上，遠(yuǎn)高于KV2平均值不小于49 J技術(shù)要求，見(jiàn)表3[3]。

表2 W707DRQ焊條熔敷金屬的化學(xué)成分 %

表3 W707DRQ焊條熔敷金屬力學(xué)性能的技術(shù)要求及檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 焊條工藝性能和焊縫性能試驗(yàn)

3.1 焊條工藝性能試驗(yàn)

焊條的焊接工藝性能不僅關(guān)系到焊接一次合格率，還影響到施工成本。為了現(xiàn)場(chǎng)施工能穩(wěn)定獲得優(yōu)質(zhì)、致密、缺陷少的焊接接頭，試驗(yàn)參照GB/T25776-2010《焊接材料焊接工藝性能評(píng)定方法》，在平焊位置測(cè)定其電弧穩(wěn)定性，在立焊、仰焊位置分別評(píng)價(jià)W707DRQ焊條脫渣性。

試驗(yàn)表明，該焊條在交流電弧下穩(wěn)定性良好（現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際采用直流電源，電弧穩(wěn)定性更佳），試驗(yàn)中未出現(xiàn)滅弧和喘息現(xiàn)象；焊條立焊、仰焊位置的脫渣率均大于80%，脫渣性能良好，焊縫表面成形美觀[3]。

3.2 焊縫金屬插銷(xiāo)冷裂紋試驗(yàn)

在球罐建造過(guò)程中及開(kāi)罐檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，大部分冷裂紋產(chǎn)生在焊縫上，因此借鑒鋼板冷裂紋試驗(yàn)方法，在國(guó)內(nèi)首次采用插銷(xiāo)冷裂紋試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)焊縫金屬的冷裂紋。插銷(xiāo)試樣的端部位于09MnNiDR鋼板對(duì)接焊縫的中心線(xiàn)，其長(zhǎng)度方向垂直于焊縫金屬方向。深缺口插銷(xiāo)試樣的尺寸如圖1所示，40°半V型缺口處應(yīng)力集中系數(shù)為3.991，在最苛刻試驗(yàn)條件下模擬焊接接頭中的應(yīng)力集中處，如焊根、焊趾、未焊透及咬邊等部位所引起的三向應(yīng)力。插銷(xiāo)底板采用厚度20 mm低碳鋼板，底板的中心有一個(gè)直徑為φ8 mm的配合插銷(xiāo)安裝孔，如圖2所示。

圖1 深缺口插銷(xiāo)試棒

圖2 插銷(xiāo)試棒與試板組合

試驗(yàn)分別按不預(yù)熱、預(yù)熱50℃兩種狀態(tài)采用W707DRQ焊條施焊。焊接工藝規(guī)范為：焊接電流170 A，電弧電壓 23～24 V，焊接速度 150 mm/min，線(xiàn)能量16～17 kJ/cm。試驗(yàn)采用“斷裂”準(zhǔn)則，即試樣經(jīng)一定時(shí)間不斷裂所承受的最大應(yīng)力為鋼材抗裂能力。試驗(yàn)環(huán)境溫度20～25℃，濕度60%～75%。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

試驗(yàn)插銷(xiāo)載荷-斷裂時(shí)間曲線(xiàn)如圖3所示。

由表4和圖3可知，采用W707DRQ焊條焊接的焊縫金屬在室溫時(shí)的臨界斷裂應(yīng)力達(dá)1 011 MPa，遠(yuǎn)超過(guò)其實(shí)測(cè)的屈服強(qiáng)度，說(shuō)明09MnNiDR鋼采用W707DRQ焊條在室溫下施焊，焊縫金屬的焊接冷裂紋敏感性很低，在現(xiàn)場(chǎng)球罐預(yù)熱75℃以上，焊縫金屬中基本不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。

表4 插銷(xiāo)冷裂紋試驗(yàn)結(jié)果

圖3 焊縫金屬的插銷(xiāo)載荷-斷裂時(shí)間曲線(xiàn)

3.3 不同焊接線(xiàn)能量對(duì)09MnNiDR鋼板對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響

09MnNiDR鋼屬于低溫鋼，焊接線(xiàn)能量越小越好，但球罐立焊位置焊條需擺動(dòng)焊接，焊接線(xiàn)能量偏大；加之我國(guó)焊工理論知識(shí)差，經(jīng)常片面追求焊接效率，球罐施焊現(xiàn)場(chǎng)的焊接線(xiàn)能量無(wú)法控制在理想水平以下，因此對(duì)09MnNiDR鋼采用W707DRQ焊條進(jìn)行焊接線(xiàn)能量系列試驗(yàn)（焊接線(xiàn)能量分別為15～18 kJ/cm、25～30 kJ/cm、30～35 kJ/cm、35～40 kJ/cm）。焊接試板預(yù)熱50℃，層間溫度控制在200℃以下，焊接試板按（580±15）℃×7 h進(jìn)行焊后熱處理，按NB/T47014-2011規(guī)定在1/4T處制取焊縫金屬、熱影響區(qū)沖擊試樣，分別進(jìn)行-70℃、-80℃低溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5可知，隨著焊接線(xiàn)能量的增加，焊縫金屬-70℃KV2低溫沖擊值呈下降趨勢(shì)，線(xiàn)能量達(dá)40kJ/cm時(shí)，焊縫-70℃KV2單個(gè)最低值為91J，因此09MnNiDR鋼制球罐采用W707DRQ焊條進(jìn)行焊接時(shí)，焊接線(xiàn)能量不宜超過(guò)40 kJ/cm。現(xiàn)場(chǎng)焊接施工過(guò)程中應(yīng)盡可能采用較小的焊接線(xiàn)能量，建議實(shí)際焊接線(xiàn)能量控制在35 kJ/cm以下。

3.4 焊縫金屬系列溫度沖擊試驗(yàn)

乙烯球罐在低溫工況條件下運(yùn)行易產(chǎn)生脆性斷裂，因此在最苛刻的立焊位置測(cè)定焊縫金屬韌脆性轉(zhuǎn)變溫度。焊接試板的制備、檢驗(yàn)參照NB/T 47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》執(zhí)行。試板采用鋼板橫向?qū)樱⒑肝恢?，預(yù)熱溫度75℃，焊后進(jìn)行（580±15）℃×7 h（400℃以上升/降溫速度均為 50℃）的 SR處理。沖擊試樣位于1/4T板厚處，取樣處最大焊接線(xiàn)能量為35 kJ/cm。

按GB/T 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》規(guī)定在JB-50A沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行系列溫度沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度20～-120℃，冷卻介質(zhì)為無(wú)水乙醇+液氮，試樣的過(guò)冷度按GB/T 229-2007的規(guī)定約為2～3℃，并按該標(biāo)準(zhǔn)附錄C測(cè)定沖擊試樣斷口的晶狀斷面率，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表5 4種焊接線(xiàn)能量焊接沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖4 焊接線(xiàn)能量對(duì)焊縫金屬?zèng)_擊韌性的影響

表6 焊縫金屬系列沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由表6整理出焊縫金屬KV2與溫度的關(guān)系、晶狀斷面率與溫度的關(guān)系分別如圖5、圖6所示。由兩圖分別得出焊縫金屬的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度見(jiàn)表7。

圖5 焊縫金屬KV2與溫度的關(guān)系

圖6 焊縫金屬纖維斷面率與溫度的關(guān)系

表7 焊縫金屬的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度

由圖6可知，焊縫金屬延性斷裂與脆性斷裂過(guò)渡比較平緩。由表7可知，不同判據(jù)評(píng)定的焊縫金屬韌脆性轉(zhuǎn)變溫度均低于-70℃，說(shuō)明該焊條用于09MnNiDR鋼制球罐，只要焊接線(xiàn)能量控制適當(dāng)，焊縫金屬有足夠的韌性?xún)?chǔ)備，在設(shè)計(jì)溫度下就不會(huì)產(chǎn)生脆性斷裂。

3.5 焊接接頭的金相組織及硬度

對(duì)SR處理狀態(tài)下焊縫金屬、熱影響區(qū)進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，結(jié)果如圖7、圖8所示，焊縫金屬的金相組織為鐵素體+少量回火貝氏體，焊接熱影響區(qū)的金相組織均為回火貝氏體。

圖7 焊縫金屬組織近表層（250×）

圖8 熱影響區(qū)組織近表層（200×）

檢驗(yàn)SR處理狀態(tài)下焊接接頭表面硬度，數(shù)據(jù)見(jiàn)表8，焊縫金屬、熱影響區(qū)硬度值均較低。

4 結(jié)論

（1）W707DRQ焊條立焊和仰焊位置的工藝性能、脫渣性、焊縫成形均較好。

（2）插銷(xiāo)試驗(yàn)結(jié)果表明，09MnNiDR鋼板采用W707DRQ焊條焊接，焊縫金屬冷裂紋敏感性較低。

（3）W707DRQ焊條可以在最大焊接線(xiàn)能量不超過(guò)40 kJ/cm的情況下施焊并保持較高的低溫沖擊韌性，現(xiàn)場(chǎng)焊接施工過(guò)程中應(yīng)盡可能采用較小的焊接線(xiàn)能量（不大于35 kJ/cm）。

（4）在最苛刻的立焊位置，焊縫金屬韌脆性轉(zhuǎn)變溫度低于-70℃，說(shuō)明只要焊接線(xiàn)能量控制適當(dāng)，該焊條用于09MnNiDR鋼制球罐，有足夠的韌性?xún)?chǔ)備。

（5）焊縫金屬的組織以針狀鐵素體為主，低溫沖擊韌性?xún)?yōu)良。

表8 焊接接頭的硬度

[1]黃金國(guó)，陳永東，陳崇剛，等.09MnNiDR制2 000 m3乙烯球罐的分析設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)備與管道，2014（1）：23-24.

[2]尹士科.焊接材料及接頭組織性能[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[3]彭小敏，房務(wù)農(nóng)，胡鵬亮，等.09MnNiDR鋼制球罐用W707DRQ 焊條焊接性能[J].焊接，2015（2）：63-66.