王國超，于浩，王紅亮

（開封空分集團有限公司，河南 開封 475000）

隨著我國石油、化工工業(yè)的發(fā)展，不銹鋼復合板壓力容器應用日趨廣泛。不銹鋼復合板可以根據(jù)介質特性，通過選用合適的材料作為覆層，滿足耐蝕、耐磨等特殊要求；選擇合適的材料作為基材，滿足強度和剛度的同時降低成本。通常覆層厚度只占復合板厚度的10% ～ 20%，可節(jié)約大量的不銹鋼。不銹鋼復合板壓力容器作為一種資源集約型產(chǎn)品，大幅度降低了工程造價，實現(xiàn)了低成本與高性能的完美結合，具有良好的社會效益[1]。甲醇分離器是甲醇合成裝置中的關鍵設備，其成形及組裝要求高，異種鋼焊接難度大，封頭堆焊變形控制難，需要有相應的工藝裝備及工藝措施保證。

1 甲醇分離器結構特點及技術特性

結構形式見圖1。技術特性見表1。主體材料：Q345R+S32168 復合鋼板應符合NB/T 47002.1—2009《壓力容器用爆炸焊接復合板 第一部分：不銹鋼——鋼復合板》B1 級規(guī)定，基層為正火板，且逐張進行超聲檢測，質量等級應不低于Ⅱ級，復合層進行100%滲透檢測，符合NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5 部分：滲透檢測》Ⅰ級合格。16Mn Ⅲ鍛件應符合NB/T 47008—2017《承壓設備用碳素鋼和合金鋼鍛件》的規(guī)定；S32168 Ⅲ鍛件應符合NB/T 47010—2017《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》的規(guī)定。Q345R 鋼板應符合GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的規(guī)定，正火 態(tài)。

2 制造技術條件

封頭與筒體對接接頭坡口表面應進行100%滲透檢測，符合NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5 部分：滲透檢測》Ⅰ級合格。

表1 設備技術特性Table 1 Technical characteristics of equipment

堆焊表面應平整，不進行加工的堆焊表面應平滑，兩相鄰焊道之間的凹陷不得大于2 mm，焊接接頭的不平度不大于1.5 mm，堆焊層應不小于6 mm，耐蝕層應大于等于5 mm。

過渡層堆焊后進行100%滲透檢測，符合NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5 部分：滲透檢測》Ⅰ級合格，然后進行熱處理，耐蝕層堆焊后進行100%滲透檢測，符合NB/T 47013.5—2015《承壓設備無損檢測 第5 部分：滲透檢測》Ⅰ級合格。

不銹鋼材料和焊接接頭應在模擬熱處理后按GB/T 4334.5—2008《不銹鋼硫酸—硫酸銅腐蝕試驗法》進行晶間腐蝕試驗，彎曲試驗后，試樣表面不得有晶間腐蝕裂紋。

3 制造

3.1 筒體展開長度的確定

筒體展開長度的確定關鍵在于復合板中性層的確定。根據(jù)《工程力學》的基本理論，用抵抗變形力對中性層取矩的平衡條件可計算中性層的位置。但材料的實際屈服強度值要大于標準中查得的數(shù)值，覆層與基層之間的接觸面存在接觸應力，形成硬層，亦會影響復合板中性層的位置。文獻表明“復合板中徑及筒體負偏差法（見圖2）”是最接近實際的筒體展開長度確定方法[2]。

L = π [ ( D內徑-d ) + 2 ( a/2 + x ) ]

x = c/2 = ( a + b ) / 4

式中 L——筒體展開長度；

a——覆層金屬厚度；

b——基層金屬厚度；

c——基層中性層與覆層中性層間距；

d——筒體直徑負偏差，取4 mm[3]；

x——復合中性層位置。

綜上，筒體展開長度

L = π{ ( D內徑-c ) + 2 [ a / 2 + ( a + b ) / 4 ] }

= 8 920.573 2 ≈8 921 mm。

圖2 復合板中徑及筒體負偏差法Fig.2 Negative deviation method of clad plate middle-diameter and cylinder

3.2 下料及坡口加工

鋼板的劃線、下料應使其元件的最大應變處于板材的軋制方向。

復合板的下料，不允許采用碳弧氣刨，應采用機械方法或等離子切割。下料時，應使不銹鋼面向上，即從不銹鋼側開始切割。材質標記不允許復植在不銹鋼側。

板材邊緣加工采用刨邊方式，去除余量并加工出坡口，坡口形式見圖3，邊緣加工后的坡口表面不得有裂紋、分層、夾渣等缺陷。刨邊后的坯料鄰邊須垂直，對角線偏差≤2 mm，尺寸公差≤1 mm，粗糙度Ra≤12.5。

圖3 坡口形式Fig.3 Groove type

3.3 筒體成形及組裝

制造過程中，不銹鋼（包括復合板的復層，堆焊層）表面應保持清潔，必要時應采取相應保護措施（例如加蓋塑料布或貼紙），以防灰塵、油脂或其它外來雜物附著或擦（碰）傷表面。

坯料在預彎卷圓前須認真熟悉圖樣及工藝文件，注意坡口方向，材料標識是否齊全、完整，然后進行預彎。預彎經(jīng)樣板檢查合格后方可卷圓，預彎、卷圓、校圓使用專用四棍卷板機。用弦長為1 000 mm 的內樣板進行檢查，彎曲度≤1.5 mm，棱角E ≤3 mm；不圓度≤5 mm。

筒體組裝中不得強力進行對中、找平。筒體組裝應進行預組對，超差部分應標記并經(jīng)整形合格后進行最終組裝。

復合鋼板的對口錯邊量不大于鋼板覆層厚度的50%，且不大于2 mm。

3.4 封頭成形

封頭成形過程中的沖壓減薄量參考GB/T 25198—2010《壓力容器用封頭》附錄J 確定，根據(jù)封頭制造工藝確定封頭的投料厚度，確保封頭成形后厚度不小于設計要求的最小成形厚度。

封頭成形采用熱壓，熱壓后進行正火處理：熱處理溫度950 ℃，保溫3 h，空冷。

4 焊接

不銹鋼復合板是由化學成分不同、物理性能和力學性能相異的兩種鋼板組合而成。基層焊接與覆層焊接屬同種材料焊接，工藝成熟；過渡層焊接屬異種鋼焊接，是不銹鋼復合板焊接的關鍵。由于基層與覆層母材、基層與覆層焊接材料在成分及性能方面有較大差異，焊接時稀釋作用強烈，使焊縫中奧氏體元素減少、碳含量增加，增大了結晶裂紋的傾向；焊接熔合區(qū)可能出現(xiàn)馬氏體組織而導致硬度和脆性增加；此外，由于基層與覆層的含鉻量差別較大，促使碳向覆層遷移擴散，在其交界的焊縫金屬區(qū)域形成增碳層和脫碳層，加劇熔合區(qū)的催化或另一側熱影響區(qū)的軟化。為了獲得滿意的焊接接頭，異種鋼焊接時必須采取特殊的工藝措施，合理的處理掉焊接接頭的化學不均勻性及由此引起的組織和力學性能的不均勻性、界面組織的不穩(wěn)定性及應力變形的復雜性等問題[1]。

4.1 焊接工藝評定

壓力容器施焊前，應按NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》對焊接接頭和耐腐蝕復層和堆焊層進行焊接工藝評定。敏化處理后的試樣按GB/T 4334—2008 中方法E《不銹鋼硫酸—硫酸銅腐蝕試驗方法》進行晶間腐蝕傾向試驗，合格。

4.2 焊接材料

焊材應符合NB/T 47018—2017《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件》的規(guī)定。焊絲與焊劑，焊帶與焊劑應進行匹配試驗合格。在實際焊接過程中，為有效防止稀釋和碳遷移，過渡層焊接選用含Cr、Ni 等合金元素量高和含碳量低的焊接材料（EQ309-16）。

4.3 焊接工藝參數(shù)

4.3.1筒體焊接工藝參數(shù)

焊接層次示意圖如圖4，焊接工藝參數(shù)見表2。

4.3.2封頭堆焊工藝參數(shù)

帶極堆焊焊接工藝參數(shù)如表3。

4.4 焊接工藝措施

4.4.1 筒體焊接工藝措施

圖4 焊接層次示意圖Fig.4 Welding layer sketch

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding variables

焊接前坡口及其兩側各30 mm 范圍用丙酮去除油污及對焊接質量有害的物質，用機械方法清理干凈氧化膜及其他有害雜質直至露出金屬光澤。焊絲清潔干燥后及時使用。清理后應及時焊接，層間應清理焊道表面的熔渣和氧化物等。清理與焊接時間間隔≤24 h，否則應重新清理。

表3 帶極堆焊焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding variables of strip surfacing

定位焊只允許焊在基層母材上，焊接長度30 ～ 50 mm，兩端修磨楔形圓滑過渡。

基層焊接采用手工焊條電弧焊加窄間隙埋弧焊工藝，焊前預熱100 ～ 150 ℃，第3 道為單絲埋弧焊，其余道次為雙絲埋弧焊。環(huán)縫焊接時應調整滾輪架同軸，筒體試轉，測量軸向竄動≤2 mm/r，裝設防止筒體軸向竄動的防竄動裝置[4]。

焊接時先焊基層焊縫，然后焊過渡層焊縫，最后焊覆層焊縫。

過渡層焊接應選擇合適的焊接工藝參數(shù)及坡口形式，預先把覆層鋼板加工掉一部分保證第1、2 道基層焊道不受覆層金屬的稀釋，避免形成脆化基層；焊接采用手工焊條電弧焊以減小熔合比，控制過渡層、覆層層間溫度≤100 ℃；焊接時采用短弧、小電流、多層多道焊以控制焊縫的稀釋率。防止母材稀釋對焊縫成分、組織和性能的不利影響，避免產(chǎn)生焊接裂紋等缺陷。

焊接開始與結束時應使用引、熄弧板，避免焊縫產(chǎn)生未焊透、未熔合等缺陷。

4.4.2封頭堆焊工藝措施

封頭堆焊采用帶極堆焊及專用工裝，如圖5，把封頭各部分有效地焊到工裝上，使其達到最大的防變形能力。過渡層堆焊后連同工裝一起進行消除應力熱處理：熱處理溫度620 ℃，保溫2 h，爐冷，出爐溫度≤400 ℃。以減少堆焊應力引起的變形。

帶極堆焊熔敷效率高，稀釋率低，質量可靠，效果良好。帶極堆焊嚴格控制層間溫度≤100 ℃，采用由內至外的堆焊順序以減少堆焊應力引起的變形。

封頭堆焊前，用丙酮去除油污及對焊接質量有害的物質，封頭內表面進行拋丸處理使其露出金屬光澤。清理后應及時焊接，層間應清理焊道表面的熔渣和氧化物等。清理與焊接時間間隔≤24 h，否則應重新清理。

封頭堆焊開始前，需要將待堆焊焊道調至水平位置，因焊帶的寬度較寬，若水平調節(jié)不好，會造成熔化后焊液流向較低側的現(xiàn)象，輕則會造成焊縫成形差，高低不均，嚴重時，會造成咬邊、夾渣等缺陷的產(chǎn)生。封頭待堆焊區(qū)采用專用找平工具找平后對封頭進行堆焊[5]。

為防止堆焊后基層、過渡層、面層邊界不清引起焊接缺陷，堆焊時過渡層邊緣距離焊接坡口邊緣不小于20 mm，面層邊緣距離焊接坡口邊緣不小于30 mm。

圖5 封頭堆焊工裝Fig.5 The equipment of head surfacing

4.5 焊接返修

焊縫存在超標缺陷應進行返修，分析缺陷產(chǎn)生的原因，制定科學合理的焊接返修工藝，指派焊接技能好的焊工進行返修。同一部位（指焊補的填充金屬重疊的部位）的返修次數(shù)不宜超過二次，二次以上返修應經(jīng)技術負責人批準。

4.6 產(chǎn)品試件

筒體焊接接頭晶間腐蝕試板與筒節(jié)同板下料，帶在筒節(jié)縱向焊縫的延長部位與筒節(jié)同時施焊，并隨容器進行熱處理，耐蝕層堆焊后進行100%滲透檢測Ⅰ級合格。試板按GB/T 4334.5—2008《不銹鋼硫酸—硫酸銅腐蝕試驗法》進行晶間腐蝕試驗合格。

封頭焊接接頭試板、母材試板與晶間腐蝕試板三合一與封頭同板下料，帶在封頭縱向焊縫的延長部位與封頭同時施焊，經(jīng)無損檢測合格后，隨封頭同爐加熱并隨封頭進行熱處理，與封頭同時堆焊并隨容器進行熱處理，試板按規(guī)定進行力學性能及晶間腐蝕試驗合格。

5 無損檢測

考慮到復合板的特殊性，后期返修難度大，易產(chǎn)生缺陷問題，采用基層射線，過渡層滲透，面?zhèn)壬渚€+滲透的檢測步驟和方法，分步分批處理焊接過程中缺陷問題。解決了復合板焊接返修難問題。保存最終片子。

6 焊后熱處理

對于基層材料，焊后熱處理的目的不僅是消除焊接殘余應力，而且更重要的是改善金屬組織，提高焊接接頭的綜合力學性能，包括降低焊縫及熱影響區(qū)的硬度和組織穩(wěn)定性，在擬定不銹鋼復合板焊接接頭的焊后熱處理工藝參數(shù)時，綜合考慮了以下冶金和工藝特點。焊后熱處理工藝如圖6。

圖6 焊后熱處理工藝Fig.6 PWHT process

（1）焊后熱處理應保證基層焊縫、熱影響區(qū)，主要是過熱區(qū)組織的改善。

（2）加熱溫度應保證接頭的應力降低到盡可能低的水平。

（3）焊后熱處理，包括多次的熱處理不應使母材和焊接接頭各項力學性能降低到產(chǎn)品技術條件規(guī)定的最低值以下。

7 壓力試驗

所有焊接工作完成并經(jīng)最終檢驗合格后，產(chǎn)品按圖紙要求進行壓力試驗，合格。

8 結束語

不銹鋼復合板壓力容器制造具有其特殊性。通過確定筒體展開長度、控制坡口制備及成形達到了復合板對口錯邊量的要求。通過合理選擇焊接材料、焊接參數(shù)、焊接操作，解決了異種鋼焊接問題。封頭堆焊專用工裝的應用成功解決了封頭堆焊變形問題。窄間隙埋弧焊及帶極堆焊的應用極大地提高了生產(chǎn)效率。