周鑫

摘要：天然氣預(yù)處理廠用復(fù)合板制的匯管長度超長，且需要長途運輸?shù)絿?，為保證整體制造質(zhì)量及減少現(xiàn)場可能出現(xiàn)的問題，采用廠內(nèi)整體制作、試壓后分段切割、現(xiàn)場進行最后分段口焊接的制作方案。該匯管直徑小，壁厚較厚，筒體變形率較大，根據(jù)其設(shè)計的材質(zhì)Q345R（R-HIC）+S31603及結(jié)構(gòu)特點，從筒體卷制、加工及焊接等方面介紹了小直徑復(fù)合設(shè)備的制作工藝及焊接質(zhì)量的保證措施，對同類型設(shè)備的制造具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：匯管;爆炸復(fù)合鋼板;Q345R（R-HIC）+S31603;卷制;組對;焊接;探傷

中圖分類號：TG457.1 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2303（2020）11-0088-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.16

0 前言

目前爆炸復(fù)合鋼板在國內(nèi)外的應(yīng)用已相對成熟，其基層與覆層最低結(jié)合率不低于95%，結(jié)合界面的剪切強度不低于210 MPa[1]，完全能夠滿足用于復(fù)合板設(shè)備制作的要求，同時考慮經(jīng)濟性，選用爆炸復(fù)合鋼板作為匯管的母材。

由于復(fù)合板是由兩種不同的材料組成，所以在不銹鋼生產(chǎn)中避免部分滲碳和鐵離子污染非常重要;同時，由于兩種材料的不同，其制造難度比單層不銹鋼或碳鋼更大[2]。

1 設(shè)備主要設(shè)計參數(shù)

匯管為臥式結(jié)構(gòu)，主體材質(zhì)為Q345R（R-HIC）+S31603，壁厚30+3 mm，長25 681 mm，主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

2 不銹鋼復(fù)合板的焊接性分析和焊接工藝要求

（1）基層材料焊接性分析。

Q345R（R-HIC）的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表2、表3所示。

鋼的焊接性與其化學(xué)成分關(guān)系很大，其中影響最大的是含碳量。因此，通常用碳當量來評價鋼材的可焊性：

一般認為Ceq<0.45%的鋼材可焊性較好，0.393的碳當量說明Q345R（R-HIC）焊接性一般。

（2）覆層材料焊接性分析。耐蝕層S31603的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表4、表5所示。

奧氏體不銹鋼焊接對熱裂紋有一定的敏感性，易產(chǎn)生焊接接頭的脆化（475 ℃脆化、σ相和晶界析出碳化鉻脆化或晶粒粗大）等，同時耐蝕性降低，在一定介質(zhì)條件的接觸下，易產(chǎn)生均勻腐蝕（表面）、局部腐蝕（晶間腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕等）[2]。

（3）Q345R（R-HIC）+S31603復(fù)合鋼板過渡層焊接性分析。此鋼板過渡層焊接過程中會出現(xiàn)鎳基合金復(fù)合板過渡層焊接中存在的熱裂紋問題，而且由于Cr、Ni元素含量更低，若焊接材料選擇或焊接工藝不恰當，不銹鋼焊縫可能會出現(xiàn)嚴重的稀釋現(xiàn)象，更容易形成馬氏體淬硬組織，或由于鉻、鎳強烈滲入珠光體鋼基層出現(xiàn)脆化，進而產(chǎn)生裂紋。

由舍夫勒組織圖可知（見圖1），當焊接材料和焊接工藝不合適時，焊縫中會出現(xiàn)馬氏體，這是必須克服的問題?？刹捎迷诨鶎优c覆層之間選擇合適的焊接材料設(shè)置堆焊隔離層的方法來控制稀釋率和碳遷移。

（4）焊接方法選擇。

復(fù)合板的焊接可采用SMAW、GTAW、SAW等焊接方法。由于設(shè)備筒體直徑較小，內(nèi)部焊接的作業(yè)空間較小，考慮采用基層氬弧焊打底、基層正面SAW，過渡層及覆層SMAW，避免了背面清根造成覆層污染。

（5）焊接材料。

不銹鋼復(fù)合板焊接的關(guān)鍵是過渡層焊接。焊接過渡層時，母材基層部分熔化會使不銹鋼焊縫的合金成分稀釋，同時也會降低不銹鋼焊縫中鉻、鎳合金元素的含量，增加碳含量，從而在不銹鋼焊縫中形成硬脆馬氏體組織，降低焊接接頭的塑性、韌性和耐蝕性。因此，在實際焊接生產(chǎn)中，選擇鉻、鎳等合金元素含量高、碳含量低的焊接材料，使過渡層的合金性能保持在適當?shù)乃?，同時應(yīng)考慮抗裂性，以控制焊接稀釋率。

（6）坡口的選擇。

焊接坡口形式及尺寸的選擇應(yīng)遵循填充金屬量少、熔合比小、便于操作等原則，坡口形式見圖2、圖3。

（7）預(yù)熱。

不銹鋼復(fù)合鋼的基層需要預(yù)熱時，預(yù)熱溫度按基層選取，預(yù)熱的厚度參數(shù)應(yīng)按不銹鋼復(fù)合板的總厚度確定，Q345R（30～50 mm厚）焊接預(yù)熱溫度為100～150 ℃[4]。當基層需要預(yù)熱時，施焊過渡層焊縫也應(yīng)進行預(yù)熱。

采用電加熱法預(yù)熱，預(yù)熱范圍應(yīng)以焊接點為中心，周圍各方向不小于焊接板厚的3倍，且不小于100 mm。預(yù)熱應(yīng)在焊接點周圍或沿焊縫長度方向均勻進行，并防止過熱。

（8）焊接工藝參數(shù)。

焊接順序為先焊基層，再焊過渡層，最后焊覆層。為防止沾附焊接飛濺，施焊前需在不銹鋼復(fù)合板坡口兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)刷涂防飛濺涂料，工藝參數(shù)如表6所示。

基層焊接時，應(yīng)嚴格防止基體焊縫熔化到過渡層甚至覆層焊縫上，避免少量高鉻、高鎳不銹鋼成分稀釋到碳鋼焊縫中形成馬氏體組織而硬化;過渡層焊接時，為了減少稀釋比和附加應(yīng)力，在保證全熔透的前提下，應(yīng)盡量采用小直徑焊條，小規(guī)格反極性直道焊;覆層焊接時，為保證焊接質(zhì)量，必須控制焊接熱輸入，采用多層多道快速無擺動焊接方法，盡可能采用小焊接熱輸入和小焊接電流，快速焊接，焊層間溫度不得高于150 ℃，且不應(yīng)預(yù)熱和緩冷。

最后，保證焊縫一次合格率是控制焊接質(zhì)量的關(guān)鍵性指標，因為不銹鋼復(fù)合板焊接接頭的組織和性能十分不均勻，焊縫返修時經(jīng)常出現(xiàn)熱裂紋。

3 制造工藝

（1）下料。

排版嚴格按照中徑計算展開長度，根據(jù)經(jīng)驗，厚壁復(fù)合板下料長度一般需縮小10～30 mm，具體下料尺寸根據(jù)板厚和卷制工藝進行制定。同時，留5 mm機械加工余量，并在測量鋼板長度、寬度及對角線尺寸后，進行劃線切割。

切割通常采用等離子切割法和機械加工法。針對33 mm壁厚，可采用火焰或者等離子切割，為了避免切割電弧散噴作用而污染不銹鋼覆層，等離子切割方向由覆層向基層切割。為避免污染，注意吊裝過程中吊鉤上必須墊膠皮。

（2）坡口加工。

縱縫用銑邊機或者刨邊機進行機械加工坡口，環(huán)縫采用車床進行機械加工坡口，需嚴格控制筒體成型后的橢圓度，保證環(huán)縫的加工質(zhì)量。筒體開孔可采用鏜床加工開孔或者數(shù)控馬鞍切割機開孔，保證開孔精度。開孔坡口參照筒體縱環(huán)縫坡口形式。

（3）筒體成型。

復(fù)合鋼板筒體成型一般應(yīng)采用冷卷，可根據(jù)變形度計算決定是否需要熱加工，根據(jù)經(jīng)驗，筒體變形度不超過3%的均可采用冷成形。本設(shè)備變形量為4.7%，縱縫焊接后校圓前先消除應(yīng)力處理，再中溫校圓。卷制前兩邊都進行250～300 mm的壓頭（壓頭長度根據(jù)卷板機兩下輥間距決定），壓頭處采用300 mm樣板進行檢驗，防止筒節(jié)反復(fù)碾壓造成的損傷。筒體焊接成形后，打磨縱焊縫余高至與母材齊平，確保校圓過程不會對焊縫造成損傷，同時保證筒體圓度，如圖4、圖5所示。

（4）組對。

對不銹鋼復(fù)合板錯邊量控制的要求比普通碳鋼或低合金鋼嚴格得多，控制不銹鋼復(fù)合板的錯邊量不超標是保證其強度和耐腐蝕性能的關(guān)鍵，為此采取以下措施：

a. 嚴格按照筒體展開尺寸下料，并保證實際下料尺寸準確。

b. 保證筒節(jié)滾圓質(zhì)量，控制好圓度。

c. 坡口形式尺寸標注以覆層為基準，確保錯邊量不超標。

d. 對每一節(jié)筒節(jié)進行周長及橢圓度的復(fù)查，對同一臺設(shè)備長度相同的筒節(jié)可按照周長大小重新組合，嚴格控制錯邊量，如圖6所示。

e. 封頭與筒體組對，首先保證各自的圓度，再以封頭周長匹配筒體周長，保證封頭與筒體的組對質(zhì)量。

f. 組對時以內(nèi)部覆層為基準，對口錯邊量小于等于1.5 mm[5]。

（5）焊后熱處理。

不銹鋼復(fù)合板應(yīng)盡量避免焊后熱處理。當需要進行焊后熱處理時，應(yīng)盡量避免鉻碳化物析出和σ相的形成。如焊后熱處理溫度在不銹鋼的敏化溫度區(qū)間內(nèi)，就會降低不銹鋼的耐晶間腐蝕性能。實踐證明，解決奧氏體和碳鋼回火熱處理敏化問題有以下三個途徑：①選用含Nb、Ti等元素的不銹鋼;②迅速通過450～850 ℃;③選用超低碳[w（C）≤0.03%]奧氏體不銹鋼。

對有SSC存在的復(fù)合材料唯一途徑就是③，當腐蝕和安全發(fā)生矛盾時，首先應(yīng)考慮安全，H2S的SSC是突發(fā)事故，事先無任何預(yù)兆的突然破裂。大量生產(chǎn)實踐證明途徑③是可以實現(xiàn)的有效措施，能保證防腐要求。

該復(fù)合匯管主要是為了消除應(yīng)力，但同時要保證不銹鋼的耐腐蝕性能，所以采用的熱處理溫度比一般常規(guī)熱處理溫度低20～30 ℃，保溫時間有一定的延長，效果很好，耐腐蝕性能完全符合設(shè)計標準。

熱處理后按GB/T27866-2011《控制管制管道及設(shè)備焊縫硬度防止硫化物應(yīng)力開裂技術(shù)規(guī)范》要求進行基層焊縫硬度檢測：HB≤200。

（6）探傷（見圖7）。

除按設(shè)計要求外，為保證筒節(jié)成型質(zhì)量，卷制前復(fù)合鋼板進行100%UT，筒體卷制后內(nèi)表面100%PT，基層焊接完成后，先進行100%UT，合格后方可進行覆層焊接，避免基層返修對覆層的污染，保證焊接一次合格率。全部焊接完成后焊縫進行100%RT+100%UT+內(nèi)表面100%PT+外表面100%MT。所有開孔接管角焊縫進行100%UT+內(nèi)表面100%PT+外表面100%MT。

此外，增加熱處理和水壓試驗后所有焊縫的100%UT+外表面MT+內(nèi)表面PT。

（7）水壓試驗。

設(shè)備試壓要用潔凈水，水中氯離子含量應(yīng)不超過25 mg/L，試壓后立即將水排放干凈，并吹干水跡。

（8）酸洗、鈍化。

對制作完成的筒體內(nèi)表面進行酸洗、鈍化，最后采用藍點檢測（見圖8、圖9），保證酸洗鈍化滿足要求，確保覆層無污染及鈍化效果。

4 結(jié)論

根據(jù)上述工藝制造的天然氣預(yù)處理廠用復(fù)合板制的匯管已在土庫曼斯坦南約洛坦氣田成功應(yīng)用6年，設(shè)備運行期間無任何質(zhì)量問題，產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠。綜上所述，覆層316L的復(fù)合板壓力容器其制造要求相對一般碳鋼更為嚴格，對制造和焊接的要求更高，并且在制造該類設(shè)備過程中應(yīng)嚴格遵守相關(guān)要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

參考文獻：

[1] NB/T47002.1～47002.4-2009，壓力容器用爆炸焊接復(fù)合板[S]. 北京：新華出版社，2009.

[2] 芮紅福. 淺談不銹鋼復(fù)合板焊接工藝[J]. 中國標準化，2017（9）：40-41.

[3] 天津大學(xué)焊接教研室. 金屬熔焊原理及工藝[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1980.

[4] NB/T47015-2011，壓力容器焊接規(guī)程[S]. 北京：新華出版社，2011.

[5] GB150.1～150.4-2011，壓力容器[S]. 北京：中國標準出版社，2011.