国产CF钢制3 000 m3丙烯球罐建造技术

2015-12-26霍中雪

化工机械 2015年2期

关键词：球罐水压试验焊条

霍中雪

(合肥通用机械研究院)

国产CF钢制3000m3丙烯球罐建造技术

霍中雪**

(合肥通用机械研究院)

从焊接工艺评定、焊接过程控制、现场施焊和焊后处理几个方面介绍了采用国产CF钢作为球壳板材料和国产GER-N27M作为焊材建造3 000 m3丙烯球罐的相关技术。

CF钢球罐焊接国产化

近年来石油化工行业迅速发展，储备化工原料的球罐设备日趋大型化和高参数化，尤其对乙烯及丙烯等化工原料的储存工况提出更加严苛的要求。CF钢(即低焊接裂纹敏感性高强度钢)在性能上具有明显的优势，其强度高、韧性好，加工成形和焊接性能优良，能满足大型乙烯、丙烯球罐低温、高压的设计要求。以往CF钢制球罐用钢板和焊材主要依赖进口，致使制造成本较高。目前，国内某些钢厂生产的CF钢板的性能已达到进口CF钢板的水平，同时国内也研制出与CF钢相匹配的焊材，从而缩减了此类球罐的制造成本。

1 工程概况

某化工园区建造了4台丙烯球罐，球罐本体采用07MnNiMoDR钢板(舞阳钢铁公司研制生产的CF钢)。该球罐技术参数为：

结构形式三带十支柱

公称容积 3 000m3

内径 18 000mm

壁厚 48mm

设计压力 2.160MPa

最高工作压力 1.623MPa

设计温度 -48～50℃

最高工作温度 45℃

该球罐容积大，采用三带十支柱结构形式，球壳板数量少、焊缝总长度短、材料利用率高，但单片球壳板面积较大。另外，07MnNiMoDR钢板强度高、硬度大，压制成形时反弹量大，球壳板较厚，焊接质量难以控制。因此，该类球罐制造、组装难度较大。

2 建造材料

2.1钢板

07MnNiMoDR钢板为调质状态交货，通过低碳、微合金化获得强度高、低温冲击韧性好的低碳贝氏体组织。该钢板淬硬倾向较小，焊接性能良好，产生冷裂纹的倾向较小。

钢板复验时进行力学性能试验，抗拉强度为640MPa，冲击试验在横向1/2板厚处取样，-50℃低温冲击功分别为177、163、159J，表明该钢板强度高，低温冲击韧性好。

2.2焊材

本球罐的焊接材料采用新研制的GER-N27M高韧性超低氢型焊条，该焊条脱渣性和工艺性能良好，宜采用短弧操作，可进行全位置焊接。按GB/T 3965-1995中色谱法测定[H]=2.54mL/100g，扩散氢含量较低，可减少氢致延迟裂纹的产生。焊条熔敷金属的力学性能见表1，熔敷金属冲击吸收功有较大的富裕量，其具有良好的抗裂性和低温冲击韧性，冷弯试验(d=3a，a=25，α=180°)合格，达到了进口焊条LB-65L的水平。

表1 GER-N27M焊条熔敷金属

注：热处理温度575±15℃，保温时间6.75h，400℃以上时，升降温速度不大于100℃/h。

3 焊接工艺评定

通过对07MnNiMoDR钢板和GER-N27M焊条进行一系列焊接性试验，掌握了该钢板和焊条的焊接特点。07MnNiMoDR钢板75℃以上预热不会产生冷裂纹，但有一定再热裂纹倾向，考虑到现场施工条件的复杂性，推荐预热温度100～120℃。该钢对焊接热输入较为敏感，随着焊接热输入的增大，焊接接头晶粒粗化，低温冲击韧性降低，但若控制焊接热输入不超过30kJ/cm，焊接接头-50℃的低温冲击韧性仍可满足技术要求。按照NB/T 47014-2011对焊接接头进行立焊、横焊、平焊+仰焊的焊接工艺评定，确定了现场施焊的热输入范围和要求，评定合格的焊接工艺参数见表2、3。

表2 不同规格焊条采用的焊接电流

表3 各种位置下的焊接线能量 kJ/cm

4 焊接过程控制

07MnNiMoDR钢制球罐组焊时，可能会出现一些焊接性问题：

a. 焊接接头冷却速度快，热影响区出现马氏体淬硬组织，降低塑性韧性，产生硬化裂纹，抗应力腐蚀性能下降；

b. 焊接接头高温停留时间长，热影响区中过热区变宽，晶粒粗大、脆化，降低焊接接头低温冲击韧性，甚至会造成冷脆；

c. 焊缝中的氢含量控制不当，加上焊接变形和焊接应力，可能导致产生冷裂纹。

4.1坡口

球罐焊缝坡口采用不对称的X形(图1)，球罐外部焊接环境比内部好，外部焊接工作量比内部大。坡口角度采用负偏差，可减少焊接工作量，节省焊接材料，同时也降低了产生焊接裂纹、缺陷的几率。经计算，坡口角度采用最大负偏差与采用最大正偏差相比，可节省焊接材料达16.7%。火焰切割的坡口表面应打磨出金属光泽，彻底清除坡口处熔渣与氧化皮，坡口表面进行100%磁粉检测，I级合格，并涂上可焊性防锈涂料。

图1 焊缝坡口形式与尺寸

4.2焊接工艺选择

焊接时采用直流电源，严格控制焊接线能量不超过30kJ/cm，不同规格焊条所采用的焊接电流和不同位置下所采用的焊接线能量在表2、3中已经提到。焊条管理、焊前预热、后热和层间温度需严格控制：

a. 为控制氢的来源，焊条使用前经350～400℃烘干1～2h，置于100～150℃恒温箱内，随用随取。焊工应使用焊条保温筒，保温筒内焊条须在4 h内用完，否则应重新烘干，烘干次数不宜超过两次。

b. 焊前预热应均匀，预热温度为100～120℃，预热宽度为焊缝中心两侧各3倍板厚，且不少于150mm。按GB/T 18591-2001的规定对称测量距坡口边缘不超过50mm处的预热温度，每条焊缝测点不少于3点。

c. 施焊时采用窄焊道、薄层多层焊，每一焊道宽度不大于焊芯直径的4倍，每一层焊道的厚度不超过3.5mm，焊接层间温度不低于焊前预热温度，且最高温度不大于180℃。

d. 球壳板与凸缘、厚壁管、支柱的连接焊缝焊后应立即进行热处理，及时消除焊缝中的扩散氢，后热规范为200～250℃保温1h。

4.3焊缝清根与返修

X形坡口对接焊缝外侧焊接完成后，背面清焊根。采用碳弧气刨清焊根时，焊缝实际温度应不低于预热温度，若低于预热温度，则清焊根时应先预热。清完焊根后，采用砂轮磨除渗碳层、修整刨槽，使其呈U形，槽底半径应大于5mm，长度方向宽窄一致。清焊根后，经渗透检测确认无裂纹、未融合、未焊透及夹渣等缺陷后方可施焊。

当发现不允许存在的缺陷时，查清缺陷产生的原因，采用砂轮打磨或碳弧气刨将缺陷消除。采用碳弧气刨时，需用砂轮打磨清除渗碳层，经渗透检测确认缺陷清除干净后，提出返修方案，制定返修工艺。焊缝同一部位的返修次数不宜超过两次，若超过两次，应经制造单位技术总负责人批准，修补次数、部位和修补情况应计入球罐质量证明书。

4.4零部件制造

凸缘、厚壁管与极中板及上支柱与赤道板在组焊时需采用一些防变形措施，如预留一定的反变形量和加胎具固定。焊接完成后，用弦长不小于1 000mm的样板检测，要求极中板周边100mm范围内、开孔中心一倍开孔直径范围外的曲率允差e≤3.0mm；赤道板与上支柱焊接的焊缝200mm范围内的曲率允差e≤2.5mm。若焊接变形导致曲率超标，则需要校形处理，为防止产生裂纹，应避开焊缝部位，仅在焊缝周围进行校形。

5 现场施焊

本球罐板厚48mm，厚度大，焊接拘束应力大。组焊时为减小焊接变形和焊接应力，需要安排合理的焊接顺序。采用以赤道带为基准的张线单片散装成形法，组装顺序为赤道带→下极带→上极带。球罐组装时注意调整错边量、棱角和对口间隙，组装完毕后对其几何尺寸进行检测，确保符合技术要求和相关标准。

要求对称施焊，各焊工的焊接速度应力求一致。施焊的顺序为先焊纵缝后焊环缝，外部焊缝焊完后，内部清焊根，并经渗透检测合格后，再焊内部焊缝，极板的纵焊缝从中间向两边焊。

焊道始端采用后退起弧法，焊道终端应将弧坑填满。换焊条重新起弧时，应在上一根焊条的弧坑尚未冷却时尽快起弧。每一焊道应一次连续焊完，如因故中断焊接，需进行后热消氢热处理，将原焊道的弧坑打磨掉，经渗透检测确认无裂纹后，再按原工艺规范施焊。多层焊各层间的接头应错开50mm以上，每一层焊道焊完后，清除焊渣、将焊瘤打磨至与焊层齐平，方可进行下一层焊道的焊接。

焊接完毕后，打磨消除焊缝表面焊波，球罐内外表面焊缝余高应为0，且不低于母材，对接焊缝打磨至与母材圆滑过渡；角焊缝与母材呈凹面圆滑过渡。对接焊缝形成的棱角(包括错边量)不得大于7mm。球罐焊后两极间的内直径、赤道截面的最大内直径和最小内直径三者相互之差应小于球罐内径的7/1000，且不大于70mm。

6 焊后处理

6.1焊接接头无损检测

球罐焊接结束36h，并且焊缝表面形状尺寸与外观检查合格后，对所有A类焊接接头进行100%RT检测和100%UT检测复验。热处理和水压试验后，对所有A类焊接接头和接管与极板之间焊接接头进行100%UT检测。RT检测按JB/T 4730.2-2005标准，技术等级应不低于AB级，Ⅱ级合格；UT检测按JB/T 4730-2005标准，技术等级应不低于B级，Ⅰ级合格。

此外，所有坡口、工夹具的焊痕处均需进行100%MT检测；热处理前后和水压试验后，所有焊接接头表面均需进行100%MT检测，按JB/T 4730.4-2005标准，I 级合格。上段支柱与赤道板焊缝表面和焊接位置周边150mm范围内进行焊前100% MT检测、焊后100% UT检测和100% MT检测，结果均符合JB/T 4730-2005规定的I级要求。

6.2焊后整体热处理

为消除球罐组焊后的残余应力，改善焊接接头性能，消除焊缝中有害气体，防止焊缝产生裂纹，焊接完毕经无损检测合格后，对球罐进行整体焊后热处理。提高热处理温度，可使残余应力得到更充分释放，但是这将涉及再热裂纹问题。根据裂纹敏感性试验，该钢再热裂纹敏感温度为620℃[1]，制定热处理工艺时要避开该温度。

焊后热处理规范为：热处理温度为575±15℃，恒温时间2h，当温度处于400℃以上时，升温速度控制在50～80℃/h，降温时降温速度宜控制在30～50℃/h；当温度达到400℃以下时方可自然冷却。

6.3硬度检测

球壳板压制过程变形复杂，硬度增大；焊接冷却过程产生淬硬组织，焊接接头硬度增大，为防止硬化裂纹的产生，需对球罐的表面硬度进行监控。球罐热处理后对球壳板所有焊接接头(焊缝金属、热影响区和母材的外表面)进行硬度检测，测得硬度值HB不大于220，符合技术要求。

6.4水压试验和气密性试验

球罐安装完毕且全部检查合格后，按GB 50094-2010的有关规定进行水压试验。水压试验采用洁净水，水温不低于15℃，压力为2.7MPa。水压试验后，所有焊接接头无渗漏和异常的现象，表明水压试验合格。

水压试验全部检查合格后，按GB 50094-2010的有关规定进行气密性试验。气密性试验使用的压缩气体为干燥、清洁的空气或氮气，气体温度不得低于5℃，气密性试验压力为2.16MPa。气密性试验后，经肥皂液检查所有法兰密封面无气体泄漏，表明气密性试验合格。