重型压力容器裙座与设备本体同炉焊后热处理技术

王庆伟

(东方电机集团东方电机有限公司，四川618000)

重型压力容器裙座与设备本体同炉焊后热处理技术

王庆伟

(东方电机集团东方电机有限公司，四川618000)

压力容器裙座用Q345R钢板在特殊条件下复验合格后，采用经评定合格的焊接工艺施焊，使裙座母材和焊缝在本体规定的焊后热处理条件下，仍能满足标准和技术条件规定的力学性能，从而实现裙座与设备本体同炉热处理。

压力容器裙座；焊后热处理；焊接工艺评定

压力容器焊接时，当母材相邻区域产生温差大于100℃的急剧温度梯度时，在铁素体钢或相当的其它材料中引起不均匀的塑性应变，而在随后的冷却过程中，将产生峰值应力达到材料屈服点的残余应力场，残余应力的存在将影响压力容器的使用性能。因此，为改善焊接区的性能和消除焊接残余应力，可采取焊后热处理方法(PWHT)松弛和缓解焊接残余应力，改善因焊接而被硬化及脆化的焊接热影响区，提高焊缝金属的延性和断裂韧性，也可使焊接区及其附近的氢等有害气体扩散逸出。

由于石化炼油装置(如加氢反应器、热高压分离器)本体多为珠光体耐热钢，裙座组件的材质为普通低合金高强钢，通常情况下焊后需采取不同的热处理工艺。容器组焊完毕后焊接与本体同材质的过渡段裙座，单独进炉按本体材质的要求进行热处理；设备出炉后焊接裙座组件，按裙座材质的要求进行局部热处理。采用该方式不仅增加了生产成本，而且延长了生产周期。因此，要实现裙座与设备本体同炉PWHT，高温长时间热处理对裙座母材及焊接接头力学性能的影响及处理措施是急需解决的问题。

1 设备简介

图1为某设计院设计的渣油加氢脱硫装置-热高压分离器，该装置的设计参数为：设计压力19.3 MPa，设计温度400℃，介质H2+油气+油+H2S，厚度160 mm，体积18.3 m3，设备总重184 575 kg，属于Ⅲ类压力容器。

该设备由气体出口、筒体、过渡段、封头、液体出口、法兰及裙座等组成，根据相关标准和技术要求，组焊完成后整体进炉PWHT690±14℃×8+2h。主体材料均为12Cr2Mo1Ⅳ锻件+(E309L+E347)堆焊，母材满足NB/T 47008《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》及相关技术要求；裙座母材为Q345R钢板，满足GB713—2008《锅炉和压力容器用钢板》及相关采购技术要求。

2 PWHT对母材和焊缝性能的影响

焊件的保温温度和保温时间可利用回火参数P来推算：

P=T(20+lgt)

式中，P为回火参数；T为加热温度(K)；t为保温时间(h)。

回火参数与残余应力的关系见图2。由图2可知，当回火参数P值为(18～19)×103时，残余应力急剧下降。要获得相同的回火参数P值，选择高温短时间回火或低温长时间回火，而如何选择需要根据抗拉强度和韧性特性来决定[1]。

图1 石化压力容器设备本体与裙座结构图Figure 1 Configuration of petro-chemical pressure vessel body and skirt support

图2 回火参数与残余应力的关系Figure 2 Relationship of tempering parameters and residual stress

图3 PWHT对高强钢焊缝金属抗拉强度的影响Figure 3 Effect of PWHT on tensile strength for high strength steel weld metal

对一般的低合金高强钢，如果长时间在高温下保温，会对母材的塑性和韧性产生有害的影响。对焊缝金属的抗拉强度和屈服点来说，PWHT的温度越高、保温时间越长就越低。图3表示了各种焊缝金属的这一变化。从图3可知，由于焊缝金属的合金成分不同，强度下降的程度也不同，其原因是PWHT过程中组织变化是因合金成分而异[1]。

针对Q345R裙座组件PWHT的工艺通常按600±20℃×2 h执行，根据以上分析，若按本体690±14℃×8+2h进行PWHT，势必影响母材和焊接接头的力学性能和断裂韧性。因此，在原材料采购时Q345R钢板需在模拟690±14℃×8+2h的条件下验收，焊接材料熔敷金属的力学性能和冲击韧性指标应相应的提高，经焊接工艺评定和复验合格后方可用于产品施焊。

3 裙座下段钢板验收

裙座下段钢板为Q345R，壁厚38 mm，以正火状态交货，并应在模拟PWHT的条件下进行力学性能检测和冲击韧性检测，3个试样冲击功平均值≥34 J，允许其中一个试样冲击功值≥27 J。Q345R钢板应按NB/T 47014《承压设备无损检测》进行超声检测，Ⅱ级合格。

Q345R钢板的力学性能应在模拟PWHT后满足GB713《锅炉与压力容器用钢板》的规定。模拟PWHT的温度为690±14℃，保温时间为8+2h。力学性能和冲击韧性合格后方允许与设备本体同炉热处理。Q345R钢板性能检测结果见表1。

表1 Q345R钢板性能试验数据Table 1 Performance test data of Q345R steel plate

通过表1可知，该批裙座钢板试样经690±14℃×8+2h模拟PWHT后的性能检测数据满足标准和相关技术要求。

4 焊接工艺评定

4.1 焊接方法及焊接材料

裙座组件的焊接主要采用焊条电弧焊打底及局部补焊、埋弧焊盖面的方法。为保证焊接接头经690±14℃×8+2h热处理后，焊缝金属及热影响区冲击韧性≥34 J，保证焊接接头的综合力学性能不低于母材要求，焊前按NB/T 47014《承压设备焊接工艺评定》进行焊接工艺评定，文中仅对主体焊缝用埋弧焊工艺评定进行介绍。

选用的焊接材料在焊态下应与母材高强度匹配，焊条牌号为CHE557R(型号E5515-E)，符合NB/T47018.2《钢焊条》要求，焊丝、焊剂牌号为CHW-S7R+CHF113R(型号F62A3-H08Mn2MoA)，焊剂CHF113R为氟碱型碱性烧结焊剂，硬度约2.0，呈浅灰色球形颗粒，粒度10～60目。焊材应严格控制S、P含量，符合NB/T 47018.4《埋弧焊用钢焊丝和焊剂》要求。该焊丝焊剂组合工艺性能良好、电弧燃烧稳定、焊道成型好、脱渣容易，焊缝具有扩散氢含量低、抗裂性、低温冲击韧性好等特点。熔敷金属在焊态下的力学性能标准值见表2。

表2 熔敷金属焊态力学性能标准值Table 2 Mechanical properties standard values of deposited metal welding state

4.2 试板坡口制备及施焊

两件试样规格为40 mm×150 mm×300 mm，材质为Q345R，已在模拟PWHT条件下复验合格。按图4所示开V型坡口，坡口角度60°，钝边5 mm，坡口间隙2 mm。

装配合格后装收、引弧板，按PWPS说明施焊。焊前天然气预热≥100℃；采用多层多道焊的方式，正面分10层18道，翻面清根焊分2层2道，控制道间温度≤250℃；为保证焊缝金属的冲击韧性，焊接过程中控制最大焊接热输入不超过30 kJ/cm；焊后立即进行200～250℃×1 h消氢处理，天然气加热石棉布覆盖缓冷。焊接过程工艺参数记录见表3。

图4 埋弧焊坡口形式及焊道层次Figure 4 Groove shape and weld bead level of submerged-arc welding

表3 SAW焊接工艺参数记录Table 3 SAW welding process parameters records

4.3 宏观检查及无损检测

对焊接试板的焊缝外观质量进行检查，焊缝成型较好，无裂纹、咬边、气孔等缺陷。按NB/T 47014《承压设备无损检测》要求进行100%射线检测，基本达到I级要求。对局部检测不合格部位做好标识，制取试样时应避开缺陷部位。

4.4 焊后热处理(PWHT)

为考察焊接接头在高于常规退火温度和时间的条件下接头力学性能是否满足产品技术要求，制定焊后热处理曲线，如图5所示。

图5 模拟焊后热处理曲线Figure 5 Simulated PWHT curve

4.5 力学性能检验

按NB/T 47014《承压设备焊接工艺评定》规定的试验项目和取样数量，制取两件拉伸试样、4件侧弯试样、6件冲击试样(焊缝和热影响区各3件；冲击试样取自焊缝正面2 mm以下的位置)。

拉伸试验按GB/T 228规定的试验方法测定焊接接头的抗拉强度，合格指标为不低于标准规定的母材抗拉强度的最低值。弯曲试验按GB/T 2653和NB/T 47014规定的试验方法测定焊接接头的完好性和塑性，合格指标为弯曲到规定的角度后，其拉伸面上的焊缝和热影响区内沿任何方向不得有单条长度大于3 mm的开口缺陷。冲击试验方法应符合GB/T 229的规定，试验温度及合格指标与母材一致。力学性能试验结果分别见表4、表5、表6。

表4 拉伸试验性能数据Table 4 Performance data of tensile test

表5 弯曲试验性能数据Table 5 Performance data of bending test

表6 冲击试验性能数据Table 6 Performance data of impact test

根据试验结果分析可知：拉伸试验断裂部位均位于母材，断裂部位具有明显的颈缩现象，焊缝在退火状态下抗拉强度仍高于母材；在弯芯直径D=4a的压头下弯曲180°，4件均未产生裂纹，说明焊接接头的致密性和塑性优良；冲击试验平均值(焊缝76 J，热影响区146 J)高于标准值，说明焊接接头韧性良好。

综上所述，焊接接头在经690±14℃×8+2h PWHT的条件下，仍然具有优良的综合力学性能，说明选材和工艺制定合理，裙座与设备本体具备同炉焊后热处理的条件，在实际生产中将该工艺投入使用，取得良好的效果。

5 结论

在重型压力容器制造时若要实现裙座与设备本体同炉PWHT，需满足以下条件：

(1)在裙座Q345R钢板采购时，入厂复验需在模拟690±14℃×8+2h的条件下验收，合格指标满足GB 713《锅炉与压力容器用钢板》和产品技术条件的要求。

(2)选择焊接材料时，应保证在焊态下熔敷金属力学性能与母材高强度匹配。

(3)经焊接工艺评定和焊接材料复验合格后方可用于产品施焊，评定和复验时焊接试板也应经过模拟PWHT690±14℃×8+2h。

实践证明，通过合理的选材和焊接工艺，裙座与设备本体具备同炉焊后热处理的条件，在实际生产中应用该工艺降低了生产成本，缩短了生产周期，取得了良好的效果，对同类设备的制造具有一定的参考价值。

[1] 陈泰伟.压力容器焊后热处理技术[M].北京：中国石化出版社，2002.

编辑 杜青泉

Post Weld Heat Treatment Technique of Skirt Support and the Body for Heavy Duty Pressure Vessel in Same Furnace

Wang Qingwei

Q345R steel plate used for pressure vessel skirt support was welded by qualified welding process through evaluation after verified under special conditions,which made skirt support and weld apply to mechanical properties established by standards and technical terms in same conditions of post weld heat treatment with the body in order to realize the heat treatment of skirt support and the body in same furnace.

pressure vessel skirt support; post weld heat treatment; welding process evaluation

2016—11—14

王庆伟(1983—)，男，硕士，工程师，主要从事压力容器、风电产品的焊接工艺和质量控制相关工作。

TG441.8

B