13MnNiMoR 汽包的焊接工艺

唐亚梅

(无锡翔龙环球科技股份有限公司，江苏 无锡 214421)

随着国内工业的蓬勃发展带来的汽包压力容器的高参数化，各种针对中高温，高压力工况下使用的钢板不断涌现，宽厚板被更多地生产并应用到大型锅炉压力容器中。作为锅炉压力容器厂家面临的是高强度宽厚板材料的加工使用以及探究其焊接性能。本公司于2018年承接了高压汽包，汽包工作压力为15.1Mpa，汽包外形尺寸11220mmXΦ1780mm、内直径Φ1600mm、容积26.8m3，主体材料为13MnNiMoR，材料厚度90mm。为了制订合理的焊接工艺，进行了一系列的焊接试验。

1 材料焊接性能分析

根据表1可知，13MnNiMoR钢的C、S及P元素的含量非常低，因此焊接热裂纹倾向较小。而由于13MnNiMoR合金含量较多，板厚大，但材料是细晶粒钢，抗层状撕裂性能好，但受碳当量高、拘束度大以及氢含量的影响，焊接冷裂纹(包括氢致裂纹)容易出现在焊缝区及热影响区[1]。

（1）材料成份及金相组织分析。13MnNiMoR钢仿造于德国的BHW35钢，属于高压锅炉和高压压力容器用钢。根据GB713-2014《锅炉和压力容器钢板》供货状态为正火+回火，正火时组织为贝氏体加铁素体，回火时的组织为回火贝氏体加铁素体，一般也称为低合金贝氏体钢。钢材加入一定量Cr、Mo元素可以提高钢的淬透性，提高钢的室温和中温强度，能抑制钢热脆性和回火脆性，热强性能高；Ni的加入，可以提高钢的淬透性，保证大截面工件得到均匀的组织和性能；可以提高钢的抗疲劳能力和减少钢对缺口的敏感性；一定量的Nb元素加入，可以显著提高钢的相变点，减小钢的淬硬性。在合理的热处理条件下，晶粒细化、抗裂纹扩展敏感性好，被广泛用以制造高压锅炉汽包、高压容器等。该材料的化学成分见表1。

（2）采用国际焊接学会（IIW）所推荐的碳当量计算公式：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/·5(%)=0.5767%；采用日本JIS标准所规定的碳当量计算公式：Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)=0.5758%。

两种公式计算结果，碳当量都大于0.5%，说明13MnNiMoR钢在焊接时淬硬倾向大，为冷裂纹产生的三条件之一。

（3）汽包板厚较厚，焊接时焊缝及热影响区承受不均匀的加热以及不均匀的冷却所产生的三向应力，焊接后工件外形无尺寸变化，因此，拘束度大。

（4）焊缝中的氢。由于主要采用SAW和SMAW两种焊接方法焊接汽包的纵环缝及接管的角焊缝，尽管采用低氢焊接材料以及彻底清除坡口上的油锈等污染物，焊接材料中多少还会存在水份，如果没有措施，将导致焊缝最终还会存在氢。

综上所述，因此13MnNiMoR钢设备焊接过程中，冷裂纹出现的三个条件都存在，而采用预热及后热是减少甚至消除上述三条件的根本方法及措施[2]。

2 焊接准备及条件

2.1 各种焊接接头坡口的确定

坡口确定原则是根据公司设备，兼考虑焊接材料的消耗量，以及利于焊接操作等因素。

（1）筒体纵缝坡口。由于筒体采用中温卷制，坡口采用火焰切割（打磨后表面探伤合格），坡口简图见图1。采用自动埋弧焊。

图1 坡口简图外侧

（2）筒体环缝坡口。待筒体卷圆后，坡口车削，坡口简图见图2。采用自动埋弧焊[3]。

图2 坡口简图内侧

表1 13MnNiMoR钢化学成分（质量分数）（%）

（3）接管与筒体接头坡口。公司有专用的接管角焊缝自动埋弧焊机，坡口采用自动火焰切割机切割（打磨后表面探伤合格），坡口简图见图3。采用自动埋弧焊+焊条电弧焊。

2.2 焊工资格及培训

焊工能力高低决定产品焊接质量的优劣，焊接上述接头的焊工必须按TSG Z6002-2010取得焊工合格证。在此前提下对焊工进行针对性培训，学习焊接工艺并针对各种接头坡口练习。

图3 坡口简图弧度

2.3 焊材准备及环境要求

按规范要求烘烤焊材，CHE607NiR烘干温度为350℃～380℃，保温时间2h；SJ101R焊剂烘干温度为350℃～400℃，保温2h；焊接区内保证焊接时风速＜8m/s。

2.4 预热及后热的实施细节的确定

（1）预热的细节应严格按照《水管锅炉》GB/T16507.5第8.7条要求进行，其中包括加热范围及测量位置。预热温度确定150℃～200℃，层间温度不低于预热温度。

（2）由于13MnNiMoR材料冷裂敏感性较大，板厚，焊接时产生三向应力，拘束度大，焊接后应立即（不小于200℃）进行后热消氢处理。后热温度350℃，至少保持2h。

3 汽包焊接

筒体装配组对前要对坡口打磨除锈及油污，切割坡口表面需无损探伤合格。采用火焰加热，焊接内侧时，加热在外侧，且测温在内侧，反之则相反。这样保证加热透彻。焊接时焊道布置也很重要，除打底外，其余层数都采用一层2道甚至多道，有利于脱渣，且焊接应力较小。筒体焊接试件与筒体纵缝连在一起，采用与纵缝相同工艺一起焊接。一般每条焊缝一次焊完，焊后立即进行后热消氢处理，如中途因故停止施焊，也需要后热消氢处理。由于板厚，焊接接头有延迟裂纹倾向，必须焊接完成36h后，才能按JB/T4730-2005进行纵环缝100%MT+100%UT+100%RT无损检测，接管与筒体的焊缝接头100%MT+100%UT。RTⅡ级合格，UT与MTⅠ级合格。

4 焊后热处理

焊后进行整体热处理。热处理前，所有焊接工作必须完成。热处理工艺严格按照《水管锅炉》GB/T16507.5第9.3条要求进行。包括升温降温速度，热电偶设置炉内气氛等。试板随炉热处理，并设置热电偶。热处理温度为（620±20）℃，保温时间不小于2.5h。热处理后对纵环缝及接管与筒体的焊缝进行100%MT+100%UT无损探伤，Ⅰ级合格。

5 产品焊接试件的常温力学性能

根据NB/T47016-2011《承压设备产品焊接试件的力学性能试验》和产品技术要求进行了各项力学性能试验，抗拉强度、屈服强度、弯曲试验、延伸率、冲击试验全部合格。

6 总结

通过焊接性试验及焊接工艺评定，验证了预焊接工艺的正确性，结合工厂实际状况，制订出了适合指导该产品的焊接工艺指导书。实际焊接过程中，通过加强焊接过程控制，该产品的焊接一次合格率在95%，证明了该工艺的可靠性，也为本公司制造高压汽包高压容器积累了丰富的经验。