09MnNiDR低温钢制压力容器的焊接问题及优化措施

韩秋菊

摘 要：随着近年石油化工行业的发展，低温容器在石油炼化行业得到普遍应用，低温钢在压力容器制造中的焊接问题日益增多。常见的低温压力容器用钢有09MnNiDR与16MnDR，其中09MnNiDR添加了Ni元素，而且C、S、P元素都低于16MnDR，所以在-70℃低温条件下，仍能保持相当高的强度和韧性。这种钢的综合性能达到国际先进水平，可用于制造大型低温钢压力容器。工程公司近两年很多化工装置上都有大量的09MnNiDR低温钢制压力容器，本文主要针对09MnNiDR进行介绍，首先对09MnNiDR低温钢进行化学成分和力学分析，而后又列举了常见的09MnNiDR低温钢制压力容器的焊接质量问题，最后阐述了09MnNiDR低温钢的焊接工艺的优化措施，此文对工程公司EPC项目中09MnNiDR低温钢制压力容器的采购和检验起到指导和借鉴的作用。

关键词：09MnNiDR低温钢;压力容器;焊接工艺;检验

1 低温钢的焊接性能

首先随机抽取某制造厂的09MnNiDR钢板，对其化学成分、力学性能与GB3531—2014标准规定值进行比较[1]，见表1、表2。

从表中可以看出，该钢板中的合金元素全部都在规定的标准值内，同时C、S、P等元素的含量都远低于标准规定值，钢的化学成分和晶粒度对低温性能都有明显影响，C、S、P使钢的脆性转变温度升高，其中尤以C、P最为明显，所以在钢的制造阶段，一般要严格控制钢材中C、S、P含量，而Mn和Ni会使脆性转变温度降低，有利于增加钢板的低温韧性，其中元素Ni对低温韧性的影响最大。从表 2的数据中可见该钢板的力学性能指标均满足标准要求，其中低温冲击韧性及断后伸长率远高于标准规定的最小值，可以有效地确保钢板在使用温度下具有足够的韧性，衡量低温钢性能的主要指标就是低温韧性，即低温下的冲击性能和脆性转变温度，对低温钢的主要性能要求是保证在使用温度下具有足够的韧性及抵抗脆断破坏的能力。钢的低温冲击性能越高，脆性转变温度越低，则低温韧性越好。以上数据说明该批钢板的化学成分和力学性能符合标准要求。

2 制造过程中常见的质量问题

对于低温压力容器的焊接问题基本上和普通压力容器一致，分为外部焊接问题和内部焊接问题，下面对两方面进行简单的介绍。

外部焊接质量问题主要外部变形、焊接尺寸不合格及咬边等问题。

2.1外部变形问题。由于设计不合理或焊接工艺不达标，对压力容器产生外力作用，使其局部应力增大导致变形出现，从而降低了压力容器的安全性;

2.2焊接尺寸不合格。焊接工作进行时，因为焊接设备的电流强度不够，焊缝宽度宽窄不一，因此影响到焊接尺寸;

2.3咬边问题。咬边是常见的质量问题，不论是焊接设备的电流过大还是焊接技术的不规范，都会导致咬边现象;

2.4其他质量问题。在实际焊接工作中，由于焊接工艺的不正确或者焊材选择不合理等原因，还会出现表面焊瘤、凹陷等其他质量问题。

内部焊接质量问题主要有气孔、夹渣、未焊透未熔合、裂纹等问题。

2.5氣孔问题。气孔主要是因为焊接池中的气泡没有及时逸出、以及金属表面的油污、灰尘等没有清理干净而造成气孔;

2.6夹渣问题。在焊缝中出现残留的炉渣即为夹渣，常见于槽的边缘等非平滑位置。焊接设备电流强度不符合标准、焊接速度太快或焊接轨道不平整等否容易导致熔渣残留在焊缝中;

2.7未焊透未熔合。主要表现为焊接接头未完全熔化时，在两个焊接接头之间存在部分间隙，从而直接影响压力容器的安全性。

2.8裂纹问题。除了普通压力容器常见的裂纹问题外，低温钢制压力容器中更重要的问题便是预防冷裂纹的产生，其中焊接参数的不合理、焊条保存不当或者焊工操作不正确都会造成冷裂纹的产生。

3 09MnNiDR 钢焊接工艺

3.1焊材的选择

09MnNiD钢为低合金钢，一般按等强度原则选择焊条，以保证焊缝和热影响区与母材的力学性能相当。为了保证 09MnNiDR 钢制造的设备长期在低温条件下稳定运行，又要求焊缝金属具有较高的低温性冲击韧性。所以，选择Ni含量较高的焊接材料，以提高焊缝的低温冲击韧性。根据各类文献指导，最终选择W707Ni，将该焊接材料的化学成分、力学性能与GB/T 5118-2012标准规定值进行比较[2]，如下表3和表4。

从上表中可以看出焊接材料W707Ni的Ni含量高于低温钢09MnNiDR，从而提高了焊缝的低温冲击韧性[3]。

3.2焊接工艺

根据09MnNiDR低温钢的焊接特点，采取如下工艺措施：

1）焊条在使用前应在350℃～400℃烘干一到两小时，烘干后将其置于温度为100℃～150℃的保温桶内，随用随取。烘干的焊条要 4 小时内用完，未用完的需要重新烘干，但烘干焊条不能超过2次。

2）施焊时开始的第一道底层焊接电流应稍小，可以避免出现粗大的铁素体和粗大的马氏体组织。

3）尽量采用快递多道焊，适当加大坡口角度来增加焊道数目。

4）焊接时采用窄焊道，尽量不连续施焊，并严格控制焊道间温度小于150℃。

5）不允许出现表面缺陷，如焊瘤、凹陷等容易造成应力集中而引起脆性破坏。

6）焊后应进行600℃的热处理来消除应力集中从而降低脆性断裂的风险，提高焊接接头的韧性。

7）焊缝成型后进行100%射线检测。

4 结语

焊接是制造压力容器重要的环节，从源头控制原材料品质和焊接的质量，确保压力容器在投产后能够安全稳定运行。低温钢制压力容器在工程中越来越常见，运行环境比较特殊，所以对焊接工艺有较高的要求。在焊接低温钢时，首先应根据母材的种类和设计 要求，特别是板厚、强度、低温韧性要求、热处理要求、施工环境以及经济性等方面综合考虑选择适当的焊接方法; 其次选择与母材化学成分和性能相匹配的焊接材料，并严格控制焊材的化学成分，尽量避免焊接质量缺陷，提高焊接接头的韧性及抵抗脆性断裂的性能，为保障低温钢制压力容器在特殊工况下能够稳定安全的运行。

参考文献：

[1]GB3531—2014.低温压力容器用钢板[S].

[2]GB/T 5118-2012.热强钢焊条[S]

[3]王占英，马轶群，张兰娣，李桓.低温材料09MnNiDR的焊接工艺[J]. .焊接，2006（2）：63-65

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）