大型原油储罐用12MnNiVR钢板配套国产气电立焊药芯焊丝开发及应用

2021-06-24房务农肖辉英杨咏梅

压力容器 2021年5期

房务农，肖辉英，蒋军，杨咏梅，张健

(1.合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031；2.天津市金桥焊材集团股份有限公司，天津 300300)

0 引言

近十几年来，我国每年均需建造大批单台储存容积在10万m3及其以上的浮顶原油储罐用于石油储备，所用12MnNiVR高强度钢板于21世纪初就已全部实现国产化[1]，但配套的气电立焊药芯焊丝一直被日本神钢等焊材企业垄断，价格高居不下，且供货周期长。为此，合肥通用机械研究院有限公司(以下简称合肥通用院)与某公司合作，于2017年研制出12MnNiVR钢板用大焊接热输入气电立焊JQ.YJL60G药芯焊丝。该焊丝经合肥通用院和各安装单位试验，焊接工艺性能优良，焊缝金属力学性能与日本同期的产品水平相当。但开发的药芯焊丝一直未在储罐工程上实现应用。2020年初，中石化基于研制单位前期试验数据充分，在几个新建10万m3储罐工程项目上选用了JQ.YJL60G药芯焊丝，真正实现了大型原油储罐从钢板到配套焊材的全面国产化。本文介绍JQ.YJL60G药芯焊丝的研制过程及工程应用情况，以增强储罐和压力容器行业对高端国产焊材的信心，并期待更多的压力容器用高端焊材国产化。

1 原油储罐用12MnNiVR钢板简介

12MnNiVR钢板中的C含量通常不大于0.10%和Pcm值不大于0.20%，厚度≤50 mm时，钢板焊前可不预热或稍加预热，具有优异的焊接性[2]。该钢采用二次炉外LF精炼及RH真空等，大幅降低了钢中的S,P,N,O,H含量，并结合先进TMCP和调质处理，相变和少量析出相等形成高密度位错的组织结构，使其抗拉强度达610 Pa级，-20 ℃KV2不小于100 J。另通过降低C，Si含量和添加除Nb以外的微合金元素，利用冶炼过程中形成高熔点第二相质点，抑制了奥氏体晶粒长大和阻止HAZ晶粒粗化[3]，可适应100 kJ/cm大热输入的焊接。通常厚度21.5 mm钢板的纵缝一次成型，厚度21.5 mm以上的纵缝分两次成型，大大提高了焊接效率[4]，见图1。

(a)

2 12MnNiVR钢板配套气电立焊JQ.YJL60G药芯焊丝的主要性能指标

该药芯焊丝需抗吸潮性好、熔敷金属扩散氢含量低于5 ml/100 g；在100 kJ/cm大焊接热输入下，脱渣性、焊缝成型等焊接工艺性能良好，焊缝金属的力学性能需与12MnNiVR钢板相匹配，即焊接接头Rm≥610 MPa，-20 ℃KV2≥47 J，-20 ℃的CTOD特征值δm(20)≥0.3 mm等。

3 JQ.YJL60G药芯焊丝渣系选择及药粉处理技术

气电立焊JQ.YJL60G药芯焊丝非金属药粉的比例较少，但起到造渣、稳弧、减小飞溅及脱氢等重要作用[5]。不同造渣剂加入量对该药芯焊丝的焊缝金属力学性能影响见表1。

表1 造渣剂加入量对JQ.YJL60G药芯焊丝的焊缝金属力学性能影响结果

1)拉伸试棒沿焊缝方向制取。

由表1中数据可以看出，造渣剂加入量为5%，比例过小，虽焊渣覆盖不全，影响焊缝成形，但对焊缝金属力学性能影响较小；造渣剂加入量为15%，则比例过大，焊接时渣浮在立焊熔池表面，造成电弧不稳，飞溅量增大，焊缝金属中亦出现较多夹杂物，对焊缝金属的断后伸长率和冲击韧性造成较大影响；造渣剂加入量为10%，比例适中，焊缝成形和焊缝金属力学性能均较佳。

CaF2作为主要的脱氢剂，可以显著降低焊缝金属扩散氢含量；CaCO3分解生成的CO2可排除焊缝周围空气，阻止氮气进入液态金属中，并降低电弧气氛中氢分压；TiO2和SiO2熔点较高，键能较小，被排挤到熔渣的表面层中，表面张力小，可降低熔滴表面张力和熔渣碱度，细化熔滴，减少飞溅，改善焊缝成形和脱渣性等[6]；稳弧剂中K,Na离子可提供电子，提高电弧稳定性，降低焊渣熔点。最终确定12MnNiVR钢板配套气电立焊药芯焊丝的渣系为氟化物-CaO-MgO型。在大焊接热输入完毕后冷至室温，渣壳就会自动开裂，如图2所示，脱渣率见表2。由图2、表2可以看出，在大焊接热输入下脱渣率为100%，在焊缝中不会出现夹渣现象。

图2 气电立焊焊接后渣壳状态(未锤击) Fig.2 Slag shell state after gas-electric vertical welding (without hammering)

表2 气电立焊脱渣率试验结果

为进一步降低该药芯焊丝焊缝金属扩散氢含量，对非金属类药粉进行700 ℃以上高温烘焙，去除药粉中结晶水，非金属药粉亦由片状变成球状(见图3)，这更有利于非金属细微粉填满金属粉之间的缝隙，防止在拔丝过程中产生“空管”现象[7]。非金属细微粉未烘焙和经高温烘焙的焊缝金属力学性能见表3。可以看出，药粉经高温烘焙后，其焊缝金属低温冲击韧性得到大幅度提升。

(a)未烘焙 (b)经700 ℃以上烘焙图3 非金属细微粉电镜扫描照片 Fig.3 SEM photos of nonmetallic fine powder

表3 药粉处理方式对JQ.YJL60G药芯焊丝焊缝金属力学性能的影响结果

4 JQ.YJL60G药芯焊丝的合金元素设计

JQ.YJL60G药芯焊丝采用逆向设计技术，通过不同合金成分下金属的凝固曲线及析出相特性等，对焊缝金属组织及性能进行预测，分析不同元素夹杂物的形核能力，确定选用Mn-Ni-Mo-Ti合金系复合微合金化，使之在焊接过程中不仅降低O,N,H等有害气体以及S,P等杂质元素含量，还可以避免产生气孔、裂纹及夹杂等焊接缺陷[8]。

加入Ti元素使电弧集中、稳定，减少飞溅，细化晶粒，提高焊缝金属冲击韧性，另外，由于Ti元素与O的亲和力较大，增加了Mn,Si等合金元素过渡系数，Ti还可与N结合，降低焊缝金属气孔敏感性[9]；加入少量稀土，增加脱氧，且稀土氧化物可促使铁素体尽快形核，有利于焊缝金属中形成细小的针状铁素体[10]，如图4所示。

图4 焊缝金属金相组织 (针状铁素体+少量贝氏体) 500× Fig.4 Metallographic structure of weld metal (acicular ferrite + a little bainite) 500×

5 JQ.YJL60G药芯焊丝填充率

气电立焊JQ.YJL60G药芯焊丝常用直径为1.6 mm，焊接电流一般在300～400 A范围内，药粉添加主要是为保证该焊丝能够连续稳定地进行气电立焊，且最大限度提高其焊接效率。气电立焊药芯焊丝填充率如过低，不利于大电流焊接，影响焊接效率；如过高，钢带外皮薄，在高速送丝过程中焊丝易被压扁，将会影响焊丝送丝稳定性[11]。根据经验公式：药粉填充率×100≈钢带宽度/钢带厚度，最终确定该药芯焊丝填充率为24%±0.5%。

6 JQ.YJL60G药芯焊丝综合性能评价

合肥通用院针对大型原油储罐用12MnNiVR钢的焊接特点，结合压力容器对焊接材料的特殊要求，对JQ.YJL60G药芯焊丝综合性能进行评价。试验采用厚度21.5 mm的12MnNiVR钢板，热处理状态为调质。

6.1 JQ.YJL60G药芯焊丝焊缝金属化学成分及力学性能

该药芯焊丝焊缝金属化学成分见表4，力学性能见表5，焊缝金属中的杂质元素含量很低，低温冲击韧性优良。

表4 JQ.YJL60G药芯焊丝焊缝金属化学成分

表5 JQ.YJL60G药芯焊丝焊缝金属力学性能

6.2 JQ.YJL60G药芯焊丝熔敷金属扩散氢含量及抗吸潮性

撕开该药芯焊丝外塑料皮包装，裸放在室内24，48 h后分别测定其熔敷金属扩散氢含量,如表6所示。可以看出，随着裸放时间延长，熔敷金属扩散氢含量上升，即使48 h后仍低于5 ml/100 g，表明该焊丝药粉采用高温烘焙、搭接口的密封等技术措施效果较佳。

表6 JQ.YJL60G药芯焊丝熔敷金属中的扩散氢含量(热提取法)

6.3 JQ.YJL60G药芯焊丝气电立焊热输入选择试验

12MnNiVR钢制原油储罐在现场制作安装时，焊接热输入随着板厚、坡口角度、焊缝根部的间隙变化而变化，气电立焊的坡口在工艺评定中应属补加因素，但在NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》中却被列为次要因素，该标准修订时需改正。为确定现场可用于储罐最大的焊接热输入及最佳焊接热输入范围，合肥通用院参照NB/T 47014—2011，分别采用约70,85,100,120 kJ/cm四档焊接热输入进行试验，在1/4T处制取焊缝金属的冲击试样，并进行-20，-30 ℃低温冲击试验，其结果见表7。可以看出，焊接热输入在70～120 kJ/cm很宽松的范围内，随着焊接热输入增加，焊缝金属-20 ℃KV2下降特性不明显，当焊接热输入达120 kJ/cm时，焊缝金属-20 ℃KV2仍达到145 J，远高于技术要求值。但焊接热输入达100 kJ/cm，其熔合线和热影响区-20 ℃KV2波动较大。因此，从12MnNiVR母材角度考虑，焊接热输入需控制在100 kJ/cm 以下，控制在90 kJ/cm以下更佳。

表7 不同焊接热输入焊缝金属冲击试验结果

6.4 焊接工艺评定试验

合肥通用院按照NB/T 47014—2011，采用JQ.YJL60G焊丝和厚度21.5 mm的12MnNiVR试板进行气电立焊，焊接热输入量为108 kJ/cm，试验结果见表8。可以看出，在焊接热输入为108 k/cm 时，焊接接头抗拉强度满足技术要求，焊缝金属的-20 ℃KV2值高达136 J，与《10万m3原油储罐制造安装技术条件》要求值-15 ℃KV2≥47 J 相比有很大的裕量，但熔合线处冲击吸收能量出现波动。

表8 12MnNiVR/JQ.YJL60G焊接接头力学性能及弯曲试验结果

6.5 焊缝金属系列温度冲击试验

焊接试板的制备、检验参照NB/T 47014执行，试板气电立焊焊接热输入为101 kJ/cm。在位于1/4T板厚处制取冲击试样，系列温度冲击试验结果见图5,6。由图5,6得出焊缝金属的韧脆性转变温度见表9。

图5 焊缝金属KV2与温度的关系 Fig.5 The relationship between KV2 of the weld metal and the temperature

图6 焊缝金属剪切断面率与温度的关系 Fig.6 Relationship between shear section ratio of weld metal and temperature

表9 焊缝金属的韧脆性转变温度

由图5,6可以看出,焊缝金属延性断裂与脆性断裂过渡比较平缓；由表9中数据可看出，由不同判据评定的焊缝金属韧脆性转变温度均低于-61 ℃，说明该药芯焊丝用于12MnNiVR钢板气电立焊，只要焊接热输入控制在适当的范围内，有足够的韧性储备，在-20 ℃时不会产生脆性断裂。

6.6 焊缝金属无塑性转变温度测定

采用厚度21.5 mm的12MnNiVR试板对接，气电立焊焊接热输入为96.3 kJ/cm。按标准GB/T 6803—2008《铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法》制取焊缝金属落锤P2试样，试验结果如表10所示。可以看出，立焊位置焊缝金属的NDTT温度为-50 ℃，表明其止裂能力较强[12]。

表10 焊缝金属落锤试验结果

6.7 焊接接头的断裂韧性试验

采用与第6.6节相同的试板，合肥通用院按GB/T 21143—2014《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》制取了焊缝金属CTOD试样并进行断裂韧性试验，其结果见图7、表11。

注：Δa为包括钝化区的稳定裂纹扩展量；δ为裂纹尖端张开位移CTOD。

表11 阻力曲线方程及断裂韧性特征值

从图7、表11可以看出，在96.3 kJ/cm焊接线能量下，气电立焊的焊缝金属的-20 ℃δm(20)高达0.658 mm，且CTOD试样断口均呈韧性断裂，表明该焊缝金属抗脆性断裂能力较强。

由于国内缺少日本DWS-60G药芯焊丝气电立焊焊缝金属的断裂韧性试验数据，因此某公司委托天津大学在同样试验条件下，分别对日本DWS-60G，JQ.YJL60G药芯焊丝气电立焊的焊缝金属按GB/T 21143—2014进行-20 ℃断裂韧性试验，结果见表12。可看出，JQ.YJL60G药芯焊丝的焊缝金属断裂韧性远高于日本的同类产品。

表12 气电立焊焊缝金属断裂韧性

7 工程应用

JQ.YJL60G药芯焊丝于2020年下半年正式开始应用于中石化商储油库建设，目前已应用于商储项目10万m3原油储罐库车1台、天津南港2台、福建古雷16台、洛阳8台、湛江2台、岳阳4台等。几家安装公司采用该药芯焊丝分别进行了焊接工艺评定，结果见表13。可以看出，采用国产药芯焊丝冲击试验结果优良。在10万m3原油储罐现场施焊过程中，脱渣容易，焊缝成型美观，一次焊接合格率也达98%以上，得到了用户的一致好评。另从表13中的中石化五公司数据可以看出，JQ.YJL60G药芯焊丝与神钢的DWS-60G 药芯焊丝水平相当。