焊后热处理对09MnNiDR 低温钢焊接性能的影响

吕仲光， 安钧洳， 何世军， 赵思琪

（中石油第二建设有限公司， 兰州 730060）

某石化厂新建的三套炼油装置中 “3 万t/年聚丙烯装置” 项目的卧式、 立式压力容器等设备设计选材为09MnNiDR 低温钢， 设计温度不低于-70 ℃。 该低温设备的封头需焊后热冲压成形， 再进行整台设备的组装与焊接。 针对09MnNiDR 低温钢焊后需正火处理这一工艺要求进行焊接工艺试验， 以便制定合理的焊接工艺，来满足施工方的焊接性能与质量要求。

1 09MnNiDR 钢的性能

1.1 09MnNiDR 钢的化学成分和力学性能

09MnNiDR 低温用钢执行标准为GB 3531—2008 《低温压力容器用低合金钢钢板》， 09Mn-NiDR 主要用于低温下工作的容器、 管道和结构[1-4]，如液化石油气储罐、 冷冻设备及石油化工低温设备等， 其化学成分见表1， 力学性能见表2。

表1 09MnNiDR 低温钢的化学成分%

表2 09MnNiDR 低温钢的力学性能

低温用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抗脆性破坏的能力[5-7]。 低温用钢一般通过合金元素达到固溶强化、 晶粒细化，并通过正火或正火＋回火的热处理方法， 达到细化晶粒、 均化组织的目的， 从而获得良好的冲击韧性。 09MnNiDR 低温钢的含碳量不高， 在常温下具有较好的塑性和韧性， 冷加工或热加工工艺均可采用。 09MnNiDR 是铁素体＋少量珠光体型低温钢， 铁素体的晶粒度对断裂韧性的影响十分明显。铁素体的晶粒尺寸越细小， 钢的脆性转变温度将向低温方向移动。 因此， 凡是促使细化晶粒的合金元素， 加入适当量时， 都能改善其韧性。 此外，通过正火处理也有利于获得细化晶粒的效果。

1.2 09MnNiDR 低温钢的焊接性

焊接性是指材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件， 并满足预定服役的能力[8]。它包含两方面内容： 一是焊成的构件符合设计的要求； 二是满足预定的使用条件， 能够安全运行。 根据这两方面的内容， 优质的焊接接头应具备两个条件， 即接头中不存在超过质量标准规定的缺陷， 同时具有预期的使用性能。

焊接时， 产生各种焊接缺陷和影响接头性能的因素有很多[9]， 既有钢材的内在因素， 如化学成分、 组织状态、 厚度等， 又有焊接条件的外在因素， 例如焊接材料、 焊接方法、 焊接工艺及参数、 结构形式、 焊工技术水平等。

2 试验材料及方法

2.1 焊接材料及牌号

根据现场施工和装配条件， 09MnNiDR 低温钢的焊接方法确定为焊条电弧焊。 这种焊接方法操作灵活， 可焊金属材料范围广， 对组件的装配质量要求较低。 选用低温钢焊条E5015-N5P（牌号W707）， 符合GB/T 5117 标准， 焊条规格为Φ3.2 mm 和Φ4.0 mm， 焊条化学成分见表3、主要性能见表4。

表3 W707 焊条的熔敷金属化学成分%

表4 W707 焊条的主要性能指标

根据设计施工图纸及各种不同因素综合考虑， 并且要满足焊接工艺评定标准要求， 选用厚度20 mm 钢进行试验研究。

2.3 焊接坡口尺寸与形式

考虑到焊接坡口尺寸与形式必须使焊工操作方便， 且这样做有利于焊接防护， 在保证使用性能的前提下尽量减少焊缝金属的填充量， 避免产生焊接缺陷和减少焊接应力与变形。

X 形焊接坡口形式[10]及尺寸如图1 所示。焊接坡口内侧角度α=60°， 外侧角度β=70°，钝边距内侧母材表面距离H=10.0 mm， 间隙b=3.0～4.0 mm。

图1 X 形焊接坡口示意图

2.4 焊接位置

焊接位置也是焊接工艺评定的重要因素， 焊接位置的改变， 增加了焊接难度， 考虑到施工方的实际作业需求， 依据NB-T47014—2011 《承压设备焊接工艺评定》[11]， 选定焊接工艺试验的焊接位置为平焊位置。

2.5 焊前预热温度与层间温度

根据板材的厚度和实际的环境温度， 选择焊前不预热 （即预热实际温度为室温）， 层间温度略高于预热温度[12]。

2.6 焊后热处理

为了能够更好地满足焊接接头的工艺与力学性能[13]， 经过上述对09MnNiDR 低温钢的分析， 初步选定分别用正火、 正火+回火两种焊后热处理方法对试件进行焊接工艺试验， 并对试件进行对比分析， 从中选取更为合理的焊后热处理方式。

3 焊接工艺试验对比

为了进一步验证09MnNiDR 低温钢焊接后经正火处理和正火+回火处理的低温冲击韧性， 进行了对比试验。 试验选用相同的焊接工艺参数， 采用多层焊多道焊和窄道焊焊接， 摆动参数控制在0～5 mm， 严格控制焊接热输入及层间温度。 实际焊接工艺参数见表5， 热处理工艺参数见表6。

表5 09MnNiDR 低温钢对比试验的实际焊接工艺参数

表6 09MnNiDR 低温钢焊后热处理工艺参数

冲击试验依照NB-T47014—2011 《承压设备焊接工艺评定》 进行， 试验结果见表7。 另外， 拉伸及弯曲试验结果见表8。

表7 09MnNiDR 低温钢试件冲击试验结果

表8 09MnNiDR 低温钢试件拉伸及弯曲试验结果

从表7 试验结果可看出， 试件PDW009、PDW010 经焊后正火处理后冲击韧性不能够满足工艺与使用性能要求。 试件PDW012 经焊后正火+回火处理后， 晶粒得到细化， 组织均匀化，冲击韧性得到提高， 可以满足工艺与使用性能要求。 但按焊接工艺评定覆盖厚度要求， 回火处理时间不能覆盖其厚度上限。 试件PDW011 经焊后正火+回火处理后， 晶粒得到细化、 组织均匀化，冲击韧性得到很大提高， 完全满足工艺与使用性能要求。 因此选取PDW011 焊后正火+回火处理，即正火处理温度（850～880 ） ℃、 60 min 后空冷，回火处理温度（600～650） ℃、 60 min 后缓冷。

从编号为PDW010 和PDW011 的试件上切取金相试样， 焊缝均采用4%硝酸酒精腐蚀[14]。PDW010 焊接接头的组织如图2 所示， PDW011焊接接头的组织如图3 所示。

图2 PDW010（正火） 焊接接头的金相组织

图3 PDW011（正火+回火） 焊接接头的金相组织

通过图2 和图3 可以看出， PDW010 和PDW011 焊接接头的组织基本相同， 熔合线处熔合良好， 焊缝组织均呈现柱状晶生长。 以图3 所示PDW011 焊接接头组织为例， 图3 （a） 和图3 （b）中有垂直方向和倾斜的柱状晶， 图3 （c） 中也有倾斜的柱状晶。 焊缝中白色和灰色晶粒是固溶了Mn 等合金元素的铁素体， 晶内铁素体基体上的黑色点状组织是细小的氧化物颗粒， 浅色小点则是渗碳体， 黑色的小块组织是极细小的珠光体。 图3 （d） 母材组织呈现带状轧制组织， 带状组织不显著， 说明可能是热轧板， 变形量较小， 组织是白色的铁素体基体和少量的极细小珠光体， 以及小颗粒的渗碳体。 从图3 （c） 焊缝接头的组织看， 熔合线组织细小， 熔合良好， 形成了共同晶粒， 说明焊接质量良好[15]。 总体来看， 无粗大组织。

由金相组织分析可知， PDW011 焊接接头的晶粒组织比PDW010 焊接接头的组织铁素体颗粒更细小， 从而具备更好的低温冲击韧性。 同样的焊接工艺条件下， 焊后热处理选用正火+回火形式比仅作正火处理能够获得更优的焊接性能和组织。

4 结束语

09MnNiDR 钢为铁素体+少量珠光体型低温用钢， 其碳当量≤0.44%， 淬硬倾向小， 不易形成冷裂纹， 焊缝具有较好的塑性和韧性， 通常无需预热。 焊接时， 应严格执行焊接工艺， 采用多层多道焊、 窄焊道焊接， 严格控制焊接热输入和层间温度。 经（850～880） ℃×60 min 空冷的正火处理及 （600～650） ℃×60 min 缓冷的回火处理后， 能得到比较细小均匀的晶粒与组织， 保证焊后各项工艺、 力学、 使用性能指标符合规范与设计要求。 经多次试验论证， 有效地验证了该焊接工艺的可行性。