不锈钢-钢复合厚钢板设备制造过程中的关键工序分析

张彩霞

摘要：由于石油、化工行业内设备的大型化，高参数（如压力、温度），介质的复杂性，考虑到设备的防腐蚀性能及制造成本，材料选用不锈钢钢板，厚度较厚，而选用不锈钢-钢复合板，既能满足使用要求，经济性也更加显著。对于一些不锈钢-钢复合板设备，由于设备内介质会产生应力腐蚀，晶间腐蚀，加之高参数（如压力、温度），不锈钢-钢复合板设备基层厚度较厚，制造过程中涉及的问题较多。该类设备在制造过程中，对筒体卷筒后的校圆与堆焊的先后顺序、是否进行中间热处理、焊后热处理等都有要求。

关键词：不锈钢-钢复合板设备;应力腐蚀;校圆和堆焊的先后顺序;热处理

不锈钢-钢复合板设备较不锈钢设备而言，不锈钢-钢复合板材料不仅具有良好的耐腐蚀性能、又具有良好的机械强度和加工性能，既提高了设备的耐腐蚀性，延长了设备的使用寿命，又降低了设备成本，在石油、化工行业设备上被广泛采用。

不锈钢-钢复合板是以不锈钢为覆材，碳素钢、低合金钢或不锈钢为基材，用爆炸焊接法或轧制复合法制造的复合板[1]。一般不锈钢钢板厚度大于16mm时，设备材料选用不锈钢-钢爆炸焊接复合板。

对于存在应力腐蚀的不锈钢-钢复合厚钢板设备，焊接完成后需要对该类设备进行整体焊后热处理，来消除应力。而这种设备往往基层较厚，基层厚度与覆层厚度之比较大，筒体在制造过程中校圆难度系数较大，因此，对于这种厚筒体制造过程有两种，一种是常规法，即下料，卷筒，待筒体基层、过渡层、覆层焊接完成后进行校圆;另一种方法是下料，卷筒，待筒体基层焊接完成后校圆，之后再进行过渡层和覆层的堆焊;对以上两种方法以S31603+Q345R（正火）（6+60mm）的高压反应釜在实际制造过程中的优劣进行比较说明。

高压反应釜为立式耳座支承，带夹套，设备内部设置盘管;具体设计参数：内筒设计压力9.9MPa，设计温度250℃，介质氨水、石油液化气、硫磺;夹套设计压力3.0MPa，设计温度234℃，介质蒸汽;盘管设计压力5.0MPa，设计温度320℃，介质导热油/冷却水。设备材质为S31603+Q345R（正火），厚度（6+60）mm，规格：φ1500×3000。考虑到复合板原材料的尺寸及筒體较厚，制造过程中将筒体分两段分别卷制，最后组对装配。按照正常工艺顺序对一节筒体进行制造：下料→卷板→焊接→校圆→无损检测→组对，唯一不同的是复合板筒体的焊接，一般先焊基层焊缝，然后焊过渡焊缝，最后焊覆层焊缝，焊接基层、过渡层、覆层的过程中每层均严格按照标准[2]规定进行无损检测，每层焊接均在无损检测合格后进行下一层的焊接，完成后对筒体进行校圆，然而，出现筒体被拉裂，焊缝及焊缝附近出现肉眼可见的裂纹，用超声检测，发现裂纹深度已经到达过渡层，必须将覆层、过渡层刨掉重新焊接，筒体无法组对。

对另一节筒体改变工艺顺序，采用下料→卷板→基层焊接→中间热处理→校圆→无损检测→过渡层、覆层焊接→组对，具体如下：下料，卷板，基层焊缝焊接，基层焊接完毕后进行中间退火热处理，热处理保温温度和保温时间见表1，热处理结束后进行校圆，校圆后对基层待堆焊面进行表面检测，检测合格后进行过渡层堆焊，堆焊结束后对基层焊缝、过渡层焊缝进行射线检测，表面检测，合格后进行覆层焊接，焊接完成后对覆层焊缝进行超声和表面检测，校圆过程无裂纹出现。

对于筒体基层、过渡层、覆层均焊接完成后进行校圆的制造过程，对于复合薄钢板，不会出现以上筒体被拉裂的问题，但是对于复合厚钢板，如本例中高压反应釜用S31603+Q345R（正火）复合板，复层厚度6mm，基层厚度60mm，厚度差距太大，焊接之后元件拘束度过大;从材料本身分析，由于Q345R的屈服强度Rp0.2（Rel）为315MPa，平均线膨胀系数为10.76×10-6mm/mm℃，线膨胀量为0.013mm，断后伸长率21%;S31603屈服强度Rp0.2为180MPa，平均线膨胀系数为16.28×10-6mm/mm℃，线膨胀量为0.002mm，断后伸长率40%;材料的厚度和性能差异叠加在一起，即使焊接过程中经无损检测无裂纹，合格，但是筒体在校圆过程仍然会被拉裂，出现裂纹。而第二种工艺，从通过增加中间热处理，降低了筒体的拘束度和焊接应力，改善了焊接接头的组织和性能，在焊完基层后进行校圆，也避免了复层、过渡层焊缝受力。 因此，对于复合厚钢板设备筒体的制造，第二种工艺是比较合理、可行的。

该台设备需要制造完成后进行整体焊后热处理，目的主要为改善焊接接头的组织和性能，降低残余应力。而GB/T150、GB/T30583以及相关的标准规范并没有对这种材料提出具体的焊后热处理保温温度及保温时间。对于不锈钢材料，以及不锈钢-钢复合板一般是不建议进行热处理，当确实需要热处理时应避免母材和焊接接头中铬的碳化物Cr23C6析出和形成σ相，因此在进行焊后热处理前必须制定合理、正确的焊后热处理工艺，保证设备材料原有的性能，否则得不偿失。

不锈钢-钢复合钢制压力容器焊后热处理按基层材料要求。覆层为堆焊金属的不锈钢复合钢制压力容器，如果基层需要焊后热处理，则应在堆焊覆层后再进行[3]。不锈钢-钢复合板是以复合板总厚度确定焊后热处理工艺。在焊后热处理工艺中主要要确定保温温度和保温时间。根据不锈钢-钢复合板的热处理保温温度和保温时间按照基层的热处理温度和时间来确定[3]。Q345R材料的焊后热处理的保温温度一般为620±10℃为宜;在相关资料[4]中指出不锈钢的热处理温度在550～600℃较好，因此，对于S31603+Q345R（正火）的高压反应釜采用550℃的保温温度，按照制定的热处理工艺，见表2，热处理试板按照GB/T4334-2020中硫酸-硫酸铜法进行晶间腐蚀试验，合格。目前该设备在安全运行中。

参考文献：

1.杨国义、张勇、陈志伟、陈培新等编.压力容器用复合板 第1部分：不锈钢-钢复合板.新华出版社.2019.

2.崔军、陈学东、寿比南、杨国义、陈永东、李世玉、谢铁军、王冰、徐锋、陈建玉、刘静、韩冰、姚佐权编.压力容器 第4部分：制造、检验和验收.中国标准出版社.2012.

3.戈兆文、窦万波、房务农等.压力容器焊接规程.新华出版社.2011.

4.利波尔德.不锈钢焊接冶金学及焊接性.机械工业出版社.2008.