压缩机分离器用Q345R钢埋弧焊接工艺评定

刘子瑞，颜永成，肖 莉

(1.中国石油西南油气田公司华油公司龙泉驿华油兴能天然气有限公司，四川 成都 610100；2.中国石油集团济柴动力有限公司成都压缩机分公司，四川 成都 610100)

1 引言

压缩机分离器作用是对天然气中的油水液体分离，从而保护压缩机机组的正常运行。笔者所在公司承担了某压缩机分离器的制作，设计压力为7.80 MPa，设计温度为0～100 ℃，分离介质为天然气。项目设计的分离器筒体材质为Q345R钢，规格为Φ1064 mm×32 mm，要求焊后消应力热处理。采用壁厚32 mm的Q345R钢板对接进行埋弧焊接工艺评定，通过焊接工艺试验、探伤试验、拉伸试验、冲击试验、弯曲试验、硬度试验等试验方法研究分析了Q345R钢的焊接接头工艺和力学性能，为压缩机分离器制作提供参考依据。

2 Q345R钢焊接性分析

焊接热影响区的淬硬和冷裂倾向与管线钢化学成分有着密切的联系，在化学成分中，碳含量对管线钢的淬硬和冷裂倾向最为敏感。通常把各种合金元素对管线钢淬硬和冷裂的影响折合成碳的影响，再用碳当量公式进行计算[1，2]。本试验所用Q345R钢供货状态为热轧钢板，化学成分如表1所示，依据国际焊接协会碳当量Ceq的公式计算碳当量。

表1 Q345R钢化学成分(质量分数，%)

(1)

依据公式(1)计算，Ceq(%)=0.426，其碳当量Ceq>0.400%，有一定的淬硬倾向，需要严格控制焊接热输入和道间温度。钢板厚度32 mm，焊前可以不预热，但焊后需要进行消除应力的热处理。

3 试验方法

3.1 试验材料

试验母材为Q345R钢板，试板尺寸为450(长)mm×150(宽)mm×32(厚)mm，2块试板组对对接，对接形式为V形坡口，角度为60°，对接间隙为3 mm，钝边为5 mm，试板两端加引弧板和收弧板。埋弧焊材为国内某焊材公司的埋弧焊剂SJ101和规格Φ3.2 mm的埋弧焊丝H10Mn2。

3.2 试验方法

埋弧焊剂焊前需要进行烘干至380 ℃，并保温2 h。焊接位置为平焊，焊接工艺参数如表2所示，采用多层多道进行焊接，其中焊丝干伸长为25～31 mm，焊剂堆积高度为35～40 mm。焊后试板背面采用碳弧气刨清根，砂轮机清理渗碳层，而后背面埋弧焊接。

表2 焊接工艺参数

焊后消应力热处理工艺参数：从室温升温到400 ℃，然后以不大于180 ℃/h升温，升到620±20 ℃后保温3 h，最后以不大于180 ℃/h冷却到400 ℃后取出空冷至室温。

4 试验结果与分析

4.1 焊缝外观检查

埋弧焊材在焊接过程中工艺性能良好，脱渣容易，焊缝成形美观，焊缝表面没有粘渣、气孔和压坑等缺陷。焊缝外表面余高为1.7 mm，内表面余高0.9 mm，符合GB 150.4—2011《压力容器第4部分：制造、检验和验收》中规定外表面余高不大于4.0 mm和内表面余高不大于1.5 mm的要求。

4.2 探伤检测

依据NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》对Q345R钢焊接接头进行100%RT探伤试验，试验结果为2张Ⅰ级，满足不低于II级的要求，评定结果合格。

4.3 力学性能

Q345R钢对接焊件取样按图1所示进行，焊件两端舍弃30 mm长度的焊缝，排除起始端和收弧端可能产生的焊接缺陷。按照NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》，采用线切割在焊件上截取2个横向拉伸试样、12个冲击试样、4个横向侧弯试样、1个硬度试样进行力学性能检测。其中每个拉伸试样上下分层为2个试样，共计4个拉伸试样，编号分别为T1-1、T1-2、T2-1、T2-2；冲击试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，试样开槽在焊缝和热影响区各3个，开V形坡口，坡口角度为45°，深度为2.0±0.2 mm。

图1 焊接接头取样位置示意

4.3.1 拉伸试验

依据GB/T 228—2010《金属材料拉伸试验》，室温拉伸试验在60 t微机控制电液伺服万能试验机SHT4605上进行。T1-1和T1-2拉伸试样横截面尺寸宽度分别为20.00 mm、20.00 mm；厚度分别为15.70 mm、15.20 mm；T2-1和T2-2拉伸试样横截面尺寸宽度分别为20.00 mm、20.00 mm；厚度分别为15.50 mm、15.20 mm。拉伸试验结果如表3所示，大于母材规定值要求，满足NB/T 47014—2011中规定要求。

表3 焊接接头拉伸试验

4.3.2 冲击试验

依据GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，冲击试验在微机显屏半自动冲击试验机JBW-300B上进行，焊接接头冲击试验结果如表4所示。从表4中可以看出，0 ℃焊缝和热影响区冲击功达到150 J以上，具有较大的富余量，满足NB/T 47014—2011中规定要求。

表4 焊接接头冲击试验

4.3.3 侧弯试验

依据GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》，Q345R焊接接头横向侧弯试验在LWC2000型程控板材连续弯曲试验机上进行，试验结果如表5所示。从表5中可以看出，在弯曲面上没有出现裂纹，满足NB/T 47014—2011中规定要求。

表5 焊接接头弯曲试验

4.3.4 硬度试验

依据GB/T 231.1—2018《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》，Q345R焊接接头硬度试验在HB-3000型布氏硬度试验机上进行，试验结果如表6所示。从表6中可以看出，硬度最高值169HB出现在焊接接头热影响区；且母材、焊缝和热影响区硬度均小于200HB，满足设计文件要求。

表6 焊接接头布氏硬度试验

5 结论

通过对Q345R钢采用所制定的焊接工艺进行试验，在焊后消应力热处理后，抗拉强度大于500 MPa，0 ℃焊缝和热影响区冲击功大于150J以上，侧弯试验合格；焊缝、热影响区、母材硬度均小于200 HB，满足NB 47014—2011和设计文件规定要求。通过Q345R钢焊接工艺评定制定焊接工艺规程，对指导工程现场实际焊接具有重要意义。