吸收塔用SA537CL1鋼的焊接.doc

吸收塔用SA537CL1鋼的焊接李鵬飛，王建濤，鄒松珀，樊向輝 （西安核設(shè)備有限公司 ，陜西 西安 710021）摘要： 本文通過分析SA537CL1鋼的可焊性和制作2組焊接工藝評定試件后，制定了合理的焊接工藝，成功的完成產(chǎn)品的焊接。結(jié)果表明，SA537CL1鋼焊接性尚好，對于板厚大于56mm的工件，焊接前需預(yù)熱150以上。焊接過程中層間溫度控制在200以內(nèi)、通過減少焊條擺動等措施能夠保證焊縫及熱影響區(qū)的低溫韌性值。關(guān)鍵字：SA537CL1鋼 ， 焊接性，焊接工藝評定 Welding of SA537CL1 steel is used for tower of absorption Li Peng-fei ，Wang jian-tao, Zou song-po，F(xiàn)an xiang-hui （Xian nuclear equipment Ltd.，shaanxi xi,an 710021)Abstract:In this paper ， the weldability of SA537CL1 steel was analysed ；two group welding procedure qualification was done, welding procedure was made properly and the product were weld successfully. The result show that the weldability of SA537CL1 steel is not very satisfied . the workpiece whose thinkness is larger than 56mm should be preheating above 150. before welding . interpass temperature should be controlled under 200 in the welding process ，tenacity of low temperature of welding line and HAZ face can be ensured through reducing swing .Key words: SA537CL1 steel, weldability, welding procedure qualification2007年西安核設(shè)備有限公司給某煤化工集團公司制造了一臺吸收塔，該塔高77m，直徑3.6m，塔體壁厚56mm。設(shè)計壓力3.8Mpa,設(shè)計溫度-60120，介質(zhì)為酸性氣體H2S和N2、CO2、甲醇的混合物質(zhì)。整臺設(shè)備的殼體與封頭的材料是從歐洲進口的SA537CL1鋼板。我公司首次采用該材料制造壓力容器，沒有現(xiàn)成的制造加工經(jīng)驗可以參考。為掌握該材料的焊接工藝特點，驗證所選的焊接材料、工藝參數(shù)是否能夠獲得良好的焊接接頭質(zhì)量，西安核設(shè)備有限公司對SA537CL1鋼的可焊性進行了分析，制定合理的焊接工藝，經(jīng)過焊接工藝評定后，成功的應(yīng)用于產(chǎn)品的焊接。1、 SA537CL1鋼可焊性分析SA537CL1鋼主要化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2. 表1：SA537CL1鋼（正火）化學(xué)成分 %項目CSiMnPSNiMoCuCr規(guī)范值0.240.15-0.501.00-1.600.0350.0350.250.080.350.25復(fù)驗值0.140.301.380.0130.0020.020.050.110.04表2：SA537CL1鋼（正火）力學(xué)性能項目抗拉強度(MPa)屈服強度(MPa)伸長率(%)沖擊值(J)-60規(guī)范值485-6203452220復(fù)驗值5303603774、117、95通過表1的化學(xué)成分和表2的力學(xué)性能可以知道，SA537CL1鋼是無鎳的低溫高強度鋼。依據(jù)美國焊接學(xué)會碳當(dāng)量計算公式：結(jié)合復(fù)驗的化學(xué)成分對碳當(dāng)量進行估算,其值0.48%。根據(jù)圖1焊接性與碳當(dāng)量及板厚關(guān)系查找出該鋼在厚度56mm時焊接性的優(yōu)劣等級為III級。再從表3中確定SA537CL1鋼的焊接條件尚好，焊前需要預(yù)熱。圖1：焊接性與碳當(dāng)量及板厚關(guān)系 考慮化學(xué)成分對焊接熱裂紋敏感性的影響，再利用金屬材料熱裂紋傾向的指(系)數(shù)方法。對SA537CL1鋼熱裂紋產(chǎn)生情況進行預(yù)測。將表1中SA537CL1鋼化學(xué)成分的復(fù)驗值代入熱裂紋敏感系數(shù)（簡稱HCS）法的公式，經(jīng)計算裂紋敏感系數(shù)HCS=0.9。由于HCS2時，不產(chǎn)生熱裂紋，所以SA537CL1鋼也沒有熱裂紋傾向。表3：不同焊接性等級鋼材的最佳焊接條件焊接性等級普通酸性焊條低氫型焊條消除應(yīng)力敲擊焊縫I優(yōu)良不需預(yù)熱不需預(yù)熱不需不需II較好預(yù)熱40-100-10以上不需預(yù)熱任意任意III尚好預(yù)熱150預(yù)熱40-100希望希望IV可以預(yù)熱150-200預(yù)熱100必要希望考慮到該設(shè)備還要進行整體焊后熱處理，所以對其再熱裂紋傾向（G）進行預(yù)測。將表1的化學(xué)成分再代入公式：.計算得到G=-1.94，由于再熱裂紋指數(shù)小于0，所以SA537CL1鋼不會產(chǎn)生再熱裂紋。經(jīng)過以上間接的焊接性分析，我們可以看出：SA537CL1鋼抗熱裂紋和再熱裂紋的性能良好，焊前需要預(yù)熱。表2推薦的預(yù)熱溫度，僅僅考慮化學(xué)成分，沒有考慮到板厚和焊接材料的擴散氫含量等影響因素，我們根據(jù)經(jīng)驗公式對厚度56mm的SA537CL1鋼預(yù)熱溫度進行估算：. 我們選用的焊接條都屬于低氫型焊接材料擴散氫含量在24/100g，代入式可算得預(yù)熱溫度大于160。2 SA537CL1鋼焊接工藝評定根據(jù)對吸收塔制造所確定的焊接方法和需要的熱處理要求，我們按照J(rèn)B4708-2000鋼制壓力容器焊接工藝評定的要求作了兩項焊接工藝評定。分別是使用手弧焊與埋弧焊兩種方法的組合評定和只使用埋弧焊一種方法的單一評定。組合評定采用消應(yīng)力熱處理，單一評定采用模擬熱壓+消應(yīng)力熱處理。組合評定的試板尺寸：60015056，共2塊；單一評定試板尺寸：60015065，共2塊。2.1焊接材料的選擇在保證焊縫具有足夠的低溫韌性和抗拉強度條件下，西核公司通過對比國內(nèi)外不同焊接材料樣本后決定，對于組合評定用焊接材料西核公司選用蒂森焊接公司生產(chǎn)的Phoenix7018焊條和UnionS2Si焊絲與UV418TT焊劑。對于單一評定用埋弧焊焊焊絲西核公司選用哈爾濱焊接研究所生產(chǎn)的H09MnNiDR焊絲，焊劑選用天津金燕焊接材料有限公司生產(chǎn)的SJ101焊劑。焊絲、焊劑和焊條化學(xué)成分和力學(xué)性能的復(fù)驗值見表4、表5、表6。表4：焊條和焊絲化學(xué)成分（復(fù)驗值）牌號(直徑)CMn SiSPCrNiMoCuPhoenix7018 (3.2)0.0651.240.220.0050.0130.050.110.03Phoenix7018 (4)0.0541.160.240.0030.0140.040.120.01Phoenix7018 (5)0.0131.230.260.0030.0130.050.120.01UnionS2Si(4) 0.121.250.350.0060.100.05H09MnNiDR(4) 0.070.970.100.0030.0070.510.11表5：焊條和焊絲的力學(xué)性能（復(fù)驗值）牌號(直徑)抗拉強度(MPa)屈服強度(MPa)伸長率(%)沖擊值(J)-60Phoenix7018 (3.2)52544523.5134、192、212Phoenix7018 (4) 53545530138、95、109Phoenix7018 (5) 52543529133、130、114UnionS2Si(4) 52042026138、130、82H09MnNiDR(4) 59851031.392、58、62表6：焊劑化學(xué)成分（復(fù)驗值）牌號(直徑)CaO+MgOAL2O3+MnOSiO2+TiO2CaF2SJ10130.124.924.120.9UV418TT35.02015252.2 坡口制備 坡口采用機械加工，要求坡口平整，表面不得有裂紋、夾雜、分層等缺陷，尺寸符合要求。組合焊評定用試板坡口見圖2，單一評定用試板坡口見圖3。 圖2：組合焊評定用試板圖3：單一評定用試板坡口2.3焊前清理 焊接前用砂輪打磨坡口表面及兩側(cè)50mm的毛刺和鐵銹，然后用丙酮清洗干凈坡口表面的灰塵、油污、水和其它有害雜質(zhì)。為防止粘附飛濺物，坡口兩側(cè)各100mm范圍噴脫渣劑。2.4焊接工藝 a.焊條和焊劑在使用前，按焊接樣本推薦的烘干、保溫要求，對焊條進行250-350保溫2小時的烘干，對焊劑進行300-350保溫2小時的烘干。b.焊前對評定試件預(yù)熱150以上。c.為避免SA537CL1鋼焊縫金屬及近縫區(qū)形成粗晶組織而降低其低溫韌性。施焊時嚴(yán)格控制熱輸入，采用多層多道的焊接方法，通過多層的重?zé)嶙饔眉?xì)化晶粒。多層時的層間溫度不大于200，以防止焊道過熱，韌性下降。d.兩項評定的焊接規(guī)范參數(shù)詳見表7。表7： 焊接規(guī)范參數(shù)及熱處理規(guī)范序號焊接方法焊接材料焊絲直徑d/mm電源極性焊接電流I/A焊接電壓U/V焊接速度v/(cm.min-1)1SMAWSAWPhoenix7018 UnionS2Si/ UV418TT3.2454直流反接直流反接直流反接直流反接80-120160-200180-220580-60031-32282SAWH09MnNiDR/ SJ1014直流反接420-45028-2943.42.5熱處理工藝組合評定試件焊后熱處理僅僅為了消除焊接殘余應(yīng)力，防止產(chǎn)生冷裂紋。單一評定試件焊后熱處理不僅為了消除焊接殘余應(yīng)力，更重要的是恢復(fù)組織和焊接接頭的綜合力學(xué)性能。組合評定試件和單一評定試件都在電阻爐內(nèi)進行熱處理，熱處理工藝如表8所示。表8：熱處理工藝規(guī)范項目裝爐溫度加熱速度/h加熱溫度保溫時間min冷卻方式組合評定30010061015360150/h緩冷至300空冷單一評定到溫隨爐9201060-75吹風(fēng)冷卻30020061015360150/h緩冷至300空冷2.6接頭性能試驗 試件熱處理后經(jīng)100%無損x射線II級檢查合格后，按照J(rèn)B4708-2000作接頭力學(xué)性能試驗，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表9。接頭抗拉強度都遠高于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的下限485Mpa，側(cè)彎試樣經(jīng)180彎曲后均無裂紋。-60沖擊值均高于母材平均值的20J。熱影響區(qū)的硬度值低于該設(shè)備技術(shù)條件要求的245HV10表9：接頭力學(xué)性能結(jié)果序號抗拉強度(MPa)彎曲試驗180沖擊試驗-60金相試驗硬度試驗HV10焊接方法焊縫熱影響區(qū)焊縫熱影響區(qū)母材1530、525合格手弧焊110,131,98134,76,114未見宏觀焊接缺陷173、173、169179、179、203155、155、155埋弧焊179,162,179173,208,179179、162、179173、208、1792515、510合格埋弧焊35,34,3335,37,32106,77,74100,99,90未見宏觀焊接缺陷154、143、146118、127、124138、146、1383產(chǎn)品焊接按國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局頒布的鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)則進行理論和技能考試，考試合格后的焊工方可參加吸收塔的焊接。坡口按照鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定的推薦,選用合適的焊接坡口。根據(jù)合格的評定編制焊接工藝卡。對于厚度大于56mm的SA537CL1鋼焊前預(yù)熱150，預(yù)熱范圍為焊縫兩側(cè)200mm。層間溫度小于200。施焊中嚴(yán)格按照工藝卡的要求焊接封頭拼縫、筒體縱環(huán)焊縫及接管與法蘭和接管與筒體的焊縫，保證每條焊縫焊透。焊條在施焊前進行250-350x2h烘干，焊劑進行300-350x2h的烘干。 按照前述要求，對吸收塔進行焊接，焊縫表面、焊縫金屬的無損檢測、力學(xué)性能檢驗均滿足技術(shù)條件要求。該設(shè)備現(xiàn)安全運行1年時間，沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。4結(jié)論SA537CL1鋼焊接性能尚好，對于厚度大于56mm的SA537CL1鋼板需預(yù)熱150以后焊接，焊接過程中層間溫度必須控制在200以內(nèi)。施焊過程中嚴(yán)格控制熱輸入，防止焊道過熱，韌性下降。參考文獻1秦曉鐘、滕明德編著.世界壓力容器用鋼手冊M.北京;機械工業(yè)出版社，1995.2美國機械工程師學(xué)會編. 2004版鍋爐壓力容器規(guī)范.第二卷.材料技術(shù)條件A篇S，2004.3JB4708-2000.鋼制壓力容器焊接工藝