吸收塔用SA537CL1钢的焊接.doc

吸收塔用SA537CL1钢的焊接李鹏飞，王建涛，邹松珀，樊向辉 （西安核设备有限公司 ，陕西 西安 710021）摘要： 本文通过分析SA537CL1钢的可焊性和制作2组焊接工艺评定试件后，制定了合理的焊接工艺，成功的完成产品的焊接。结果表明，SA537CL1钢焊接性尚好，对于板厚大于56mm的工件，焊接前需预热150以上。焊接过程中层间温度控制在200以内、通过减少焊条摆动等措施能够保证焊缝及热影响区的低温韧性值。关键字：SA537CL1钢 ， 焊接性，焊接工艺评定 Welding of SA537CL1 steel is used for tower of absorption Li Peng-fei ，Wang jian-tao, Zou song-po，Fan 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年西安核设备有限公司给某煤化工集团公司制造了一台吸收塔，该塔高77m，直径3.6m，塔体壁厚56mm。设计压力3.8Mpa,设计温度-60120，介质为酸性气体H2S和N2、CO2、甲醇的混合物质。整台设备的壳体与封头的材料是从欧洲进口的SA537CL1钢板。我公司首次采用该材料制造压力容器，没有现成的制造加工经验可以参考。为掌握该材料的焊接工艺特点，验证所选的焊接材料、工艺参数是否能够获得良好的焊接接头质量，西安核设备有限公司对SA537CL1钢的可焊性进行了分析，制定合理的焊接工艺，经过焊接工艺评定后，成功的应用于产品的焊接。1、 SA537CL1钢可焊性分析SA537CL1钢主要化学成分和力学性能见表1和表2. 表1：SA537CL1钢（正火）化学成分 %项目CSiMnPSNiMoCuCr规范值0.240.15-0.501.00-1.600.0350.0350.250.080.350.25复验值0.140.301.380.0130.0020.020.050.110.04表2：SA537CL1钢（正火）力学性能项目抗拉强度(MPa)屈服强度(MPa)伸长率(%)冲击值(J)-60规范值485-6203452220复验值5303603774、117、95通过表1的化学成分和表2的力学性能可以知道，SA537CL1钢是无镍的低温高强度钢。依据美国焊接学会碳当量计算公式：结合复验的化学成分对碳当量进行估算,其值0.48%。根据图1焊接性与碳当量及板厚关系查找出该钢在厚度56mm时焊接性的优劣等级为III级。再从表3中确定SA537CL1钢的焊接条件尚好，焊前需要预热。图1：焊接性与碳当量及板厚关系 考虑化学成分对焊接热裂纹敏感性的影响，再利用金属材料热裂纹倾向的指(系)数方法。对SA537CL1钢热裂纹产生情况进行预测。将表1中SA537CL1钢化学成分的复验值代入热裂纹敏感系数（简称HCS）法的公式，经计算裂纹敏感系数HCS=0.9。由于HCS2时，不产生热裂纹，所以SA537CL1钢也没有热裂纹倾向。表3：不同焊接性等级钢材的最佳焊接条件焊接性等级普通酸性焊条低氢型焊条消除应力敲击焊缝I优良不需预热不需预热不需不需II较好预热40-100-10以上不需预热任意任意III尚好预热150预热40-100希望希望IV可以预热150-200预热100必要希望考虑到该设备还要进行整体焊后热处理，所以对其再热裂纹倾向（G）进行预测。将表1的化学成分再代入公式：.计算得到G=-1.94，由于再热裂纹指数小于0，所以SA537CL1钢不会产生再热裂纹。经过以上间接的焊接性分析，我们可以看出：SA537CL1钢抗热裂纹和再热裂纹的性能良好，焊前需要预热。表2推荐的预热温度，仅仅考虑化学成分，没有考虑到板厚和焊接材料的扩散氢含量等影响因素，我们根据经验公式对厚度56mm的SA537CL1钢预热温度进行估算：. 我们选用的焊接条都属于低氢型焊接材料扩散氢含量在24/100g，代入式可算得预热温度大于160。2 SA537CL1钢焊接工艺评定根据对吸收塔制造所确定的焊接方法和需要的热处理要求，我们按照JB4708-2000钢制压力容器焊接工艺评定的要求作了两项焊接工艺评定。分别是使用手弧焊与埋弧焊两种方法的组合评定和只使用埋弧焊一种方法的单一评定。组合评定采用消应力热处理，单一评定采用模拟热压+消应力热处理。组合评定的试板尺寸：60015056，共2块；单一评定试板尺寸：60015065，共2块。2.1焊接材料的选择在保证焊缝具有足够的低温韧性和抗拉强度条件下，西核公司通过对比国内外不同焊接材料样本后决定，对于组合评定用焊接材料西核公司选用蒂森焊接公司生产的Phoenix7018焊条和UnionS2Si焊丝与UV418TT焊剂。对于单一评定用埋弧焊焊焊丝西核公司选用哈尔滨焊接研究所生产的H09MnNiDR焊丝，焊剂选用天津金燕焊接材料有限公司生产的SJ101焊剂。焊丝、焊剂和焊条化学成分和力学性能的复验值见表4、表5、表6。表4：焊条和焊丝化学成分（复验值）牌号(直径)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：焊条和焊丝的力学性能（复验值）牌号(直径)抗拉强度(MPa)屈服强度(MPa)伸长率(%)冲击值(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：焊剂化学成分（复验值）牌号(直径)CaO+MgOAL2O3+MnOSiO2+TiO2CaF2SJ10130.124.924.120.9UV418TT35.02015252.2 坡口制备 坡口采用机械加工，要求坡口平整，表面不得有裂纹、夹杂、分层等缺陷，尺寸符合要求。组合焊评定用试板坡口见图2，单一评定用试板坡口见图3。 图2：组合焊评定用试板图3：单一评定用试板坡口2.3焊前清理 焊接前用砂轮打磨坡口表面及两侧50mm的毛刺和铁锈，然后用丙酮清洗干净坡口表面的灰尘、油污、水和其它有害杂质。为防止粘附飞溅物，坡口两侧各100mm范围喷脱渣剂。2.4焊接工艺 a.焊条和焊剂在使用前，按焊接样本推荐的烘干、保温要求，对焊条进行250-350保温2小时的烘干，对焊剂进行300-350保温2小时的烘干。b.焊前对评定试件预热150以上。c.为避免SA537CL1钢焊缝金属及近缝区形成粗晶组织而降低其低温韧性。施焊时严格控制热输入，采用多层多道的焊接方法，通过多层的重热作用细化晶粒。多层时的层间温度不大于200，以防止焊道过热，韧性下降。d.两项评定的焊接规范参数详见表7。表7： 焊接规范参数及热处理规范序号焊接方法焊接材料焊丝直径d/mm电源极性焊接电流I/A焊接电压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热处理工艺组合评定试件焊后热处理仅仅为了消除焊接残余应力，防止产生冷裂纹。单一评定试件焊后热处理不仅为了消除焊接残余应力，更重要的是恢复组织和焊接接头的综合力学性能。组合评定试件和单一评定试件都在电阻炉内进行热处理，热处理工艺如表8所示。表8：热处理工艺规范项目装炉温度加热速度/h加热温度保温时间min冷却方式组合评定30010061015360150/h缓冷至300空冷单一评定到温随炉9201060-75吹风冷却30020061015360150/h缓冷至300空冷2.6接头性能试验 试件热处理后经100%无损x射线II级检查合格后，按照JB4708-2000作接头力学性能试验，详细数据见表9。接头抗拉强度都远高于母材标准规定值的下限485Mpa，侧弯试样经180弯曲后均无裂纹。-60冲击值均高于母材平均值的20J。热影响区的硬度值低于该设备技术条件要求的245HV10表9：接头力学性能结果序号抗拉强度(MPa)弯曲试验180冲击试验-60金相试验硬度试验HV10焊接方法焊缝热影响区焊缝热影响区母材1530、525合格手弧焊110,131,98134,76,114未见宏观焊接缺陷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未见宏观焊接缺陷154、143、146118、127、124138、146、1383产品焊接按国家质量监督检验检疫总局颁布的锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则进行理论和技能考试，考试合格后的焊工方可参加吸收塔的焊接。坡口按照钢制化工容器结构设计规定的推荐,选用合适的焊接坡口。根据合格的评定编制焊接工艺卡。对于厚度大于56mm的SA537CL1钢焊前预热150，预热范围为焊缝两侧200mm。层间温度小于200。施焊中严格按照工艺卡的要求焊接封头拼缝、筒体纵环焊缝及接管与法兰和接管与筒体的焊缝，保证每条焊缝焊透。焊条在施焊前进行250-350x2h烘干，焊剂进行300-350x2h的烘干。 按照前述要求，对吸收塔进行焊接，焊缝表面、焊缝金属的无损检测、力学性能检验均满足技术条件要求。该设备现安全运行1年时间，没有发现任何问题。4结论SA537CL1钢焊接性能尚好，对于厚度大于56mm的SA537CL1钢板需预热150以后焊接，焊接过程中层间温度必须控制在200以内。施焊过程中严格控制热输入，防止焊道过热，韧性下降。参考文献1秦晓钟、滕明德编著.世界压力容器用钢手册M.北京;机械工业出版社，1995.2美国机械工程师学会编. 2004版锅炉压力容器规范.第二卷.材料技术条件A篇S，2004.3JB4708-2000.钢制压力容器焊接工艺