氮气储罐用钢Q370R的焊接工艺

氮气储罐用钢Q370R的焊接工艺

孟多南，邢 卓，凤 桐，陈 曦，张建宇，汪德涛，李 民

(沈阳汇博热能设备有限公司，辽宁沈阳 110043)

摘要：氮气储罐的设计材料为低合金高强钢Q370R。通过焊接性分析，Q370R有冷裂纹倾向，没有热裂纹和再热裂纹倾向。Q370R碳当量一般为0.42%左右，有淬硬倾向，应焊前预热。当钢板厚度超过32 mm时，焊接拘束应力增大，应进行焊后消除应力热处理。根据等强度原则选择埋弧焊焊丝H08MnMoA和焊条J557R做为焊接材料分别进行的焊接工艺评定的各项力学性能合格，以焊接工艺评定获得的工艺参数焊接的氮气储罐完全达到了设计要求。

关键词：氮气储罐;压力容器用钢；Q370R；焊接工艺

0 引言

2015年，承接一台40 m3氮气储罐(见图1)的生产任务。

图1 氮气储罐简图

该设备是第二类压力容器，设计主体材料为低合金高强钢Q370R，规格为DN2 900 mm×28 mm，工作介质为氮气。设计压力3.3 MPa，设计温度80～-19 ℃，水压试验压力4.125 MPa。

本设备材料Q370R符合GB713-2014要求，原牌号为GB6654-1996的15MnNbR。Q370R与15MnNbR相比，降低了硫、磷含量，锰、铌含量略有提高；-20 ℃的冲击吸收功由34 J提高到47 J。

文献[1]介绍，15MnNbR输水管道钢板厚度为28～52 mm，焊材为焊条J507(Φ4.0 mm、Φ5.0mm)和埋弧焊丝H10Mn2(Φ4.0)配SJ101焊剂，焊前预热温度100～120 ℃，层间温度120～200 ℃，焊后保温缓冷，没有进行焊后消除应力热处理。

文献[2]介绍，15MnNbR钢制2 000 m3球罐钢板厚度为40 mm和48 mm，焊材为焊条J507RH(Φ3.2 mm,Φ4.0 mm)，焊前预热温度100 ℃，层间温度为100 ℃，焊后消除应力热处理560 ℃×2 h。

文献[3]介绍，15MnNbR钢制2 000 m3液化气球罐钢板厚度为44 mm，焊前预热温度125 ℃以上，层间温度125～180 ℃，焊材为焊条J557RH(Φ3.2 mm，Φ4.0 mm)，没有进行焊后消除应力热处理。

由以上资料可以看出，Q370R焊前需要预热的认识是很统一的，但对焊材强度级别的选择和焊后是否需要消除应力热处理上则存在分歧。

1 材料介绍

Q370R压力容器用钢板是一种新型钢材，具有优良的综合性能，其强度和韧性优于Q345R，而焊接性能与Q345R相近。

1.1 成分特点

钢中加入Nb、V、Ti与C、N形成碳化物、氮化物及碳氮化物，有效延迟奥氏体形变后的再结晶时间，在控制轧制后使铁素体晶粒充分细化，显著提高强度和韧性[4]，降低其脆性转变温度并改善焊接性能。对P，S含量提出了更严格的限制，改善钢板的力学性能。Q370R钢板的化学成分见表1。

表1 Q370R钢板及焊接材料化学成分(质量分数) %

材料标准值或实测值CSiMnCuNiCrMoNbVTiPSQ370R钢板GB713标准值≤0．18≤0．551．20～1．70≤0．30≤0．30≤0．30≤0．080．015～0．050≤0．05≤0．030≤0．020≤0．010实测值(炉号5L03765)0．170．251．420．010．010．020．0010．0170．0010．0040．0160．002埋弧焊焊丝CHW-S9RGB/T12470NB/T47018．4标准值≤0．10≤0．251．20～1．60≤0．35≤0．30≤0．20≤0．50——≤0．15≤0．030(0．025)≤0．030(0．015)实测值(炉号14-3917)0．0720．251．540．110．0370．0730．34——0．0390．011(0．019)0．0038(0．006)焊条牌号CHE557R(焊条型号E5515-E)GB/T5118NB/T47018．2标准值—≥0．80≥1．00—≥0．50≥0．30≥0．20—≥0．10—≤0．025≤0．015实测值(炉号158419B)0．0980．241．310．0190．790．0270．24—0．0069—0．0120．0079

注：1.埋弧焊焊丝一栏中，括号中的值为NB/T47018.4要求的熔敷金属的S,P含量的标准值和实测值，其他数值为焊丝化学成分的标准值和实测值。

2.CHE557R焊条型号为E5515-E，按GB/T5118-1995的要求，只要有1个元素符合规定即可。

1.2 力学性能

Q370R为低合金高强钢，抗拉强度在530～630 MPa之间，屈服强度不小于370 MPa(适用于板厚为10～16 mm)，力学性能要求见表2。

表2 Q370R钢板及焊接材料熔敷金属的力学性能

材料标准值或实测值抗拉强度Rm/MPa屈服强度ReL/MPa断后伸长率A/%冲击吸收能量KV2(-20℃)/J弯曲试验Q370R钢板GB713标准值(厚度16～36mm正火状态)530～630≥360≥20≥47180°D=3a实测值(批号5L03765JB10A)5333782682，177，186(均值148)合格埋弧焊丝CHW-S9R配CHF101焊剂熔敷金属(焊后热处理620℃×1h)GB/T12470，NB/T47018．4标准值550～670≥470≥20≥34180°D=4t实测值(批号14-3917)57649228．579，126，110(均值105)合格焊条牌号CHE557R(焊条型号E5515-E)GB/T5118NB/T47018．2标准值540～660≥440≥20(-40℃)≥54—实测值(炉号158419B)61052828．5113，87，61(均值87)—

1.3 焊接材料

1.3.1 焊条

根据等强度原则选用55 kgf/mm2级的CHE557R焊条。CHE557R是低氢型药皮碱性焊条，其化学成分和力学性能见表1和表2。降低其中C、S、P含量，适当添加Nb，保证熔敷金属的强度，又提高熔敷金属的韧性。

1.3.2 埋弧焊丝和焊剂

埋弧焊丝选用CHW-S9R(型号F55P2-H08MnMoA)焊丝，配CHF101(SJ101)烧结焊剂，其化学成分和力学性能见表1和表2。

2 焊接性分析

2.1 冷裂纹

焊前预热和焊后热处理是预防冷裂纹的有效措施。

是否需要焊前预热和焊后热处理取决于钢种的淬硬倾向，熔敷金属扩散氢含量和拘束应力状态(与板厚有关)。淬硬倾向的大小由钢种的碳当量判断。

2.1.1 碳当量鉴定冷裂纹敏感性

国际焊接学会IIW推荐的碳当量计算公式[5]：

Ceq=C+++

(1)

式中C，Mn，Cr,Mo,V,Ni,Cu为钢材化学成分的百分含量值。

式(1)用于粗略估计低合金高强钢冷裂纹敏感性。

当Ceq<>

当Ceq=0.4%～0.6%时，尤其是Ceq>0.5%时，钢材易淬硬，焊接性差，需焊前预热。随着板厚增大和扩散氢增多，预热温度也相应提高。

取Q370R化学成分标准值的上限，计算出碳当量最大值为0.589%，此炉号的钢板Ceq=0.412%。因此，Q370R有淬硬倾向，应焊前预热。

2.1.2 冷裂纹敏感性指数

冷裂纹敏感性指数Pc(单位为%)是应用比较广泛的冷裂纹判据。Pc与扩散氢含量、板厚、根部裂纹敏感性的关系见式(2)[5]：

Pc=Pcm++

(2)

式中：Pcm为合金元素的冷裂纹敏感性系数，%；[H]为熔敷金属的扩散氢含量，mL/100 g；δ为被焊金属的板厚，mm。

Pcm=C++++++5B

(3)

取Q370R的化学成分标准值的上限，计算得合金元素的冷裂纹敏感性系数Pcm最大值为0.328 6%，此炉号钢板的实际值为0.251 0%。

NB/T47018.2要求焊条J557R的熔敷金属扩散氢含量[H]不超过3 mL/100 g。

本容器的筒体壁厚为28 mm，即为被焊金属板厚δ值。

由此计算出冷裂纹敏感性指数Pc的最大值为0.425 27%，此炉号钢板的实际值为0.347 67%。

若某种钢产生冷裂纹敏感性指数临界值为Pcr时，当PcPcr将不会产生冷裂纹。

2.1.3 预热温度的确定

在大量试验基础上，建立为了避免冷裂纹所需的预热温度公式[5]：

T0=1 440Pc-392

(4)

式中T0为预热温度，℃。

计算得出所需最低预热温度T0的上限值为220 ℃，针对此炉号Q370R钢板，最低预热温度为109 ℃。这与NB/T47015-2011《压力容器焊接规程》推荐的当Q370R钢板厚度大于25 mm，最低预热温度大于80 ℃相吻合。

最终确定焊接Q370R时最低预热温度为120 ℃。

2.2 热裂纹

最常见的热裂纹是结晶裂纹，主要发生在焊缝区。合金元素和杂质元素是影响热裂纹最本质的因素。对于低合金高强钢，判断热裂纹敏感性系数(简称HCS)公式见式(5)[5]：

HCS=×103

(5)

当HCS≤4时，一般不会产生热裂纹。

取Q370R的C，S，P，Si，Ni标准值的上限值和Mn，Cr，Mo，V标准值的下限值代入计算，得出热裂纹敏感性系数HCS最大值为2.75。因此，Q370R一般不具有热裂纹敏感性。

2.3 再热裂纹

再热裂纹是焊件焊后在一定温度范围内再次加热而产生的裂纹，如消除应力热处理或其他加热过程而产生的裂纹。钢中Cr，Mo，V，Nb，Ti等元素促使形成再热裂纹。再热裂纹敏感性鉴定公式见式(6)[5]：

ΔG=Cr+3.3Mo+8.1V+10C-2

(6)

式中ΔG为再热裂纹敏感指数，%。

当ΔG<>

当1.5%<>G<>

当ΔG>2%时，对再热裂纹敏感。

取Q370R的化学成分标准值的上限值代入计算，得出再热裂纹敏感指数ΔG的最大值为0.769%，远小于1.5%，因此，Q370R对再热裂纹不敏感。

通过对Q370R焊接性的分析，得出Q370R焊接有冷裂纹倾向，但并不严重，可采取预热缓冷的措施防止。鉴于氮气储罐服役条件(储存不是能产生应力腐蚀的介质，如湿硫化氢或液氨等)和筒体的壁厚没有达到文献[6]表5规定的超过32 mm应进行焊后热处理的条件，因此，氮气储罐焊后不必进行消除应力热处理。

3 焊接工艺

3.1 焊接方法

根据氮气储罐的结构特点，筒体的纵缝和环缝采用埋弧焊；封头与筒体封闭的环缝里侧采用焊条电弧焊，外侧采用埋弧焊；接管与筒体采用焊条电弧焊。

3.2 坡口制备

筒体的纵缝和环缝坡口采用刨边机加工，坡口形式为Y型内坡口，钝边留8 mm，坡口角度60°。与封头封闭的筒体环缝为内小外大的X型坡口。筒体上与接管焊接的坡口用乙炔-氧气火焰切割，然后用砂轮磨光。

3.3 预热方式

采用自制加热工装，以丙烷气体为燃料进行焊前预热。筒体的纵缝、环缝和接管与筒体的焊缝均需焊前预热。

3.4 工艺参数

按NB/T47015-2011进行了2项焊接工艺评定(见表3)。

应采用多层多道焊，埋弧焊每层的厚度宜为3.5 ～4.0 mm，焊条电弧焊宜为2.0～3.0 mm。

预热温度不低于120 ℃，道间温度不能低于预热温度，规定为120～160 ℃。

4 检验

经检测，焊接工艺评定的各项力学性能指标满足GB713的要求，合格(见表4)。

5 结束语

工程实践证明，采用等强度的H08MnMoA焊丝和CHE557R焊条，采用埋弧焊和焊条电弧焊，辅以焊前预热，焊接氮气储罐用Q370R钢是满足要求的。氮气储罐筒体A、B类焊接接头一次射线检测合格率达100%，水压试验合格。

表3 焊接工艺评定参数表

焊评编号HP257HP258接头型式对接接头对接接头材 料Q370RQ370R试件规格/mmδ=28δ=28评定对象接管与壳体角接接头对接焊缝筒体对接接头对接焊缝焊接方法焊条电弧焊(SMAW)埋弧焊(SAW)焊接牌号CHE557R(J557R) 焊丝H08MnMoA 焊剂CHF101(SJ101)焊材规格Φ4．0mm Φ5．0mmΦ4．0mm 10～60目焊接电流/A160 200550～650电弧电压/V24～30 26～3232～34焊接速度/(mm·min-1)150～200 180～240420～450电流极性直流反接(DC+)直流正接(DC-)预热温度/℃>120>120层间温度/℃120～160120～160

表4 焊接工艺评定检验项目表

焊评编号HP257HP258无损检测RT，Ⅰ级RT，Ⅰ级抗拉强度Rm/MPa560565575550冲击吸收能量KV2(-20℃)/J焊缝 81，76，68 85，87，92HAZ 150，112，158 165，159，172侧弯180°(D=4S)4支均合格4支均合格

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Welding Technology for Steel Q370R of Nitrogen Storage Tank

MENG Duo-nan,XING Zhuo,FENG Tong,CHEN Xi,ZHANG Jian-yu,WANG De-tao,LI Min

(Shenyang Huibo Heat Energy Equipment Co., Ltd.,Shenyang 110043,China)

Abstract：Low alloy high strength steel Q370R was designed material for nitrogen storage tank.Q370R had tendency to cold crack, did not have hot crack and reheat crack tendency through analyzing the weld ability.Q370R should be preheated before welding because it has tendency to hardening for its carbon equivalent about 0.42% generally. When plate thickness was more than 32 mm，welding restraint stress increases，it should be eliminated stress heat treatment after welding. According to the equal strength principle, H08MnMoA submerged arc welding wire and electrode J557R was selected as welding material, all kinds of mechanical properties of welding procedure qualification were qualified. Nitrogen tank with welding process parameters qualified by welding procedure meet the design requirements completely.

Key words：nitrogen storage tank；steel for pressure vessel；Q370R；welding technology

中图分类号：TG457

文献标识码：A

文章编号：1004-9614(2016)05-0034-04

作者简介：孟多南(1985—)，工程师，从事压力容器工艺工作。E-mail：[e-mail]

收稿日期：2015-12-18