缓冲罐用Q345R钢焊接性试验及工艺评定*

赵太源，李亚军，肖 莉

（中国石油济柴动力有限公司 成都压缩机分公司，成都 610100）

Q345R 钢属于 GB/T 713—2014 中的钢种，因其具有较高的强度、良好的塑韧性和焊接性能，在锅炉、压力容器、桥梁、水电站等领域得到了广泛的应用[1-4]。缓冲罐是石油化工行业中一种重要的压力容器储罐，能够减小机组运行时对管道造成的震动损害，延长管道的使用寿命[5-6]。缓冲罐生产过程中焊接质量的好坏直接影响到其整体的使用性能[7-8]。本研究采用钨极氩弧焊打底、埋弧焊填充和盖面的方式，对Q345R 钢级Φ600 mm×32 mm 钢管进行了焊接工艺试验，并对其焊接接头进行了力学性能检测和显微组织分析，希望为缓冲罐焊接生产提供一定的参考。

1 Q345R 钢焊接性分析

焊接热影响区的淬硬和冷裂倾向与材料的化学成分有着密切的联系。在化学成分中，碳含量对钢的淬硬和冷裂倾向最为敏感，通常把各种合金元素对钢的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[9]。Q345R 钢的化学成分见表1。依据国际焊接协会碳当量计算公式可以得出，Ceq=0.399%，其碳当量≤0.400%，淬硬倾向不大。严格控制焊接热输入和道间温度，一般不会在焊接接头出现淬硬马氏体组织。本研究试验材料为 Q345R 钢级 Φ600 mm×32 mm 钢管，厚度小于38 mm，焊前可不进行预热，但焊后必须进行消除应力的热处理。选用低氢碱性焊材，可以降低焊接接头的扩散氢含量，减少氢在晶界处的聚集，防止冷裂纹的发生。

表1 Q345R 钢的主要化学成分

2 焊接材料及方法

2.1 焊接材料

试验材料为 Q345R 钢级 Φ600 mm×32 mm钢管，将其切割成若干个长度150 mm 的管段，进行管段对接。焊接坡口为V 形，角度为60°，对接间隙3 mm，钝边2 mm，焊接坡口形状如图1所示。焊接材料选用与母材等强匹配，打底采用辽宁锦州锦泰金属工业有限公司生产的氩弧焊丝 JG-50 （Φ=2.4 mm）；填充和盖面采用四川大西洋焊接材料股份有限公司生产的埋弧焊丝 CHW-S3R （Φ=4.0 mm），埋弧焊剂为CHF101R。

2.2 焊接方法

埋弧焊剂焊前需要烘干至350 ℃，并保温2 h。试验采用钨极氩弧焊打底、埋弧焊填充和盖面的方式进行焊接，焊接接头的焊道分布如图2所示，焊接工艺参数见表2。焊丝干伸长为24～28 mm，焊剂堆积高度为 32～38 mm。焊后进行消除应力热处理，工艺为：先升温到300 ℃，然后以≤220 ℃/h 的速度升温，升到 620±10 ℃后保温 2 h，最后以≤195 ℃/h 的速度冷却到300 ℃后取出，空冷至室温。

图1 试样焊接坡口示意图

图2 焊道分布示意图

表2 试样焊接工艺参数

3 试验结果检测与分析

3.1 焊缝宏观检查及探伤检测

焊缝宏观检查成形美观，焊缝表面没有粘渣、气孔和压坑等缺陷。焊接完成后根据NB/T 47014—2017《承压设备焊接工艺评定》[10]对焊缝进行RT 探伤检测，结果评定为Ⅰ级，检测结果合格。

3.2 显微组织分析

根据GB/T 13298—2015 《金属显微组织检验方法》[11]，在 OLYMPUS GX-71F 倒置金相显微镜上观察焊缝金属显微组织，如图3所示。图3（a）中可以看出，焊缝组织为块状先共析铁素体，晶内为针状铁素体，并且含有珠光体组织。图3（b）中可以看出，焊缝热影响区晶粒方向性不明显，为粗大的沿晶分布的先共析铁素体，晶内有少量的针状铁素体以及珠光体，未发现有淬硬的马氏体组织。由此可以得出，该焊接工艺下获得的焊接接头淬硬倾向较小。

图3 试样焊接接头显微组织

3.3 力学性能检测

依据GB/T 228—2010 《金属材料拉伸试验》[12]在SHT4605 型60 t 微机控制电液伺服万能试验机上进行试样拉伸试验，试样宽度分别为20.08 mm和20.05 mm，厚度分别为25.13 mm 和25.10 mm。依据GB/T 229—2007 《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》[13]在ZBC2302-C 摆锤式冲击试验机上进行试样夏比冲击试验，冲击试样的尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，开 V 形坡口，角度 45°，坡口深度为 2.0±0.2 mm。依据 GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》[14]在SHT4605 型60 t微机控制电液伺服万能试验机上进行试样横向侧弯试验，试样弯曲面厚度为10 mm。依据GB/T 231—2018 《金属材料布氏硬度试验》[15]在HRS-150 布氏硬度试验机上进行焊缝硬度检测。试样各项力学性能检测结果见表3。

表3 试样焊缝力学性能检测结果

从表3可以看出，试样抗拉强度达到525 MPa以上；-20 ℃焊缝和热影响区冲击吸收功达到100 J 以上，富余量比较大，且相对集中，稳定性能较好；侧弯试样弯曲后表面无裂纹，满足NB/T 47018—2017 《承压设备用焊接材料订货技术条件》[16]的要求；焊接接头硬度值在136～157HB之间，其中最高硬度值157HB 出现在焊接热影响区，远小于要求值200HB。因此，可以判定本研究焊接工艺下获得的焊接接头冷裂倾向较小。

3.4 耐压试验

某Q345R 缓冲罐筒体尺寸为Φ1 864 mm×32 mm，按照现有的焊接工艺对筒体进行焊接，焊接完成后对焊缝进行RT 探伤，最后进行焊后热处理 （升温到620 ℃后保温2 h）。耐压试验的工作介质为常温水 （水温≥5 ℃），压力为6.25 MPa，保压1 h。试验后焊缝未发生渗漏，无可见变形和异常声响，试验结果合格。表明本研究的焊接工艺在缓冲罐上的应用是可靠的。

4 结 论

（1）采用钨极氩弧焊打底、埋弧焊填充和盖面的焊接工艺，对Q345R 钢级缓冲罐进行对接焊试验，焊缝成形美观，表面没有粘渣、气孔和压坑等缺陷，焊缝RT 探伤合格。

（2）焊缝热处理后抗拉强度在525 MPa 以上，-20 ℃焊缝和热影响区冲击吸收功达到100 J以上，侧弯试验合格，满足NB/T 47018—2017标准要求。

（3）对 Q345R 缓冲罐进行耐压试验，在6.25 MPa 水压下保持 1 h，焊缝未发生渗漏，无可见变形和异常声响，表明设计的焊接工艺在缓冲罐上的应用是可靠的。