关于16MnDR 低温设备生产过程中的技术探讨

牛春龙

（天津市月鸣金属结构有限公司，天津300353）

随着我国近年经济的飞速发展和科学技术的进步，工业生产范围的扩大，我国东北和西北地区冬季平均气温在-20℃以下，主要用于安装在室外受环境温度影响的空气储罐、氮气储罐以及液态二氧化碳储罐等设备在低温低应力条件下使用，市场中的压力容器设备常规用板材Q345R 不能满足使用要求，对生产和生活存在较大的安全隐患，16MnDR 在此时就能满足设备使用条件，因工作温度在-20～-40℃工况条件下，设备的主要受压元件板材只能选用低温板材或者奥氏体不锈钢，但不锈钢造价过高，使得16MnDR 在-20～-40℃温度范围内有了一定的优势[2]。

1 材料选择

1.1 板材

目前我国设计温度在-20～40℃这类低温容器多以16MnDR 钢材作为低温设备压力容器的母材使用，对于16MnDR 材质设备与常温设备相比，材料选择应该有更高的要求。根据《GB3531-2014 低温压力容器用钢板》标准规定，16MnDR 板材中含有碳、硅、锰、镍、硫、磷、铌、钒钛等化学成分，其中碳、硫、磷是铁矿石中原有的化学成分，是钢材中的杂质元素，碳、硫、磷会增加钢板的脆性，降低钢材的低温韧性，因16MnDR 钢材的主要失效模式为脆性断裂，所以板材中含有这些元素是有害的，这些元素因为是矿石中含有的不能去除，所以只能控制这些元素的含量，标准中要求碳硫磷含量分别≤0.2%、0.01%、0.02%。16MnDR 钢板中镍、锰、硅元素可以提高钢板的低温韧性，提高冲击吸收功，降低韧脆转变温度，是钢板中有益的化学元素，所以16MnDR 钢板中要严格控制碳、硫、磷的含量不能超标[3]。钢板的厚度也对板材的韧性有影响，厚度越大韧性越低，6～60mm 厚的钢板要求进行-40℃冲击试验，60 ～120mm 厚钢板进行-30℃冲击试验，所以60～120mm 厚钢板设计温度下限值为-30℃。根据GB3531-2014 标准要求，16MnDR 钢板的交货状态为正火或正火加回火板，为减少由于热轧温度和冷却速度不同而引起的显微组织不均匀，一般用钢都要求正火处理，正火处理的板材可以细化晶粒，可以降低钢材无塑性转变温度。

1.2 焊材

为使焊接材料与16MnDR 板材相适应，焊条的选择与Q345R 材料用焊条是不同的，手工电弧焊焊条应选用低氢碱性焊条，焊条型号E5015-E（牌号为J507RH）和E5016-E（牌号为J506RH），为降低材料的低温脆性，要严格控制焊条中的硫磷含量，一般焊条的硫含量≤0.015%，磷含量≤0.025%。低温焊条的冲击温度与Q345R 材料焊条冲击温度也是不同的，J506、J507 焊条的冲击温度是-30℃，而J506RH 和J507RH 焊条的冲击温度为-40℃。当焊接过程中采用埋弧自动焊时，应选用能够提高焊接接头低温韧性的埋弧焊丝和焊剂，焊丝尽量选用H08MnMoA，焊剂应选用与焊丝相匹配的HJ250 焊剂。

低温容器焊条应按批进行药皮含水量或熔敷金属扩散氢含量的复验，市场中多采用扩散氢复验，我国现在扩散氢的检测方法有四种，分别是载气热提取法、甘油法、水银法和气相色谱法。从测氢值、试验时间、准确率三个方面对四种方法的进行比较，载气热提取法更加的快速、便捷、准确，考虑到水银对环境污染，载气热提取法是扩散氢检测的最好方法，其次气相色谱法。

焊条在存放过程中，焊条容易吸收空气中的水分，使焊条的含水量增大，含水量过大会使焊缝中出现气孔、裂纹等缺陷，焊条使用前应进行彻底烘干，烘干温度在350℃左右，时间1～2h，烘干后放入手提式保温箱筒内随用随取，桶内温度保持在100～150℃，焊条至于空气中4h，必须重新烘干，再烘干不得超过一次。

1.3 管材

当钢管采用GB/T6479-2013 标准时，标准中的管为热轧或冷拔管，因16MnDR 交货状态为正火或正火加回火板，为达到与母材相匹配，管材交货时应进行热处理达到正火状态，热处理温度880 ～940℃。与16MnDR 材质相匹配的管材为Q345 级别，标准中又将Q345 级别管材划分为Q345A、Q345B、Q345C、Q345D、Q345E，其区别只有冲击试验温度不同，其他性能指标都是相同，Q345A、Q345B、Q345C、Q345D、Q345E 的冲击温度分别是无冲击、20℃、0℃、-20℃、-40℃，满足使用条件的是Q345E 管材，Q345E 管材要控制硫磷含量，硫磷含量分别≤0.01%和0.025%。

2 结构设计及加工

2.1 16MnDR 材质容器结构设计计算时应尽量简单，接管补强尽量采用接管本身或厚壁管补强，当接管厚度达不到设计要求时，尽量采用低温整体锻件补强，尽量避免使用补强圈补强。各结构形状之间变化要小，避免产生多余的附加应力，较高的附加应力是产生裂纹的关键因素，对接接头和角接接头应圆滑过渡，避免焊缝的集中和交叉。

2.2 筒体与接管、接管与法兰及筒体与内件的连接焊缝应采用连续焊。

2.3 支座、吊耳与封头或筒体连接时，不得与筒体或封头直接焊接，应设置垫板，垫板材料应为16MnDR 材质。

2.4 为了减少操作而使设备产生残余应力，生产加工过程中，不得对筒体和封头锤击、强力变形组装，焊工印记因采用记号笔或油漆笔，不得打钢印等操作。

3 焊接

3.1 设备焊接前应制作能够覆盖产品的焊接工艺评定，焊接工艺评定应符合NB/T47014-2011 标准，试件的力学性能试验应符合NB/T47016-2011标准，试验区域包括焊缝和热影响区。

3.2 油污、铁锈、水等杂质会引起气孔、裂纹等缺陷，焊接前应对焊接坡口清理干净。

3.3 焊接过程中，焊接线能量过大会造成焊接接头和热影响区组织温度过高，产生组织脆化，在满足焊接工艺评定前提下，焊接过程中应采用较细的焊条、多道施焊，这样可以有效控制焊接线能量[4]。

3.4 16MnDR 低温压力容器焊缝中的缺陷容易造成应力集中，加大低温脆性破坏倾向，所以不得有咬边、裂纹、未焊透等缺陷。

3.5 所以16MnDR 低温设备焊缝表面应平滑过渡，严格控制焊缝余高，角焊缝采用凹型形状，所有焊缝形状变化不能过大。

3.6 当含有A 类焊缝的设备应逐台制备产品试板。

3.7 A、B、C、D 类焊缝应采用全焊透结构焊接接头。

3.8 E 类焊接接头应满焊，不得采用间断焊和点

焊。

4 无损检测

4.1 对于第Ⅲ类设备和介质为极度、高度危害介质容器应进行100%射线检测[5]。

4.2 根据低温压力容器的特殊性和安全角度考虑，除极度、高度介质以外的ⅠⅡ类16MnDR 低温压力容器对接焊缝允许采用局部射线检测时，检测长度不得少于各焊接接头长度50%[6]。

4.3 A、B、C、D、E 类焊缝应进行表面检测。

5 热处理

由于我国压力容器封头生产厂家对于封头的压制多采用热压方式压制，压制温度都在1050℃左右，所以封头压制时破坏了封头的正货状态，应在封头压制完成后应恢复板材的供货时的正火状态，以保证要求的母材使用状态。为验证封头恢复正火状态是否合格，也要对母材试件进行热处理，试件应与压制成型后的封头同炉进行热处理，热处理后检验母材试件理化性能是否符合板材标准要求，如果封头为拼接，封头试板应与封头拼接时由同一焊工采用相同焊接工艺进行施焊，焊接试板随炉进行热处理，热处理后进行理化试验，理化试验项目应包含焊缝和母材[7]。

为消除焊后残余应力，当16MnDR 使用在介质为极度、高度危害和第Ⅲ类设备时，应进行焊后热处理，焊后热处理可以降低钢材低温脆性断裂倾向，改善焊接接头的力学性能[8]。