丙烷低温球罐用07MnNiMoDR钢手工焊条电弧焊焊接工艺及应用

孙万田

（中石化 第五建设有限公司，广东 广州 510145）

中石化第五建设有限公司承建的某丙烷低温钢球罐,材质 07MnNiMoDR，公称容积 2 000 m3，内径15.7 m，壁厚 34 mm，设计压力1.77 MPa。该丙烷低温球罐设计的现场安装焊缝长度391 m，要求-50℃下的焊接接头冲击功不低于49 J，表面硬度不大于220 HB。基于上述情况，拟采用国产焊接材料对球罐用材料07MnNiMoDR进行焊接，在调研相关设备和材料焊接技术研究的基础上进行了07MnNiMoDR手工焊条电弧焊焊接方法、焊接工艺试验以及焊接效果检验检测验证[1-8]。

1 07MnNiMoDR钢焊接性能分析[1]

一般情况下，低合金低温钢07MnNiMoDR的碳当量小于0.4%时，焊接淬硬倾向不大，材料开裂趋势在可控范围内。当材料厚度大于25 mm或焊接接头的拘束度较大时，材料开裂倾向显著增加。现场母材厚度为34 mm，需要采取预热措施减小焊接时的拘束应力，从而将材料在焊接时发生开裂的风险降低至可控范围内[9]。此外，低合金低温钢中的Ni元素也会增加焊接接头的热裂倾向。考虑到材料开裂风险，加之焊接材料中C、S及P元素的含量控制指标比较严格，要求w（C）≤0.1%、w（S）≤0.01%、 w（P）≤0.012%，焊前应将两侧母材预热到100～150℃，同时优化焊接工艺技术方案，以提高焊缝成型系数。

保证焊接接头在低温条件下能有较强的抗脆断能力和冲击韧性，确保设备在投产后的使用安全至关重要。在焊后消除应力热处理时，存在加热温度处于回火脆性敏感温度区间 （450～550℃）的可能，这增加了析出脆性相，进而使材料低温韧性降低的风险。因此，应对焊后热处理工艺进行调整，以减少热处理过程中温度敏感区间的停留时间。此外，还应对选择的焊接材料和焊接工艺进行性能匹配试验。

2 07MnNiMoDR钢焊接技术准备[10-11]

2.1 焊接方法选择

焊接方法优选手工焊条电弧焊(SMAW)。焊道的封底层、填充层及表面层均选用焊条电弧焊工艺。手工焊条电弧焊具有操作灵活、适应性强、设备简单、日常维护方便、操作时不需要复杂的辅助设备、不需要辅助防护气体的特点，同时还具有较强的抗风能力，非常适合在现场的空旷场地进行焊接作业。

2.2 焊接材料介绍

采用国内某公司生产的E6215-N5M1P型焊条。该焊条为承压设备专用焊条，药皮为碱性，具有全放置操作焊接性能优良、韧性高、电弧稳定、焊缝成型美观及焊渣易除等特点，其熔敷金属具有良好的低温冲击韧性和抗裂性能。母材07MnNiMoDR及E6215-N5M1P型焊条主要化学成分见表1，符合 NB/T 47018.2—2017《承压设备用焊接材料订货技术条件》[12]中的要求。-50℃用07MnNiMoDR母材及E6215-N5M1P型焊条力学性能参数见表2，符合GB 12337—2014《钢制球形储罐》[13]要求。

表1 07MnNiMoDR母材及E6215-N5M1P型焊条主要化学成分（质量分数） %

表2 -50℃用07MnNiMoDR母材及E6215-N5M1P型焊条力学性能参数

3 手工焊条电弧焊工艺难点及其控制[11]

3.1 母材切割

在锯床上进行材料的冷切割下料。冷切割下料可有效避免母材两侧产生过热层，减小材料组织变化给焊接时两侧热影响区带来的韧性下降。

3.2 坡口加工

根据母材厚度，在刨床上将母材端部加工成不对称双V型坡口，操作简便的同时可减少焊缝金属填充量。母材坡口结构及加工简图见图1。

图1 母材坡口结构及加工示图

3.3 焊前处理

采用角向磨光机处理坡口及其两侧20 mm区域，清除油污、水分及其他有害杂质，使露出金属光泽。在胎具上进行组对，控制错边量小于1 mm。

定位焊预热至120℃，采用火焰在母材坡口两侧150 mm区域内均匀加热，采用红外线测温枪对称测量母材表面温度。

定位焊工艺与根部焊道的正式焊接工艺相同，定位焊焊缝长度50 mm，间距300～500 mm,引弧点和熄弧点均在坡口内进行。

3.4 焊接

07MnNiMoDR试板厚34 mm，制定的焊道分布图见图2。试板的焊接方法为SMAW，各焊缝层的焊条型号均为E6215-N5M1P，焊接电源极性均为DC-,其他焊接工艺参数见表3。

图2 母材试板焊道分布示图

表3 34mm厚07MnNiMoDR试板SMAW焊接工艺参数

打底层时，采用焊条后退起弧，单侧坡口焊接完成后，进行背面碳弧气刨清根。清根后，采用角向磨光机打磨去除渗碳层，将刨槽修整成U型，槽底半径5 mm,长度方向的宽度一致。

焊条距离坡口1～2 mm，采用后退法起弧，以预防起弧处产生气孔和夹渣。焊层间温度不得低于预热温度，电弧压低防止产生气孔缺陷。焊条摆动幅度小于等于3倍的焊芯直径，以有效控制焊接热输入，防止母材晶粒长大带来的接头性能下降。电弧端部要一直处于气、渣的联合保护中，防止氧化产生杂质。根据熔池的变化适当调整焊条摆幅。施焊时，使焊条尽量与焊件垂直面成5°夹角，这样不仅能控制好熔池大小，还能使电弧推力对熔池产生一定的搅拌作用，对防止合金元素偏析能起到积极作用。收弧时，应注意填满弧坑。

3.5 焊后热处理[11,14]

材料热处理温度为（580±5）℃。热处理时，400℃以下不用控制升温速率，400℃以上升温速率 75℃/h，升温至 580℃后在（580±5）℃保持1.5 h，然后降温，降温速率控制为42℃/h，任意2个测温点之间的温差小于120℃。材料在（580±5）℃的恒温时间按照 GB 50094—2010《球形储罐施工规范》[14]中相关规定计算。材料焊后热处理曲线示意见图3。

图3 材料焊后热处理曲线示图

4 07MnNiMoDR钢焊接效果检验检测与分析

4.1 外观及无损检测[15]

对焊缝进行外观检查，焊缝成型良好，与母材圆滑过渡，表面无裂纹、气孔、夹渣及未熔合等缺陷。为防止产生焊缝延迟裂纹，将焊接试板放置36 h后进行射线检测，焊缝评定结果I级。

4.2 力学性能评价

制备拉伸试样1和2，板厚均为34 mm，依据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》[16]进行拉伸试验。测得试样1横截面积 629.11 mm2，抗拉强度值为665 MPa，断裂位置在焊缝。测得试样2的横截面积632.19 mm2，抗拉强度值为658 MPa，断裂位置在焊缝。2件试样的抗拉强度均大于被焊母材标准规定的最低值610 MPa，符合 NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》[17]拉伸合格指标的要求，焊缝强度满足母材服役要求。

制备4件横向侧弯试样，板厚均为10 mm，依据 GB/T 2653—2008《焊接接头弯曲试验方法》[18]进行横向侧弯试验。4个试样的测试结果相同，压头直径均为40 mm，弯曲角度均为180o，均为侧弯未裂。4件横向侧弯试样达到规定的弯曲角度，在焊缝和热影响区内未出现任何裂纹。符合NB/T 47014—2011中弯曲合格指标的要求，焊缝韧性满足母材服役要求。

4.3 冲击性能评价

从焊缝区和热影响区制取2组标准冲击试板，规格10 mm×10 mm×55 mm，冲击温度 -50℃。依据GB/T 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》[19]，焊缝区测定3次冲击功，结果分别为93.9、122、106 J。 热影响区测定 3次冲击功，结果分别为187、208、251 J。冲击试验结果均大于49 J，符合NB/T 47014—2011中的冲击合格指标要求，焊缝低温冲击功能够满足母材服役要求。

4.4 硬度检测评价

分别从母材区、焊缝区、热影响区随机各抽取5个焊接点位，依据 GB/T 231.1—2009《金属材料布氏硬度试验》[20]进行焊接接头硬度检测，结果见表4。由表4可以知道，焊接接头硬度值满足工艺文件要求的小于220 HB，未出现任何硬度超标的现象，证明拟定的热处理工艺具有指导性和可行性。

表4 07MnNiMoDR钢焊接接头硬度试验结果 HB

5 结语

应用文中焊接工艺，采用国产焊条对球罐用07MnNiMoDR进行手工焊条电弧焊焊接是可行的。对现场4台低温球罐进行了累计长度1 564 m的焊缝焊接作业，焊缝无损检测一次合格率达到99.78%。4台低温球罐投产前的罐体带压上水试验合格，气体密性试验结果合格，投产后平稳运行。