PDF《我国压力容器用钢焊接技术 的最新进展》

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一、大型存储类容器用钢的焊接现状 近年来,我国冶金装备的不断提高为开发压力容 器用钢提供了良好的条件.在此背景下,我国存储类 压力容器用钢的开发及应用速度也很快,品种和品质 方面都发生了翻天覆地的变化,基本实现了系列化. 新钢种从开发到应用,周期也从2000年前的5~8年缩 短到目前的2~3年,很多大型高参数球罐用钢及大型 原油储罐已摆脱了原材料依赖进口的被动局面. 1. 07M n C r M o V R、07M n N i C r M o V D R钢(CF―62钢)的焊接技术已趋成熟 20世纪70年代末,鉴于我国大型高参数球罐无合 适钢种可选,而大量采用进口的情况,我国压力容器 材料专家提出了球罐应试制σ s为490M P a级C F钢的建 议.武钢在试验研究的基础上,先后组织北京钢铁研 究总院、中国通用机械工程总公司和合肥通用机械研 究所等10多家单位开展了研制工作. 1989年C F―62钢作为我国压力容器用钢纳入 G B150―1989附录A.随后在J B4732―1994《钢制压 力容器-分析设计标准》和GB150―1998《钢制压力容 器》中分别以07M n C r M o V R、07M n N i C r M o V D R为钢 号纳入了-20℃以上和-40℃以上使用的CF钢. 20世纪以后,鞍山钢铁公司、舞阳钢铁公司和宝 山钢铁公司都开始了该类钢的研究工作.宝钢又进一 步将07M n N i C r M o V D R的使用温度向下延伸,可用于 -50℃,板面尺寸、表面质量及实物性能已达到国外同 类钢的先进水平. 07M n C r M o V R、07M n N i C r M o V D R的研制成功 及纳标,使我国很多大型高参数球罐的国产化成为 可能.据不完全统计,国内采用07M n C r M o V R、 07M n N i C r M o V D R系列钢已经建造了公称容积200~ 2000m3 的氧气、氮气、丙烯、乙烯和液化石油气等常 温及低温球罐200台左右. 07M n C r M o V R、07M n N i C r M o V D R系列钢的典 型特点是强度高(σ s=490M P a)、韧性好(按47J交货),同时由于低的含碳量(w S≤0.09%)和低的焊接 冷裂纹敏感性组成(Pcm≤0.20%),因此与同强度级 别的其他钢种,如日本的S P V490Q、N―T U F490等钢 (w S≤0.16%,P c m≤0.26%)相比,焊接性能更为优 良.07M n C r M o V R、07M n N i C r M o V D在焊接时宜注意 以下几点:①应采用配套的J607R H超低氢高韧性焊条 焊接.②焊接时应注意控制焊接热输入,宜采用小热输 入多层多道焊.热输入过大时,焊接接头的冲击韧度下 降幅度会比较大.③07M n C r M o V R、07M n N i C r M o V D 存在一定的再热裂纹敏感性,应避开敏感的温度区. 总之,07M n C r M o V R、07M n N i C r M o V D R只要合 理使用,充分掌握其使用特点,将是氧气、氮气、天 我国压力容器用钢焊接技术 的最新进展 合肥通用机械研究院(安徽 230031) 窦万波 卜华全 〔摘要〕总结了新一代大型存储类容器用钢、大热输入用钢和特种压力容器用钢的焊接技术 进展情况和焊接要点,介绍了压力容器焊接设备、焊接工艺和焊接材料的发展趋势,最后展望压 力容器焊接技术的发展. 专题综述 原名《机械工人》 Topical Review 2008年第24期 焊接与切割

24 www.machinist.com.cn 热加工 然气、城市煤气及丙烯等各类大型(高参数)球罐的 理想用材.其中,07M n N i C r M o V D R作为大型低温乙 烯球罐用材也是成熟和可靠的,但对于存储H2S含量较 高的液化气或液氨等介质时,应慎用07M n C r M o V R和07MnNiCrMoVDR. 2. 15M n N b R钢取代Q345(16M n R)大量用 于常温压力容器 直至20世纪90年代,我国常温(设计温度≥-20℃) 球罐用低合金钢主要有Q345和07M n C r M o V R,并得到 了普遍应用和认可.由于Q345钢板厚度>

36m m 时, 其屈服点保证值只有305M P a,同时厚板实物韧性不 足也较为普遍,因此满足不了球罐大型化的要求.而07M n C r M o V R钢是在调质状态使用,对贮存介质的硫 化氢含量有较严的要求.因此,开发并应用一种强度和 韧性优于Q345,而焊接性能及抗硫化氢应力腐蚀性能 与其相近的正火型低合金钢,作为大型液化石油气球罐 用钢已成为压力容器行业的迫切需要. 为此,武汉钢铁公司、中国石化通用机械工程 总公司和合肥通用所等单位提出并研制成功了强度和 韧性均优于Q345,而焊接性能与其相近的正火型低 合金高强度钢板,武钢牌号为W H530,国家钢号为 15MnNbR.15MnNbR于1999年纳入GB6654―1998第一 号修改单,正式成为我国压力容器用钢. 15M n N b R钢板厚度>

36m m 时,其抗拉强度标准下 限值(确定室温下钢板的设计许用应力值)较相应厚度 的Q345钢板高10.6%,故采用W H530钢板比采用Q345 钢板设计同类球罐时壁厚减薄了10.6%.这不仅可以改 善球罐的受力状况,而且通常比选用Q345钢板的球罐 工程造价减少5%以上. 目前,15M n N b R已全面取代Q345在大型球罐上应 用,国内最大的10 000m3 天然气球罐国产化就是采用该 钢.15M n N b R用于液化石油气球罐最大达3500m3 ,用 于丙烯球罐最大达2000m3 .同时在西气东输的各类压 力容器上广泛使用. 15MnNbR钢的焊接性能良好,采用配套的J557R焊条,一般在100℃左右预热,即可防止焊接冷裂纹的产 生.焊接过程中工艺参数的范围也比较宽,焊接热输入 控制在12~45kJ/cm,都可获得性能优良的焊接接头. 3. 低温球罐用15MnNiDR钢及其焊接要点 低温压力容器用16M n D R.按G B3531的规定,当 板厚>

32mm时,低温冲击试验温度仅为-30℃,即只能 作为-30℃低温钢使用.为满足-45~-40℃级球罐用钢的 需要,80年代中期中国通用石化机械总公司和重庆钢铁 公司等联合开发了-45℃球罐用钢15M n N i D R,该钢号 已纳入了G B3531―1996标准中.此后,武汉钢铁公司 也研制开发了15M n N i D R,企业牌号为W H D2,且武汉 钢铁公司的企业标准要求高于GB3531. 15M n N i D R的成功研制,为-45℃低温球罐提供了 可选钢种,目前已采用该钢建造了两台200m3 、设计温 度为-40℃的乙烯球罐. 15M n N i D R可采用J507R H焊条焊接,预热温度为 100℃左右,焊接热输入控制在30kJ/cm以下,以小热输 入多层多道焊为宜. 4. 低温用15MnNiNbDR钢的开发应用及焊接 要点 由于16M n D R、15M n N i D R和09M n N i D R的强度较 低,致使我国低温压力容器罐体壁厚较大,自重系数相 应增大,增加了制造成本和工人的劳动强度.为此,在 系统分析国外同类钢种成分和工艺的基础上,利用武钢 先进的冶炼设备,通过添加G B3531标准所允许的微量 元素V、Nb和Ni,成功研制出了高性能的15MnNiNbDR (-50℃低温冲击A KV≥34J,R m≥530MPa)钢板.既提 高了现有低温压力容器用钢的强度,又提高了其韧性. 2002年武钢开始15M n N i N b D R钢的工业性试验, 对15MnNiNbDR钢的物理性能、综合力学性能、焊接性 能、应力腐蚀性能及其他工艺性能等进行了较为系统的 试验研究. 表1列举了日本神户制钢生产的A537C L1(厚度 为36m m )钢板焊接接头的性能数据.为了进行性能 对比,表1同时列举了武钢研制生产的W H D3(厚度为 24mm)钢板的焊接性能数据. 从表1所示钢板焊接后的性能可以看出,武钢研 制生产的W H D3钢焊接接头-50℃冲击功与日本生产的 A537CL1钢焊接接头-55℃冲击功相当或稍优. 2005~2006年,合肥通用机械研究院等单位在茂 名石化80万t/乙烯配套项目中,采用15MnNiNbDR钢研 制成功了我国首台-45~-50℃的2000m3 乙烯球罐,解决 了高难度乙烯球罐的国产化问题. 与15MnNiNbDR钢相匹配的PP・J557RH焊条,由上 海电力修造总厂有限公司研制.推荐的焊条成分和性能 要求如表2及表3所示. 15MnNiNbDR钢焊接时,预热温度应≥120℃,焊 专题综述 原名《机械工人》 Topical Review 焊接与切割 2008年第24期25 www.machinist.com.cn 热加工 接热输入控制在30kJ/cm以下,以小热输入多层多道焊 为宜.

二、大热输入用钢的焊接技术进展 在中国经济社会快速发展的今天,石油安全已成 为保障国家经济安全的重大战略课题.所谓石油安全, 就是在数量和价格上能满足经济社会持续发展需要的石 油供应保障能力.战略石油储备是保障能源安全的方法 之一,是应对短期石油供应冲击(大规模减少或中断) 的有效途径之一.石油储备基地的建设主要是建造单台 储存容积在10万m3 以上的浮顶油罐.国际上建造大型 原油储罐可以追溯到20世纪60年代末,早在1967年世界 产油大国委内瑞拉就建成了15万m3 的浮顶油罐,后来 日本和沙特阿拉伯又相继建成了17万m3 和20万m3 的浮 顶油罐.我国从20世纪80年代初期开始建设10万m3 的 浮顶油罐,到目前已经建成了百余台10万m3 以上的浮 顶油罐. 大型原油储罐的施工采用了高效大热输入焊接 (High Input Energy Welding)技术,因此必须采用与 之相适应的大热输入焊接用钢板.由于大热输入焊接对 传统的低合金钢焊接热影响区的强度和韧性造成了恶 化,强度和韧性随焊接热输入的提高而大幅下降(特别 是调质处理的高强度钢板),如何克服焊接过程中的焊 接热影响区性能恶化成了开发大热输入用钢的关键. 大型储罐施工过程中, 在进行纵焊缝焊接且板 厚为21m m ,并采用V形 坡口气电立焊一次焊接 成形时,焊接热输入为 9~10k J/m m,因此开发 大型储罐用大热输入用 钢的技术要求最高,难 度最大. 以往我国5万m3 以 上储罐所用的高强钢全 部依赖进口.为使钢材 国产化,武钢联合北京 燕山石化公司、中通公 司和合肥通用机械研究 所等单位,率先在国内 开展了σ b≥610MPa级的 大热输入用钢W H610D2的研制工作,为该钢板的工程 应用奠定了基础.即在1999年依托北京燕山石化公司4 台10万m3 原油储罐工程,进行了中石化........