關(guān)于16MnDR 低溫設(shè)備生產(chǎn)過程中的技術(shù)探討

牛春龍

（天津市月鳴金屬結(jié)構(gòu)有限公司，天津300353）

隨著我國近年經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)生產(chǎn)范圍的擴(kuò)大，我國東北和西北地區(qū)冬季平均氣溫在-20℃以下，主要用于安裝在室外受環(huán)境溫度影響的空氣儲罐、氮氣儲罐以及液態(tài)二氧化碳儲罐等設(shè)備在低溫低應(yīng)力條件下使用，市場中的壓力容器設(shè)備常規(guī)用板材Q345R 不能滿足使用要求，對生產(chǎn)和生活存在較大的安全隱患，16MnDR 在此時就能滿足設(shè)備使用條件，因工作溫度在-20～-40℃工況條件下，設(shè)備的主要受壓元件板材只能選用低溫板材或者奧氏體不銹鋼，但不銹鋼造價過高，使得16MnDR 在-20～-40℃溫度范圍內(nèi)有了一定的優(yōu)勢[2]。

1 材料選擇

1.1 板材

目前我國設(shè)計溫度在-20～40℃這類低溫容器多以16MnDR 鋼材作為低溫設(shè)備壓力容器的母材使用，對于16MnDR 材質(zhì)設(shè)備與常溫設(shè)備相比，材料選擇應(yīng)該有更高的要求。根據(jù)《GB3531-2014 低溫壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，16MnDR 板材中含有碳、硅、錳、鎳、硫、磷、鈮、釩鈦等化學(xué)成分，其中碳、硫、磷是鐵礦石中原有的化學(xué)成分，是鋼材中的雜質(zhì)元素，碳、硫、磷會增加鋼板的脆性，降低鋼材的低溫韌性，因16MnDR 鋼材的主要失效模式為脆性斷裂，所以板材中含有這些元素是有害的，這些元素因為是礦石中含有的不能去除，所以只能控制這些元素的含量，標(biāo)準(zhǔn)中要求碳硫磷含量分別≤0.2%、0.01%、0.02%。16MnDR 鋼板中鎳、錳、硅元素可以提高鋼板的低溫韌性，提高沖擊吸收功，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，是鋼板中有益的化學(xué)元素，所以16MnDR 鋼板中要嚴(yán)格控制碳、硫、磷的含量不能超標(biāo)[3]。鋼板的厚度也對板材的韌性有影響，厚度越大韌性越低，6～60mm 厚的鋼板要求進(jìn)行-40℃沖擊試驗，60 ～120mm 厚鋼板進(jìn)行-30℃沖擊試驗，所以60～120mm 厚鋼板設(shè)計溫度下限值為-30℃。根據(jù)GB3531-2014 標(biāo)準(zhǔn)要求，16MnDR 鋼板的交貨狀態(tài)為正火或正火加回火板，為減少由于熱軋溫度和冷卻速度不同而引起的顯微組織不均勻，一般用鋼都要求正火處理，正火處理的板材可以細(xì)化晶粒，可以降低鋼材無塑性轉(zhuǎn)變溫度。

1.2 焊材

為使焊接材料與16MnDR 板材相適應(yīng)，焊條的選擇與Q345R 材料用焊條是不同的，手工電弧焊焊條應(yīng)選用低氫堿性焊條，焊條型號E5015-E（牌號為J507RH）和E5016-E（牌號為J506RH），為降低材料的低溫脆性，要嚴(yán)格控制焊條中的硫磷含量，一般焊條的硫含量≤0.015%，磷含量≤0.025%。低溫焊條的沖擊溫度與Q345R 材料焊條沖擊溫度也是不同的，J506、J507 焊條的沖擊溫度是-30℃，而J506RH 和J507RH 焊條的沖擊溫度為-40℃。當(dāng)焊接過程中采用埋弧自動焊時，應(yīng)選用能夠提高焊接接頭低溫韌性的埋弧焊絲和焊劑，焊絲盡量選用H08MnMoA，焊劑應(yīng)選用與焊絲相匹配的HJ250 焊劑。

低溫容器焊條應(yīng)按批進(jìn)行藥皮含水量或熔敷金屬擴(kuò)散氫含量的復(fù)驗，市場中多采用擴(kuò)散氫復(fù)驗，我國現(xiàn)在擴(kuò)散氫的檢測方法有四種，分別是載氣熱提取法、甘油法、水銀法和氣相色譜法。從測氫值、試驗時間、準(zhǔn)確率三個方面對四種方法的進(jìn)行比較，載氣熱提取法更加的快速、便捷、準(zhǔn)確，考慮到水銀對環(huán)境污染，載氣熱提取法是擴(kuò)散氫檢測的最好方法，其次氣相色譜法。

焊條在存放過程中，焊條容易吸收空氣中的水分，使焊條的含水量增大，含水量過大會使焊縫中出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，焊條使用前應(yīng)進(jìn)行徹底烘干，烘干溫度在350℃左右，時間1～2h，烘干后放入手提式保溫箱筒內(nèi)隨用隨取，桶內(nèi)溫度保持在100～150℃，焊條至于空氣中4h，必須重新烘干，再烘干不得超過一次。

1.3 管材

當(dāng)鋼管采用GB/T6479-2013 標(biāo)準(zhǔn)時，標(biāo)準(zhǔn)中的管為熱軋或冷拔管，因16MnDR 交貨狀態(tài)為正火或正火加回火板，為達(dá)到與母材相匹配，管材交貨時應(yīng)進(jìn)行熱處理達(dá)到正火狀態(tài)，熱處理溫度880 ～940℃。與16MnDR 材質(zhì)相匹配的管材為Q345 級別，標(biāo)準(zhǔn)中又將Q345 級別管材劃分為Q345A、Q345B、Q345C、Q345D、Q345E，其區(qū)別只有沖擊試驗溫度不同，其他性能指標(biāo)都是相同，Q345A、Q345B、Q345C、Q345D、Q345E 的沖擊溫度分別是無沖擊、20℃、0℃、-20℃、-40℃，滿足使用條件的是Q345E 管材，Q345E 管材要控制硫磷含量，硫磷含量分別≤0.01%和0.025%。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及加工

2.1 16MnDR 材質(zhì)容器結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時應(yīng)盡量簡單，接管補強(qiáng)盡量采用接管本身或厚壁管補強(qiáng)，當(dāng)接管厚度達(dá)不到設(shè)計要求時，盡量采用低溫整體鍛件補強(qiáng)，盡量避免使用補強(qiáng)圈補強(qiáng)。各結(jié)構(gòu)形狀之間變化要小，避免產(chǎn)生多余的附加應(yīng)力，較高的附加應(yīng)力是產(chǎn)生裂紋的關(guān)鍵因素，對接接頭和角接接頭應(yīng)圓滑過渡，避免焊縫的集中和交叉。

2.2 筒體與接管、接管與法蘭及筒體與內(nèi)件的連接焊縫應(yīng)采用連續(xù)焊。

2.3 支座、吊耳與封頭或筒體連接時，不得與筒體或封頭直接焊接，應(yīng)設(shè)置墊板，墊板材料應(yīng)為16MnDR 材質(zhì)。

2.4 為了減少操作而使設(shè)備產(chǎn)生殘余應(yīng)力，生產(chǎn)加工過程中，不得對筒體和封頭錘擊、強(qiáng)力變形組裝，焊工印記因采用記號筆或油漆筆，不得打鋼印等操作。

3 焊接

3.1 設(shè)備焊接前應(yīng)制作能夠覆蓋產(chǎn)品的焊接工藝評定，焊接工藝評定應(yīng)符合NB/T47014-2011 標(biāo)準(zhǔn)，試件的力學(xué)性能試驗應(yīng)符合NB/T47016-2011標(biāo)準(zhǔn)，試驗區(qū)域包括焊縫和熱影響區(qū)。

3.2 油污、鐵銹、水等雜質(zhì)會引起氣孔、裂紋等缺陷，焊接前應(yīng)對焊接坡口清理干凈。

3.3 焊接過程中，焊接線能量過大會造成焊接接頭和熱影響區(qū)組織溫度過高，產(chǎn)生組織脆化，在滿足焊接工藝評定前提下，焊接過程中應(yīng)采用較細(xì)的焊條、多道施焊，這樣可以有效控制焊接線能量[4]。

3.4 16MnDR 低溫壓力容器焊縫中的缺陷容易造成應(yīng)力集中，加大低溫脆性破壞傾向，所以不得有咬邊、裂紋、未焊透等缺陷。

3.5 所以16MnDR 低溫設(shè)備焊縫表面應(yīng)平滑過渡，嚴(yán)格控制焊縫余高，角焊縫采用凹型形狀，所有焊縫形狀變化不能過大。

3.6 當(dāng)含有A 類焊縫的設(shè)備應(yīng)逐臺制備產(chǎn)品試板。

3.7 A、B、C、D 類焊縫應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)焊接接頭。

3.8 E 類焊接接頭應(yīng)滿焊，不得采用間斷焊和點

焊。

4 無損檢測

4.1 對于第Ⅲ類設(shè)備和介質(zhì)為極度、高度危害介質(zhì)容器應(yīng)進(jìn)行100%射線檢測[5]。

4.2 根據(jù)低溫壓力容器的特殊性和安全角度考慮，除極度、高度介質(zhì)以外的ⅠⅡ類16MnDR 低溫壓力容器對接焊縫允許采用局部射線檢測時，檢測長度不得少于各焊接接頭長度50%[6]。

4.3 A、B、C、D、E 類焊縫應(yīng)進(jìn)行表面檢測。

5 熱處理

由于我國壓力容器封頭生產(chǎn)廠家對于封頭的壓制多采用熱壓方式壓制，壓制溫度都在1050℃左右，所以封頭壓制時破壞了封頭的正貨狀態(tài)，應(yīng)在封頭壓制完成后應(yīng)恢復(fù)板材的供貨時的正火狀態(tài)，以保證要求的母材使用狀態(tài)。為驗證封頭恢復(fù)正火狀態(tài)是否合格，也要對母材試件進(jìn)行熱處理，試件應(yīng)與壓制成型后的封頭同爐進(jìn)行熱處理，熱處理后檢驗?zāi)覆脑嚰砘阅苁欠穹习宀臉?biāo)準(zhǔn)要求，如果封頭為拼接，封頭試板應(yīng)與封頭拼接時由同一焊工采用相同焊接工藝進(jìn)行施焊，焊接試板隨爐進(jìn)行熱處理，熱處理后進(jìn)行理化試驗，理化試驗項目應(yīng)包含焊縫和母材[7]。

為消除焊后殘余應(yīng)力，當(dāng)16MnDR 使用在介質(zhì)為極度、高度危害和第Ⅲ類設(shè)備時，應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理，焊后熱處理可以降低鋼材低溫脆性斷裂傾向，改善焊接接頭的力學(xué)性能[8]。