0Cr18Ni9不锈钢制低温绝热压力容器_内胆_埋弧焊工艺的试验

－ 41－ 化工装备 1 前言 随着我国低温液化气体贮运需求的加大，国 内多家具有A级、C级压力容器制造资质的企业， 生产了质量优良的低温绝热液化气体贮运设备， 在我国气体应用的领域服役。 笔者了解到目前我国制造低温绝热液化气体 贮运设备罐体内胆的低温材料，基本是18-8型奥 氏体不锈钢，其代表钢种是0Cr18Ni9。为提高低 温罐体内胆主体焊缝的施焊效率，减轻焊工的劳 动强度，保证其焊接接头的低温韧性。笔者对δ≥ 10mm 的0Cr18Ni9奥氏体不锈钢，采用埋弧焊工 艺，开展了一系列工艺性试验，取得了满意的 效果，并已应用于低温绝热压力容器的生产中。 2 低温绝热压力容器的使用特点及对其内胆 主体焊接接头的质量要求 2.1低温绝热型压力容器是用于盛装液氩、液 氢、液氮、液氧、液化天然气等超低温液化气体 的受压容器。表1列出几种常用的工业气体或燃气 的压力在101.325KPa下的沸点温度。 2.2低温液化气体温度在0℃， 压力在101. 325KPa下汽化为气体时,体积会迅速膨胀。表2给 出温度0℃、压力在101.325KPa条件下,单位体积 低温液体生成的气体体积。在密闭内胆（内容器） 0Cr18Ni9不锈钢制低温绝热压力容器 （内胆）埋弧焊工艺的试验 苑玉玲 赵凤伟 （沈阳陆正冷热设备有限公司 沈阳 110144） 　 摘 要：本文针对用于制造低温绝热压力容器内胆的10毫米以上0Cr18Ni9奥氏体不锈钢，采用 埋弧焊工艺并保证其焊接接头的低温韧性方面进行试验研究，从而得到了符合要求的满意结果。 关键词：0Cr18Ni9奥氏体不锈钢 低温绝热压力容器内胆 埋弧焊工艺 焊缝金属 低温韧性 -196℃冲击功 表1 工业气体或燃气的压力在101.325KPa 下的沸点温度 液化气体名称 化学式 沸点℃ 氧 O2 -182.83 氩 Ar -185.71 氮 N2 -195.65 氢 H2 -252.77 天燃气 CH4 -161.3~165.3混合气 表2 0℃和101.325KPa条件下单位体积生成的气 体体积/（m3/m3） 液 氧 液 氩 液 氮 液化天然气 800 780 647 568～590 内，同体积膨胀使压力升高。 综上超低温、受压的使用特点，对低温绝热 压力容器内胆的主体焊缝焊接接头保证其低温韧 性，是满足安全使用的主要要素。 材质方面通常产品上采用耐低温使用的 0Cr18Ni9钢，其最低使用温度-196℃，而如何选 择适合此钢种的焊接材料是焊接合格焊接接头的 重点。 按GB150-1998附录C及JB4708-2000的有关 规定，包括焊缝及热影响区的低温夏比冲击试验 的冲击功平均值Akv≥31J，才是合格的焊接接头。 问题与对策 － 42－ 化工装备 3 试验准备 据国内一些资料介绍，对于0Cr18Ni9不锈钢， 采用焊条电弧焊和手工氩弧焊，因其焊接线能量 较低，很容易实现焊缝金属的低温韧性要求。但 是上述焊接方法的焊接效率太低。考虑选择焊接 效率较高的埋弧焊工艺，其焊接线能量比焊条电 弧焊和手工氩弧焊高些，但是合理的选择焊接材 料及制定合理的焊接工艺参数，也是能够实现 0Cr18Ni9焊接接头的低温韧性要求的。 焊接方法已经选定采用埋弧焊工艺，接下来 要考虑的就是填充金属材料的选择，焊接坡口形 式的确定，焊接参数的确定。这些影响焊缝金属 冲击韧性的因素需要通过工艺试验及理化试验确 定其正确性。 首先分析了0Cr18Ni9钢焊接，从填充金属的 材料选择上要考虑所选择的焊接材料应确保所熔 敷的焊缝金属有与母材接近的成分，因此选择 H0Cr20Ni10Ti以及H0Cr21Ni10两种焊丝作为试 验用焊丝。 焊剂选择，从查阅资料上得到信息，要想焊 缝金属得到低温下的较高韧性，必须选用碱性焊 剂。因为碱性焊剂的碱度大易于减少焊缝金属的 夹杂物含量，夹杂物含量低，则焊缝金属的低温 韧性就好。因此选择与焊接材料匹配的SJ601焊剂 作为试验用焊剂。 坡口形式的选择，根据本厂产品的特点和本 厂已具备的板材厚度，选定10mm和16mm作为本 试验的试件厚度。埋弧焊所需的坡口可以开坡口， 也可不开坡口，但是为了试验不同坡口形式下的 焊接参数，最终达到试验要求，为此我们把两种 坡口均作为试验坡口。 焊接参数的选择，考虑不锈钢焊接性的特点， 奥氏体钢导热性较低，电阻率较高，因此奥氏体 钢焊接尽量采用较小的焊接线能量。下面列举了 试验数据。 4 埋弧焊工艺试验 4.1 确定试验（见表3） 4.3工艺参数试验 对于工艺参数的选择，为了获得良好的焊接 热循环，在保证焊接良好的成形基础上，尽量选 用小的焊接电流，适中的电流电压和尽可能大的 焊速，为此试件均采用两种坡口型式（见图1）进 行试验。 母材 编号 板厚(mm) 坡口型式 焊丝 焊剂 H01 10 Ⅰ H0Cr21Ni10　 0Cr18Ni9 H02 10 Ⅴ H0Cr20Ni10Ti J601H03 16 Ⅰ H0Cr20Ni10Ti H04 16 Ⅴ H0Cr21Ni10 4.2选择焊接材料 4.2.1确定试验用材的化学成分（%）。 表4为母材化学成分，表5为焊材化学成分 表4 试验用母材的化学成分(%) 母材 规格 C M n Si P S Cr Ni 0Cr18Ni910mm0.0401.000.520.0240.00718.128.43 0Cr18Ni916mm0.0300.8400.4400.0320.00617.458.81 表5.1试验用焊丝的化学成分(%) 表5.2试验用焊剂的化学成分(%) 焊剂牌号 规 格 Si02+Ti02 CaF2 MnO+ Al2O3MgO+CaOP S 碱度 　SJ60110～60目 5～10 40～50 30～40 6～10 0.0280.0131.8 4.2.2 确定试验用材的力学性能（见表6） 表6 试验用母材的力学性能 母材 板厚(mm)σb(MPa)δ5(%) 0Cr18Ni9　10 655 49 0Cr18Ni9　16 694 45 问题与对策 表3 试验方案 焊丝牌号 规 格 C M n Si P S Cr Ni Ti H0Cr21Ni10φ3.20.0411.080.480.0160.003719.9810.56- H0Cr20Ni10Tiφ3.20.0611.570.650.0250.00819.489.10.77 － 43－ 化工装备 4.3.3 试验结果 试件H01、H03冷弯后均有裂纹产生，且-196℃ 冲击功焊缝和热影响区均较低。而H02、H04无 裂纹产生。 按GB150-1998附录C规定，奥氏体不锈钢低 温容器的焊接接头在-196℃Akv应≥31J（三个试 件的平均值）。 而试件H01、H03热影响区低温冲 击功平均值未达到标准要求。而试件H02、 H04达 到了要求，并且试件H04的低温冲击值较高。 5 试验结果分析 从工艺试验的结果看，采用不开坡口较大线 能量的焊接,试件H01、H03的焊缝余高存在不合格 倾向，按照GB150规定，尤其焊缝金属的低温冲 击功不符合标准要求。而采用开坡口较小线能量 的焊接,焊缝金属的低温冲击功达到了标准要求。 几组试验表明焊接材料，采用H0Cr21Ni10和 H0Cr20Ni10Ti都能满足要求。焊剂选用碱度较高 的SJ601型烧结焊剂。只要控制好其它方面的参 数，能够取得合适的低温冲击功数值。然而影响 18-8钢焊缝金属低温韧性的主要因素中焊接线能 量的的影响最大。这是因为，较小的焊接线能量 有助于减少熔池的过热，避免接头出现过热组织， 4.3.1 选择试件的焊接工艺规范（见表7） 表7 试件的焊接工艺规范 试件编号 I(A)U(V)V(m/h)层 间 温 度(℃)平均线能量KJ/cm H01450-50032-3620-22＜100℃ 27.69 H02420-45030-3220-24＜100℃ 22.06 H03480-52030-3620-22 ＜100℃ 30.31 H04400-42032-3420-24＜100℃ 22.14 4.3.2.2无损检测 四组焊接试件经X射线检测，均达到JB/ T4730.2-2005，100%Ⅱ级合格标准。 4.3.2.3 晶间腐蚀检测（见表9）。 表8 试件外观质量对比 试件 正面焊 背面焊 表面焊 咬边 表面 背面未 编号 缝余高 缝余高 缝宽 气孔 焊透 H012~3.5mm2.0~3.0mm21~25mm无 无 无 H020.5~1.5mm0.8~1.5mm20~22mm无 无 无 H032~3.5mm2.0~3.5mm21~23mm无 无 无 H040.5~1.5mm1~1.5mm20~22mm无 无 无 表9 晶间腐蚀检验结果 试件编号 试件1 试件2 H01没有晶间腐蚀倾向 没有晶间腐蚀倾向 H02没有晶间腐蚀倾向 没有晶间腐蚀倾向 H03没有晶间腐蚀倾向 没有晶间腐蚀倾向 H04没有晶间腐蚀倾向 没有晶间腐蚀倾向 问题与对策 4.3.2对施焊完成的试板进行检验 4.3.2.1 外观质量检验（见表8）。 晶间腐蚀按GB/T4334.2-2000标准,测试结果 显示两种焊丝焊接结果均未有晶间腐蚀倾向。 4.3.2.4力学性能、低温冲击检测（见表10）。 表10焊接接头的机械性能和冲击功 评定编号 δ 冷弯 -196℃ AKV(J) (MPa)(4S 180°) 焊缝区 热影响区 H01 619 有裂纹 45,54,5026,29,31 656 有裂纹 平均49.6平均28.7 H02 642 完好无裂 72,70,70平均70.6 692 完好无裂 89,90,96平均91.6 H03 653 有裂纹 46,34,21平均33.6 607 有裂纹 56,60,62平均59.3 H04 619 完好无裂 73,77,78平均76 646 完好无裂 110,100,102平均104 － 44－ 化工装备 从而获得较高的低温韧性。反之，线能量加大，焊 缝组织的品粒越易粗大，韧性越差。因此焊接时， 应采用较小的线能量和较快的冷却速度，以防焊 缝及热影响区过热和碳化物析出。 6 产品应用情况 此试验成功后，考虑焊接成本，对比 H0C21Ni10和H0C20Ni10Ti两种焊丝的价格， H 0 C 2 0 N i 1 0 T i焊丝的价格高于不含钛的 H0C21Ni10价格，因此最终选定了H0C21Ni10作 为填充金属。焊接参数采用试件H04的参数，焊 接了大量的产品。从焊接试板的性能试验中，按 照标准要求进行了焊缝和热影响区的-196℃的低 温冲击功试验，全部合格。因此进一步验证了埋 弧焊工艺的正确性及选材、参数确定的正确性。 7 结论 7.1 0Cr18Ni9钢板埋弧焊时，采用较小的焊 接线能量是提高低温韧性的关键因素之一。 7.2 采用H0Cr21Ni10焊丝，在选定的工艺参 数下，合理地安排焊接次序，严格控制层间温度， 试验试板的焊缝及热影响区的-196℃低温冲击功 达到了标准要求。 7.3 焊剂的碱度高可获得良好的机械性能， 我们选用的SJ601焊剂碱度为1.8°能够满足要求。 7.4 用埋弧焊代替焊条电弧焊和氩弧焊减轻 了焊工的劳动强度，提高了劳动生产率，具有较 大的经济效益。焊接中尽可能采用大的冷却速度， 能促使晶粒细化避勉产生热裂纹。 7.5 产品应用后，进一步验证了此焊接工艺 的优越性。 参考文献 [1]宇永福，《金属材料焊接》机械工业出版社 1994 77～96 页. [2]GB150-1998《钢制压力容器》国家技术监督局 1998 141～144页. [3]《深冷技术》 1999年第5期. [4]JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》. 问题与对策 The Experiment & Research on the Low Temperature Performance of Inner Tank of Low Temperature Adiabatic Pressure Vessel Yuan Yu-ling, Zhao Feng-wei (Shenyang Luzheng Cooling & Heating Equipment Co., Ltd. Shenyang, 110144) Abstract: This article describes the experiment & research on low temperature toughness of weld joints which on the inner tank of low temperature adiabatic pressure vessel. The material of the inner tank is 0Cr18Ni9 stainless steel; its thickness is over 10mm. The welding technology of it is submerged-arc welding (SAW). Keywords: 0Cr18Ni9 austenite stainless steel, low temperature adiabatic vessels inner tank, SAW technology, weld metal, low temperature toughness, impact energy at -196℃. 产品技术鉴定 中国化工装备协会于5月2日至3日组织有关专家组成鉴定委员会，对张家港市科华化工装备制造 有限公司制造的可发性聚苯乙烯用反应釜进行了产品技术鉴定。 鉴定委员会认为：该产品采用新技术降低了设备制造成本，提高了生产效率和聚苯乙烯产品的质量， 并同时达到节能效果。该产品技术国内领先，达到了国外同类产品技术水平，可填补国内空白，替代进口。