15CrMoR+410S复合钢板材质焦炭塔焊接质量控

【摘 要】本文针对大型不锈钢复合钢板焦炭塔的组对与焊接，指出了容器几何形状超标对焊缝质量的影响，制定了控制成型质量的措施，并对焊接性的分析、焊接方法和焊接材料选择、接头形式选择等方面进行论述，以此确定出合理的不锈钢复合钢板焊接工艺，保证了设备制造质量。

【关键词】15CrMoR+410S复合钢板；成型；焊接；质量

由于石化企业使用的介质有其特殊性，因而对工艺设备耐蚀性能要求很高。不锈钢复合钢板以其足够的强度、较高的耐蚀性和低廉的价格，得到越来越广泛的应用。本文以不锈钢复合钢板焦炭塔的制造为例，从容器的组装成型和焊接两方面论述该类容器制造中焊接质量的控制。本设备为蓝星石油公司100万吨/年延迟焦化装置及配套工程中的主要设备。设备直径7600mm，净高34644mm，设备正常运转时充焦重1000吨，工作过程中承受交变载荷，工作介质主要为渣油、油气、水蒸气和焦炭；设备采用的材料为15CrMoR+410S复合钢板。

1 筒体成型质量控制

1.1 成型缺陷影响焊缝质量

表1 15CrMoR与410S的物理性能

该设备直径较大复层较薄（3mm），若成型质量不好，极易造成错边量和棱角度超标。错边量会降低焊缝耐蚀性，减弱焊缝接头强度；过渡层焊接时，错边量引起的外形突变将在焊接接头形成局部高应力，15CrMoR基层和410S复层的线膨胀系数（见表1）相差较大，加大了产生焊接裂纹的可能性；棱角度易使焊缝余高超标，造成明显的局部结构不连续，从而在余高处引起高应力集中，使焊缝疲劳寿命明显下降。

1.2 成型缺陷控制

1.2.1 控制下料尺寸的精度

施工中为把复合钢板对口错边量控制在允许的1mm范围之内，关键之一是控制下料尺寸的精度。

筒体与封头、筒节与筒节对接焊接，其直径应一致。施工中一般先加工好封头，再根据封头的实际中径来确定筒体的展开尺寸。对于均质板，可按封头中径展开；而复合钢板基层和复层两种材料力学性能不同，物理性能（导热率和线膨胀系数，见表1）不同，按中径展开的方法计算会出现筒体直径大于封头直径，环缝错边量超标的问题。

复合板在纯弯曲时，截面应力分布情况如图1所示，按同一截面ΣFx=0的平衡条件，中性面是移向靠近强度较高金属的一侧[1]。

图1 复合板纯弯曲截面应力分布

不锈钢复合钢板卷圆时，中性面向靠近不锈钢复层方向移动，设内壁至中性面的距离为Y0，则：

Y0=[σs1/σs2（？啄+？啄2）-？啄2+k■■]/（k■■+■）（1）

式中：

σs1、σs2――基层、复层材料的屈服极限，取σs1/σs2=1.44

？啄――筒节厚度，mm

？啄2――复层厚度，mm

R■――中性面曲率半径，mm，R■=D/2+Y0，计算时可近似认为等于（D+？啄）/2，D为筒节内径

K0――复层强化系数

复合钢板筒节理论展开长度按下式计算：

L复=π（D+2Y0）（2）

式中：

D――筒节内径，mm

综合考虑焊接时的坡口间隙及焊缝的横向收缩量，复合钢板筒实际展开下料尺寸为：

L下=L复-nC+nΔb（3）

式中：

n――焊缝数量

C――组装间隙，mm

Δb――纵缝的横向收缩量，mm，与材料、焊接参数、方法、坡口型式有关

对于均质板，按中径计算展开长度为

L均=π（D+？啄）（4）

式中：

D――筒节内径，mm

？啄――筒节厚度，mm

从以上分析可以看出：

（1）复合钢板的计算展开长度比均质板的理论展开长度要小，这主要由于复合板的中性层内移而造成的，说明复合板卷圆时的外层纤维伸长变形率比均质板大。

（2）因中性层内移产生的长度差异与直径、厚度有关。

考虑以上因素后进行筒体下料。测得焦炭塔封头内圆周长为23855mm，标准周长时，D=7594mm，计算得Y0=11mm，得出筒体中性面直径为7616mm，根据实际排料情况，n=3，C=2，Δb=2.5，计算得L下=23925mm。与相同厚度的均质钢板相比，此复合钢板的下料长度小了4.5mm。

1.2.2 提高组对精度

筒节纵缝组对过程中控制纵缝对口错边量在0.5mm之内，控制纵缝对口间隙为2～3mm，制造过程中，组对好一节筒体后，立即测量其上下口外圆周长，并计算与相邻筒节外圆周长之差值；若周长之差超过最大允许偏差值，须找出超差原因后重新组对。通过以上措施，塔体纵、环缝组焊后，最大错边量为0.5mm

2 焊接性分析

为保证复合钢板不因焊接而失去原有优良的综合性能，通常都是分别对基层和复层焊接，即把复合板接头的焊接分为：基层的焊接、复层的焊接和基层与复层交界处过渡区的焊接三个部分。

基层15CrMoR是以Cr-Mo为基的低合金珠光体耐热钢，钢中加入的Cr、Mo等元素一方面增加了钢中碳化物的形成能力，提高了钢的高温蠕变强度及组织的热稳定性；另一方面，也增加了钢的淬硬性，造成焊接时接头的冷裂敏感性增大。根据国际焊接学会推荐的碳当量计算公式计算得到15CrMoR的碳当量约为0.56%，同时钢板经卷制成形后存在一定的内应力，焊接时应采取适当的工艺措施防止冷裂纹产生。

410S是铁素体型不锈钢。这类钢耐酸能力强，有很好的抗氧化性，塑性也较高；其主要问题是：在550～820℃长期加热时，将析出σ相，使钢变脆，并降低钢的耐蚀性。

焊接15CrMoR+410S复合钢板时，因基层与复层的导热系数及线膨胀系数存在较大差异，焊接过程中会产生较大的内应力，在焊接及热处理多次热循环过程中，有可能造成复合层结合局部开裂。由于合金元素含量较少，在过渡层的焊接中，基层金属对过渡层焊缝的合金成分有稀释作用，影响接头的使用性能。因此应选择合适的过渡层和复层焊接材料并控制热处理工艺，使焊缝组织既能满足其力学性能要求，有保证复层耐蚀性能要求。

3 焊接工艺

3.1 坡口形式

采用图2所示坡口形式[2]。该坡口形式将复层与基层严格区分开，不会出现将基层焊条焊到复层上，有利于保证基层焊缝的焊接质量和防止基层对复层焊缝金属的稀释。

图2 不锈钢复合钢板焊接坡口形式

3.2 焊接材料

复合钢板基层为15CrMoR，系低合金耐热钢，焊接材料选用与母材化学成分相近、强度级别相当的焊材，并严格控制焊材中的S、P等杂质含量，故焊条电弧焊选用R307焊条。过渡层及复层焊接，为了避免焊接时由于基层熔化后对复层不锈钢的稀释作用，以保证熔合区有足够的Cr、Ni含量，选用Cr、Ni合金含量较高的奥氏体焊接材料A307，以减少碳钢对不锈钢合金成分的稀释作用和补充焊接过程中合金元素的烧损，该种焊条具有较好的抗氧化、气蚀、腐蚀性能.

3.3 焊接工艺参数

基层、过渡层和复层焊缝均采用焊条电弧焊施焊。基层焊接时，线能量过大会引起热影响区过热，晶粒粗大；线能量过小，会使热影响区淬硬，增加冷裂倾向，因此应按焊接工艺要求严格控制焊接线能量[3]。焊条电弧焊线能量取J=15～25kJ/cm可得到满意的焊接接头。过渡层焊接是关键技术，在保证焊透的情况下，为了减小合金元素的稀释，尽可能采用小的焊接电流、快焊速，焊条不允许做横向摆动，复层被熔化的宽度和深度尽量保持均匀一致。复层焊接时应选用小的焊接线能量，避免不锈钢复层在550～820℃停留时间过长，不锈钢变脆，影响其耐蚀性能。

3.4 焊后热处理

基层焊接完毕，立即采用覆带式电加热器对焊缝及其两侧各150mm范围进行（350～400）℃×2h消氢处理，复层焊接完毕，对焊缝进行各项检验合格后再进行最终热处理。

焊后最终热处理温度660℃～680℃，恒温2.0h，升降温时加热区内最大温差≤60℃，300℃以下为自由升降温。

此焦炭塔采用了微正压燃油法整体热处理技术。热处理设备选用EK9-1000型热处理设备和GC-W/K型控制柜，该设备集成了喷嘴、油泵、流量计、鼓风机、电子点火器、温度记录仪、自动调节单元等，自动控制升降温速度和温差，随时监控热处理工艺，控制适宜的升降温速度，避免产生过大的温差应力。

4 结语

该焦炭塔已运行，各项性能指标满足要求，说明产品制造质量良好，完全符合设计要求。

【参考文献】

[1]丑津士，陈维耕.化工炼油设备制造工艺[M].北京：化学工业出版社，1986.

[2]SH/T3527-1999 石油化工不锈钢复合钢焊接规程[S].

[3]王健安.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社，2002.