13mnnimor汽包的焊接工艺

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13MnNiMoR 汽包的焊接工艺
唐亚梅
(无锡翔龙环球科技股份有限公司，江苏 无锡 214421)
摘 要：
对δ=90mm 的厚板13MnNiMoR 钢制汽包进行了焊接性能分析，预定了焊接工艺，并进行了焊接工艺评定验证。

在此基础上结合工厂设备，针对厚板焊接的特点和多年焊接积累的经验，制订了13MnNiMoR 的焊接工艺，成功地应用于产品的制造。

关键词：
13MnNiMoR 钢；汽包；焊接性能；焊接工艺中图分类号：TG457.11 文献标识码：A 文章编号：
11-5004（2019）12-0232-2收稿日期：
2019-12作者简介：
唐亚梅，女，生于1987年，汉族，江苏盐城人，本科，初级，研究方向：压力容器制作设备的自动化、特殊材料焊接。

随着国内工业的蓬勃发展带来的汽包压力容器的高参数
化，各种针对中高温，高压力工况下使用的钢板不断涌现，宽厚板被更多地生产并应用到大型锅炉压力容器中。

作为锅炉压力容器厂家面临的是高强度宽厚板材料的加工使用以及探究其焊接性能。

本公司于2018年承接了高压汽包，汽包工作压力为15.1Mpa，汽包外形尺寸11220mmXΦ1780mm、内直径Φ1600mm、容积26.8m 3，主体材料为13MnNiMoR，材料厚度90mm。

为了制订合理的焊接工艺，进行了一系列的焊接试验。

1 材料焊接性能分析
根据表1可知，13MnNiMoR 钢的C、S 及P 元素的含量非常低，因此焊接热裂纹倾向较小。

而由于13MnNiMoR 合金含量较多，板厚大，但材料是细晶粒钢，抗层状撕裂性能好，但受碳当量高、拘束度大以及氢含量的影响，焊接冷裂纹(包括氢致裂纹)
容易出现在焊缝区及热影响区[1]。

（1）材料成份及金相组织分析。

13MnNiMoR 钢仿造于德国的BHW35钢，属于高压锅炉和高压压力容器用钢。

根据GB713-2014《锅炉和压力容器钢板》供货状态为正火+回火，正火时组织为贝氏体加铁素体，回火时的组织为回火贝氏体加铁素体，一般也称为低合金贝氏体钢。

钢材加入一定量Cr、Mo 元素可以提高钢的淬透性，提高钢的室温和中温强度，能抑制钢热脆性和回火脆性，热强性能高；Ni 的加入，可以提高钢的淬透性，保证大截面工件得到均匀的组织和性能；可以提高钢的抗疲劳能力和减少钢对缺口的敏感性；一定量的Nb 元素加入，可以显著提高钢的相变点，减小钢的淬硬性。

在合理的热处理条件下，晶粒细化、抗裂纹扩展敏感性好，被广泛用以制造高压锅炉汽包、高压容器等。

该材料的化学成分见表1。

（2）采用国际焊接学会（IIW）所推荐的碳当量计算公式：CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/·5(%)=0.5767%；采用日本JIS 标准所规定的碳当量计算公式：Ｃｅｑ＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14(%)=0.5758%。

两种公式计算结果，碳当量都大于0.5%，说明13MnNiMoR 钢在焊接时淬硬倾向大，为冷裂纹产生的三条件之一。

（3）汽包板厚较厚，焊接时焊缝及热影响区承受不均匀的加
热以及不均匀的冷却所产生的三向应力，焊接后工件外形无尺
寸变化，因此，拘束度大。

（4）焊缝中的氢。

由于主要采用SAW 和SMAW 两种焊接方法焊接汽包的纵环缝及接管的角焊缝，尽管采用低氢焊接材料以及彻底清除坡口上的油锈等污染物，焊接材料中多少还会存在水份，如果没有措施，将导致焊缝最终还会存在氢。

综上所述，因此13MnNiMoR 钢设备焊接过程中，冷裂纹出现的三个条件都存在，而采用预热及后热是减少甚至消除上述三条件的根本方法及措施[2]。

2 焊接准备及条件
2.1 各种焊接接头坡口的确定
坡口确定原则是根据公司设备，兼考虑焊接材料的消耗量，以及利于焊接操作等因素。

（1）筒体纵缝坡口。

由于筒体采用中温卷制，坡口采用火焰切割（打磨后表面探伤合格），坡口简图见图1。

采用自动埋弧焊。

图1 坡口简图外侧
（2）筒体环缝坡口。

待筒体卷圆后，坡口车削，坡口简图见图2。

采用自动埋弧焊[3]。

图2 坡口简图内侧
表1 13MnNiMoR 钢化学成分（质量分数）（%）
C
Si
Mn Cr Ni Mo Nb
P S ≤0.15
0.15～0.50
1.20～1.60
0.2～0.4
0.60～1.00
0.20～0.40
0.005～0.020
≤0.020
≤0.010
（3）接管与筒体接头坡口。

公司有专用的接管角焊缝自动埋
弧焊机，坡口采用自动火焰切割机切割（打磨后表面探伤合格），坡口简图见图3。

采用自动埋弧焊+焊条电弧焊。

2.2 焊工资格及培训
焊工能力高低决定产品焊接质量的优劣，焊接上述接头的
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焊工必须按TSG Z6002-2010取得焊工合格证。

在此前提下对焊工进行针对性培训，
学习焊接工艺并针对各种接头坡口练习。

图3 坡口简图弧度
2.3 焊材准备及环境要求
按规范要求烘烤焊材，CHE607NiR烘干温度为350℃～380℃，保温时间2h；SJ101R焊剂烘干温度为350℃～400℃，保温2h；焊接区内保证焊接时风速＜8m/s。

2.4 预热及后热的实施细节的确定
（1）预热的细节应严格按照《水管锅炉》GB/T16507.5第8.7条要求进行，其中包括加热范围及测量位置。

预热温度确定150℃～200℃，层间温度不低于预热温度。

（2）由于13MnNiMoR材料冷裂敏感性较大，板厚，焊接时产生三向应力，拘束度大，焊接后应立即（不小于200℃）进行后热消氢处理。

后热温度350℃，至少保持2h。

3 汽包焊接
筒体装配组对前要对坡口打磨除锈及油污，切割坡口表面需无损探伤合格。

采用火焰加热，焊接内侧时，加热在外侧，且测温在内侧，反之则相反。

这样保证加热透彻。

焊接时焊道布置也很重要，除打底外，其余层数都采用一层2道甚至多道，有利于脱渣，且焊接应力较小。

筒体焊接试件与筒体纵缝连在一起，采用与纵缝相同工艺一起焊接。

一般每条焊缝一次焊完，焊后立即进行后热消氢处理，如中途因故停止施焊，也需要后热消氢处理。

由于板厚，焊接接头有延迟裂纹倾向，必须焊接完成36h后，才能按JB/T4730-2005进行纵环缝100%MT+100%UT+100%RT 无损检测，接管与筒体的焊缝接头100%MT+100%UT。

RTⅡ级合格，UT与MTⅠ级合格。

4 焊后热处理
焊后进行整体热处理。

热处理前，所有焊接工作必须完成。

热处理工艺严格按照《水管锅炉》GB/T16507.5第9.3条要求进行。

包括升温降温速度，热电偶设置炉内气氛等。

试板随炉热处理，并设置热电偶。

热处理温度为（620±20）℃，保温时间不小于2.5h。

热处理后对纵环缝及接管与筒体的焊缝进行100%MT+100%UT无损探伤，Ⅰ级合格。

5 产品焊接试件的常温力学性能
根据NB/T47016-2011《承压设备产品焊接试件的力学性能试验》和产品技术要求进行了各项力学性能试验，抗拉强度、屈服强度、弯曲试验、延伸率、冲击试验全部合格。

6 总结
通过焊接性试验及焊接工艺评定，验证了预焊接工艺的正确性，结合工厂实际状况，制订出了适合指导该产品的焊接工艺指导书。

实际焊接过程中，通过加强焊接过程控制，该产品的焊接一次合格率在95%，证明了该工艺的可靠性，也为本公司制造高压汽包高压容器积累了丰富的经验。

参考文献
[1] 压力容器用材料及热处理[M].北京：化学工业出版社，2004.
[2] 锅炉压力容器焊接技术培训教材[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3] NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》[S].
（上接231页）
2 模拟实验
2.1 实验设置
为了验证此次提出的矿用潜水泵多级叶轮内部流动模拟方法的可用性，运用设计方法和原有方法分别对多级叶轮出口角为16°、18°、20°三种不同角度下内流场进行非定常数值内部流动模拟。

多级叶轮旋转一周设置为360个步长，时间步长为3.614410³s，算法迭代计算10个旋转周期，总时间为0.13624s。

2.2 结果分析
下表为此次模型实验两种方法的实验结果。

表1 模型实验两种方法流动参数计算详情
模拟方法多级叶轮流
动压力（Pa）多级叶轮流
动速度（S/t）
内部流动流
动效率（η）
与实测参数
偏差率（%）
设计方法161.614265.1569.350.32
原有方法192.354254.3651.690.98
实测160.441265.2570.12-
从上表可以明显看出，此次提出的方法无论是多级叶轮流动压力还是流动速度都与潜水泵内部流动实测数据相符，并且与实测数据偏差率提高了0.66%，远远优于传统模拟方法，证明了此次矿用潜水泵多级叶轮内部流动模拟各个参数计算精准，具有良好的适用性。

3 结束语
由于此次研究时间和个人能力有限，虽然在矿用潜水泵多级叶轮内部流动模拟方面取得了一定的研究成果，单只采用了数值方程模拟的方法，并且对于提出的修正算法尚存在一定的局限性，所以对矿用潜水泵多级叶轮内部流动模拟仍值得深入研究。

参考文献
[1] 陈杰,王勇刘厚林,等.超低比转数离心泵的内部流动及非定常特性[J].排灌
机械工程学报,2018, v.36；No.220(5):15-21.
[2] 王雪豹,潘中永,朱嘉炜.对旋轴流式喷水推进器内部流动数值模拟与分析[J].
江苏科技大学学报（自然科学版）,2017,31(5):605-611.
[3] 李紫良,卢新根,张燕峰,等. 高压比离心压气机串列叶轮内部流动机理研究
[J].推进技术,2017,38(10):238-245.
[4] 秦武,陈芳芳,罗瑞祥,等.基于FLUENT的并联自平衡多级泵末级内流动研
究[J].中国农村水利水电,2017，45(5):198-201.
[5] 张克玉,袁建平,孙文婷,等.余热排出泵不同启动过程的内部流动特性[J].排
灌机械工程学报,2017,35(3):192-199.
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