爆炸焊不锈钢复合钢板制造压力容器难点分析

李小东

摘 要：复合钢板制压力容器错边量的要求比较严格，在制作时，应综合考虑多方面的因素，将错边量控制到最小。不锈钢-钢复合钢板的焊接过程比较复杂，容易产生缺陷，所以，要充分考虑各种影响焊接因素，采用不同的工艺控制缺陷的发生。

关键词：复合钢板；压力容器；错边量；裂纹

中图分类号：TG457.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.12.099

不锈钢复合钢板是由较薄的、具有耐腐蚀性的不锈钢板和较厚的、具有价格和强度性能优势的碳钢板通过爆炸焊复合而成的，它不仅经济，而且有较强的耐腐蚀使用效果，被广泛应用于石油、化工、医药和核工业等领域，其多用于制造介质腐蚀性较强的设备。

1 设备概述

在山西华鑫肥业股份有限公司“18·60”项目中，所使用的设备有淬冷器1台、变换气分离器Ⅰ1台、变换气分离器Ⅱ1台，共3台。淬冷器材料为Q345R+S30408，筒体厚度（22+3）mm，封头厚度（24+3）mm，设备内径Φ2 600 mm，介质变换气（H245%）；变换气分离器Ⅰ、Ⅱ材料为Q345R+S30408，筒体厚度（16+3）mm，封头厚度（18+3）mm，设备内径Φ2 200 mm，介质为氮氢气、CO2、CO和水蒸气。

2 制造要求

复合钢板的对口错边量不大于钢板覆层厚度的50%，并且不大于2 mm，而这几台设备的钢板覆层厚度均为3 mm，所以，错边量不得大于1.5 mm，这就需要设备在制造过程中严格控制筒节的周长偏差。由于复合钢板在爆炸焊过程中造成的内部应力不均匀，热处理、校平处理过程不均匀，所以，筒体在卷制过程中出现了卷制方向的延伸。这时，在卷制过程中，就要控制直径和厚度相同的筒节，并且滚压次数也要基本相同。由于设备封头和筒体厚度不相同，因此，为了保证设备的耐腐蚀性能，就需要将筒体与封头的覆层对齐。

3 下料

在切割复合钢板时，采用的是等离子切割方式，在划线和切割过程中，要严格控制周长方向的尺寸，这样才能保证错边量符合相关要求。一般均质钢板筒体下料尺寸要以实测封头的外周长为基础来计算，以中径展开长度下料。

采用普通均质钢板制作筒节时，下料尺寸为：

L=π（C/π-2δ封+δn）. （1）

式（1）中：L为筒节实际下料尺寸；C为封头实测外周长；δ封为封头理论厚度；δn为筒节理论厚度。

复合钢板制压力容器的错边量要求比较严格，所以，在制作时，要考虑卷制延伸量、焊缝对接间隙和纵焊缝焊接收缩量等因素。由于制成复合钢板的2种材料的力学性能不同，基层与覆层之间存在过渡的结合面，所以，复合板的性能与基层板和覆层板也都不同，因此，复合钢板筒体的下料尺寸也与普通均质板的下料尺寸不同。在卷制时，钢板的中性面向强度比较高的金属侧，即覆层侧移动。筒体内壁到中性面距离为：

X={σ1/σ2（δ+δ0）-δ0+k0[δ02/（2R0）]}

/[k0（δ0/R0）+2σ1/σ2]. （2）

式（2）中：σ1，σ2为基层、复层材料的屈服强度下限；δ为复合钢板理论厚度；δ0为理论覆层钢板厚度；k0为复层强化系数，一般取k0=210；R0为中性面曲率半径，mm，可近似认为R0=（C/π-2δ封+δn）/2.

用复合钢板制作筒节时，下料尺寸为：

L=π（C/π-2δ封1+2X）-ΔL-nb+np. （3）

式（3）中：δ封1为封头直段边缘实测厚度；ΔL为卷制周长延伸量；n为筒节纵缝条数；b为纵焊缝对接间隙，b=2；P为纵焊缝环向焊接收缩量，一般取p=3.

卷制周长延伸量为：

ΔL=ηπδn[1+δn/（C/π-2δ封）]. （4）

式（4）中：η为钢板卷制系数，取0.06.

在制作产品时，测得淬冷器封头直段外周长为8 338 mm和8 340 mm，取平均值为8 339 mm，厚度取2个封头直段均布8点厚度的平均值为28.15 mm。变换气分离器Ⅰ封头直段外周长为7 047 mm和7 049 mm，取平均值为7 048 mm；变换气分离器Ⅱ封头直段外周长为7 044 mm和7 047 mm，取平均值为7 045.5 mm；变换气分离器Ⅰ厚度取2个封头直段均布8点厚度的平均值为21.9 mm；变换气分离器Ⅱ厚度取2个封头直段均布8点厚度的平均值为22.3 mm。

在制作产品时，对于淬冷器，如果筒体按普通均质钢板理论展开，其长度为8 247 mm，按复合钢板筒体展开，其长度为8 231 mm，实际筒体下料尺寸为8 231 mm。对于变换气分离器Ⅰ，如果筒体按普通均质钢板理论展开，其长度为6 982 mm，按复合钢板筒体展开，其长度为6 963.5 mm，实际筒体下料尺寸为6 963.5 mm。对于变换气分离器Ⅱ，如果筒体按普通均质钢板理论展开，其长度为6 982 mm，按复合钢板筒体展开，其长度为6 958 mm，实际筒体下料尺寸为6 958 mm。

对于产品制成后的环缝最大错边量，淬冷器为1.0 mm，变换气分离器Ⅰ为0.8 mm，变换气分离器Ⅱ为1.1 mm。

4 坡口的选择

采用等离子弧切割、气割方法加工坡口，应除去坡口表面的氧化层和过热层。用等离子切割坡口时，覆层朝上，从覆层侧开始切割。用气割坡口时，基层朝上，从基层开始切割。坡口型式和尺寸如图1所示。

图1 坡口型式和尺寸

5 焊接

5.1 异种钢焊接

不锈钢复合钢板基层和覆层过渡部分的焊接为异种钢焊接，异种钢的焊接比同种钢焊接要困难和复杂，既存在因为不同母材之间和母材与填充金属之间相互作用的不同给冶金带来的困难，又存在因为物理性能上存在差异而带来焊接工艺上的困难。基材、覆材和复合钢板的拉伸力学性能如表1所示。

表1 拉伸力学性能

屈服强度Re/MPa 抗拉强度Rm/MPa 延长率

A/%

δ=（16+3）mm δ=（22+3）mm δ=（16+3）mm δ=（22+3）mm

覆材 Re1≥205 Rm1≥520 A1≥40

基材 Re2≥345 Re2≥325 510≤Rm2≤640 500≤Rm2≤630 A2≥21

复合

钢板 Re≥（Re1t1+

Re2t2）/（t1+t2）=322.9 Re≥（Re1t1+

Re2t2）/（t1+t2）=310.6 Rm≥（Rm1t1+

Rm2t2）/（t1+t2）

=511.6 Rm≥（Rm1t1+

Rm2t2）/（t1+t2）

=502.4 A≥A2=21

注：t1为覆材厚度，mm；t2为基材厚度，mm；Re为屈服强度标准值，覆材Re1取钢材的规定非比例延伸强度Rp0.2值，MPa；Rm为抗拉强度标准下限值，MPa

5.2 裂纹产生的因素

由于基材与覆材的线膨胀系数、热导率和熔点不同，所以，在焊接时，基层与覆层交界处的过渡层容易出现裂纹等缺陷。基材与覆材的成分差异比较大，因此，在焊接过程中，成分稀释会导致裂纹出现。

5.2.1 线膨胀系数不同的影响

基材与覆材的线膨胀系数不同，当2种金属焊接在一起时，由于彼此的冷却收缩不一致，便会引起较大的焊接应力，进而产生焊接裂纹。

5.2.2 比热容和热导率不同的影响

基材与覆材的热导率和熔点不同，导致热输入失衡、熔化量不均，改变了焊缝及其两侧的结晶条件。低熔点的金属过早熔化，就会发生流淌或与高熔点金属未熔合的情况。因为熔点高的金属凝固和收缩比较早，所以，使得尚处于部分凝固和薄弱状态的低熔点金属产生应力，进而产生裂纹。

5.2.3 成分稀释的影响

当奥氏体复合钢板焊接时，由于基层碳钢板的含碳量高于覆层，所以，在熔焊过程中，基材与焊缝金属熔合处就会发生碳迁移，从而产生脱碳层（基材母材侧）和渗碳层（焊缝熔敷金属侧）。焊缝的奥氏化元素含量不足，便会导致焊缝出现脆性的马氏体组织，从而恶化接头性能，进而产生裂纹。

5.3 防止裂纹的措施

防止复合钢板焊接裂纹可采取的主要措施是：选择正确的焊接方法、焊接程序，合理选择填充材料，正确制订焊接工艺，严格遵守操作规程。

5.3.1 选择焊接方法

基层的焊接宜采用焊条电弧焊、埋弧焊，覆层和过渡层的焊接宜采用钨极氩弧焊和焊条电弧焊。根据我厂焊接技术和焊接效率，基层可选用埋弧焊加焊条电弧焊，过渡层和覆层可选用焊条电弧焊。

5.3.2 焊接程序

定位焊应在基层上进行，焊接工艺可遵循基层的焊接工艺。在定位焊的过程中，当出现裂纹或其他不允许存在的缺陷时，应铲除并移位再焊。

在焊接时，应先焊基层，再焊过渡层，最后焊覆层。在焊接基层时，焊道不应触及和熔化覆层，焊道根部应距复合界面1～3 mm。在焊接过渡层时，应从覆层侧先将基层焊接时的未焊透、焊瘤等采用碳弧气刨或角磨机清理干净，并补焊后再焊。此时，应采用直径比较小的焊条或焊丝和能量较小的焊接线，并且过渡层的厚度应不小于2 mm。在焊接覆层时，应在覆层表面坡口两侧各200 mm的范围内涂敷白垩粉或防飞溅剂保护，已黏上的飞溅物必须仔细清除掉，不锈钢覆层不可有划伤或被污染。另外，焊缝余高应不大于1.5 mm，焊道间温度应不高于100 ℃，并尽可能采用能量较小的焊接线。

5.3.3 焊接材料和焊接工艺参数

焊接材料和焊接工艺参数如表2所示。

表2 焊接材料和焊接工艺参数

名称 焊接

层次 焊接方法 焊接材料 焊材规格 电流/A 电压/V

基层 t2=22

t2=16 1～3 埋弧自动焊

埋弧自动焊 H10Mn2/HJ431

H10Mn2/HJ431 Φ4.0/10-60目

Φ4.0/10-60目 620～640

600～620 33～35

32～34

/ 4 焊条电弧焊 J507 Φ3.2 mm 110～120 18～20

过渡层 5 焊条电弧焊 A307 Φ3.2 mm 100～110 18～20

覆层 6 焊条电弧焊 A107 Φ4.0 mm 150～160 20～22

6 结束语

通过对上述几方面内容的控制，可以很好地完成这几台复合钢板压力容器的制造任务。经过各项检验、试验，其均符合相关标准的规定，并且能达到设计要求。这说明，本文制定的方法和工艺是可行的。

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〔编辑：白洁〕