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Welding Process of Smaller Diameter Stainless Steel Clad Plate Pressure Vessel文/中船圣汇装备有限公司 赵瑞辉 陆 沨
不锈钢复合板制小直径压力容器焊接工艺摘 要：不锈钢复合板制小直径压力容器受空间限制，只能采用从外侧单面焊接的方法，焊接顺序为先焊接覆层，再焊过渡层，最后焊接基层。覆层焊接完成后其余层应采用不锈钢焊接材料进行焊接。通过焊接工艺评定试验，证明采用该工艺焊接的接头满足标准要求的力学性能和耐蚀性能。关键词：不锈钢复合板；焊接接头；焊接工艺
1 概况
我公司制作的一台脱硫化氢塔底重沸器，为U形管式换热器，结构型式如图1所示，壳程侧承装介质含氨水，筒体材质为Q245R+S31603
0.5~1外侧60°±5°不锈钢复合钢板，设计压力为1.18MPa，设计温度为189℃，筒体直径为Φ600mm。在以往不锈钢复合板制压力容器焊接时，不锈钢复合板的焊接顺序为先焊接基层焊缝，然后焊过渡层焊缝，最后焊覆层焊缝。而这台换热器壳程侧由于筒体直径较小，不方便人员到内部进行焊接，因此，对不锈钢复合板焊接接头的坡口型式进行了修改，分析了焊接材料的选用问题，并通过焊接工艺评定试验，确定了合适的焊接工艺，并应用于产品焊接生产。
2.5~3图2 坡口型式2.1 坡口设计
由于该产品筒体直径较小，只能从外部进行焊接，因此采用外坡口单面焊的型式，如图2所示。这种坡口型式是采用GTAW+SMAW在筒体外侧进行焊接，焊接顺序为先焊接覆层焊缝，然后焊过渡层焊缝，最后焊基层焊缝，与以前所采用的焊接顺序不同，这种焊接顺序所带来的是焊接材料的选用问题。2.2 焊接材料
通常不锈钢复合板焊接材料选择原则是：基层选择基层的焊接材料，覆层选择覆层的焊接材料，覆层与基层交界处采用Cr、Ni含量较高的过渡层焊接材料。而选择的这种坡口型式，是先焊覆层，后焊基层，覆层焊接应选择覆层的焊接材
2 焊接接头设计
[1][2]
图1 产品结构简图
作者简介：赵瑞辉（1984-），男，焊接工程师，主要从事压力容器焊接工艺工作。
J- 24 现代焊接 2015年第1期 总第145期
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料，问题在于覆层以上基层的焊接材料是选择碳钢的焊接材料，还是不锈钢的焊接材料。 根据文献[2]介绍，以焊条电弧焊进行焊接，焊缝金属中母材的混合比在15%~20%之间，采用在碳钢上熔焊不锈钢焊缝金属和在不锈钢上熔焊碳钢焊缝金属两种方案，根据图3所示的舍夫勒图可知，在第一种方案中，焊缝金属被母材少量稀释后基本仍是铬镍不锈钢，组织仍为奥氏体+铁素体。后一种方案中，碳钢焊缝金属被不锈钢母材稀释后将形成中合金钢焊缝金属，组织为马氏体。因此得出结论，在不锈钢复合钢板的焊接中，不允许采用碳钢或低合金钢焊条在不锈钢覆层上进行焊接，而只允许采用不锈钢焊条在碳钢或低合金钢基层上焊接。 根据以上得出的结论，覆层以上基层的焊接应该选择不锈钢焊接材料，考虑到母材的稀释，选择铬镍含量较高的焊材。所以最终确定的焊接材料为采用焊丝ER316L（H03Cr19Ni12Mo2Si）焊接覆层，然后采用焊条A042（E309MoL-16）进行过渡层及基层的焊接。
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表1 焊接工艺参数
规格焊接电流电弧电压焊接速度线能量焊接
极性层数焊接材料
（V）（cm/min）（kJ/cm）（mm）（A）方法
ER316L11~14Φ2.0DCEN100~140≤8.414~16GTAW1
A04221~23Φ3.2DCEP90~110≤10.814~16SMAW2
A04223~26Φ4.0DCEP140~160≤15.616~18SMAW3~4
表2 焊接工艺评定试验结果
拉伸试验
试样试样宽度试样厚度横截面积断裂载荷抗拉强度断裂部位
22
（mm）（mm）编号（mm）和特性（kN）（N/mm）12.9319.922#-1塑断于热影响区135.2257.5652512.9919.802#-2塑断于热影响区136.3257.20530
弯曲试验
试样编号试样类型试样厚度（mm）弯心直径（mm）弯曲角度（°）试验结果
10四件合格2#侧弯40180冲击试验
试样编号试样尺寸（mm）缺口类型缺口位置试验温度（℃）吸收功（J）
43.4；42.9；39.6-2010×10×55V2#基层焊缝
51.5；58.5；50.1-2010×10×55V2#基层热影响区晶间腐蚀
晶间腐蚀试验（两件）：按GB/T4334-2008标准E法验收合格后，拉伸面上的焊缝及热影响区内没有开口缺陷, 在基层焊缝及热影响区部位取样进行了-20℃冲击试验，冲击值大于20J，满足NB/T47014标准要求，晶间腐蚀试验也满足相应标准要求。 由此可见，焊接接头的抗拉强度、弯曲性能、冲击性能、晶间腐蚀结果均满足标准要求，证明制定的焊接工艺和选择的焊接材料可以保证焊接接头的力学性能和耐蚀性能。
3 工艺评定试验
[3]
按照NB/T47014附录C标准要求，进行焊接工艺评定试验，焊接工艺参数见表1，试验结果见表2。试件经无损检测合格后取样进行力学性能和晶间腐蚀检测。
通过试验结果可以看到，工艺评定试样的抗拉强度大于标准公式计算抗拉强度的最低值421N/mm2，且为塑性断裂，侧弯试样弯曲到180°
镍当量Nieq=ω(Ni)+30ω(C)+0.5ω(Mn)2824201612840F+M马氏体M+FA+F+M铁素体323640A+M奥氏体素铁% @A+F80%体4 结束语
4.1 不锈钢复合板受空间所限的情况下可以先焊覆层焊缝，再焊过渡层焊缝，最后焊接基层焊缝。
4.2 焊接覆层焊缝后，覆层以上基层的焊接应选用不锈钢焊接材料。
4.3 采用GTAW+SMAW焊接方法在外侧单面焊接小直径筒体不锈钢复合板，选用正确的焊接材料，经试验证明满足标准要求。
100%参考文献
[1] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册第3版(材料的焊接)[M]. 北京: 机械工业出版社. 2008.
[2] 陈裕川.钢制压力容器焊接工艺[M]. 北京:机械工业出版社.2007.[3] NB/T47014-2011 承压设备焊接工艺评定[S].
481216202428铬当量Creq=ω(Cr)+ω(Mo)+1.5ω(Si)+0.5ω(Nb)图3 舍夫勒图
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