王传标，王安军

(合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230088)

07MnNiMoVDR钢制2000m3丙烯球罐冬季焊接施工的难点与应对措施

王传标，王安军

(合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230088)

采用高强钢07MnNiMoVDR用于建造2 000 m3丙烯低温球罐。由于高强钢07MnNiMoVDR在冬季焊接施工比较复杂，必须采取有效的防护措施。为确保焊接质量，针对国产高强钢07MnNiMoVDR焊接特性以及冬季焊接施工的难点，采取了焊前预热、焊接线能量控制、层间温度控制、焊后消氢热处理和焊接关键点等措施，有效保证了球罐的冬季焊接施工质量，成功建造出2000m3丙烯低温球罐。为以后该钢种冬季焊接施工积累了经验。

07MnNiMoVDR；丙烯球罐；冬季焊接施工

0 前言

天津石化100万吨／年乙烯及配套项目是国家重点建设工程，其中有六台丙烯球罐，主要参数为：赤道带切向柱式支承，十支柱三带混合式结构，单台球罐共34块球壳板。其公称体积2 000 m3，内径15 700 mm，设计压力2.16 MPa，设计温度-45℃，壳体材质07MnNiMoVDR(B610CF-L2)，壁厚48 mm。工程工期为2008年3月10日至2009年2月28日，工期比较紧张，球罐的焊接施工过程将跨越整个冬季。天津大港地区冬季日平均气温低于5℃，最低气温低于0℃，施工现场靠近海边，冬季湿度大，风速较大。同时这也是国产化07MnNiMoVDR高强钢第一次大规模应用于2 000 m3丙烯球罐，高强钢07MnNiMoVD对焊接温度要求非常严格，加大了焊接施工的难度。在此通过分析07MnNiMoVDR钢材的焊接性能和现场冬季焊接的难点，从预热、焊接工艺参数、焊后消氢热处理以及焊接关键点等环节采取必要的应对措施，并针对焊接裂纹产生的机理，提出了预防07MnNiMoVDR钢裂纹产生的控制技术措施，保证了国产07MnNiMoVDR钢制2000m3丙烯球罐冬季焊接施工的质量。

107 MnNiMoVDR钢板焊接特性分析

07MnNiMoVDR钢板的化学成分和力学性能见表1、表2。根据国际焊接学会碳当量(单位：%)计算公式[1]

以及冷裂纹敏感指数(单位：%)公式[1]

可得CE＝0.41%，Pcm＝0.26%。由07MnNiMoVDR钢板的CE、Pcm，结合表1、表2可知，07MnNiMoVDR含碳量低，碳当量和冷裂纹敏感指数都不高，淬硬倾向小，产生冷裂纹的倾向小，且强度高，韧性好，焊接性优良。但主体焊接施工是在寒冷的冬季，冬季焊接时由于接头冷却速度较快，焊接接头更容易硬化，从而导致冷裂倾向增大；加之该钢种合金成分的组成有一定的再热裂纹倾向。因此焊接施工的重点和难点是防止冷裂纹和再热裂纹产生。

表107 MnNiMoVDR化学成分%

表207 MnNiMoVDR钢板的力学性能

1.1 防止冷却裂纹产生的应对措施

冷裂纹产生的主要因素有扩散氢含量、焊接拘束应力和冷却速度。因此防止冷却裂纹的产生主要是降低扩散氢含量、减小拘束应力和适当的冷却速度。

(1)降低扩散氢含量主要措施为严格控制氢来源。选用与母材配套的低氢焊接材料，同时焊条还要能改善焊缝金属塑性和韧性。结合07MnNiMoVDR的特性，选择φ 4.0mm LB65焊条。对焊条按批进行熔敷金属扩散氢含量复验；同时严格执行焊条的烘干、领用、发放、回收制度。

(2)焊接拘束应力与板厚成正比[2]。采用48mm板厚07MnNiMoVDR钢板，防止裂纹的措施非常必要。由于冬季环境温度、温差大，会加剧收缩变形，拘束应力会增大，冷裂趋势必增大。焊前预热则是降低焊接接头应力的有效手段。

(3)冷却速度不仅取决于焊接热输入和预热温度，还受到焊接层数和层间温度的影响，因此确定合适的预热温度和有效的焊后热处理等焊接工艺措施是降低焊接冷却速度的关键所在。

因此，合理选择焊接材料、预热温度、层间温度以及有效的焊后热处理是防止冬季焊接冷裂纹产生的有效措施。

1.2 从热处理的温度、检测手段和焊接方法方面严格控制再热裂纹

07MnCrMoVR钢再热裂纹敏感性试验结果表明：该钢存在一定程度的再热裂纹(SRC)敏感性，其敏感温度为650℃，若将SR处理温度降至580℃，则其面缩率和临界断裂应力均大大提高，从而不会产生再热裂纹。本工程热处理温度为575℃±15℃，保温3 h，经焊接工艺评定后，满足技术规范要求。

按照GB12337规定，球罐在热处理后和耐压试验后可以不进行表面磁粉检测(包括全部或局部)，因此造成再热裂纹检验的失控，给长周期安全生产带来隐患。本工程在热处理和水压试验后焊道内外分别进行100%的表面磁粉检测，没有发现裂纹片。

针对σs≥490 MPa的高强钢焊缝，由于缺口敏感性相应较高，产生细长型冷裂纹的趋势也比较明显，容易造成漏检。因此压力容器和压力管道焊缝应尽量采用X射线进行透照检测，确实因厚度、几何尺寸所限或工作场地所限无法采用X射线源时，也可采用γ源进行射线透照。此时应尽可能采用高分辨率的胶片，但对于σb≥540 MPa的高强钢焊缝，则必须采用高分辨率的胶片。本工程采用X射线源进行射线检测，专门指派富有施工经验的第三方进行射线检测。

2 冬季焊接施工工艺实施难点以及控制措施

焊接是球罐组焊中的核心部分和特殊过程，尤其在冬季施工，焊接工艺措施的合理性是保障球罐焊接质量的关键。

2.1 焊前预热控制和防风保护措施

球罐对接焊缝焊前预热是在焊接侧的背面采用火焰加热。首先在预热区一侧安装预热器位置必须准确。焊前预热温度大于等于125℃，且控制在180℃以下。加热宽度为每侧距焊缝中心200 mm范围内均匀预热，预热温度的测量应在距坡口边缘不超过50 mm处采用红外线测温仪对称进行，每段焊缝测量点数不应少于四对。预热布置如图1所示。

图1 焊前预热

球罐在冬季焊接施工时必须采取防风措施，防风棚要结构合理，牢固耐用，具有较好的密封性和保温性，同时保证加热器供给持续、稳定的热源，提高热源的效率，如图2所示。

图2 防风保温棚的搭设

2.2 层间温度的控制

为保证层间温度，每层焊道焊接必须紧凑，在每层焊道焊接前，采取用红外线测温仪，实时跟踪检查，测量不少于四对测温点，测温点控制在125℃～180℃，层间温度低于规范要求时，用预热器加热，保证满足焊接施工要求。

2.3 焊接关键点的质量控制

(1)对焊接顺序的质量控制及焊工施焊要求。

科学合理安排好球罐焊接顺序和焊工配置，有利于减少焊接变形和残余应力。为了尽可能地减少残余应力，先焊接纵向焊缝，后焊接环向焊缝。所有焊缝外部全部焊完后，内侧碳弧气刨清根、打磨，清除渗碳层，经100%渗透检测无缺陷后再进行内侧小坡口焊接；极板的纵缝从中间向两侧焊。具体焊接顺序如下：赤道带纵缝→上、下极带边板纵缝→上极带中心板纵缝→上、下极带环缝→赤道带上、下环缝→下极带中心板周边焊缝。

同时要求焊工对称、同时、同步、分段退步进行焊接，最大限度的降低焊接变形残余应力。

(2)对焊缝的要求及质量控制。

施焊时，所有焊缝第一层焊道均采取分段退焊法。纵缝分段退焊每段应为300 mm，环焊缝退焊长度应为800 mm。采用薄层多道焊，每一层焊缝厚度不得超过3.5 mm，焊缝摆动幅度不超过焊条直径的4倍，建议从第四层开始分道。为防止盖面焊道出现裂纹以及产生淬硬组织，则需要在盖面焊道上加焊一道回火焊道。

(3)对焊接线能量的质量控制。

为使07MnNiMoVDR焊接接头具有良好的低温韧性，要求焊缝晶粒细小，组织致密，尽量使钢材原有的热处理效果不会受到较大损伤，因此必须严格控制线能量。根据工艺评定，结合现场实际焊接条件，平焊、立焊和仰焊要求焊接线能量在12～35 kJ／cm，横焊要求焊接线能量在12～30 kJ／cm。

2.4 焊后消氢热处理的控制

针对冷裂纹具有潜伏期的特点，球壳板对接焊缝焊后应立即进行后热消氢处理，使得扩散氢充分溢出，防止冷裂纹，同时后热还能韧化热影响区和焊缝组织，后热温度200℃～250℃，后热保温时间1 h。由于在冬季施工，加大了后热的难度，在采取防风棚的情况下，后热温度仍然很难保证，结合施工实际，现场采取双面后热，并加大测温采点力度，每道焊缝不少于八对。

2.5 焊接产品试板的制作要求及测试结果

试板应由施焊球罐的焊工采用与施焊球壳时相同的条件和相同的焊接工艺焊接。每台球罐按施焊位置(横焊、立焊和平焊+仰焊)各做一块产品焊接试板。试板焊后其焊缝经外观检查合格后，进行100%射线或超声波检测以及100%磁粉检测，其合格指标应与球壳对接焊缝一致。产品焊接试板对称地布置在球壳热处理高温区外侧，并与球壳紧贴，与球罐一起进行焊后整体热处理。热处理时，应保证产品试板的温度与球罐产品的温度一致。产品试板测试结果如表3所示。

表3 焊接产品试板的力学性能

低温冲击按照GB／T229-1994《金属夏比冲击试验方法》进行，实验结果如表3所示。从表3可知，横焊的焊缝和热影响区-50℃下V型冲击功均值分别为88 J、184 J，立焊的焊缝和侧热影响区处为76 J、156 J，平仰焊的焊缝和侧热影响区处为94 J、 174 J，均满足技术条件要求。

3 结论

通过07MnNiMoVDR钢裂纹产生的控制技术措施，以及严格按照根据现场冬季焊接的特点而制定的预热、焊接工艺参数、焊后消氢热处理等应对措施，保证了国产07MnNiMoVDR钢制2 000 m3丙烯球罐冬季焊接施工的质量，产品试板机械性能满足设计、技术规范要求，焊缝一次合格率达98%以上，为07MnNiMoVDR钢制2 000 m3丙烯球罐冬季施工积累了经验。产品已投入运行一年多，运行状况良好，因此在球罐建造的过程中，只要精心制定施工应对方案，严格按照焊接工艺及规范，就能够建造出优质的国产低温球罐。

[1]王传标.15MnNiNbDR钢制乙烯球罐组焊技术[J].电焊机，2010，40(2)：81-83.

[2]张 宇.100 000 m3原油储罐罐壁板高强钢12MnNiVR的冬季焊接施工[J].焊接技术，2010，39(1)：85-89.

Difficulties and its counter measures on the welding of 07MnNiMoVDR steel of 2 000 m3propylene spherical tank in winter

WANG Chuan-biao，WANG An-jun
(Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 230088，China)

The 07MnNiMoVDR high-strength steel was applied the 2 000 m3propylene spherical tank.Welding of high-strength steel is relatively complicated in winter.So effective protection measures should be taken.Based on analyzing the welding performance of 07MnNiMoVDR Steel and difficulties，effective welding procedures and counter measures such as preheating，weld head input control，interpass temperature control，elimination of hydrogen heat treatmeat after wealding，key points of welding shall be taken.Propylene spherical tank was Successfully constructed in winter.It Proved the rationality of the project and accumulated some experience for the welding of the steel in the future.

07MnNiMoVDR；propylene spherical tank；welding procedures in winter

TG457.11

B

1001-2303(2011)12-0044-04

2011-07-08

王传标(1981—)，男，安徽太和人，硕士，主要从事压力容器的焊接、制造、安装、监造等相关工作。