不銹鋼-鋼復合厚鋼板設備制造過程中的關鍵工序分析

張彩霞

摘要：由于石油、化工行業內設備的大型化，高參數（如壓力、溫度），介質的復雜性，考慮到設備的防腐蝕性能及制造成本，材料選用不銹鋼鋼板，厚度較厚，而選用不銹鋼-鋼復合板，既能滿足使用要求，經濟性也更加顯著。對于一些不銹鋼-鋼復合板設備，由于設備內介質會產生應力腐蝕，晶間腐蝕，加之高參數（如壓力、溫度），不銹鋼-鋼復合板設備基層厚度較厚，制造過程中涉及的問題較多。該類設備在制造過程中，對筒體卷筒后的校圓與堆焊的先后順序、是否進行中間熱處理、焊后熱處理等都有要求。

關鍵詞：不銹鋼-鋼復合板設備;應力腐蝕;校圓和堆焊的先后順序;熱處理

不銹鋼-鋼復合板設備較不銹鋼設備而言，不銹鋼-鋼復合板材料不僅具有良好的耐腐蝕性能、又具有良好的機械強度和加工性能，既提高了設備的耐腐蝕性，延長了設備的使用壽命，又降低了設備成本，在石油、化工行業設備上被廣泛采用。

不銹鋼-鋼復合板是以不銹鋼為覆材，碳素鋼、低合金鋼或不銹鋼為基材，用爆炸焊接法或軋制復合法制造的復合板[1]。一般不銹鋼鋼板厚度大于16mm時，設備材料選用不銹鋼-鋼爆炸焊接復合板。

對于存在應力腐蝕的不銹鋼-鋼復合厚鋼板設備，焊接完成后需要對該類設備進行整體焊后熱處理，來消除應力。而這種設備往往基層較厚，基層厚度與覆層厚度之比較大，筒體在制造過程中校圓難度系數較大，因此，對于這種厚筒體制造過程有兩種，一種是常規法，即下料，卷筒，待筒體基層、過渡層、覆層焊接完成后進行校圓;另一種方法是下料，卷筒，待筒體基層焊接完成后校圓，之后再進行過渡層和覆層的堆焊;對以上兩種方法以S31603+Q345R（正火）（6+60mm）的高壓反應釜在實際制造過程中的優劣進行比較說明。

高壓反應釜為立式耳座支承，帶夾套，設備內部設置盤管;具體設計參數：內筒設計壓力9.9MPa，設計溫度250℃，介質氨水、石油液化氣、硫磺;夾套設計壓力3.0MPa，設計溫度234℃，介質蒸汽;盤管設計壓力5.0MPa，設計溫度320℃，介質導熱油/冷卻水。設備材質為S31603+Q345R（正火），厚度（6+60）mm，規格：φ1500×3000?？紤]到復合板原材料的尺寸及筒體較厚，制造過程中將筒體分兩段分別卷制，最后組對裝配。按照正常工藝順序對一節筒體進行制造：下料→卷板→焊接→校圓→無損檢測→組對，唯一不同的是復合板筒體的焊接，一般先焊基層焊縫，然后焊過渡焊縫，最后焊覆層焊縫，焊接基層、過渡層、覆層的過程中每層均嚴格按照標準[2]規定進行無損檢測，每層焊接均在無損檢測合格后進行下一層的焊接，完成后對筒體進行校圓，然而，出現筒體被拉裂，焊縫及焊縫附近出現肉眼可見的裂紋，用超聲檢測，發現裂紋深度已經到達過渡層，必須將覆層、過渡層刨掉重新焊接，筒體無法組對。

對另一節筒體改變工藝順序，采用下料→卷板→基層焊接→中間熱處理→校圓→無損檢測→過渡層、覆層焊接→組對，具體如下：下料，卷板，基層焊縫焊接，基層焊接完畢后進行中間退火熱處理，熱處理保溫溫度和保溫時間見表1，熱處理結束后進行校圓，校圓后對基層待堆焊面進行表面檢測，檢測合格后進行過渡層堆焊，堆焊結束后對基層焊縫、過渡層焊縫進行射線檢測，表面檢測，合格后進行覆層焊接，焊接完成后對覆層焊縫進行超聲和表面檢測，校圓過程無裂紋出現。

對于筒體基層、過渡層、覆層均焊接完成后進行校圓的制造過程，對于復合薄鋼板，不會出現以上筒體被拉裂的問題，但是對于復合厚鋼板，如本例中高壓反應釜用S31603+Q345R（正火）復合板，復層厚度6mm，基層厚度60mm，厚度差距太大，焊接之后元件拘束度過大;從材料本身分析，由于Q345R的屈服強度Rp0.2（Rel）為315MPa，平均線膨脹系數為10.76×10-6mm/mm℃，線膨脹量為0.013mm，斷后伸長率21%;S31603屈服強度Rp0.2為180MPa，平均線膨脹系數為16.28×10-6mm/mm℃，線膨脹量為0.002mm，斷后伸長率40%;材料的厚度和性能差異疊加在一起，即使焊接過程中經無損檢測無裂紋，合格，但是筒體在校圓過程仍然會被拉裂，出現裂紋。而第二種工藝，從通過增加中間熱處理，降低了筒體的拘束度和焊接應力，改善了焊接接頭的組織和性能，在焊完基層后進行校圓，也避免了復層、過渡層焊縫受力。 因此，對于復合厚鋼板設備筒體的制造，第二種工藝是比較合理、可行的。

該臺設備需要制造完成后進行整體焊后熱處理，目的主要為改善焊接接頭的組織和性能，降低殘余應力。而GB/T150、GB/T30583以及相關的標準規范并沒有對這種材料提出具體的焊后熱處理保溫溫度及保溫時間。對于不銹鋼材料，以及不銹鋼-鋼復合板一般是不建議進行熱處理，當確實需要熱處理時應避免母材和焊接接頭中鉻的碳化物Cr23C6析出和形成σ相，因此在進行焊后熱處理前必須制定合理、正確的焊后熱處理工藝，保證設備材料原有的性能，否則得不償失。

不銹鋼-鋼復合鋼制壓力容器焊后熱處理按基層材料要求。覆層為堆焊金屬的不銹鋼復合鋼制壓力容器，如果基層需要焊后熱處理，則應在堆焊覆層后再進行[3]。不銹鋼-鋼復合板是以復合板總厚度確定焊后熱處理工藝。在焊后熱處理工藝中主要要確定保溫溫度和保溫時間。根據不銹鋼-鋼復合板的熱處理保溫溫度和保溫時間按照基層的熱處理溫度和時間來確定[3]。Q345R材料的焊后熱處理的保溫溫度一般為620±10℃為宜;在相關資料[4]中指出不銹鋼的熱處理溫度在550～600℃較好，因此，對于S31603+Q345R（正火）的高壓反應釜采用550℃的保溫溫度，按照制定的熱處理工藝，見表2，熱處理試板按照GB/T4334-2020中硫酸-硫酸銅法進行晶間腐蝕試驗，合格。目前該設備在安全運行中。

參考文獻：

1.楊國義、張勇、陳志偉、陳培新等編.壓力容器用復合板 第1部分：不銹鋼-鋼復合板.新華出版社.2019.

2.崔軍、陳學東、壽比南、楊國義、陳永東、李世玉、謝鐵軍、王冰、徐鋒、陳建玉、劉靜、韓冰、姚佐權編.壓力容器 第4部分：制造、檢驗和驗收.中國標準出版社.2012.

3.戈兆文、竇萬波、房務農等.壓力容器焊接規程.新華出版社.2011.

4.利波爾德.不銹鋼焊接冶金學及焊接性.機械工業出版社.2008.