劉子瑞，顏永成，肖 莉

(1.中國石油西南油氣田公司華油公司龍泉驛華油興能天然氣有限公司，四川 成都 610100；2.中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動力有限公司成都壓縮機(jī)分公司，四川 成都 610100)

1 引言

壓縮機(jī)分離器作用是對天然氣中的油水液體分離，從而保護(hù)壓縮機(jī)機(jī)組的正常運行。筆者所在公司承擔(dān)了某壓縮機(jī)分離器的制作，設(shè)計壓力為7.80 MPa，設(shè)計溫度為0～100 ℃，分離介質(zhì)為天然氣。項目設(shè)計的分離器筒體材質(zhì)為Q345R鋼，規(guī)格為Φ1064 mm×32 mm，要求焊后消應(yīng)力熱處理。采用壁厚32 mm的Q345R鋼板對接進(jìn)行埋弧焊接工藝評定，通過焊接工藝試驗、探傷試驗、拉伸試驗、沖擊試驗、彎曲試驗、硬度試驗等試驗方法研究分析了Q345R鋼的焊接接頭工藝和力學(xué)性能，為壓縮機(jī)分離器制作提供參考依據(jù)。

2 Q345R鋼焊接性分析

焊接熱影響區(qū)的淬硬和冷裂傾向與管線鋼化學(xué)成分有著密切的聯(lián)系，在化學(xué)成分中，碳含量對管線鋼的淬硬和冷裂傾向最為敏感。通常把各種合金元素對管線鋼淬硬和冷裂的影響折合成碳的影響，再用碳當(dāng)量公式進(jìn)行計算[1，2]。本試驗所用Q345R鋼供貨狀態(tài)為熱軋鋼板，化學(xué)成分如表1所示，依據(jù)國際焊接協(xié)會碳當(dāng)量Ceq的公式計算碳當(dāng)量。

表1 Q345R鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

(1)

依據(jù)公式(1)計算，Ceq(%)=0.426，其碳當(dāng)量Ceq>0.400%，有一定的淬硬傾向，需要嚴(yán)格控制焊接熱輸入和道間溫度。鋼板厚度32 mm，焊前可以不預(yù)熱，但焊后需要進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理。

3 試驗方法

3.1 試驗材料

試驗?zāi)覆臑镼345R鋼板，試板尺寸為450(長)mm×150(寬)mm×32(厚)mm，2塊試板組對對接，對接形式為V形坡口，角度為60°，對接間隙為3 mm，鈍邊為5 mm，試板兩端加引弧板和收弧板。埋弧焊材為國內(nèi)某焊材公司的埋弧焊劑SJ101和規(guī)格Φ3.2 mm的埋弧焊絲H10Mn2。

3.2 試驗方法

埋弧焊劑焊前需要進(jìn)行烘干至380 ℃，并保溫2 h。焊接位置為平焊，焊接工藝參數(shù)如表2所示，采用多層多道進(jìn)行焊接，其中焊絲干伸長為25～31 mm，焊劑堆積高度為35～40 mm。焊后試板背面采用碳弧氣刨清根，砂輪機(jī)清理滲碳層，而后背面埋弧焊接。

表2 焊接工藝參數(shù)

焊后消應(yīng)力熱處理工藝參數(shù)：從室溫升溫到400 ℃，然后以不大于180 ℃/h升溫，升到620±20 ℃后保溫3 h，最后以不大于180 ℃/h冷卻到400 ℃后取出空冷至室溫。

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 焊縫外觀檢查

埋弧焊材在焊接過程中工藝性能良好，脫渣容易，焊縫成形美觀，焊縫表面沒有粘渣、氣孔和壓坑等缺陷。焊縫外表面余高為1.7 mm，內(nèi)表面余高0.9 mm，符合GB 150.4—2011《壓力容器第4部分：制造、檢驗和驗收》中規(guī)定外表面余高不大于4.0 mm和內(nèi)表面余高不大于1.5 mm的要求。

4.2 探傷檢測

依據(jù)NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》對Q345R鋼焊接接頭進(jìn)行100%RT探傷試驗，試驗結(jié)果為2張Ⅰ級，滿足不低于II級的要求，評定結(jié)果合格。

4.3 力學(xué)性能

Q345R鋼對接焊件取樣按圖1所示進(jìn)行，焊件兩端舍棄30 mm長度的焊縫，排除起始端和收弧端可能產(chǎn)生的焊接缺陷。按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》，采用線切割在焊件上截取2個橫向拉伸試樣、12個沖擊試樣、4個橫向側(cè)彎試樣、1個硬度試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測。其中每個拉伸試樣上下分層為2個試樣，共計4個拉伸試樣，編號分別為T1-1、T1-2、T2-1、T2-2；沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試樣開槽在焊縫和熱影響區(qū)各3個，開V形坡口，坡口角度為45°，深度為2.0±0.2 mm。

圖1 焊接接頭取樣位置示意

4.3.1 拉伸試驗

依據(jù)GB/T 228—2010《金屬材料拉伸試驗》，室溫拉伸試驗在60 t微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)SHT4605上進(jìn)行。T1-1和T1-2拉伸試樣橫截面尺寸寬度分別為20.00 mm、20.00 mm；厚度分別為15.70 mm、15.20 mm；T2-1和T2-2拉伸試樣橫截面尺寸寬度分別為20.00 mm、20.00 mm；厚度分別為15.50 mm、15.20 mm。拉伸試驗結(jié)果如表3所示，大于母材規(guī)定值要求，滿足NB/T 47014—2011中規(guī)定要求。

表3 焊接接頭拉伸試驗

4.3.2 沖擊試驗

依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，沖擊試驗在微機(jī)顯屏半自動沖擊試驗機(jī)JBW-300B上進(jìn)行，焊接接頭沖擊試驗結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出，0 ℃焊縫和熱影響區(qū)沖擊功達(dá)到150 J以上，具有較大的富余量，滿足NB/T 47014—2011中規(guī)定要求。

表4 焊接接頭沖擊試驗

4.3.3 側(cè)彎試驗

依據(jù)GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》，Q345R焊接接頭橫向側(cè)彎試驗在LWC2000型程控板材連續(xù)彎曲試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗結(jié)果如表5所示。從表5中可以看出，在彎曲面上沒有出現(xiàn)裂紋，滿足NB/T 47014—2011中規(guī)定要求。

表5 焊接接頭彎曲試驗

4.3.4 硬度試驗

依據(jù)GB/T 231.1—2018《金屬材料布氏硬度試驗第1部分：試驗方法》，Q345R焊接接頭硬度試驗在HB-3000型布氏硬度試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗結(jié)果如表6所示。從表6中可以看出，硬度最高值169HB出現(xiàn)在焊接接頭熱影響區(qū)；且母材、焊縫和熱影響區(qū)硬度均小于200HB，滿足設(shè)計文件要求。

表6 焊接接頭布氏硬度試驗

5 結(jié)論

通過對Q345R鋼采用所制定的焊接工藝進(jìn)行試驗，在焊后消應(yīng)力熱處理后，抗拉強度大于500 MPa，0 ℃焊縫和熱影響區(qū)沖擊功大于150J以上，側(cè)彎試驗合格；焊縫、熱影響區(qū)、母材硬度均小于200 HB，滿足NB 47014—2011和設(shè)計文件規(guī)定要求。通過Q345R鋼焊接工藝評定制定焊接工藝規(guī)程，對指導(dǎo)工程現(xiàn)場實際焊接具有重要意義。