CN115283787A - 一种高压储氢用钢的焊接工艺 - Google Patents

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李群生
陶彦文
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朵元才
缪平
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Abstract

本发明公开了一种Q690DR钢板的焊接工艺，包括焊接材料的选用、施焊、增加回火焊道、焊缝清根后淬硬层去除、焊后热处理等步骤，焊接材料为CHE807QR焊条。本发明的焊接工艺保证了焊接过程良好的焊接性，同时解决了该钢焊接过程中易产生焊接裂纹的问题，还确保了高压储氢用钢Q690DR焊缝金属与母材在强度、韧性、硬度等方面良好的匹配性，确保焊接接头的各项性能满足高压储氢设备的要求。

Description

一种高压储氢用钢的焊接工艺
技术领域
本发明属于氢存储压力容器制造领域中一种高压储氢用钢的焊接及焊后热处理工艺，具体地说，涉及一种高压储氢用钢的焊接工艺。
背景技术
氢具有来源广、无污染、可再生、热值高等特点，因此氢能也被认为是人类能源的终极解决方案。加快发展氢能，实现氢能的规模化应用对解决能源危机、环境问题和可持续发展具有重大意义，氢能源地位逐步提升。目前我国已基本形成氢能研发、制造、储运、应用等完整产业链，但现阶段制氢、储氢、供氢等方面还有许多技术问题需要解决，用氢成本也处在较高水平，影响了氢能产业的发展，特别是安全、高效、经济的氢气储运技术是氢能否实现产业化、商业化的关键。氢气体积密度极低，实现高效储运难度大，提高储运效率是氢能产业规模化发展的重大瓶颈。在这样的时代背景下，进行高压储氢材料及装备研究具有十分重要的意义。
高压储氢用Q690DR钢板是近期国内知名钢企与研究院联合开发的高强度、高韧性、高抗氢性能钢板，目前该钢板由南京钢铁集团有限公司出产。该钢板特别适用于高压储氢装备的制造。但由于其超高的强度、复杂的化学成分等原因，该钢种的焊接及焊后热处理难度大，制约其产品化应用。
发明内容
为了解决高压储氢用Q690DR钢种焊接及焊后热处理难度大的技术问题，本发明提供了一种高压储氢用钢焊接工艺，该焊接工艺适用于Q690DR钢种的焊接，尤其适用高压储氢球罐等设备用Q690DR大厚钢板及锻件的焊接及焊后热处理。
本发明提供的Q690DR钢板的焊接工艺包括以下步骤：
1)焊接材料的选用：根据压力容器用焊接材料的选用原则，应选用强度、韧性、抗氢性能等各种性能均可较好的匹配Q690DR钢种的焊接材料。
对于Q690DR钢种选用四川大西洋焊材厂家开发的CHE807QR焊条，焊材规格为φ4.0mm。通过大量的试验验证，该焊接材料的强度、韧性、抗氢性能等各种性能均可较好的匹配Q690DR钢种。
2)施焊：采用焊条电弧焊，焊接位置为平焊；控制预热温度150～200℃，优选为160～180℃；控制层间温度150～180℃，优选160～170℃；控制后热温度250～300℃，优选260～280℃；控制焊接电流130～170A，焊接电压22～26V，焊接速度170～230mm/min；
通过分析Q690DR钢种的化学成分，同时通过对该钢进行模拟最高硬度法试验、斜Y型坡口铁研式焊接裂纹试验以及不同的焊前预热及层温下焊接接头性能试验，确定焊前预热温度需大于150℃，可以有效预防该钢焊接时冷裂纹的产生；层间温度需控制在150～180℃，这样既可以较好的防止焊接过程中裂纹的产生又可以保证焊缝金属与母材在强度、韧性、硬度等方面良好的匹配性，确保焊接接头的各项性能满足高压储氢设备的要求；后热可以促进焊接接头中氢的逸出，防止冷裂纹的产生，但过高的温度和过长的时间又容易造成Q690DR钢焊接接头的回火脆性，使其冲击韧性降低，通过不同的后热温度及时间试验，确定该钢的后热参数为(250～300)℃×1h(小时)。
为保证焊接操作时良好的可操作性，同时保证获得焊接接头优异的力学性能，通过试验确定在平焊时焊接参数为焊接电流130～170A，焊接电压22～26V，焊接速度170～230mm/min。
3)增加回火焊道：在焊接接头完成后增加一道回火焊道；
Q690DR钢种焊接接头由于在近表面时冷却速度较快，同时没有后面焊道的再回火作用，造成焊接接头近表面热影响区硬度过高，这是影响焊接接头使用寿命的一个隐患。通过试验发现焊接接头焊接完成后再增加一道回火焊道，在储氢设备焊接完成后再将这一回火焊道打磨去除，这样既可以有效降低焊接接头近表面热影响区硬度又能保证焊缝余高满足要求。
4)焊缝清根后淬硬层去除：Q690DR钢种焊接接头碳弧气刨清根后淬硬层厚度为2.2～2.8mm，一般情况下，淬硬层厚度约为2.5mm，砂轮机打磨去除厚度需大于淬硬层厚度，一般打磨去除厚度应大于等于3mm，即≥3mm；
5)焊后热处理：400℃以下进炉，升温速度60～90℃/h(小时)，保温温度 565～595℃，优选575～585℃；保温时间为0.5～4h，具体保温时间约为(板厚/25)h；降温速度80～120℃/h，400℃以下出炉空冷。
为消除焊接接头焊接过程中产生的应力，需对Q690DR钢进行焊后热处理，过低的焊后热处理温度无法有效消除焊接应力，过高的焊后热处理温度又会造成焊接接头强度的降低，通过试验最终得到Q690DR钢的焊后热处理参数为400℃以下进炉，升温速度60～90℃/h；保温温度565～595℃，优选575～585℃；保温时间根据板的厚度确定，通常为0.5～4h，具体保温时间一般用板的厚度(以 mm计)除以25得到是数值作为保温时间(以小时计)，即(板厚/25)h，降温速度80～120℃/h，400℃以下出炉空冷。
本发明的方法具有如下有益效果：
1)选定了高压储氢用钢Q690DR的焊接材料。
2)得到了高压储氢用钢Q690DR钢的焊接工艺参数，保证了焊接过程良好的焊接性，同时解决了该钢焊接过程中易产生焊接裂纹的问题，还确保了高压储氢用钢Q690DR焊缝金属与母材在强度、韧性、硬度等方面良好的匹配性，确保焊接接头的各项性能满足高压储氢设备的要求。
3)解决了高压储氢用钢Q690DR焊接接头近表面热影响区硬度过高的问题，给出了焊后清根后淬硬层打磨去除厚度。
4)得到了高压储氢用钢Q690DR的焊后热处理参数，解决了该钢焊后消应力的问题。
具体实施方式
下面结合实施例对本法明做进一步说明。
实施例
以钢板厚度为72mm，内径为φ1413mm的Q690DR钢制储氢试验罐环缝焊接为例，包括以下步骤：
1)焊接方法：焊条电弧焊。
2)焊接材料：CHE807QR
3)焊材规格：φ4.0mm。
4)焊接位置：平焊
5)焊接工艺参数：
焊接工艺参数
Figure BDA0003831429220000031
6)反面清根：采用碳弧气刨清根，清根完成后采用砂轮机打磨，打磨去除厚度≥3mm。
7)多焊一层回火焊道，并在设备整体焊后热处理完打磨去除，打磨后焊缝余高≤3mm。
8)无损检测：焊接完成后对该条焊缝进行MT、UT、RT检测，检测结果须满足NB/T47013规定。
9)焊后热处理：400℃以下进炉，升温速度60～90℃/h，保温温度580℃，保温时间为3h，降温速度80～120℃/h，400℃以下出炉空冷。

Claims (4)

1.一种Q690DR钢板的焊接工艺，其特征在于：包括以下步骤：
1)焊接材料的选用：根据压力容器用焊接材料的选用原则，选用强度、韧性和抗氢性能均可匹配Q690DR钢种的焊接材料；
2)施焊：采用焊条电弧焊，焊接位置为平焊；控制预热温度150～200℃，控制层间温度150～180℃，控制后热温度250～300℃，控制焊接电流130～170A，焊接电压22～26V，焊接速度170～230mm/min；
3)增加回火焊道：在焊接接头完成后增加一道回火焊道；
4)焊缝清根后淬硬层去除：Q690DR钢种焊接接头碳弧气刨清根后淬硬层厚度为2.2～2.8mm，砂轮机打磨去除厚度需大于淬硬层厚度；
5)焊后热处理：400℃以下进炉，升温速度60～90℃/h，保温温度565～595℃，保温时间为0.5～4h，降温速度80～120℃/h，400℃以下出炉空冷。
2.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于：所述步骤1中的焊接材料为CHE807QR焊条。
3.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于：所述步骤2中的预热温度为160～180℃，层间温度为160～170℃，后热温度为260～280℃。
4.根据权利要求1所述的焊接工艺，其特征在于：所述步骤5中的保温温度为575～585℃。
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