周庆文
瀚洋重工装备制造（天津）有限公司 天津 津南 300353
摘要：09MnNiDR低温钢在进行加工或安装时需要进行两次以上的热处理，这会使材料焊接接头的综合力学性能出现显著改变，特别是低温状态条件下冲击韧性大幅度下降，为压力容器的安全运行带来安全隐患。本研究以现场可能出现的焊后热处理工艺为条件，选取550℃、575℃以及600℃三个温度条件进行热处理，研究固定温度下不同保温时间对焊接接头综合力学性能的影响。
关键词：低温钢；焊接；热处理
09MnNiDR钢在低温应用场景中较为常见，这种钢材因镍元素加入具有低温条件下的材料机械强度稳定性，同时具有良好的韧性，在低温压力容器中取得了广泛应用。
低温压力容器在完成焊接过程后应通过热处理进行焊接应力消除，根据现场安装条件不同对低温压力容器可能需要两次或三次热处理才能完全消除应力，这就导致局部材料受到反复加热。由于在现场进行压力容器热处理时需要规格较大的结构件进行热处理，在这种情况下结构件的升温过程以及降温过程都非常缓慢，这就导致压力容器高温保温停留时间远超过工艺规定时间。此时与焊接工艺有关的各种材料组织结构会出现明显变化，导致该材料综合力学性能下降，尤其对冲击韧性造成严重影响。为了确保低温容器09MnNiDR钢的结构完整性以及安全性，需要对现场可能出现的热处理工艺进行分析研究，明确不同焊后热处理工艺对焊接接头性能的影响，以期为焊后热处理工艺设置提供借鉴和参考。
1试验材料和方法
选择09MnNiDR钢板作为试验材料进行研究，钢板的厚度为90毫米，钢板经过正火与回火处理后交货，处理温度分别为885℃正火与625℃回火，化学成分如表1所示。
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09MnNiDR钢的抗拉强度为466MPa，冲击功为258KJ。采用SAW工艺进行焊接操作，焊接坡口为双U型，采用埋弧焊进行焊接，焊丝直径φ4.0 mm, 牌号为CHW-S13，焊剂为CHF710，进行100℃预热并使用590A的电流、33V的电弧电压进行试验，焊接速度控制在每分钟400~450毫米，平均每厘米的热输入量为35KJ，焊道间的温度控制在100~200℃之间。分别对试样进行550℃、575℃以及600℃的热处理，并分别对上述试验条件进行一次、二次、三次热处理，对焊态以及热处理态焊接接头进行冲击试验以及拉伸试验。
2试验结果与分析
2.1拉伸性能
09MnNiDR钢在进行焊接后和焊后热处理状态下抗拉强度均在470MPa~480MPa之间，无论是焊接状态下或是热处理状态下拉伸断裂都出现在母材之上，对材料进行不同时间的热处理强度变化很小。
2.2冲击韧性
在不同温度下对焊接接头的一次热处理冲击性能结果分析可知，采用550℃温度条件进行焊后热处理，焊缝的韧性出现明显降低，热影响区的性能有一定提高。但随热处理温度由550℃逐渐升至600℃的过程中，热影响区的韧性出现下降的趋势。当温度上升至600℃时，09MnNiDR的冲击性能达到各热处理温度条件下的最低点，但该冲击性能仍然可以满足规定要求。
选择550℃的热处理温度条件进行热处理时间对冲击韧性影响分析，进行一次、二次、三次累积热处理的时间分别为5h、10h、15h，随着热处理累积时间不断延长，虽然焊缝均满足使用要求，但除1/4厚处焊缝以外，冲击性能呈现出不断下降的趋势。
在575℃温度条件下对焊接接头进行不同累积时间的热处理，从力学性能数据结果可以可知，保温时间为3h时，只有1/2厚处的焊缝冲击性能出现下降，其余焊缝区域冲击性能均有不同程度的提升。保温时间逐渐延长后，进行6h和9h的热处理均可以观察到焊接接头性能明显下降，但冲击性能仍然可以满足冲击性能要求。
在600℃温度条件下对焊接接头进行不同累积时间的热处理，从力学性能数据结果可以可知，焊接接头随着热处理时间延长冲击韧性不断下降，只是不同焊缝位置冲击韧性下降程度不一。保温时间为2.5h时，冲击性能均符合规定要求，时间延长至5h时，厚度1/2处焊缝冲击韧性明显下降，剩余焊缝区域冲击性能均出现一定程度的提升。随保温时间延长，焊接接头在7.5h的焊接条件下性能虽继续下降，但冲击性能仍然符合规定要求。
3钢厂焊后热处理案例分析
在600℃以上的温度条件下进行焊后热处理有助于消除应力，温度在560℃~600℃之间时09MnNiDR钢母材及焊缝综合力学性能能够被有效保持，有研究表明09MnNiDR钢焊制容器的热处理温度应保持在550℃~620℃为宜。
某钢厂对09MnNiDR钢板进行焊后热处理，热处理温度为590℃~720℃，结果表明钢板冲击韧性随热处理温度上升出现逐渐下降现象。在590℃热处理温度条件下保温不同时间，发现随保温时间延长，焊后钢板强度与冲击韧性均有所降低。
某公司选择20台09MnNiDR钢制低温容器开展焊接工艺研究与评定工作，大量研究工作表明09MnNiDR最适宜的焊后热处理温度为570±10℃。笔者经过调研得知，实际上近二十多年，大多数压力容器生产企业在量产09MnNiDR钢材料时，选择的热处理温度均在540℃~580℃之间。从现在的运行情况来看，按照上述条件热处理后，多数正在服役的压力容器或者已经退役的压力容器在寿命期内均运行良好。
4结语
09MnNiDR钢在低温应用场景中较为常见，具有足够的强度以及良好的韧性。确定适宜的热处理温度及时间对低温容器生产企业至关重要，选择适宜的热处理温度可以保证企业高额经济效益，不适宜的热处理温度会威胁用户生命财产安全。因此企业在进行低温容器生产时一定要进行详尽、具体的试验，确保寻找到最适宜的焊后热处理工艺条件。
参考文献
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