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关于推进 :基于安全容限设计的高强焊缝冶金净化及强韧控制关机键技术

一、 项目名称

 

基于安全容限设计的高强焊缝冶金净化及强韧控制关键技术

 

二、 推荐单位

 

南京工程学院

三、 项目简介

 

重点工程焊接结构中接头的可靠性是决定其服役寿命的关键性能。焊缝金属在满足强度指标的前提下,应尽可能地具备超技术标准一定幅值的韧性储备,以实现设计焊缝具备安全极限。为此焊缝金属设法通过冶金净化及组织优化,获得超过技术指标若干幅值的低温韧性是焊接加工制造所寻求的优质目标。同时也是目前提升焊缝设计安全系数,确保焊接工程质量万无一失的主要技术措施。在制造业中,随着制造产品的转型升级,高端装备制造的焊接质量已成为石化等装备产品市场竞争的重要技术指标。这类承压装备往往服役于极为严酷的工作环境,为此增加其焊缝的韧性储备,是保证焊接结构安全运行、防止失效事故发生的关键技术。

本项目针对实现超标高幅韧性储备的技术途径,从焊接材料冶金净化及工艺技术两方面开展深入研究以突破一些关键技术。

针对焊缝金属中的氧含量是影响其低温韧性的重要因素,本项目提出了一种在埋弧焊熔渣与液态熔池间施加一辅助微电流,通过该微电流强化渣金界面的电化学效应,诱导氧流的迁移进而控制熔池金属中的氧含量并促使形成细小氧化物在焊缝中呈弥散状分布的新技术。针对熔渣与液态金属间冶金作用决定焊缝金属去除杂质的洁净程度进而影响焊缝金属的韧 性,采用在严格控制原材料品质基础上,设计满足焊接过程各种工艺行为的高碱度熔渣,并据此研制出相匹配的焊接材料,实现高强焊缝金属的冶金净化。为获得高强高韧耐蚀焊缝, 针对国内镍基焊材的研发目前尚受制于若干技术难题的现状,突破了对稀贵金属在电弧高温工况的非氧化保护,高镍熔池金属粘度大、流动性差导致焊缝不易成形,熔渣与高镍合金分离困难等关键技术。通过设计高碱度、具有隔离中间层的熔渣有效地解决贵重合金元素向熔池的过渡及熔渣对焊缝金属的辅助成形、渣金完整分离等技术难题。最终研制出特种镍基焊接材料,使镍基焊缝能应用于高韧性、耐腐蚀的焊接工程。为解决制约大线能量焊接提高效率的技术难题,采用熔渣向焊缝金属进行微合金化,同时在熔渣设计中引入大量耐电流的铁粉组分及多种高熔点造渣剂组合的设计思路,使其能承受 1000-1200A 的焊接大电流。不但保证了焊缝金属的韧性,同时也显著地提高了焊接效率。将该技术思路用于埋弧焊用超大线


能量烧结焊剂及热固化衬垫焊剂的研发,实现了厚板一次焊接多丝单面焊双面成形的特殊焊接技术。

项目研究以来已形成了多项核心知识产权,获得授权发明专利 20 件,在国内外学术刊

 

物发表 10 余篇论文。开发的产品应用于重点工程建设及出口,近三年累计实现销售收入 10

 

亿,新增利润 3993 万元,新增税收 4646 万元,出口创汇 223 万美元,取得了良好的经济和社会效益。

主要创新点:

 

创新点之一:提出了在渣熔和熔池金属间随焊施加辅助外电场,利用外电流诱导焊接渣金间电化学反应,通过对焊缝金属控氧达到增韧的新技术

创新点之二:创造性地设计出高碱度熔渣冶金辅助熔滴实现细颗粒喷射过渡的新型渣系

 

创新点之三:研制出高强耐蚀镍基特种焊材,解决了高镍高粘度液态金属与熔渣交互作用的渣金分离及稀贵合金元素防氧化向焊缝过渡的技术难题

创新点之四:解决了大线能量焊接、超大线能量焊接焊缝成形及其强韧化控制的关键技术

 

四、 主要完成单位及创新推广应用

 

1、 南京工程学院

 

南京工程学院是本项目科技创新的主要贡献单位,运用非平衡反应热动力学理论,提出了一种在埋弧焊熔渣与液态熔池间施加一辅助微电流,诱导氧流的迁移进而控制熔池金属中的氧含量并促使形成细小氧化物在焊缝中呈弥散状分布的新技术。研制了高碱度熔渣焊接材料实现高强焊缝金属的冶金净化,解决了高镍熔池金属粘度大、流动性差导致焊缝不易成形, 熔渣与高镍合金分离困难等关键技术。突破了制约大线能量焊接提高焊接效率的技术难题。本单位是项目组承担国家自然科学基金“渣金间辅助外电场电化学诱导焊缝氧化物冶金形核及其机理51075197、江苏省科技支撑工业计划项目“大厚壁高压容器制造中的焊缝金属外电场电化学控氧增韧技术及应用”BE2012186、中船重工第 725 所出资开发项目 “高 碱度焊材实现超低氢细颗粒喷射熔滴过渡工艺技术研究” 2012、南通豪泰焊材有限公司出资开发项目“60kgf/cm3 级海洋工程结构用低合金高强钢焊接材料开发”2013的项目 依托单位。在项目实施过程中,为项目组提供了人力、物力及财力多方面的支持,形成了本项目创新点的科学研究基地,且拥有研究成果所有权。是授权发明专利 ZL201210372339.5

ZL201210372610.5ZL20131021 3808.3ZL201310220355.7ZL201610806566.2


ZL201410115599.3ZL201510242823.X 的专利权人。

 

2、洛阳双瑞特种合金材料有限公司

 

洛阳双瑞特种合金材料有限公司是创新点之二、创新点之三试验研究及产品研发的主要贡献单位。本单位 2012 年开始通过与南京工程学院开展技术合作“高碱度焊材实现超低氢细颗粒喷射熔滴过渡工艺技术研究”,充分发挥国家级研究所科技实体的研发与科技转化能力,先后研发出 J507HJ427HR307BHR307BLR407W707Ni 等超低氢高韧性焊接材料, 经中试、试生产、产品定型、正式生产初步推广应用于焊接重点工程的建设。该单位是授权发明专利 ZL201510782465.1 的专利权人。

3、 南通豪泰焊材有限公司

 

南通豪泰焊材有限公司是创新点之二、创新点之三、创新点之四的生产及推广应用的主要贡献单位,解决了规模化生产过程中的一些关键技术问题。2013 年开始通过与南京工程学院开展“60kgf/cm3 级海洋工程结构用低合金高强钢焊接材料开发”合作。近年来所应用的产品大量出口至欧美及东南亚等国家,近 3 年新增利润 802 万元、新增税收 1035 万元、实现出口创汇 223 万美元。该单位是授权专利 ZL201610243948.9 的专利权人。

4、 南京德邦金属装备工程股份有限公司

 

南京德邦金属装备工程股份有限公司是创新点之一推广应用的主要贡献单位,解决了实际生产过程中辅助电路的实施、专用工装夹具的设计等关键技术问题。该技术先后应用在南京德邦金属装备工程股份有限公司承接宜昌南玻硅材料有限公司委托生产的氢化反应器制造、为新疆合晶能源科技有限公司生产的冷氢化反应器制造、江苏虹港石化有限公司委托生产的高压吸收塔、尾气放空洗涤塔、蒸汽闪蒸设备制造等重点工程中,并成为美国 UOP

Honeywell 、德国 Korting Mexico、法国 ERAMET、澳大利亚 Hydraxie、印尼 APP 等著名外资企业的合格供应商。极大地增强了高端产品的市场竞争力,受到用户一致好评,近 3 年累计

实现新增销售额 91992 万元、新增利润 3069 万元、新增税收 2711 万元,取得了显著的经济效益和社会效益。

、 主要完成人

 

              李清泉、初雅杰、杨宗辉成家林、王青云、亢天佑、邓家爱、崔俊