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文檔簡(jiǎn)介

1、1 壓力容器用耐熱鋼及其焊接性在普通碳鋼中加入一定量的合金元素,以提高鋼的高溫強(qiáng)度和持久強(qiáng)度,就形成了低合金耐熱鋼,對(duì)于壓力容器用低合金耐熱鋼,為改善其焊接性能,常常把碳含量控制在0.2以下。1.1 為保證耐熱鋼焊接接頭在高溫、高壓和各種腐蝕介質(zhì)條件下長(zhǎng)期安全的運(yùn)行,其焊接接頭性能應(yīng)滿足下列幾點(diǎn)要求。1.1.1 接頭的等強(qiáng)性 耐熱鋼接頭不僅應(yīng)具有與母材基本相等的室溫和高溫短時(shí)強(qiáng)度,而且更重要的是應(yīng)具有與母材相近的高溫持久強(qiáng)度。1.1.2 接頭的抗氫性和抗氧化性 耐熱鋼接頭應(yīng)具有與母材基本相同的抗氫性和高溫抗氧化性。為此,焊縫金屬的合金成分和含量應(yīng)與母材基本一致。1.1.3 接頭的組織穩(wěn)定性 耐

2、熱鋼焊接接頭在制造過程中,特別是厚壁接頭將經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間多次熱處理,在運(yùn)行過程中將長(zhǎng)期受高溫高壓的作用,接頭各區(qū)不應(yīng)產(chǎn)生明顯的組織變化及由此引起的脆變或軟化。1.1.4 接頭的抗脆斷性 雖然耐熱鋼壓力容器大多數(shù)是在高溫下工作,但當(dāng)壓力容器和管道制造完工后將在常溫下進(jìn)行設(shè)計(jì)壓力1.25 倍壓力的水壓試驗(yàn)。在安裝檢修完后,要經(jīng)歷水壓試驗(yàn)及冷啟動(dòng)過程。因此,耐熱鋼焊接接頭亦應(yīng)具有一定的抗脆斷性。1.2 低合金耐熱鋼含有一定量的合金元素,因此它與低合金高強(qiáng)鋼都具有一些相同的焊接特點(diǎn),而又由于其含有一些特殊的微量元素及其不同的介質(zhì)工作環(huán)境,所以也有其獨(dú)特的焊接特點(diǎn)。1.2.1 淬硬性 低合金耐熱鋼中的主要合

3、金元素Cr 和Mo 等都能顯著提高鋼的淬硬性。其中Mo 的作用比Cr 大50 倍。這些合金元素推遲了鋼在冷卻過程中的轉(zhuǎn)變,提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性,從而在較高的冷卻速度下可能形成全馬氏體組織。1.2.2 冷裂紋 由于Cr-Mo 鋼極易產(chǎn)生淬硬的顯微組織,再加上焊縫區(qū)足夠高的擴(kuò)散氫濃度和一定的焊接殘余應(yīng)力共同作用,焊接接頭易產(chǎn)生氫致延遲裂紋。這種裂紋在熱影響區(qū)和焊縫金屬中都易發(fā)生。在熱影響區(qū)大多是表面裂紋,在焊縫金屬中通常表現(xiàn)為垂直于焊縫的的橫向裂紋,也可能發(fā)生在多層焊的焊道下或焊根部位。冷裂紋是Cr-Mo 鋼焊接中存在的主要危險(xiǎn)。1.2.3 消除應(yīng)力裂紋 因?yàn)檫@類裂紋是在消除應(yīng)力熱處理時(shí),接頭

4、再次處于高溫下所產(chǎn)生的裂紋,故又稱為再熱裂紋。Cr-Mo 鋼是再熱裂紋敏感性鋼種,敏感的溫度范圍一般在500 700之間。1.2.4 熱裂紋 對(duì)低合金耐熱鋼,人們往往注重冷裂紋的防止。實(shí)際上,當(dāng)焊道的成形系數(shù)(熔寬與熔深比)小于1.2 1.3 時(shí),焊道中心易形成熱裂紋。這是因?yàn)檎畹睦嫘魏傅?,低熔點(diǎn)共晶聚集于焊道中心,在焊接應(yīng)力作用下,導(dǎo)致焊道中心出現(xiàn)熱裂紋。一切影響焊道成形系數(shù)的因素都會(huì)影響熱裂紋的發(fā)生。1.2.5 回火脆性 Cr-Mo 鋼及其焊接接頭在350 500溫度區(qū)間長(zhǎng)期運(yùn)行過程中發(fā)生脆變的現(xiàn)象稱為回火脆性。例如某廠一臺(tái)2.25Cr-1Mo 鋼制壓力容器在332 432運(yùn)行3000

5、0h 后,鋼的40J 脆性轉(zhuǎn)變溫度從-37提高到了+60,并最終導(dǎo)致災(zāi)難性的脆性斷裂事故。2 壓力容器用耐熱鋼焊材選用2.1 與低合金高強(qiáng)鋼相同,焊縫金屬和母材等強(qiáng)度原則仍是低合金耐熱鋼焊材選用的基本原則,只不過此時(shí)不但要考慮焊縫金屬與母材的常溫強(qiáng)度等強(qiáng),同時(shí)也要使其高溫強(qiáng)度不低于母材標(biāo)準(zhǔn)值的下限要求。2.2 為使其焊縫金屬具有與母材同樣的使用性能,因此要求其焊縫金屬的鉻、鉬含量不得低于母材標(biāo)準(zhǔn)值的下限。2.3 為保證焊縫金屬有同樣小的回火脆性,應(yīng)嚴(yán)格限制焊材中的氧、硅、磷、銻、錫、砷等微量元素的含量。2.4 為提高焊縫金屬的抗裂性,應(yīng)控制焊材中的含碳量低于母材的碳含量,但應(yīng)注意,含碳量過低時(shí)

6、,經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的焊后熱處理會(huì)促使鐵素體形成,從而導(dǎo)致韌性下降,因此,對(duì)于低合金耐熱鋼的焊縫金屬含碳量最好控制在0.08 0.12范圍內(nèi),這樣才會(huì)使焊縫金屬具有較高的沖擊韌性和與母材相當(dāng)?shù)母邷厝渥儚?qiáng)度。3 壓力容器用耐熱鋼焊接要點(diǎn)3.1 預(yù)熱與層間溫度 在Cr-Mo 鋼的焊接特點(diǎn)中提到的冷裂紋、熱裂紋及消除應(yīng)力裂紋,都與預(yù)熱及層間溫度相關(guān)。一般來說,在條件許可下應(yīng)適當(dāng)提高預(yù)熱及層間溫度來避免冷裂紋和再熱裂紋的產(chǎn)生。3.2 焊后熱處理 對(duì)于低合金耐熱鋼,焊后熱處理的目的不僅是消除焊接殘余應(yīng)力,而且更重要的是改善組織提高接頭的綜合力學(xué)性能,包括提高接頭的高溫蠕變強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性,降低焊縫及熱影響區(qū)硬度,

7、還有就是使氫進(jìn)一步逸出以避免產(chǎn)生冷裂紋。3.3 后熱和中間熱處理 Cr-Mo 鋼冷裂傾向大,導(dǎo)致生產(chǎn)裂紋的影響因素中,氫的影響居首位,因此,焊后(或中間停焊)必須立即消氫。一般說來,Cr-Mo 鋼容器的壁厚、剛性大、制造周期長(zhǎng),焊后不能很快進(jìn)行熱處理,為防裂并穩(wěn)定焊件尺寸,在主焊縫(主焊縫和殼體接管焊縫)完成后進(jìn)行比最終熱處理溫度低的中間熱處理。這類鋼的后熱溫度一般為300 350,也有少數(shù)制造單位取350 400的。中間熱處理規(guī)范隨鋼種、結(jié)構(gòu)、制造單位的經(jīng)驗(yàn)而異,一般中間熱處理溫度為(620 640)±15。3.4 焊接規(guī)范的選擇 焊接線能量、預(yù)熱溫度和層間溫度直接影響到焊接接頭的

8、冷卻條件,一般來說,焊接線能量越大,冷卻速度越慢,加之伴有較高的預(yù)熱和層間溫度,就會(huì)使接頭各區(qū)的晶粒粗大,強(qiáng)度和韌性都會(huì)降低。對(duì)于低合金耐熱鋼而言,對(duì)焊接線能量在一定范圍內(nèi)變化并不敏感,也就是說,允許的焊接線能量范圍較寬,只有當(dāng)線能量過大時(shí),才會(huì)對(duì)強(qiáng)度和韌性有明顯的影響,所以為了防止冷裂紋的產(chǎn)生,希望焊接時(shí)線能量不要過小。總之,耐熱鋼壓力容器焊接要綜合考慮各種因素,因地制宜,有針對(duì)性的采取科學(xué)合理的焊接方法,只有這樣才能夠進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量,保證壓力容器的安全使用。不銹復(fù)合鋼制壓力容器的焊接工藝隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)各種設(shè)備及部件提出了各種各樣的性能要求9 如強(qiáng)度 塑性 硬度 導(dǎo)熱性

9、耐磨性 耐腐蝕性等9 使得很難找到一種材料既經(jīng)濟(jì)又能全面滿足這些使用要求0 為此9 可以采用復(fù)合材料來制造有特殊性能要求的設(shè)備9 這樣既可充分發(fā)揮不同材料的作用9 又能節(jié)省大量的貴重材料9 大大降低成本9 獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益0 上世紀(jì)90年代以來9 由于不銹復(fù)合鋼板制造工藝的日臻完善9 其價(jià)格逐步降低9 從而使不銹復(fù)合鋼板越來越廣泛地應(yīng)用于耐腐蝕性要求較高的設(shè)備上9 在石油化工 制藥 食品 冶金 核工業(yè)等領(lǐng)域都有大量應(yīng)用0 不銹復(fù)合鋼板由復(fù)層(不銹鋼) 和基層(碳鋼或低合金鋼) 組成0 通常復(fù)層厚度占鋼板總厚度的l0%20%9 與單獨(dú)采用不銹鋼相比9 可節(jié)省費(fèi)用65%75%9 具有很大的經(jīng)濟(jì)效

10、益0 不銹復(fù)合鋼板的熱導(dǎo)率是單體不銹鋼的l.52倍9 因此特別適用于制造既要求傳熱效率高9 又要求耐腐蝕的換熱設(shè)備9 在石化行業(yè)中應(yīng)用特別廣泛0張家口某石化設(shè)備制造公司先后制造了多臺(tái)不銹復(fù)合鋼板壓力容器在不斷的實(shí)踐探索中 獲得了一些寶貴的不銹復(fù)合鋼制壓力容器焊接經(jīng)驗(yàn)0 現(xiàn)介紹其中l(wèi)臺(tái)不銹復(fù)合鋼板換熱器的制造及焊接工藝0 設(shè)備結(jié)構(gòu)及主體材料柴油原料油換熱器分管程和殼程2部分(圖l)9 設(shè)計(jì)壓力2.5 Mpae 設(shè)計(jì)溫度200 Ce 介質(zhì) 管程為柴油9 殼程為原料油e 焊接接頭系數(shù) 管程為l.09 殼程為0.85e 腐蝕裕量 管程為0 mm9 殼程為3 mme 焊接接頭RT檢測(cè)比例 管程100%9

11、殼程20%e 復(fù)層100%滲透檢測(cè)e 容器類別為!類0設(shè)備主材為16MnR+316L 復(fù)合板9 厚度為(14+3) mm9其結(jié)合率應(yīng)符合JB 4733 l996 壓力容器用爆炸不銹鋼復(fù)合鋼板 B"級(jí)標(biāo)準(zhǔn)9 即結(jié)合率為l00%9 且應(yīng)逐張進(jìn)行超聲波探傷0不銹復(fù)合鋼板的焊接特點(diǎn)不銹復(fù)合鋼板的基層主要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求9 復(fù)層滿足耐蝕 耐磨等特殊性能的要求0 由于基層與復(fù)層是由2種化學(xué)成分 力學(xué)性能差別很大的金屬?gòu)?fù)合而成9 焊接時(shí)應(yīng)對(duì)基層和復(fù)層分別進(jìn)行焊接0 而過渡層的焊接屬于異種鋼的焊接9 其焊接性能要兼顧基層和復(fù)層2種鋼材的性能0 如果焊材或焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)9 往往由于基層焊

12、接時(shí)可能熔化不銹鋼復(fù)層使合金元素滲入9 而導(dǎo)致基層組織嚴(yán)重脆化9 塑性和韌性下降9 甚至產(chǎn)生裂紋0 在復(fù)層焊接時(shí)9 可能會(huì)造成焊縫嚴(yán)重稀釋9 降低其塑性及抗晶間腐蝕性能0 根據(jù)舍夫勒組織圖和焊接實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 過渡層的焊材必須采用高鉻 高鎳不銹鋼焊材9才能在正常焊接參數(shù)下9 得到雙相組織的焊縫9 避免大量馬氏體組織的產(chǎn)生9 防止產(chǎn)生焊接冷裂紋0 同時(shí)要嚴(yán)格控制焊接熱輸入9 使碳鋼或低合金鋼基層一側(cè)的熔深較淺9 以減少焊縫金屬的稀釋和基層合金化0總之9 為防止出現(xiàn)上述2種不良后果9 基層和復(fù)層的焊縫金屬不能相互影響9 在基層和復(fù)層材料之間必須采用過渡層的方法0不銹復(fù)合鋼板焊接工藝通過查閱有關(guān)焊接資料及

13、進(jìn)行焊接性試驗(yàn)9 按JB 47092000 鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定 SH/T 3527 l999 石油化工不銹復(fù)合鋼板焊接規(guī)程 進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定9 對(duì)接焊縫焊后RT探傷 力學(xué)性能試驗(yàn) 晶間腐蝕試驗(yàn) 金相試驗(yàn)等項(xiàng)目均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定0 以焊接工藝評(píng)定結(jié)果作為制定產(chǎn)品施焊工藝的依據(jù)0焊接方法不銹復(fù)合鋼板的焊接方法很多9 如焊條電弧焊 埋弧焊鎢極氬弧焊 藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊等焊接方法都比較成熟0 本臺(tái)換熱器的管箱和浮頭蓋屬于復(fù)合材料9 其焊接空間不大9 直焊縫短9 且可以進(jìn)行雙面焊9 因此焊條電弧焊的方法比較實(shí)用0 這樣既能保證焊接質(zhì)量9 又能降低成本9 而且靈活方便9 不受工件形狀 焊接

14、位置的限制0焊接材料的選用根據(jù)基層等強(qiáng)度及復(fù)層保證耐蝕性的原則選擇焊材: 基層16mnR焊條電弧焊選用E5015 焊條9 !3.2 mm及!4.0 mm;復(fù)層316L (奧氏體型) 焊條電弧焊選用E316L-16焊9 !3.2mm; 過渡層用焊材應(yīng)考慮基層金屬對(duì)復(fù)層不銹鋼的稀釋作用9 合金成分應(yīng)比母材成分高25%左右9 選用E309moL-16焊條9 !3.2 mm0焊接設(shè)備及工作環(huán)境采用直流焊機(jī)9 基層 過渡層 復(fù)層3種焊縫都采用焊條電弧焊0 所用的鋼絲刷 扁鏟等工具都必須是由不銹鋼制成的0 焊接環(huán)境溫度應(yīng)高于0 C9 焊接現(xiàn)場(chǎng)必須有防風(fēng)措施0焊接坡口和接頭組對(duì)坡口選擇不銹復(fù)合鋼板的坡口形式

15、時(shí)9 應(yīng)充分考慮過渡層的焊接特點(diǎn)9 應(yīng)先焊基層9 再焊過渡層9 最后焊復(fù)層9 應(yīng)盡量減少?gòu)?fù)層的焊接量9 要避免復(fù)層焊縫多次重復(fù)受熱9 以提高復(fù)層焊縫的耐腐蝕性能9 同時(shí)可減小設(shè)備內(nèi)部的鏟磨工作量9 所以選擇了如圖2所示的坡口形式0 用等離子弧切割坡口9 切割時(shí)復(fù)層朝上0 加工完的坡口應(yīng)用不銹鋼鋼絲刷清理9 以保證表面光滑0 坡口不得有裂紋和分層9 否則應(yīng)作修補(bǔ)0 修補(bǔ)時(shí)9 應(yīng)先用砂輪磨掉缺陷9 并把基層鏟去1.52 mm深9 然后堆焊過渡層及復(fù)層9 焊后磨平修光0 焊前9 在復(fù)層距坡口100l50 mm范圍內(nèi)涂防飛濺的白堊涂料0組對(duì)焊件組對(duì)時(shí)要以復(fù)層為基準(zhǔn)對(duì)齊9 復(fù)層錯(cuò)邊量大會(huì)影響復(fù)層焊縫的質(zhì)

16、量9 所以錯(cuò)邊量以不超過0.5 mm為宜0定位焊對(duì)接焊時(shí)9 只允許在基層用E5015焊條進(jìn)行點(diǎn)焊0 點(diǎn)焊工裝夾具也只能焊在基層一側(cè)9 材質(zhì)與基層相同9 用E5015焊條焊接0 去除工裝時(shí)9 不能損傷基層金屬9 并將焊接處打磨光滑0焊接工藝參數(shù)不銹復(fù)合鋼板焊接工藝參數(shù)見表10 電流極性均為直流反接0 表1 焊接工藝參數(shù)焊道焊材及規(guī)格/mm焊接電流/A電弧電壓/V焊接速度/(cm min-1)基層打底焊E50159 !3.211012017191415基層填充,基層焊E50159 !4.016018018211416過渡層E309moL-169 !3.29011017181315復(fù)層E316L-169 !3.29011017181315焊接工藝要點(diǎn)1. 焊接順序如圖2所示9 正式焊接時(shí)9 先焊基層9 再焊過渡層9 最后焊復(fù)層0 基層的焊接先從內(nèi)側(cè)開始9 焊完后從外側(cè)清根再進(jìn)行蓋面焊0 焊接時(shí)要避免將基層焊縫焊到復(fù)層上9要嚴(yán)格控制基層與過渡層的間距9 即焊過渡層前基層要留1.52.0 mm的余量9 否則影響基層 過渡層焊縫質(zhì)量或降低復(fù)層塑性和耐蝕性02.嚴(yán)格控制層間溫度9 基層及焊道間溫度均!200 C9應(yīng)控制過渡層 復(fù)層的道間溫度!60 C03. 合理設(shè)計(jì)焊接坡口9 在保證焊透的情況下9 盡量減少填充金屬量9 減小熔合比9 將焊縫的稀釋率控制在30%以內(nèi)04. 過渡

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