壓力容器用鋼焊接技術(shù)探討 吳方超

1、壓力容器用鋼焊接技術(shù)探討 吳方超摘要：現(xiàn)如今，我國是化工行業(yè)快速發(fā)展的新時期，壓力容器的應(yīng)用越來越廣 泛，在壓力容器制作中，焊接過程是影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，其質(zhì)量的好壞直 接決定一臺壓力容器的質(zhì)量等級和使用年限。文章對壓力容器用鋼的焊接技術(shù)進(jìn) 行討論，對比分析各種技術(shù)的特性和條件，提出工藝關(guān)注點(diǎn)和施工注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞：壓力容器；焊接；碳素鋼；不銹鋼；異種鋼引言低溫用鋼主要用于低溫條件工作的容器、管道和鋼結(jié)構(gòu)。在壓力容器行業(yè)中 設(shè)計(jì)溫度低于或等于-20C的壓力容器稱之為壓力容器(簡稱低溫容器)。凡用來制 造低溫設(shè)備的鋼，稱之為低溫用鋼(以下簡稱低溫鋼)。隨著我國煉油化工工業(yè)的 迅猛發(fā)展，各種液

2、化石油氣、液氨、液氧、液氫、液氮等介質(zhì)的生產(chǎn)、儲存、運(yùn) 輸設(shè)備，化肥、乙烯、煤液化、海洋工程、冷凍設(shè)備等裝置的大量建造，低溫鋼 的需求量日益增多;且對低溫鋼也提出了越來越高的要求。用于制造壓力容器的低溫鋼 低溫鋼主要是指鎳鉻合金與碳錳合金。在低溫鋼的分類中，其分類依據(jù)主要是環(huán)境的溫度、合金的含量與組織、合金中鎳、鉻元素的含量等。將低溫鋼按溫 度等級一般可以分為以下四類：-40C-20C；-80C-50C；-100C 110C；-296C-196C。根據(jù)合金元素與組織的不同可以將低溫鋼分為低合 金鐵素體鋼、中合金低碳馬氏體鋼與高合金奧氏體鋼。根據(jù)合金中鎳、鉻元素的 含量可以將低溫鋼分為無鎳、鉻低

3、溫鋼與含鎳、鉻低溫鋼。鋼中的合金元素主要 是起到固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化的作用，而且其在經(jīng)過正火、回火之后，鋼組織中的 晶粒將會更加的細(xì)化，從而提高鋼材的低溫韌性，延長鋼材的使用壽命。目前， 使用最多的低溫鋼中均含有鎳元素，相同規(guī)格的鋼材料中所含的鎳元素越高，在 相同的韌性條件下所能適應(yīng)的溫度就越低。我們知道，鋼材在低溫環(huán)境中工作時 具有冷脆性，壓力容器的制造用鋼則克服了鋼材的這一缺點(diǎn)，其生產(chǎn)出的低溫鋼 能夠在低于或是等于-20C的環(huán)境下工作。在對低溫鋼性能的衡量過程中主要采用 的指標(biāo)則是低溫韌性，即低溫條件下低溫鋼的沖擊韌性與脆性轉(zhuǎn)變溫度，鋼材所 具有的低溫沖擊韌性越高，而其脆性轉(zhuǎn)變溫度越低的話，

4、則其具有越好的低溫韌 性。鋼材的成分與組織會對其所具有的低溫性能有很大的影響，鋼材中所含的磷、 碳、硅等元素會使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，其中磷與碳對其的影響最為明顯，而 鋼材中所含的錳、鎳元素會降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，使鋼材具有更好的低溫韌性。 通常，對于具有面心立方晶體的金屬而言，在溫度的變化過程中其韌性的變化是 極小的，仍然會有較高的沖擊韌性。另外，鋼材中所含晶粒越細(xì)，其所具有的低 溫沖擊韌性也就越好。目前，無鎳低溫鋼的最低使用溫度為-50C，含鎳低溫鋼的 最低使用溫度則是根據(jù)所含鎳元素的量來決定的，其使用溫度的范圍一般為- 196C-60C，奧氏體不銹鋼的使用溫度一般在-196C以下。壓力容

5、器用鋼焊接技術(shù)壓力容器用低溫鋼焊接要點(diǎn)(1)采用小的焊接熱輸入量為避免焊縫及熱影響區(qū)形成粗大組織而使其沖擊韌 性嚴(yán)重降低，必須采用較小的焊接熱輸入量量，具體是焊接電流不宜大，焊條電 弧焊時焊條盡量不擺動，采用窄焊道、多道多層焊和快速多道焊以減小焊道過熱， 并通過多層焊重復(fù)加熱作用細(xì)化晶粒。多層焊時要嚴(yán)格控制層間溫度。 (2)選擇適 當(dāng)?shù)暮附铀俣葘τ诤嚨蜏劁撨M(jìn)行埋弧自動焊時，切不可以提高焊接速度來獲得 較低的焊接線能量。因?yàn)楫?dāng)焊接速度較高時，熔池形成典型的雨滴狀，且焊道成 形變成窄而深的截面形狀，此時就易產(chǎn)生焊道中心的熱裂紋。所以，這類鋼焊接 時，焊接速度要選擇適當(dāng)，不可過小，也不可過大。(3

6、)避免咬邊缺陷低溫鋼焊接 時應(yīng)注意避免弧坑、未焊透及咬邊等缺陷，這些缺陷在低溫條件下，在應(yīng)力作用 時，都會造成較大的應(yīng)力集中而引起脆性破壞。所以對于壓力容器而言，不允許 有任何尺寸的咬邊缺陷存在。碳素鋼壓力容器的焊接 低碳鋼的焊接性能較好，因?yàn)槠涑煞种械暮剂康?，錳、硅含量較少，在焊 接時，不容易產(chǎn)生淬硬組織。一般情況下，低碳鋼的塑形和沖擊韌性好，其焊縫 的塑形和沖擊韌性也往往較好。故低碳鋼具有優(yōu)良的焊接性能，是所有鋼材中焊 接性能最好的鋼種。整個焊接過程中不需采用特殊的工藝措施，焊后也不必進(jìn)行 熱處理。低碳鋼焊接材料的選用焊條應(yīng)根據(jù)焊縫金屬強(qiáng)度與母材等強(qiáng)的原則選用 焊條，同時還須考慮焊接接頭

7、形式、板厚和焊接位置等因素。隨著母材厚度的增 大、接頭內(nèi)殘余應(yīng)力很大。因此，隨著母材厚度的增加，在焊接時，應(yīng)選優(yōu)先選 用抗裂紋性能好的焊條。在焊接含合金元素不高的低碳，一般要采用能夠補(bǔ)充合 金元素的焊絲和焊劑，以增加焊縫的抗裂紋的能力，并降低氣孔的出現(xiàn)并提高焊 縫的低溫沖擊韌性。由于低碳鋼的塑形、韌性都較好，焊接性能優(yōu)良，一般情況 下焊接時不需要預(yù)熱及控制層間溫度和后熱，整個焊接過程中不采用特殊的工藝 措施，焊后也不必進(jìn)行熱處理。在存在可能使焊接接頭冷卻速度過快的環(huán)境下， 例如低溫或母材較厚的情況，易發(fā)生冷裂紋現(xiàn)象，因此應(yīng)采取相應(yīng)的措施以避免 冷裂紋出現(xiàn)：1.焊接前對母材進(jìn)行預(yù)熱，焊接過程中保

8、持層間溫度。2.采用低氫 型或超低氫型焊條。3.定位焊時，加大焊接電流，減慢焊接速度。4.整條焊縫盡 量一次連續(xù)焊完。低溫用 15MnNiNbDR 鋼的開發(fā)應(yīng)用及焊接要點(diǎn)由于 16MnDR、15MnNiDR 和 09MnNiDR 的強(qiáng)度較低，致使我國壓力容器罐體 壁厚較大，自重系數(shù)相應(yīng)增大，增加了制造成本和工人的勞動強(qiáng)度。為此，在系 統(tǒng)分析國外同類鋼種成分和工藝的基礎(chǔ)上，利用武鋼先進(jìn)的冶煉設(shè)備，通過添加 GB3531標(biāo)準(zhǔn)所允許的微量元素V、Nb和Ni,成功研制出了高性能的15MnNiNbDR(-50C低溫沖擊AKVA34J, Rm530MPa)鋼板。既提高了現(xiàn)有壓力 容器用鋼的強(qiáng)度,又提高了其

9、韌性。不銹鋼壓力容器的焊接不銹鋼就是在鋼中增加Cr、Ni等合金元素，使鋼處于鈍化狀態(tài)不易發(fā)生氧化 的鋼材,其具有不易生銹的特點(diǎn)。按相組織可分為鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼 雙相不銹鋼等。壓力容器中最為常見的是奧氏體不銹鋼,由于奧氏體不銹鋼的膨 脹系數(shù)小,熱導(dǎo)率小,焊縫易形成粗大的柱狀精組織。其粗大組織在受力時,易 發(fā)生裂紋,該裂紋為熱裂紋。在焊接過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1.由于奧氏體不銹 鋼熱導(dǎo)率小線脹系數(shù)大,應(yīng)盡可能選用焊接能量集中的焊接方法。 2.在焊接時, 焊接電流要比焊接碳鋼時更小。 3.盡量采用小的熱輸入進(jìn)行焊接。 4.焊接前清理 坡口及母材周邊,減少有害物質(zhì)的污染。隨著技術(shù)的提高和化工行業(yè)的發(fā)展,越 來越多的壓力容器使用了雙相不銹鋼,所謂雙相不銹鋼,其相組織為含量相當(dāng)?shù)?奧氏體組織和鐵素體相組織。雙相不銹鋼強(qiáng)度高于奧氏體不銹鋼,韌性高于鐵素 體不銹鋼,且耐孔蝕、耐應(yīng)力腐蝕、耐腐蝕疲勞等性能也有明顯的改善。其焊接 性較好不易產(chǎn)生熱裂紋,但有可能產(chǎn)生氫致裂紋。在焊接時,需控制焊縫金屬的 奧氏體組織和鐵素體組織的比例。結(jié)語 由于壓力容器的工作環(huán)境特別，因此其制造用鋼以及制造中的工藝措施等均 需要進(jìn)行嚴(yán)格地控制。在該過程中，不僅需要選用合適的焊接材料、焊接工藝， 還需要注意焊接