压力容器的焊接工艺

1 压力容器用耐热钢及其焊接性

在普通碳钢中加入一定量的合金元素，以提高钢的高温强度和持久强度，就形成了低合金耐热钢，对于压力容器用低合金耐热钢，为改善其焊接性能，常常把碳含量控制在0.2％以下。

1.1 为保证耐热钢焊接接头在高温、高压和各种腐蚀介质条件下长期安全的运行，其 焊接接头性能应满足下列几点要求。

1.1.1 接头的等强性 耐热钢接头不仅应具有与母材基本相等的室温和高温短时强 度，而且更重要的是应具有与母材相近的高温持久强度。

1.1.2 接头的抗氢性和抗氧化性 耐热钢接头应具有与母材基本相同的抗氢性和高温 抗氧化性。为此，焊缝金属的合金成分和含量应与母材基本一致。

1.1.3 接头的组织稳定性 耐热钢焊接

接头在制造过程中，特别是厚壁接头将经受长时间多次热处理，在运行过程中将长期受高温高压的作用，接头各区不应产生明显的组织变化及由此引起的脆变或软化。

1.1.4 接头的抗脆断性 虽然耐热钢压

力容器大多数是在高温下工作，但当压力容器和管道制造完工后将在常温下进行设计压力

1.25 倍压力的水压试验。在安装检修完后，要经历水压试验及冷启动过程。因此，耐热钢焊接接头亦应具有一定的抗脆断性。

1.2 低合金耐热钢含有一定量的合金元素，因此它与低合金高强钢都具有一些相同的 焊接特点，而又由于其含有一些特殊的微量元素及其不同的介质工作环境，所以也有其独特的焊接特点。

1.2.1 淬硬性 低合金耐热钢中的主要合金元素Cr 和Mo 等都能显著提高钢的淬硬性。 其中Mo 的作用比Cr 大50 倍。这些合金元素推迟了钢在冷却过程中的转变，提高了过冷奥氏体的稳定性，从而在较高的冷却速度下可能形成全马氏体组织。

1.2.2 冷裂纹 由于Cr-Mo 钢极易产生淬硬的显微组织，再加上焊缝区足够高的扩散氢浓度和一定的焊接残余应力共同作用，焊接接头易产生氢致延迟裂纹。这种裂纹在热影响区和焊缝金属中都易发生。在热影响区大多是表面裂纹，在焊缝金属中通常表现为垂直于焊缝的的横向裂纹，也可能发生在多层焊的焊道下或焊根部位。冷裂纹是Cr-Mo 钢焊接中存在的主要危险。

1.2.3 消除应力裂纹 因为这类裂纹是在消除应力热处理时，接头再次处于高温下所产生的裂纹，故又称为再热裂纹。Cr-Mo 钢是再热裂纹敏感性钢种，敏感的温度范围一般在500 ~ 700℃之间。

1.2.4 热裂纹 对低合金耐热钢，人们往往注重冷裂纹的防止。实际上，当焊道的成形 系数（熔宽与熔深比）小于1.2 ~ 1.3 时，焊道中心易形成热裂纹。这是因为窄而深的梨形焊道，低熔点共晶聚集于焊道中心，在焊接应力作用下，导致焊道中心出现热裂纹。一切影响焊道成形系数的因素都会影响热裂纹的发

生。

1.2.5 回火脆性 Cr-Mo 钢及其焊接接头在350 ~ 500℃温度区间长期运行过程中发生脆变的现象称为回火脆性。例如某厂一台2.25Cr-1Mo 钢制压力容器在332 ~ 432℃运行30000h 后，钢的40J 脆性转变温度从-37℃提高到了+60℃，并最终导致灾难性的脆性断裂事故。

2 压力容器用耐热钢焊材选用

2.1 与低合金高强钢相同，焊缝金属和母材等强度原则仍是低合金耐热钢焊材选用 的基本原则，只不过此时不但要考虑焊缝金属与母材的常温强度等强，同时也要使其高温强度不低于母材标准值的下限要求。

2.2 为使其焊缝金属具有与母材同样的使用性能，因此要求其焊缝金属的铬、钼含量 不得低于母材标准值的下限。

2.3 为保证焊缝金属有同样小的回火脆性，应严格限制焊材中的氧、硅、磷、锑、锡、 砷等微量元素的含量。

2.4 为提高焊缝金属的抗裂性，应控制焊材中的含碳量低于母材的碳含量，但应注意，含碳量过低时，经长时间的焊后热处理会促使铁素体形成，从而导致韧性下降，因此， 对于低合金耐热钢的焊缝金属含碳量最好控制在0.08％ ~ 0.12％范围内，这样才会使焊缝金属具有较高的冲击韧性和与母材相当的高温蠕变强度。

3 压力容器用耐热钢焊接要点

3.1 预热与层间温度 在Cr-Mo 钢的焊接特点中提到的冷裂纹、热裂纹及消除应力裂 纹，都与预热及层间温度相关。一般来说，在条件许可下应适当提高预热及层间温度来避免冷裂纹和再热裂纹的产生。

3.2 焊后热处理 对于低合金耐热钢，焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力， 而且更重要的是改善组织提高接头的综合力学性能，包括提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性，降低焊缝及热影响区硬度，还有就是使氢进一步逸出以避免产生冷裂纹。

3.3 后热和中间热处理 Cr-Mo 钢冷裂倾向大，导致生产裂纹的影响因素中，氢的影 响居首位，因此，焊后(或中间停焊)必须立即消氢。一般说来，Cr-Mo 钢容器的壁厚、刚性大、制造周期长，焊后不能很快进行热处理，为防裂并稳定焊件尺寸，在主焊缝(主焊缝和壳体接管焊缝)完成后进行比最终热处理温度低的中间热处理。这类钢的后热温度一般为300 ~350℃，也有少数制造单位取350 ~ 400℃的。中间热处理规范随钢种、结构、制造单位的经验而异，一般中间热处理温度为(620 ~640℃)±15℃。

3.4 焊接规范的选择 焊接线能量、预热温度和层间温度直接影响到焊接接头的冷却条件，一般来说，焊接线能量越大，冷却速度越慢，加之伴有较高的预热和层间温度，就会使接头各区的晶粒粗大，强度和韧性都会降低。对于低合金耐热钢而言，对焊接线能量在一定范围内变化并不敏感，也就是说，允许的焊接线能量范围较宽，只有当线能量过大时，才会对强度和韧性有明显的影响，所以为了防止冷裂纹的产生，希望焊接时线能量不要过小。总之，耐热钢压力容器焊接要综合考虑各种因素，因地制宜，有针对性的采取科学合理的焊接方法，只有这样才能够进一步提高焊接质量，保证压力容器的安全使用。

不锈复合钢制压力容器的焊接工艺

随着科学技术和现代工业的发展对各种设备及部件提出了各种各样的性能要求9 如强度\ 塑性\ 硬度\ 导热性\ 耐磨性\ 耐腐蚀性等9 使得很难找到一种材料既经济又能全面满足这些使用要求0 为此9 可以采用复合材料来制造有特殊性能要求的设备9 这样既可充分发挥不同材料的作用9 又能节省大量的贵重材料9 大大降低成本9 获得良好的经济效益0 上世纪90年代以来9 由于不锈复合钢板制造工艺的日臻完善9 其价格逐步降低9 从而使不锈复合钢板越来越广泛地应用于耐腐蚀性要求较高的设备上9 在石油化工\ 制药\ 食品\ 冶金\ 核工业等领域都有大量应用0 不锈复合钢板由复层(不锈钢) 和基层(碳钢或低合金钢) 组成0 通常复层厚度占钢板总厚度的l0%~20%9 与单独采用不锈钢相比9 可节省费用65%~75%9 具有很大的经济效益0 不锈复合钢板的热导率是单体不锈钢的l.5~2倍9 因此特别适用于制造既要求传热效率高9 又要求耐腐蚀的换热设备9 在石化行业中应用特别广泛0张家口某石化设备制造公司先后制造了多台不锈复合钢板压力容器在不断的实践探索中 获得了一些宝贵的不锈复合钢制压力容器焊接经验0 现介绍其中l台不锈复合钢板换热器的制造及焊接工艺0

设备结构及主体材料

柴油原料油换热器分管程和壳程2部分(图l)9 设计压力

2.5 Mpae 设计温度200 Ce 介质 管程为柴油9 壳程为原料油e 焊接接头系数 管程为l.09 壳程为0.85e 腐蚀裕量 管程为0 mm9 壳程为3 mme 焊接接头RT检测比例 管程100%9壳程20%e 复层100%渗透检测e 容器类别为!类0设备主材为16MnR+316L 复合板9 厚度为(14+3) mm9其结合率应符合JB 4733 l996 压力容器用爆炸不锈钢复合钢板 B"级标准9 即结合率为l00%9 且应逐张进行超声波探伤0

不锈复合钢板的焊接特点

不锈复合钢板的基层主要满足结构强度和刚度的要求9 复层满足耐蚀\ 耐磨等特殊性能的要求0 由于基层与复层是由2种化学成分\ 力学性能差别很大的金属复合而成9 焊接时应对基层和复层分别进行焊接0 而过渡层的焊接属于异种钢的焊

接9 其焊接性能要兼顾基层和复层2种钢材的性能0 如果焊材或焊接工艺参数选择不当9 往往由于基层焊接时可能熔化不锈钢复层使合金元素渗入9 而导致基层组织严重脆化9 塑性和韧性下降9 甚至产生裂纹0 在复层焊接时9 可能会造成焊缝严重稀释9 降低其塑性及抗晶间腐蚀性能0 根据舍夫勒组织图和焊接实践经验 过渡层的焊材必须采用高铬\ 高镍不锈钢焊材9才能在正常焊接参数下9 得到双相组织的焊缝9 避免大量马氏体组织的产生9 防止产生焊接冷裂纹0 同时要严格控制焊接热输入9 使碳钢或低合金钢基层一侧的熔深较浅9 以减少焊缝金属的稀释和基层合金化0总之9 为防止出现上述2种不良后果9 基层和复层的焊缝金属不能相互影响9 在基层和复层材料之间必须采用过渡层的方法0

不锈复合钢板焊接工艺

通过查阅有关焊接资料及进行焊接性试验9 按JB 47092000 钢制压力容器焊接工艺评定 \ SH/T 3527 l999 石油化工不锈复合钢板焊接规程 进行了焊接工艺评定9 对接焊缝焊后RT探伤\ 力学性能试验\ 晶间腐蚀试验\ 金相试验等项目均符合相关标准的规定0 以焊接工艺评定结果作为制定产品施焊工艺的依据0

焊接方法

不锈复合钢板的焊接方法很多9 如焊条电弧焊\ 埋弧焊\钨极氩弧焊\ 药芯焊丝CO2 气体保护焊等焊接方法都比较成熟0 本台换热器的管箱和浮头盖属于复合材料9 其焊接空间不大9 直焊缝短9 且可以进行双面焊9 因此焊条电弧焊的方法比较实用0 这样

既能保证焊接质量9 又能降低成本9 而且灵活方便9 不受工件形状\ 焊接位置的限制0 焊接材料的选用

根据基层等强度及复层保证耐蚀性的原则选择焊材: 基层16mnR焊条电弧焊选用E5015 焊条9 !3.2 mm及!4.0 mm;复层316L (奥氏体型) 焊条电弧焊选用E316L-16焊9 !3.2mm; 过渡层用焊材应考虑基层金属对复层不锈钢的稀释作用9 合金成分应比母材成分高25%左右9 选用E309moL-16焊条9 !3.2 mm0

焊接设备及工作环境

采用直流焊机9 基层\ 过渡层\ 复层3种焊缝都采用焊条电弧焊0 所用的钢丝刷\ 扁铲等工具都必须是由不锈钢制成的0 焊接环境温度应高于0 C9 焊接现场必须有防风措施0焊接坡口和接头组对

坡口

选择不锈复合钢板的坡口形式时9 应充分考虑过渡层的焊接特点9 应先焊基层9 再焊过渡层9 最后焊复层9 应尽量减少复层的焊接量9 要避免复层焊缝多次重复受热9 以提高复层焊缝的耐腐蚀性能9 同时可减小设备内部的铲磨工作量9 所以选择了如图2所示的坡口形式0 用等离子弧切割坡口9 切割时复层朝上0 加工完的坡口应用不锈钢钢丝刷清理9 以保证表面光滑0 坡口不得有裂纹和分层9 否则应作修补0 修补时9 应先用砂轮磨掉缺陷9 并把基层铲去1.5~2 mm深9 然后堆焊过渡层及复层9 焊后磨平修光0 焊前9 在复层距坡口100~l50 mm范围内涂防飞溅的白垩涂料

组对

焊件组对时要以复层为基准对齐9 复层错边量大会影响复层焊缝的质量9 所以错边量以不超过0.5 mm为宜0

定位焊

对接焊时9 只允许在基层用E5015焊条进行点焊0 点焊工装夹具也只能焊在基层一侧9 材质与基层相同9 用E5015焊条焊接0 去除工装时9 不能损伤基层金属9 并将焊接处打磨光滑0

焊接工艺参数

不锈复合钢板焊接工艺参数见表10 电流极性均为直流反接0

表1

焊接工艺参数

焊接工艺要点

1. 焊接顺序如图2所示9 正式焊接时9 先焊基层9 再焊过渡层9 最后焊复层0 基层的焊接先从内侧开始9 焊完后从外侧清根再进行盖面焊0 焊接时要避免将基层焊缝焊到复层上9要严格控制基层与过渡层的间距9 即焊过渡层前基层要留1.5~2.0 mm的余量9 否则影响基层\ 过渡层焊缝质量或降低复层塑性和耐蚀性0

2.严格控制层间温度9 基层及焊道间温度均!200 C9应控制过渡层\ 复层的道间温度!60 C0

3. 合理设计焊接坡口9 在保证焊透的情况下9 尽量减少填充金属量9 减小熔合比9 将焊缝的稀释率控制在30%以内0

4. 过渡层的焊接要采用小电流\ 直流反接\ 直道多道焊9 以降低对复层的稀释0

5.复层316L钢的热导率小9 线膨胀系数大9 热量不易散失9 很容易形成所需尺寸的熔池9 而且在自由状态下9 易产生较大的焊接变形0 因此9 在焊接复层316L时9 应采用小电流\ 直流反接\ 快速焊\ 窄焊道的多层多道焊接9 焊接时焊条不宜横向摆动9 应控制道间温度在60 C以下9 焊后需进行酸洗或钝化处理0

6. 焊复层前必须清除坡口两侧边缘上的防飞溅涂料及飞

溅物0

7. 不锈复合钢板复层和过渡层焊材的选择很关键9 施焊过程中9 要严格控制焊材的发放9 以防用错焊材0

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