極限評定法在承壓設(shè)備焊接工藝評定中的應用

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焊接工藝評定試驗是壓力容器焊接質(zhì)量控制系統(tǒng)的一個重要控制環(huán)節(jié)，這項工作的水平是壓力容器制造單位焊接技術(shù)力量的綜合體現(xiàn)[1]。對于有沖擊性能要求材料的焊接工藝評定,除了選擇焊接方法和焊接材料外[2]，確定合適的焊接參數(shù)和熱處理規(guī)范也是焊接工藝評定的一個重要任務(wù)。根據(jù)預焊接工藝規(guī)程(pWPS)焊接一塊評定試板，若未對焊接參數(shù)進行限定，則由不同線能量和道間溫度排列組合成的焊接接頭可能有成千上萬種。此外，沖擊試樣的取樣范圍內(nèi)也并不一定正好包含在最大線能量和道間溫度下形成的焊縫和熱影響區(qū)，線能量最大的焊道和熱影響區(qū)也不一定道間溫度最大[3]。為了保證焊接工藝評定結(jié)論的正確性，在進行焊接工藝評定時，就要采取特殊的措施和評定手段——極限評定法。

1　承壓設(shè)備焊接工藝評定目的

承壓設(shè)備焊接工藝評定的目的分別是,①通過對接焊縫、角焊縫焊接工藝評定獲得焊接接頭力學性能符合規(guī)定的焊接工藝指導書。②通過耐蝕堆焊工藝評定獲得堆焊層化學成分符合相關(guān)規(guī)定的焊接工藝指導書。③通過型式試驗件評定，在保證管與板接頭力學性能的基礎(chǔ)上，獲得全焊透的焊接工藝規(guī)定[4]。

從承壓設(shè)備焊接工藝評定的目的可以推斷，通過焊接工藝評定最終要獲得的是能保證產(chǎn)品焊接接頭使用性能的焊接工藝指導書。為了降低焊接工藝指導書執(zhí)行的難度并增加焊接工藝評定的覆蓋范圍，在工藝試板的施焊過程中，宜采用能使接頭力學性能盡可能差的焊接規(guī)范[5]。在此焊接規(guī)范下，若焊接接頭的理化性能仍能合格，則只要產(chǎn)品接頭焊接時采用的焊接規(guī)范嚴于評定的要求，就可以保證產(chǎn)品焊接接頭的理化性能滿足使用要求。

2　焊接工藝評定的極限評定法

2.1　極限評定法定義

極限評定法是將與焊接工藝有關(guān)的多種關(guān)鍵極限因素，如線能量、道間溫度、預熱溫度和熱處理時間等納入工藝評定考慮因素的一種方法。實際應用時，可根據(jù)焊接接頭的理化性能與極限因素的相關(guān)性，選取全部或部分極限因素參與焊接工藝評定過程。極限評定法能夠更好地實現(xiàn)承壓設(shè)備焊接工藝評定的目的。

2.2　極限評定主要變素

NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》[6]規(guī)定，①預熱溫度低于已評定合格指標50 ℃以上對于常用焊接方法，如焊條電弧焊(SMAW)、二氧化碳氣體保護焊(GMAW)、埋弧自動焊(SAW)、氬弧焊(GTAW)是一個主要變素。因此當用這些焊接方法焊接評定試板時，所采用的預熱溫度應盡可能的低，進而確定評定的最小預熱溫度。②道間最高溫度比經(jīng)評定記錄值高50 ℃以上對于常用的焊接方法是一個補加變素。因此當有沖擊要求并用這些焊接方法焊接評定試板時，道間溫度的控制應盡可能的大，進而確定評定的最大道間溫度。③增加線能量或單位長度焊道的熔敷金屬體積超過評定合格值對常用焊接方法是一個補加變素。因此當有沖擊要求并用這些焊接方法焊接試板時，焊接線能量的控制應盡可能的大，進而確定評定的最大線能量。單位長度熔敷金屬的體積跟線能量成正比，一般可以通過控制線能量來控制單位長度熔敷金屬的體積。④試件保溫時間不得少于焊件在制造過程中累計保溫時間的80%，否則應重新評定。因此，在進行工藝評定時，一般熱處理時間的控制應盡可能的長。綜上，承壓設(shè)備焊接工藝評定時，應做到預熱溫度盡可能低、道間溫度盡可能大、焊接線能量盡可能大及熱處理保溫時間盡可能長[7]。

2.3　極限評定應用注意事項

NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》中把預熱溫度比評定合格值降低50 ℃以上對常用焊接方法作為一個主要變素，說明了預熱溫度對接頭的力學性能和彎曲性能(沖擊韌性除外)有重大影響。ASME BPVC Ⅸ[8]對預熱溫度的定義為：the minimum temperature in the weld joint preparation immediately prior to the welding；or in the case of multiple pass welds, the minimum temperature in the section of the previously deposited weld metal, immediately prior to welding。從該定義可以看出對于多道焊，其中每一道焊前焊縫區(qū)域內(nèi)的最低溫度都叫預熱溫度。通常接頭的拉伸試樣和彎曲試樣取的都是全截面，因此各焊道預熱溫度的最低溫度，一般也都經(jīng)過了拉伸和彎曲試驗的驗證。但對于雙面焊試板，第一道焊縫的焊縫金屬在背面清根時可能會被全部清除，這樣評定得到的最低預熱溫度就跟第一道焊縫的預熱溫度沒有關(guān)系，不管第一道焊縫的預熱溫度有多低，都不能把該溫度當做評定得到的最低預熱溫度。

沖擊試樣的取樣厚度一般為10 mm，這10 mm厚度內(nèi)的焊縫金屬或者熱影響區(qū)施焊所用的焊接線能量、道間溫度均經(jīng)過了沖擊試驗的驗證。但若沖擊試樣每條焊道的線能量和道間溫度各不相同，把其中施焊的最大道間溫度作為評定的最大道間溫度、把施焊的最大線能量作為評定的最大線能量則是不合理的。因為沖擊韌性是指材料在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力[9]，所以沖擊試驗所得到的沖擊值可以看成沖擊試樣缺口外的每條焊道金屬或者熱影響區(qū)金屬吸收塑性變形功和斷裂功的和，當沖擊試樣的各道線能量和道間溫度有差異時，即使沖擊試驗能合格，也不能保證每道施焊的線能量和道間溫度都最大時焊縫和熱影響區(qū)的沖擊性也能合格。

雖然去應力熱處理名義上只是降低了焊接接頭的應力，但對某些材料(CrMo鋼和一些低溫鋼)，去應力熱處理對焊接接頭強度和沖擊性能也能產(chǎn)生不容忽略的影響。在一定范圍內(nèi)，去應力熱處理的時間越長，接頭的抗拉強度越低，沖擊性能越好。在評定時，一般選擇的去應力熱處理的保溫時間會盡可能長，而生產(chǎn)中所選擇的保溫時間會盡可能短，這樣就可能出現(xiàn)工藝評定合格但產(chǎn)品焊接試件卻不合格的情況。某公司曾進行過研究，試驗使用的試板材質(zhì)為09MnNiDR，規(guī)格(長×寬×厚)為600 mm×250 mm×18 mm，接頭形式見圖1。

圖1　焊接試樣接頭形式

焊接試樣每道道間溫度都為250 ℃，初始預熱到250 ℃，焊接完畢后分為5個試樣，分別試驗09MnNiDR試板在不同熱處理時間下的沖擊性能，試驗結(jié)果見表1。

表1　09MnNiDR試板在不同熱處理時間下沖擊性能

表1數(shù)據(jù)說明，對于09MnNiDR，使評定的熱處理時間盡可能長的常規(guī)做法是不合理的。當有熱處理要求時，對于某些材質(zhì)，在進行焊接工藝評定時宜焊接2副試板，2副試板除熱處理時間不同外其它變素都相同，一副試板的熱處理時間盡可能短，另一副試板的熱處理時間盡可能長，這種操作方法在CrMo鋼的焊接工藝評定中很常見。

2.4　國外標準規(guī)定

2.4.1RCC-M[10]

RCC-M《壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則焊接卷》對焊接工藝評定試板的焊接做出了如下規(guī)定，①剛開始焊接試板時，預熱溫度不得超過pWPS里規(guī)定的預熱溫度。至少一半厚度范圍內(nèi)的焊道的預熱溫度應盡可能接近規(guī)定的最低預熱溫度。例如，當預熱保持溫度比pWPS規(guī)定的最低預熱溫度小25 ℃時，若道間冷卻的時間間隔過長，實際預熱保持溫度與要求的預熱溫度就可能相差40 ℃。②當焊接完成一半時，為了達到和測量要求的道間溫度，后續(xù)過程應采用較高的溫度。試板的后熱溫度應為要求的最低值。

從上述2條規(guī)定中可以看出，RCC-M要求工藝評定試板焊接時前一半焊道焊接的預熱溫度和道間溫度應為pWPS規(guī)定的最低值或甚至低于要求的最低值，后一半焊接的預熱溫度和道間溫度為pWPS規(guī)定的最大值，試板的后熱溫度應為pWPS要求的最低值。

2.4.2AASHTO/AWS D1.5M/D1.5[11]

AASHTO/AWS D1.5M/D1.5《美國橋梁焊接規(guī)范》將熱輸入焊接工藝規(guī)范(WPS)分為兩種。一種為最大熱輸入WPS評定，評定焊接的電流要求為WPS的最大值，電壓要求為WPS的最大值，最小預熱與層間溫度為100 ℃，最大層間溫度同WPS中的規(guī)定。另一種為最大-最小焊接熱輸入WPS評定，評定焊接的最大熱輸入要求為WPS的最大值，最小熱輸入WPS評定要求為：電流要求為WPS的最小值，電壓要求為WPS的最小值，最小預熱溫度為10 ℃，最大預熱溫度為40 ℃，最大層間溫度為不超過50 ℃。

此外該標準還規(guī)定了產(chǎn)品工藝法評定，要求采用工藝評定試驗設(shè)定的電流、電壓、焊接速度、熱輸入值進行一組試驗。若試驗得到了滿意的焊縫，則在編制產(chǎn)品焊接工藝時，電流的增減均值不得超過焊接工藝評定報告(PQR)中記錄值的10%，電壓的增減均不得超過PQR中記錄值的7%，焊接速度的增減均不得超過PQR中記錄值的10%，SAW焊接速度的增減均不得超過PQR中記錄值的15%，熱輸入的增加量不得超過PQR中記錄值的10%，熱輸入的減小量不得超過PQR中記錄值的30%。

3　極限評定法應用實例

應用極限評定法進行焊接工藝評定，首先應明確要進行的評定需要考慮哪些極限因素，然后再根據(jù)極限因素對接頭理化性能的影響確定評定的pWPS，這要求焊接技術(shù)人員對評定材料的焊接性有一定程度的了解。

3.1　Q345R焊條電弧焊

Q345R焊接的冷裂敏感性和熱裂敏感性都比較低。實踐證明，40 mm厚的Q345R對接評定可以不進行預熱。采用焊條電弧焊進行焊接工藝評定時，無法做到每道的焊接線能量都相同。一般電流的波動為20～30 A，電壓波動為2～4 V。因此,評定應盡可能采用半機械化焊接，若實際條件不允許，則應由熟練的焊工來施焊，盡量使各道的線能量相差不大，以各道的最低線能量為評定的最大線能量。根據(jù)該PQR編制的WPS的最大線能量不得超過該值。

根據(jù)極限因素與Q345R接頭理化性能的關(guān)系，確定該焊接工藝評定所用的試板數(shù)量為2副，每副試板規(guī)格(長×寬×厚)均為600 mm×125 mm×40 mm，焊接位置為立焊，理化要求包括拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗和試板背面單道焊的沖擊試驗。2副試板的去應力熱處理要求分別為不做熱處理和620 ℃×8 h熱處理。

試板的詳細焊接要求為，①焊接必須由熟練的焊工完成，每條焊道應該均勻。②焊前不預熱。③10 mm厚度內(nèi)的焊道的道間溫度均為室溫。④其余焊道的道間溫度均為300 ℃，必要時通過加熱補溫。⑤所用焊材為?5 mm的J507，焊接線能量為43～45 kJ/mm。焊接過程中詳細記錄每一根焊條的施焊線能量和長度，若線能量不滿足要求的范圍，則去除干凈原焊道后重新施焊。⑥清根時清除厚度約6 mm。⑦清根后冷至室溫。⑧背面一道焊完。焊接線能量為40～42 kJ/mm。焊接過程中詳細記錄每一根焊條的施焊線能量，若線能量不滿足要求的范圍，則去除干凈原焊道后重新施焊。

需要指出的是，當焊接時的實際電流大時，電壓會相應增大，焊速也會加快。因此評定時必須詳細記錄每道的線能量。對于不熟悉的材料，可以通過預試驗來確定施焊的線能量上限，預試驗時理化試驗可以僅做沖擊試驗。

3.2　09MnNiDR埋弧焊

09MnNiDR鋼為鐵素體+少量珠光體型低溫鋼。焊接09MnNiDR時，應嚴格控制焊接線能量和道間溫度[12]。本評定采用埋弧焊施焊，線能量比較容易控制。根據(jù)極限因素與09MnNiDR接頭理化性能的關(guān)系，該焊接工藝評定所用的試板數(shù)量為2副，2副試板規(guī)格(長×寬×厚)分別為600 mm×125 mm×40 mm和125 mm×125 mm×40 mm，坡口形式見圖2，焊接位置為平焊。2副試板的理化要求分別為一副進行拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗，另一副僅進行沖擊試驗。2副試板的去應力熱處理要求分別為560 ℃×8 h和560 ℃×0.25 h。

圖2　09MnNiDR鋼焊接試樣接頭形式

試板的詳細焊接要求包括，①焊接必須由熟練的焊工完成。②焊前不預熱。③正面焊道的道間溫度均為150～170 ℃，必要時通過加熱補償。④焊接線能量為28～30 kJ/mm。焊接過程中詳細記錄每一道的施焊線能量，若線能量不滿足要求的范圍，則去除干凈原焊道后重新施焊。⑤清根時清除厚度不得超過10 mm。⑥清根后冷至室溫。⑦背面每道焊的道間溫度均為室溫。焊接線能量為28～30 kJ/mm。焊接過程中詳細記錄每一根焊條的施焊線能量，若線能量不滿足要求的范圍，則去除干凈原焊道后重新施焊。

4　結(jié)語

在進行承壓設(shè)備焊接工藝時應加強對焊接工藝參數(shù)和熱處理的重視。極限評定法根據(jù)材料的焊接性選擇合適的極限因素要求，通過選擇合適的線能量、道間溫度、預熱溫度和熱處理時間，進而保證焊接工藝評定結(jié)論的正確性。

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