壓力容器制造過(guò)程中異種鋼焊接工藝及無(wú)損檢測(cè)方法研究

姚小靜，韓偉，韓明，李俊婷，岳明

山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司 （山東 濟(jì)南 250101）

《固容規(guī)》提出對(duì)異種鋼焊接進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)，主要是考慮異種鋼焊接后容易產(chǎn)生焊接缺陷。但目前安全技術(shù)規(guī)范及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)并未明確規(guī)定異種鋼的具體概念，雖然國(guó)家質(zhì)檢總局給出了相應(yīng)的解釋，但在實(shí)際工作中依然存在爭(zhēng)議。筆者查閱了相關(guān)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)資料，對(duì)異種鋼的概念、焊接和檢驗(yàn)要求進(jìn)行了研究分析，希望能對(duì)制造壓力容器有一定的指導(dǎo)意義。

1 異種鋼的概念及焊接注意事項(xiàng)

1.1 異種鋼的概念

目前沒有相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)明確給出異種鋼的概念，筆者查閱了相關(guān)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)及書籍，有關(guān)異種鋼（異類別鋼、異種金屬）的有關(guān)規(guī)定見表1。從鋼材化學(xué)成分、力學(xué)性能、焊接性能對(duì)承壓設(shè)備常用材料進(jìn)行類別和組別劃分，劃分類別見表2。

表1 異種金屬的有關(guān)概念

表2 常用法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中壓力容器常用材料類別

從表1和表2可知，制造壓力容器過(guò)程中，有關(guān)異種鋼的分類是在保證其焊接接頭性能的前提下，兼顧母材化學(xué)成分和焊接性能，因此應(yīng)按照金相組織來(lái)區(qū)分是否為異種鋼。但考慮到珠光體、貝氏體和馬氏體耐熱鋼化學(xué)成分與性能和普通的珠光體鋼存在較大差異，故從工程應(yīng)用角度出發(fā)認(rèn)為該類焊接接頭也應(yīng)參考異種鋼分類管理。

1.2 異種鋼焊接注意事項(xiàng)

異種鋼焊接的突出問(wèn)題[1]在于焊母材成分與焊縫成分相差較大時(shí)，在母材與焊縫之間有可能發(fā)生碳的擴(kuò)散遷移，并由此引起熔合線附近熱影響區(qū)的組織和性能變化，主要表現(xiàn)為熔合線附近金屬韌性下降。因此，異種金屬的焊接性除了必須考慮異種金屬本身固有的性質(zhì)和它們之間可能發(fā)生的相互作用外，還必須結(jié)合焊接方法進(jìn)行分析判斷，從而為正確選擇焊接方法、制定焊接工藝提供依據(jù)。

1.2.1 焊接方法

焊接是通過(guò)加熱或加壓，或兩者并用，并且不用填充材料，使工件達(dá)到結(jié)合的一種方法[6]。由此可知，若是兩種金屬可以無(wú)限或有限固溶，則這些異種金屬組合的焊接性通常都較好，容易適應(yīng)各種焊接方法。對(duì)于制造壓力容器來(lái)說(shuō)，大部分的焊接方法均可用于異種鋼的焊接，但在一般生產(chǎn)條件下焊條電弧焊使用最方便，因?yàn)楹笚l種類多，可以根據(jù)不同異種鋼的組合靈活選用，適應(yīng)性較強(qiáng)。對(duì)于A、B類焊縫，可采用埋弧自動(dòng)焊或機(jī)械化的鎢極氬弧焊?？傊?，異種鋼焊接方法應(yīng)結(jié)合具體的母材種類就設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝需要進(jìn)行選擇。

1.2.2 焊接材料

金相組織接近時(shí)，焊接材料的選擇應(yīng)要求焊縫金屬的力學(xué)性能（耐熱性等其他性能不低于母材中性能要求較低一側(cè)的指標(biāo)），即等強(qiáng)匹配原則。金相組織差別較大時(shí)，充分考慮填充金屬稀釋后，焊接接頭性能仍能得到有效保障，既要考慮等強(qiáng)匹配，也要考慮其工藝性能（如耐蝕性、耐高溫等）。

1.2.3 坡口角度

焊接過(guò)程中坡口角度的設(shè)置除了與母材的厚度有關(guān)外，還應(yīng)考慮熔合比，因?yàn)槿酆媳扔绊懫浠瘜W(xué)成分和力學(xué)性能，因此應(yīng)采用小熔合比，盡量減少焊縫金屬的化學(xué)成分和性能的波動(dòng)，以保證熔敷金屬的性能滿足要求。

1.2.4 焊接參數(shù)

工程實(shí)踐證明，縫層數(shù)越多，熔合比越小，因此應(yīng)盡量采用多層焊。同時(shí)為了減小熔深，降低焊縫稀釋，采用小電流、快速焊接，此外應(yīng)根據(jù)材料種類，控制層間溫度。

1.2.5 預(yù)熱及焊后熱處理

預(yù)熱的目的主要是降低焊接接頭的淬火裂紋傾向，預(yù)熱是按照淬硬傾向較高的鋼種確定。焊后熱處理的目的主要是為了改善接頭的組織和性能，消除部分殘余應(yīng)力，并促使焊縫金屬中氫逸出。因此當(dāng)焊縫金相組織與其母材相同時(shí)，可以按照合金含量較高的鋼種確定熱處理工藝參數(shù)。

總之，壓力容器制造過(guò)程中，應(yīng)經(jīng)過(guò)焊接工藝評(píng)定，確定合理的焊接工藝參數(shù)，有利于保障其焊接接頭的力學(xué)性能和工藝性能。

2 異種鋼無(wú)損檢測(cè)方法的選擇

金相組織接近的異種鋼，其無(wú)損檢測(cè)與常規(guī)檢測(cè)并無(wú)較大差別。但組織差別較大的異種鋼焊接時(shí)，則容易在較低側(cè)熔合區(qū)產(chǎn)生裂紋等缺陷，如壓力容器異種鋼焊接主要為奧氏體與珠光體，其焊縫組織同為奧氏體，容易在珠光體側(cè)熔合區(qū)產(chǎn)生裂紋，因此檢測(cè)方法的選擇應(yīng)有利于熔合區(qū)裂紋的檢出。

2.1 射線檢測(cè)

壓力容器無(wú)損檢測(cè)通常均為射線探傷，王勇剛[7]認(rèn)為射線探傷對(duì)裂紋等面狀缺陷的檢出率，除了與射線透照的能量、焦距、曝光時(shí)間等參數(shù)有關(guān)，還取決于缺陷本身的深度、密度以及缺陷與射線束的夾角。周江[8]認(rèn)為異種鋼焊接裂紋通常是沿著坡口發(fā)展的，因此在進(jìn)行射線探傷時(shí)，應(yīng)將射線探傷工藝進(jìn)行改進(jìn)，沿著熔合區(qū)進(jìn)行兩次相距180°的探傷工藝，即沿著缺陷可能發(fā)展的方向進(jìn)行探傷，同時(shí)為了使幾何清晰度達(dá)到最小，使最有可能出現(xiàn)裂紋的珠光體坡口側(cè)在底片側(cè)。由此可見，對(duì)于熔合區(qū)裂紋的檢測(cè)應(yīng)結(jié)合設(shè)備的形狀及坡口形式，合理地選擇射線探傷工藝。

2.2 超聲檢測(cè)

由于異種鋼焊接焊縫組織為奧氏體，其晶粒粗大、組織不均勻?qū)е赂飨虍愋院吐晫W(xué)性能的變化。因此NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》[9]附錄I明確規(guī)定，對(duì)于奧氏體不銹鋼超聲檢測(cè)，應(yīng)制作對(duì)比試塊，結(jié)合受檢設(shè)備的結(jié)構(gòu)合理選擇探頭，通過(guò)試塊確定距離-波幅曲線，進(jìn)行超聲波檢測(cè)設(shè)備的調(diào)試。

2.3 滲透檢測(cè)

由于焊縫組織為奧氏體組織，因此應(yīng)對(duì)裂紋檢出率較高的溶劑去除滲透檢測(cè)，此外應(yīng)選擇滲透能力強(qiáng)、靈敏度高的DPT-5型滲透探傷劑。同時(shí)考慮到氯離子晶間腐蝕，應(yīng)控制滲透探傷劑中硫、氯、氟含量滿足要求。滲透時(shí)間應(yīng)保證10 min以上，去除殘留滲透劑應(yīng)采用擦拭法，注意擦拭方式，不得往復(fù)擦拭。顯像噴霧應(yīng)薄而均勻，不得有水柱，現(xiàn)象時(shí)間不小于7 min，并及時(shí)觀察。

3 結(jié)論

1）比較分析了壓力容器用異種鋼的概念，即應(yīng)以金相組織來(lái)確定是否為異種鋼，即A+P、A+M、A+B、M+P、M+B、B+P、鎳及鎳合金與其他金屬之間的焊接接頭。

2）應(yīng)結(jié)合壓力容器結(jié)構(gòu)，合理選擇焊接工藝，以確保焊接接頭的力學(xué)性能和工藝性能，特別是強(qiáng)度較低側(cè)熔合線附近的金屬韌性符合要求。

3）無(wú)損檢測(cè)工藝應(yīng)有利于較低側(cè)坡口裂紋的檢出，應(yīng)結(jié)合焊接接頭結(jié)構(gòu)確定超聲波試塊及檢測(cè)工藝，滲透探傷應(yīng)注意奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕。