壓力容器用鋼焊接技術(shù)探討

秦麗芳（兗礦濟(jì)寧化工裝備有限公司，山東濟(jì)寧272000）

0 引言

目前壓力容器用鋼品種越來越多，碳素鋼、低合金鋼、耐熱鋼、低溫鋼、不銹鋼等等。而鋼材的焊接過程是壓力容器制作過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的控制好壞將直接決定了該壓力容器的質(zhì)量等級、使用年限和安全性能。壓力容器的焊接特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：1.標(biāo)準(zhǔn)要求高；2.內(nèi)應(yīng)力復(fù)雜；3.焊接母材品種多，部分母材焊接工藝性較差；4.不斷增加的新工藝、新技術(shù)的推廣應(yīng)用；5.需專業(yè)技能工人操作；6.需有焊接工藝評定和規(guī)程的支撐。接下來我們根據(jù)材料的不同分別對其焊接注意要點(diǎn)進(jìn)行分析與探討。

1 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(shí)，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(gè)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(shí)還須考慮焊接接頭形式、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(shí)，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(shí)不需要預(yù)熱及控制層間溫度和后熱，整個(gè)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，焊接過程中保持層間溫度。2.采用低氫型或超低氫型焊條。3.定位焊時(shí)，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。

2 低合金鋼壓力容器的焊接

壓力容器廣泛采用的材料是低碳鋼、普通低合金高強(qiáng)度鋼、奧氏體不銹鋼，其中尤以普通低合金高強(qiáng)度鋼使用最普遍。由于低合金鋼不同壓力、容器工作溫度相差很大，因此對于不同工作溫度的壓力容器應(yīng)選用不同的材料。

強(qiáng)度高、塑韌性較好是低合金鋼典型特點(diǎn)。低合金鋼與低碳鋼的焊接是有所不同的，由于一定的合金元素的存在，會造成焊接接頭的脆化和軟化以及出現(xiàn)焊接裂紋。在焊接過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1.選用低氫或超低氫高韌性的焊接材料2.降低焊接線能量以避免熱影響區(qū)粗晶區(qū)的脆化。3.對于碳和合金元素含量較高、屈服點(diǎn)也較高的低合金鋼要增加焊前預(yù)熱、焊后及時(shí)后熱等措施。

低合金鋼往往都有冷裂傾向，因此在選用焊材時(shí)，應(yīng)遵循以下原則：1.在強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)，要盡量控制焊材中的氫含量；2.對于高強(qiáng)度的低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時(shí)，更應(yīng)嚴(yán)格控制氫含量；3.對于焊后需再次受熱的焊接件，應(yīng)考慮二次受熱對焊縫金屬力學(xué)性能的影響，以確保焊件受熱后力學(xué)性能仍滿足要求。

3 耐熱鋼壓力容器的焊接

壓力容器用低合金耐熱鋼，就是在普通碳鋼中加入一定量的Cr、Mo 等合金元素，其目的是保證鋼材在高溫下，仍能有較高的強(qiáng)度和持久強(qiáng)度。對于壓力容器用耐熱鋼，焊接過程應(yīng)滿足接頭的等強(qiáng)性、抗氫性和抗氧化性、組織的穩(wěn)定性、抗脆斷性等要求。

在焊接過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1.焊前預(yù)熱到一定溫度。2.嚴(yán)格控制層間溫度，在焊接過程中要控制層間溫度持續(xù)不低于預(yù)熱溫度。3.進(jìn)行焊后熱處理。其作用主要有兩個(gè)方面，一方面可消除焊接產(chǎn)生的應(yīng)力，另一方面可改善焊接接頭的力學(xué)性能。4.增加后熱和中間熱處理。氫元素是Cr-Mo鋼產(chǎn)生冷裂紋的主要因素，因此，焊后必須立即消氫，一般為300～350℃。

4 低溫壓力容器的焊接

壓力容器用低溫鋼，就是通過嚴(yán)格S、P 等有害元素，增加V、Al、Ti、Ni等合金元素，并進(jìn)行正火等熱處理從而使鋼材中的組織均勻，晶粒細(xì)化，使得鋼材在低溫下保證韌性，降低低溫脆化。

選用低溫鋼焊材時(shí)，應(yīng)盡量選用最少的有害雜質(zhì)的焊材以提高焊縫低溫韌性。對于含鎳低溫鋼，焊材的含鎳量應(yīng)稍高于母材，雖然增加焊接材料中的含鎳量，可以在一定程度上增加焊縫金屬的沖擊性能，但在某些特殊條件下，需要限制焊縫金屬中的含鎳量，如H2S 應(yīng)力腐蝕環(huán)境下，焊縫金屬的w(Ni)不得大于1.0%

在焊接過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1.采用小的焊接熱輸入。具體要求，焊接電流不宜過大，應(yīng)采用單道快速焊的手法，降低線能量，并利用多道焊多次加熱細(xì)化晶粒。2.選擇適當(dāng)?shù)暮附铀俣?。?dāng)焊速過快時(shí)，焊道中心易產(chǎn)生熱裂紋。3.低溫鋼在低溫使用時(shí)，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此在焊接時(shí)要盡量減少易造成應(yīng)力集中的缺陷。

5 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(shí)，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(shí)，焊接電流要比焊接碳鋼時(shí)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)膴W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(shí)，需控制焊縫金屬的奧氏體組織和鐵素體組織的比例。因此，在焊接雙相不銹鋼時(shí)，要嚴(yán)格控制焊接線能量，層間溫度和冷卻速度。為了獲得最佳的焊縫金屬性能，建議最高層間溫度控制在100℃。

6 壓力容器中異種鋼的焊接

壓力容器制作時(shí)，往往會出現(xiàn)兩種牌號不同的鋼材的焊接。由于不同鋼材的相組織、膨脹系數(shù)等不同，焊接異種鋼要比焊接同種鋼難焊得多。

異種鋼焊接特點(diǎn)復(fù)雜多變，歸納如下：1.其化學(xué)成分不均勻，進(jìn)而造成相組織不均勻，影響力學(xué)性能。2.焊縫熔合線的組織和成分不穩(wěn)定，易出現(xiàn)焊接缺陷。3.由于母材及焊縫的不同，其熱處理要求是不一致的，如果處理不當(dāng)，會嚴(yán)重?fù)p壞異種鋼接頭的力學(xué)性能。

異種鋼在焊接過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）合理選擇焊材；（2）合理選擇預(yù)熱溫度；（3）采用較低的線能量，以降低熔合比。

7 結(jié)語

壓力容器制作時(shí)，焊接過程為關(guān)鍵過程，焊接的好壞又由外因和內(nèi)因共同決定的。當(dāng)壓力容器出現(xiàn)焊接問題時(shí)，往往會造成壓力容器密封問題和結(jié)構(gòu)問題，進(jìn)而影響整臺壓力容器的使用性能。因此制作壓力容器時(shí)，各加工廠家要高度重視焊接工作，嚴(yán)格工藝紀(jì)律，控制好各個(gè)環(huán)節(jié)，完善工藝流程，提高壓力容器焊接質(zhì)量。