鋼制壓力容器焊接工藝及焊后熱處理方法分析

于瑛琦　陳毅磊　賈思洋

摘? 要：焊接是鋼制壓力容器制造和安裝中重要的工序，焊接質(zhì)量直接關(guān)系到鋼制壓力容器在使用過程中的安全性和穩(wěn)定性，并且對壓力容器的工作性能和使用壽命具有決定性的影響。所以在焊接之前，應(yīng)該對焊件的材質(zhì)、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)類型以及焊接性能等進行全面的分析，然后制定出科學(xué)合理的焊接工藝，并且做好焊后熱處理工作，確保鋼制壓力容器的焊接質(zhì)量。文章主要對鋼制壓力容器（不銹鋼復(fù)合鋼板）的焊接工藝以及焊后熱處理方法進行分析，為進一步提升鋼制壓力容器的焊接質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼制;壓力容器;焊接工藝;焊后熱處理

中圖分類號：TG457 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）06-0118-02

Abstract： Welding is an important process in the manufacture and installation of steel pressure vessels. Welding quality is directly related to the safety and stability of steel pressure vessels in use， and has a decisive impact on the working performance and service life of pressure vessels. Therefore， before welding， the material， chemical composition， structure type and welding performance of the weldment should be comprehensively analyzed， and then a scientific and reasonable welding process should be worked out， and the post-welding heat treatment should be done well. Ensure the welding quality of steel pressure vessels. This paper mainly analyzes the welding technology and post-welding heat treatment method of steel pressure vessel （stainless steel composite steel plate）， in order to provide reference for further improving the welding quality of steel pressure vessel.

Keywords： steel; pressure vessel; welding process; post-weld heat treatment

壓力容器主要是指盛裝氣體或者液體且需要承載一定壓力的密閉設(shè)備，對安全性有較高的要求。其應(yīng)用范圍較廣，主要應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)中。焊接作為鋼制壓力容器制造和安裝中的重要工序，焊接技術(shù)會對壓力容器的安全性有直接的影響。在焊接的過程中，不同的焊接方法有不同的焊接工藝，同時，焊件的材質(zhì)、焊接環(huán)境、焊件結(jié)構(gòu)等都會影響到焊接質(zhì)量。焊接是一個局部迅速加熱和冷卻的過程，這種在短時間內(nèi)經(jīng)歷較大溫差變化的情況下，容易在焊件中產(chǎn)生應(yīng)力和變形，從而影響到焊接接頭的強度、塑性和韌性。為了消除這種應(yīng)力，避免焊接變形現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)該采取焊后熱處理工藝，減緩焊接后的冷卻速度，提高焊接質(zhì)量。

1 鋼制壓力容器焊接工藝

1.1 焊接方法

鋼制壓力容器的使用范圍比較廣泛，所以焊接方法也相對比較成熟，比較適應(yīng)的焊接方法有氣焊、焊條電弧焊、埋弧焊、等離子焊等。對于不銹鋼復(fù)合鋼板的焊接方法，焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、埋弧焊是比較常用的方法。在實際焊接過程中，還應(yīng)該根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)形式、形狀以及焊接位置等條件來選擇適宜的焊接方法。比如有些換熱器中的管箱和浮頭蓋基本都是復(fù)合材料，且焊接空間有限，直焊縫不長，就可以采取雙面焊的形式。使用焊條電弧焊的焊接方法，操作比較簡單，受焊件形狀與焊接位置的影響較小，焊接成本低且焊接品質(zhì)高。所以焊接方法的確定比較靈活，要根據(jù)實際情況具體分析采用哪種焊接方法更適合，從經(jīng)濟性、可行性、簡便性等方面綜合考慮，但是最基本的要素是保證焊接質(zhì)量。

1.2 焊接材料的選擇

因為鋼制壓力容器的材料比較復(fù)雜，所以在選擇焊接材料時應(yīng)該根據(jù)母材的性能以及焊接方法而決定。不銹復(fù)合鋼板是由不銹鋼和碳鋼或者低合金鋼組成的，不銹鋼主要承擔(dān)抗腐蝕性能，碳鋼或者低合金鋼板主要承擔(dān)結(jié)構(gòu)所需要的強度和剛度，所以不銹復(fù)合鋼板在物理性能和化學(xué)成分方面存在很大的差異性。對于不銹復(fù)合鋼板而言，在選擇焊接材料時可以遵循基層等強度和復(fù)層保證耐蝕性的原則。在對耐熱型低合金鋼相同鋼號相焊時，在焊接完成后焊縫金屬中的Cr、Mo的含量應(yīng)該與母材規(guī)定相當(dāng)，或者是與設(shè)計文件中規(guī)定的技術(shù)要求相符合;在高合金鋼相同鋼號相焊時，通常情況下需要考慮焊接材料的耐腐蝕性;不同鋼號的鋼材相焊時，因為兩側(cè)母材的抗拉強度不同，所以對焊接完成后焊縫金屬的抗拉強度值有一定的要求，要介于抗拉強度較低母材的下限值與抗拉強度較高母材的上限值之間，以確保焊接接頭的強度;如果使用能夠生成奧氏體焊縫金屬的焊接材料與非奧氏體母材進行焊接時，因為母材與焊縫金屬之間的膨脹系數(shù)不同，所以應(yīng)該充分考慮到焊接時產(chǎn)生的應(yīng)力作用;在奧氏體高合金鋼與碳素鋼、低合金鋼相焊時，應(yīng)該充分考慮焊縫金屬的抗裂性能和力學(xué)性能。以上是對鋼制壓力容器焊接時選擇焊接材料可能遇到的不同情況進行的簡要分析，在實際選擇時考慮的問題會更加全面。

1.3 焊接坡口制備、形式與接頭組對

鋼制壓力容器在進行焊接坡口制備時，對于碳素鋼和標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度下限值低于540MPa的強度型低合金鋼，冷加工或者熱加工都比較適用;對于耐熱型低合金鋼、高合金鋼和標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度下限值大于540MPa的強度型低合金鋼，冷加工方法比較適用。焊接前，將坡口表面的油污、銹跡和灰塵等清除干凈，可在不銹鋼坡口兩側(cè)采取一定的防護措施。坡口的形式一般有V形、X形、V和U聯(lián)合形，在具體選擇坡口形式時應(yīng)該充分考慮到焊接過渡層的特點。X形坡口比較常見，可以采用雙面焊的形式，焊接順序為先焊基層、再焊過渡層，最后焊復(fù)層。在實際焊接過程中，為了提高復(fù)層焊縫的耐腐蝕性能，降低復(fù)層表面的鏟磨工作量，避免復(fù)層焊縫多次受熱，應(yīng)該盡量減少復(fù)層焊接的工作量。復(fù)層是焊件組對的參考基準(zhǔn)，所以應(yīng)該嚴(yán)格控制復(fù)層錯邊量的誤差，避免因為錯邊量過大而降低復(fù)層的焊縫質(zhì)量。

1.4 焊接設(shè)備與環(huán)境

對于不銹鋼復(fù)合板焊接可以采用焊條電弧焊的方法，直流焊機在基層、過渡層和復(fù)層三種焊縫中都可適用，可選擇逆變焊接電源。

焊接環(huán)境是焊接工藝中需要控制的內(nèi)容之一，因為焊接環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速等會影響焊縫的焊接質(zhì)量。所以在焊接施工開始前，應(yīng)該對環(huán)境中的溫濕度以及風(fēng)速進行測量，一般在不銹鋼復(fù)合板表面0.5～1m的范圍內(nèi)進行測量。一般情況下，溫度在0℃以上，且風(fēng)速低于2m/s的環(huán)境下，可以進行焊接。如果在雨雪天氣，焊接溫度在0℃～-20℃之間時，應(yīng)該在焊點100mm范圍內(nèi)進行預(yù)熱，在溫度達到15℃以上時再進行焊接。不同的焊接方法對風(fēng)速有不同的要求，如果風(fēng)速超過要求范圍時，應(yīng)該采取相應(yīng)的防風(fēng)措施。

2 鋼制壓力容器焊后熱處理

2.1 焊后熱處理的作用

因為焊接施工是對焊件的局部區(qū)域進行加熱與冷卻的過程，在較短的時間內(nèi)施焊區(qū)域會受到高溫?zé)嵩春途植考s束應(yīng)力的共同作用，所以焊接接頭的各個位置在經(jīng)受不均勻的熱冷變化后，在焊接接頭中會存在焊接殘余應(yīng)力，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)內(nèi)的金屬在化學(xué)成分和金相組織都會發(fā)生很大的改變。為了改善焊接接頭的組織、性能和穩(wěn)定性，就需要采用焊后熱處理的方式，可以消除焊接接頭內(nèi)的殘余應(yīng)力，提高焊縫的耐腐蝕性能、沖擊韌性、強度和抗蠕變性能。

2.2 焊后熱處理的保溫溫度和保溫時間

保溫溫度和保溫時間是焊后熱處理工藝的重要參數(shù)，直接影響到焊后熱處理的效果。保溫溫度的確定首先要高于行業(yè)規(guī)定的最低溫度值，然后要判斷鋼材的屈服強度，確保在適宜的溫度下能夠使焊接接頭金屬產(chǎn)生一定的塑性變形，從而消除接頭中的殘余應(yīng)力。保溫溫度的控制還要考慮到鋼材中的氫能夠處于活躍狀態(tài)，使氫從鋼材中溢出，降低氫含量，防止焊縫出現(xiàn)冷裂紋。為了使鋼材的強度、硬度、塑性和韌性都能夠得到恢復(fù)，一般會將溫度控制在450℃以上，此時晶粒會再結(jié)晶，鋼材性能得以恢復(fù)。由于焊件的厚度、結(jié)構(gòu)不同，所以焊后熱處理的保溫時間會有所不同，在焊件較厚，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況下，為了減少溫差應(yīng)力的發(fā)生，應(yīng)該適當(dāng)延長保溫時間，以確保焊件內(nèi)外的溫度能夠達到均勻的狀態(tài)。對于碳鋼、低合金鋼來講，當(dāng)焊件加熱到某一溫度值后，組織轉(zhuǎn)變會經(jīng)歷孕育、轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)變結(jié)束三個時間段，為了獲得較為理想的組織和性能，在確定保溫溫度后就要確定最短保溫時間為實現(xiàn)組織轉(zhuǎn)變提供充足的時間。

我國在對鋼制焊件焊后熱處理中，對于最低保溫溫度和最短保溫時間有明確的規(guī)定，但是對于最高保溫溫度以及最長保溫時間卻沒有明確的規(guī)定，所以在焊后熱處理的實際操作中，工藝人員應(yīng)該充分發(fā)揮自己的專業(yè)性和實踐經(jīng)驗，在綜合各項要素的基礎(chǔ)上合理確定熱處理規(guī)程。

2.3 焊后熱處理方法

2.3.1 整體熱處理

整體熱處理常用于現(xiàn)場返修的直徑與容積都不大的壓力容器中，一般會采用燒嘴加熱或者電加熱的方式。如果采用燒嘴加熱，一般會在容器開口的位置放置一個或者多個燃油、燃氣燒嘴，以強制對流的方式均勻的加熱容器的殼體。為了能夠使殼體保持在一定的溫度范圍內(nèi)，一般會在容器外表面鋪設(shè)一層保溫層以減少溫度的流失。

2.3.2 局部熱處理

對于很多大型的鋼制壓力容器，在運輸時會受到體積的制約而無法進行整體運輸，所以需要在現(xiàn)場進行筒體、管道的焊接安裝，對于這類焊縫以及需要對焊接區(qū)進行局部修理的焊縫，都可以采用局部熱處理的方式。因為局部加熱會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，所以應(yīng)該在筒體、接管的焊區(qū)采用焊后熱處理。局部熱處理一般會采用電加熱的方式，操作簡單，容易控制，具體的操作規(guī)范可以參照國內(nèi)壓力容器制造標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語

壓力容器作為焊接成型設(shè)備，焊接質(zhì)量對壓力容器使用的安全性至關(guān)重要。而不同的材料所采用的焊接方法和焊接工藝也不相同，針對鋼制壓力容器的焊接工藝，應(yīng)該根據(jù)鋼制壓力容器在材質(zhì)、性能等方面的特點，選擇適宜的焊接方法，然后制定相應(yīng)的焊接工藝。在制定焊接工藝時，對于焊接方法的確定，焊材的選用，焊接工藝參數(shù)的確定等都應(yīng)該嚴(yán)格按照國家和行業(yè)的工藝標(biāo)準(zhǔn)操作，并且做好各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制。焊后熱處理是焊接工藝中最為重要的步驟，是消除焊接應(yīng)力的重要手段，所以要選擇適宜的焊后熱處理方法，并且做好質(zhì)量控制工作。

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