鋼制壓力容器焊接工藝及焊后熱處理方法分析

范鑫　姚菲

摘要：通過實(shí)驗(yàn)室模擬方式，系統(tǒng)分析了焊后熱處理（PWHT）工藝對(duì)345MPa級(jí)壓力容器用鋼板組織性能的影響，發(fā)現(xiàn)：在所涉PWHT工藝范圍內(nèi)，試驗(yàn)鋼組織類型、晶粒度未發(fā)生明顯變化;組織中珠光體內(nèi)滲碳體片層球化、鐵素體中亞結(jié)構(gòu)形成以及第二相彌散析出于鋼板性能影響均具有兩面性，其耦合作用下產(chǎn)生了試驗(yàn)鋼性能小幅度變化。但需注意，隨著熱處理溫度和保溫時(shí)間的進(jìn)一步升高與增長(zhǎng)，組織中第二相的聚集長(zhǎng)大勢(shì)必弱化其析出強(qiáng)化效果，晶界的嚴(yán)重弱化將導(dǎo)致鋼板塑性與沖擊韌性更大程度的降低。故相關(guān)鋼板產(chǎn)品研發(fā)與具體工程焊后熱處理方案制定，均應(yīng)結(jié)合并充分考慮多周期PWHT對(duì)鋼鐵材料的實(shí)際影響，并科學(xué)確定其合理性能裕度。

關(guān)鍵詞：壓力容器用鋼;焊后熱處理;組織性能;保溫時(shí)間

前言

隨著石化工業(yè)飛速發(fā)展，鋼制壓力容器被廣泛應(yīng)用于化工、石化等行業(yè)，并向著大型化、復(fù)雜化、專用化、高參數(shù)、嚴(yán)工況發(fā)展，其所用材料亦日趨高強(qiáng)化和壁厚化。作為焊接成型設(shè)備，由于焊接工藝短時(shí)間內(nèi)局部驟熱驟冷的特點(diǎn)，導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)中存在較大殘余應(yīng)力乃至產(chǎn)生變形，嚴(yán)重影響鋼制壓力容器在使用過程中的安全與穩(wěn)定，尤其結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型壓力容器。焊后熱處理是焊制壓力容器制造安裝過程中最后階段的關(guān)鍵工藝。通過合理的焊后熱處理，一方面改善焊接接頭組織，達(dá)到降低硬度、提高塑性和韌性的目的，進(jìn)而防止焊縫裂紋產(chǎn)生;另一方面消除整體結(jié)構(gòu)組裝與焊接時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，穩(wěn)定設(shè)備幾何尺寸，提高其安全裕度與使用壽命。

1鋼制壓力容器焊接工藝

1.1焊接方法

鋼制壓力容器應(yīng)用廣泛，焊接方法相對(duì)成熟，適用的焊接方法有氣焊、電弧焊、埋弧焊、等離子焊等。不銹鋼復(fù)合板的焊接方法一般有電弧焊、鎢極氬弧焊和埋弧焊。在實(shí)際焊接過程中，應(yīng)根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)、形狀和焊接位置選擇合適的焊接方法。例如，在一些換熱器中，管箱和浮頭罩基本上是復(fù)合材料，焊接空間有限，直縫不長(zhǎng)，可以采用雙面焊。采用電弧焊的焊接方法，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，焊件形狀和焊接位置的影響小，焊接成本低，焊接質(zhì)量高。具體應(yīng)用時(shí)，焊接方法的確定較為靈活，需根據(jù)實(shí)際情況分析哪種焊接方法更合適，從經(jīng)濟(jì)性、可行性、簡(jiǎn)便性等方面綜合考慮，但最基本的是要保證焊接質(zhì)量。

1.2焊接材料的選擇

由于鋼制壓力容器材料復(fù)雜，焊接材料的選擇應(yīng)根據(jù)母材性能和焊接方法來確定。不銹鋼復(fù)合板由不銹鋼和碳鋼或低合金鋼組成，不銹鋼耐腐蝕，碳鋼或低合金鋼板可承受結(jié)構(gòu)所需的強(qiáng)度和剛度，因此不銹鋼復(fù)合板的物理性能和化學(xué)成分存在很大差異。對(duì)于不銹鋼復(fù)合板，在選擇焊接材料時(shí)，可遵循基體等強(qiáng)度和涂層保證耐腐蝕的原則。耐熱低合金鋼采用同一鋼種焊接時(shí)，焊后焊縫金屬中鉻、鉬的含量應(yīng)與母材中規(guī)定的含量相當(dāng)，或符合設(shè)計(jì)文件規(guī)定的技術(shù)要求;高合金鋼與同一鋼種焊接時(shí)，一般應(yīng)考慮焊接材料的耐腐蝕性;當(dāng)焊接不同鋼種時(shí)，由于兩側(cè)母材的抗拉強(qiáng)度不同，對(duì)焊接后焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度值有一定的要求，其值應(yīng)介于抗拉強(qiáng)度較低的母材的下限值和抗拉強(qiáng)度較高的母材的上限值之間，以保證焊接接頭的強(qiáng)度;如果使用能產(chǎn)生奧氏體焊縫金屬和非奧氏體母材的焊接材料進(jìn)行焊接，由于母材與焊縫金屬膨脹系數(shù)不同，應(yīng)充分考慮焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力效應(yīng);奧氏體高合金鋼與碳鋼、低合金鋼焊接時(shí)，應(yīng)充分考慮焊縫金屬的抗裂性和力學(xué)性能。以上是對(duì)鋼制壓力容器焊接材料選擇時(shí)可能遇到的不同情況的簡(jiǎn)要分析，實(shí)際選擇中考慮的問題需更加全面。

1.3焊接設(shè)備與環(huán)境

不銹鋼復(fù)合板的焊接可采用電弧焊的方法。直流焊機(jī)可用于基層、過渡層和熔覆層三種焊縫，并可選用逆變焊接電源。焊接環(huán)境是焊接過程中需要控制的內(nèi)容之一，因?yàn)楹附迎h(huán)境的溫度、濕度和風(fēng)速都會(huì)影響焊接質(zhì)量。因此，在焊接施工前，應(yīng)測(cè)量環(huán)境中的溫度、濕度和風(fēng)速。在不銹鋼復(fù)合板表面0.5～1m范圍內(nèi)，可在0℃以上、風(fēng)速2m/s以下的環(huán)境下進(jìn)行焊接;雨雪天氣焊接溫度在0～20℃時(shí)，應(yīng)在距焊點(diǎn)100mm范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，焊接應(yīng)在15℃以上進(jìn)行。不同的焊接方法對(duì)風(fēng)速有不同的要求，風(fēng)速超過規(guī)定范圍時(shí)，應(yīng)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?yàn)楹附邮┕な菍?duì)焊件的局部區(qū)域進(jìn)行加熱與冷卻的過程，在較短的時(shí)間內(nèi)施焊區(qū)域會(huì)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(gè)位置在經(jīng)受不均勻的熱冷變化后，在焊接接頭中會(huì)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(huì)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(qiáng)度和抗蠕變性能。

2.2焊后熱處理的保溫溫度和保溫時(shí)間

保溫溫度和保溫時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度、硬度、塑性和韌性都能夠得到恢復(fù)，一般會(huì)將溫度控制在450℃以上，此時(shí)晶粒會(huì)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(shí)間會(huì)有所不同。

3結(jié)束語

壓力容器作為一種焊接成形設(shè)備，其焊接質(zhì)量對(duì)其使用安全至關(guān)重要。不同的材料采用不同的焊接方法和焊接工藝。根據(jù)鋼制壓力容器的焊接工藝，應(yīng)根據(jù)鋼制壓力容器在材料和性能上的特點(diǎn)，選擇合適的焊接方法，然后制定相應(yīng)的焊接工藝。在制定焊接工藝時(shí)，焊接方法的確定、焊接材料的選擇和焊接工藝參數(shù)的確定，應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家和行業(yè)工藝標(biāo)準(zhǔn)，做好各環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制。焊后熱處理是焊接過程中最重要的一步，也是消除焊接應(yīng)力的重要手段，因此有必要選擇合適的焊后熱處理方法，做好質(zhì)量控制。

參考文獻(xiàn)

[1]周艷.低溫鋼制壓力容器焊接工藝綜述[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2017（4）：77-78.