15CrMoR压力容器的焊接工艺设计.docx
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15CrMoR压力容器的焊接工艺设计
1绪论
1.1焊接技术概述
焊接是一种将材料永久性的连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。
几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足１克的微电子元件，在生产制造中都不同程度地应用到焊接技术。
焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。
近年来，焊接已由一个单一的加工工艺发展成为有科学基础有广泛应用范围和前景的焊接工程和焊接产业，在这些产业中，焊接在其中占有重要地位，是决定其产品使用安全的关键。
有些直接出焊接产品或在现场装焊接后投入使用，有些是作成主体结构然后在其上安装动力和机电设备后应用，有焊接结构的质量和安全保证在整体结构设计合理的情况下，主要决定与焊接联结部位的结构、材料匹配、工艺设计、先进的焊接制造工艺及设备和准确的无损检测技术，这些都决定了焊接联结部位的的内在和外观质量，形成了分布在各工业和基础设施建设部门各具特色的焊接结构行业，同时也形成了结构焊接需要的焊接设备行业和焊接材料行业。
这些行业是互相关联促进的行业。
焊接结构已有日新月异的发展:
在装备制造业结构中用焊接结构局部或全部代替铸件或锻件结构和由局部铸件或锻件焊接成组合结构是大重型结构发展的方向，可大大节约大型铸锻车间及其设备的基本建设投资和生产过程的能源消费，同时还可缩短生产周期;在各种建筑行业广泛采用钢质焊接结构代替钢筋混凝土结构，可达到大跨度、轻自重、工厂造、设计优、工程在建周期短、环境污染少，基础费用省，折除后材料可循环使用，因而符合目前绿色制造和资源循环利用建设节约型社会的大潮流。
目前我国微电子及IT行业中的发展，高强有色金属、光钎、超导和复合材料及高分子材料的应用，都对焊接工艺、设备和材料提出了很多新的要求，因而得到了相应发展。
1.2压力容器的分类
压力容器按其承受压力的高低分为常压容器和压力容器。
压力容器的分类方法很多，主要的分类方法有以下几种：
（1）按设计压力划分，可分为低压容器、中压容器、高压容器、超高压容器。
（2）按综合因素划分,在承压等级划分的基础上，综合压力容器工作介质的危害性（易燃，致毒等程度），可将压力容器分为Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类。
（3）按容器的用途划分,分为储罐类容器、锅炉气包容器、化工石油设备中的反应器、蒸煮球、合成塔等。
1.3常见的压力容器用钢
压力容器用钢常用的材质有：
马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢和珠光体钢。
其中，珠光体钢在500～600℃有良好的高温强度及工艺性能，价格较低，广泛用于制作600℃以下的耐热部件，其常见的钢种有：
16Mo、15CrMo、12Cr1MoV、12Cr2MoWVTiB、10Cr2Mo1、25Cr2Mo1V、20Cr3MoWV等。
其中以15CrMoR钢应用最为典型。
1.3.115CrMoR压力容器用钢的特点
15CrMoR钢属低合金耐热钢，供货状态为正火+回火，组织为铁素体+珠光体，亦称珠光体耐热钢。
其最高工作温度为550℃。
这种材料在高温下具有高温持久强度﹑蠕变强度﹑高的耐蚀性﹑抗氢能力﹑抗氧化能力和抗脆断能力。
15CrMoR钢的生产工艺如下：
冶炼：
采用电炉﹑平炉或纯顶氧吹转炉加炉外精炼工艺进行冶炼。
锻轧：
开始温度1200℃，终止温度850℃，锻轧后堆冷。
热处理：
930～960℃正火，670～700℃回火，保温2～3h。
当终轧温度规定的正火温度时，可以终轧代替正火。
常温下工作的重要零部件可进行调质处理，淬火温度（900±20℃）空冷，并在670℃左右进行回火处理。
1.3.215CrMoR压力容器用钢的应用
15CrMoR压力容器用钢是动力工业、石油工业等部门应用于高温条件下的重要结构材料之一，具有抗氧化性和较高的高温强度以及良好的耐热性能。
此材料广泛用于壁温小于或等于560℃的受热面管子，壁温小于或等于550℃的集箱和蒸气管道以及锅炉大型锻件。
15CrMoR钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工业部门中在高温下工作的零部件。
它不仅有很好的抗氧化性和热强性，还有比较好的抗硫腐蚀性能，并且是合金元素含量少，价格便宜，同时具有优良的工艺性能和物理性能，为其他的耐热材料所不及，所以应用很广泛。
当前，15CrMoR钢焊接结构已扩大应用于各个工业部门，在各类焊接结构中采用的低合金钢材料已超出百余种。
215CrMoR材料介绍
2.115CrMoR的化学成分及力学性能介绍
15CrMoR是在碳素钢的基础上加入一定的合金元素所构成,低合金钢中的合金元素一般不超过5%，以提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性。
主要用于制造各类中低压压力容器，其使用条件复杂，有的盛装易燃易爆物品，有的盛装有毒物品，这些易燃、易爆、有毒物品一旦泄漏，将会造成严重的环境污染并且危害人身安全，因此容器的质量好坏是保证人身安全、防止环境污染的关键所在。
15CrMoR作为压力容器用钢，应具备以下要求:
首先要具有足够的强度。
按现行压力容器设计标准，受压部件的强度计算是以弹性失效为设计准则，以理想化的薄壳理论为依据，虽然已经考虑了安全系数，但在开孔和几何形状不连续处的局部应力已接近或达到材料的屈服强度，因此15CrMoR钢必须具有足够的强度，特别是在经过热加工和多次热处理后要求钢材仍应保证强度性能不低于标准规定的下限值。
其次要具有优良的焊接性，压力容器用钢具有优良的焊接性能是保证产品焊接质量的首要条件。
第三要具有高的耐蚀性。
压力容器用钢应具有足够的耐蚀性以确保压力容器的长期安全运行。
与15CrMo低合金钢相比15CrMoR降低了S、P含量，对含碳量下限不作具体规定，化学成份见表1-1。
对钢板的表面、内部质量提出更高要求，规定不得有裂纹、结疤、折叠、气泡、夹杂、分层和白点，并经需方要求，应保证超声波探伤质量；同时规定了冲击韧性指标。
因此具有更好的塑性、韧性和焊接性能，更好的抗冷脆性能和较小的时效倾向，以保证压力容器的安全性和可靠性，以及低温韧性要求。
为了适应较恶劣的操作条件，进一步提高钢的强度和韧性可加入少量的钒、铌、镍等，它们都易于形成强碳化物，同时又细化晶粒，镍是提高钢的韧性，降低韧脆转变温度的最有效的元素。
它是使基体本身在低温不易于交叉滑移。
从以上的阐述可以看出，15CrMoR是一种机械性能和焊接加工性能高于碳钢的低合金钢，但也要注意它的使用范围和供货的要求，才能更好地保证压力容器选材的有效性、安全性和低成本性。
第四要具有良好的塑性和韧性。
压力容器用钢具有足够的塑性和韧性储备是压力容器抗脆断的必要条件之一，也是压力容器各种部件、封头、筒体、卷制、热压成形等制造工艺的需要。
15CrMoR符合GB6654—1996《压力容器用钢板》的要求,其化学成分和各项性能分别见表2-115CrMoR的化学成分、表2-215CrMoR的力学性能和冷弯性能、表2-315CrMoR的高温屈服强度和表2-415CrMoR的许用应力。
表2-115CrMoR的化学成分（质量分数%）
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
0.12～0.18
0.15～0.40
0.40～0.70
≤0.030
≤0.030
0.80～1.20
0.45～0.60
表2-215CrMoR的力学性能和冷弯性能
板厚（mm）
钢板状态
бb（Mpa）
бs（Mpa）
δ5（%）
Akv∕（J）
冷弯试验180°
6～60
正火加回火
450～590
≥295
≥19
≥31
d=3a
>60～100
≥275
≥18
表2-315CrMoR的高温屈服强度
钢板状态
板厚（mm）
在下列温度（℃）下的屈服强度（Mpa）不小于
100
150
200
250
300
350
400
450
500
正火加回火
36～60
270
255
240
225
210
200
189
179
174
>60～100
250
235
220
210
196
186
176
167
162
表2-415CrMoR的许用应力
钢板状态
板厚（mm）
在下列温度（℃）下的许用应力（Mpa）
≤20
100
150
200
250
300
350
400
425
450
475
500
正火加回火
6～60
150
150
150
150
141
131
125
118
115
112
110
88
>60～100
150
150
147
138
131
123
116
110
107
104
103
88
2.2合金元素在15CrMoR的作用
15CrMoR化学成分为:
C0.12～0.18%,Si0.15～0.40%,Mn0.40～0.70%.碳是最能提高钢材强度的元素,但也易于引起焊接淬硬及焊接裂纹,所以在保证强度的条件下,碳的加入量越少越好.低合金高强钢加入的合金元素有Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、V、Nb、B等,杂质元素P、S的含量要限制在较低的程度.各种合金元素对低合金钢组织和性能的影响是很复杂的,全面了解其中的规律性是研究、分析和预测各种低合金钢及其焊接接头性能的依据.
各种合金元素在不同程度上改变了钢的奥氏体转变动力学,直接影响钢的淬硬倾向.如C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni和Si等元素都能提高钢的淬硬倾向,而Ti、Nb、Ta等碳化物形成元素则降低钢的淬硬倾向.
15CrMoR中，氮作为一种合金元素被广泛应用。
按照氮在元素周期表中的位置和其原子半径判断，氮在钢中的作用与碳相似。
氮能与钢中的其他合金元素形成稳定的氮化物，这些氮化物往往以弥散的微粒分布，从而细化晶粒，提高钢的屈服点和抗脆能力。
Cr、Al、Ti和V合金元素对氮具有较高的亲和力，并能形成稳定的氮化物。
因此，为了充分发挥氮作为合金元素的作用，钢中必须同时加入Al、V和Ti等氮化物形成元素。
所有这些合金元素或者与Fe形成固溶体，或者形成碳化物（除了Ti、Nb和Ta），都产生了延迟奥氏体分解的作用，并由此提高了钢的淬硬倾向。
各种元素对15CrMoR的力学性能和工艺性能的影响，取决于它的含量和同时存在的其它合金元素。
热轧及正火条件下，合金元素对塑性和韧性的影响与其强化作用相反，即强化效果越大，塑性和韧性降低越多，当钢中的合金元素的含量超出一定范围后会出现韧性大幅度下降。
因此，为了保证良好的力学性能和焊接性，要求钢中的含碳量不大于0.22％。
此外，添加一些合金元素，如Mn、Cr、Mo、V、W、Ni、Si、B和Cu等。
添加这些合金元素主要是为了提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性。
这些元素可以推迟珠光体和贝氏体的转变，使产生马氏体转变的临界冷却速度降低。
15CrMoR具有较高的强度和良好的塑性、韧性和耐高温性，采用不同的合金成分和热处理工艺，可以获得不同性能的钢。
钢的强度级别不同，加入的合金元素及其含量也不同，成分设计既要能满足性能要求，又要能满足其经济性。
低合金钢的强度越高，屈服强度与抗拉强度比值就越小。
抗拉强度与屈服强度之比成为屈强比。
强度越高，屈强比越大。
低合金高强度钢的发展和在工程结构中的应用日益广泛促进了世界各国对其的开发研究工作的不断深入。
同时，冶金技术的进步，尤其是计算机自动控制在冶炼、控温、轧制和热处理等方面的应用，为焊接结构用合金钢的发展提
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