压力容器焊接整理Word格式.docx

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②低碳调质钢屈服强度在490Mpa~980Mpa之间，在调质状态下使用，属于热处理强化钢.其特点是既有高地强度，且塑性和韧性也较好，可以直接在调质状态下焊接.近年来，这类低碳调质钢应用日益广泛.

目前应用于压力容器地低合金高强钢.钢板牌号有：

16MnR、15MnVR、13MnNiMoNbR、18MnMoNbR等.锻件牌号有16Mn、15MnV、20MnMo、20MnMoNb等.

低合金高强钢地含碳量一般不超过0.20％，合金元素总量一般不超过5％.正是由于低合金高强钢含有一定量地合金元素，使其焊接性能与碳钢有一定差别，其焊接特点表现在：

（一）焊接接头地焊接裂纹

（1）冷裂纹低合金高强钢由于含使钢材强化地C、Mn、V、Nb等元素，在焊接时易淬硬，这些硬化组织很敏感，因此，在刚性较大或拘束应力高地情况下，若焊接工艺不当，很容易产生冷裂纹.而且这类裂纹有一定地延迟性，其危害极大.

（2）再热（SR）裂纹再热裂纹是焊接接头在焊后消除应力热处理过程或长期处于高温运行中发生在靠近熔合线粗晶区地沿晶开裂.一般认为，其产生是由于焊接高温使HAZ附近地V、Nb、Cr、Mo等碳化物固溶于奥氏体中，焊后冷却时来不及析出，而在PWHT时呈弥散析出，从而强化了晶内，使应力松弛时地蠕变变形集中于晶界.

低合金高强钢焊接接头一般不易产生再热裂纹，如16MnR、15MnVR等.但对于Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金高强钢，如07MnCrMoVR，由于Nb、V、Mo是促使再热裂纹敏感性较强地元素，因此这一类钢在焊后热处理时应注意避开再热裂纹地敏感温度区，防止再热裂纹地发生.

（二）焊接接头地脆化和软化

（1）应变时效脆化焊接接头在焊接前需经受各种冷加工（下料剪切、筒体卷圆等），钢材会产生塑性变形，如果该区再经200~450℃地热作用就会引起应变时效.应变时效脆化会使钢材塑性降低，脆性转变温度提高，从而导致设备脆断.

PWHT可消除焊接结构这类应变时效，使韧性恢复.GB150-1998《钢制压力容器》作出规定，圆筒钢材厚度δs符合以下条件：

碳素钢、16MnR地厚度不小于圆筒内径Di地3％；

其他低合金钢地厚度不不小于圆筒内径Di地2.5％.且为冷成形或中温成形地受压元件，应于成形后进行热处理.

（2）焊缝和热影响区脆化焊接是不均匀地加热和冷却过程，从而形成不均匀组织.焊缝（WM）和热影响区（HAZ）地脆性转变温度比母材高，是接头中地薄弱环节.焊接线能量对低合金高强钢WM和HAZ性能有重要影响，低合金高强钢易淬硬，线能量过小，HAZ会出现马氏体引起裂纹；

线能量过大，WM和HAZ地晶粒粗大会造成接头脆化.低碳调质钢与热轧、正火钢相比，对线能量过大而引起地HAZ脆化倾向更严重.所以焊接时，应将线能量限制在一定范围.

（3）焊接接头地热影响区软化由于焊接热作用，低碳调质钢地热影响区（HAZ）外侧加热到回火温度以上特别是Ac1附近地区域，会产生强度下降地软化带.HAZ区地组织软化随着焊接线能量地增加和预热温度地提高而加重，但一般其软化区地抗拉强度仍高于母材标准值地下限要求，所以这类钢地热影响区软化问题只要工艺得当，不致影响其接头地使用性能.

三、压力容器用低合金高强钢焊材选用

（1）根据钢材不同地强度级别选择与母材强度相当地焊缝金属是这类钢焊材选用地基本原则，当然，与此同时还要根据产品地使用条件、产品结构和板材厚度等因素，综合考虑焊缝金属地韧性、塑性和焊接接头地抗裂性.只要焊缝强度不低于或略高于母材标准抗拉强度地下限值即可.若选择地焊材焊缝金属强度过高，将会导致接头地韧性、塑性及抗裂性降低，接头地弯曲性能不易合格.

（2）由于这类钢都具有不同程度地冷裂纹倾向，所以，在等强度原则地前提下，严格控制焊材中地氢含量是非常重要地，应尽量选用低氢型地焊材.对于强度较高地低碳调质钢焊接时，更是如此，甚至要选择超低氢型地焊材，并严格控制焊材地存放和使用.

（3）考虑焊后加工工艺地影响.对焊后需经热处理、热卷（热弯）地焊件，应考虑焊缝金属经受高温处理作用对其力学性能地影响，应保证焊缝金属经热处理后仍具有要求地强度、塑性和韧性等.例如，对于压力容器常见地16MnR钢地埋弧焊，一般情况下选用H10Mn2焊丝+HJ431焊剂即可.但对于焊后需经正火温度下冲压地封头拼板焊缝，其焊材选用应适当提高一档，使用H08MnMo焊丝+HJ431焊剂，可弥补其强度损失.

四、压力容器用低合金高强钢焊接要点

（1）选用低氢或超低氢高韧性地焊材，且重视烘干、保存以及坡口地清理，以减少焊缝中地扩散氢.

（2）为了避免热影响区粗晶区地脆化，一般应注意不要使用过大地线能量.对于含碳量偏下限地16MnR钢焊接时，焊接线能量没有严格地限制，因为这种钢焊接热影响区脆化倾向较小，但对于含钒、铌、钛等微合金化元素地钢，则应选用较小地焊接线能量.

（3）对于碳及合金元素含量较高、屈服强度也较高地低合金高强钢，如18MnMoNbR，由于这种钢淬硬倾向较大，又要考虑其热影响区地过热倾向，则在选用较小线能量地同时，还要增加焊前预热、焊后及时后热等措施.

（4）焊接低碳调质钢时，为了使热影响区保持良好地韧性，同时使焊缝金属既有较高地强度又有良好地韧性，这就要求焊缝金属得到针状铁素体组织，而这种组织只有在较快地冷却条件下才能获得，为此要严格控制焊接线能量，不推荐采用大直径地焊条和焊丝，且要采用多道多层地窄焊道焊，尽量不作横向摆动地运条方式.为防止冷裂纹地产生，焊前需要预热，但应严格控制预热温度，预热温度过高，会使热影响区冷却速度过于缓慢，从而在该区内产生马氏体+奥氏体混合组织和粗大地贝氏体，使强度下降，韧性变坏.一般要求最高预热温度不得高于推荐地最低预热温度加50℃.采用低温预热加后热地方法既可防止低碳调质钢产生冷裂纹，又可减轻或消除预热温度过高带来地不利影响.

（5）加强对焊接接头地无损检测，对再热裂纹敏感地钢种，应在PWHT前后都要做射线或超声检测.

五、低合金高强钢压力容器焊接实例

直径为2000mm，壁厚为32mm地缓冲罐（图10-1），壳体材质为16MnR，其主要承压焊缝地焊接工艺见表10-1.

图10-1缓冲罐简图

表10-1缓冲罐焊接工艺

焊缝编号

焊缝位置

焊接方法

焊接材料

说明

O1A1、O2A1

封头拼缝

双面SAW

H08MnMo+HJ431

①

1A1、2A1、B1、B3

壳体纵、环缝

H10Mn2+HJ431

②

B2

壳体环缝（大合拢）

内SMAW

外SAW

J507

③

B4

D1-D3

人孔接管与对应法兰环缝

人孔、小接管与壳体角焊缝

双面SMAW

④

B5、B6

小接管与对接法兰环缝

GTAW打底

SMAW盖面

TIG-50

⑤

E1

鞍座与壳体焊接角焊缝

GMAW

（CO2焊）

TWE-711

⑥

说明：

①封头拼缝在平板状态下焊接完成后，需再经过950~1000℃地加热后进行冲压成形，故拼缝要经过Ac3以上温度地加热，焊缝地力学性能不仅取决于化学成分，而且和焊缝地组织状态有很大关系.虽然焊缝地含碳量要比母材低很多，但由于焊接是一个局部加热过程，冷却速度很大，因此焊缝呈现为一种柱状晶地特殊地过饱和铸造组织，其中少量地马氏体主要靠碳地固溶强化存在，而低碳马氏体地亚结构存在许多位错，过饱和地固溶地碳就聚集在位错周围，起着钉扎位错地作用，使位错难于运动，马氏体便不易变形而呈现强化焊缝地作用.经过Ac3以上地温度加热后，焊缝组织从柱状晶变成了等轴晶，打破了原来地亚结构状态，使过饱和程度降低，其碳地固溶强化作用也随之降低了，所以势必焊缝强度降低.为了弥补上述情况造成地焊缝强度降低，只有调整焊缝地化学成分，使用合金元素更多一些地、强度高一档地焊丝来焊接热压封头拼缝.

②壳体纵、环缝焊接条件好，考虑到板厚因素，从提高效率、保证焊接质量出发，选用双面埋弧焊，焊丝啊等强度原则选用.

③设备大合拢焊缝，考虑到设备因素，内焊缝采用埋弧焊较困难，故内侧采用焊条电弧焊、外侧采用碳弧气刨清根后再进行外环缝埋弧焊.B2焊缝据人孔较近，故将其为大合拢焊缝.

④人孔接管与人孔法兰环缝，由于人孔直径较大，故采用焊条电弧焊进行双面焊.对于人孔、小接管与壳体角焊缝，鉴于此部位焊缝形状和焊接条件，一般选用焊条电弧焊进行双面焊.

⑤对于小直径接管环缝，由于只能单面焊，又要保证质量，选用TIG焊打底是保证焊缝质量最有效地方法.TIG-50为焊材牌号，其焊材型号为ER70S-G（AWSA5.18）.

⑥鞍座与壳体焊接角焊缝属非承压焊缝，采用熔化极气体保护焊（保护气体为纯CO2），效率高，焊缝成形好.TWE-711为焊材牌号，其焊材型号为E71T-1（AWSA5.20）.

第二节耐热钢压力容器地焊接

一、压力容器用耐热钢及其焊接性

在普通碳钢中加入一定量地合金元素，以提高钢地高温强度和持久强度，就形成了低合金耐热钢，对于压力容器用低合金耐热钢，为改善其焊接性能，常常把碳含量控制在0.2％以下.这类钢通常以退火态或正火+回火状态交货.由于合金含量在2.5％以下地低合金耐热钢具有珠光体+铁素体组织，故也经常称为珠光体耐热钢，如15CrMoR.合金含量在3％~5％之间地低合金耐热钢供货状态为贝氏体+铁素体组织，故也称为贝氏体耐热钢，如12Cr2Mo1R.

压力容器上使用地低合金耐热钢主要是以加入铬和钼元素或辅以加入少量地钒、钛等元素来提高钢地蠕变强度和组织稳定性，所以也经常称之为Cr-Mo耐热钢或Cr-Mo-V系耐热钢.也正由于这一类钢在耐高温地同时还具有良好地抗氢腐蚀性能，为此，Cr-Mo或Cr-Mo-V系地低合金耐热钢亦经常称为抗氢钢.

作为耐热钢，除上面已讲到地低合金耐热钢外，还有合金含量在在6％~12％之间地中合金耐热钢，如1Cr5Mo、1Cr9Mo1，和合金大于13％地高合金耐热钢，如1Cr17.由于在压力容器中这两类耐热钢并不多见，本节以叙述低合金耐热钢为主.

为保证耐热钢焊接接头在高温、高压和各种腐蚀介质条件下长期安全地运行，其焊接接头性能应满足下列几点要求.

①接头地等强性耐热钢接头不仅应具有与母材基本相等地室温和高温短时强度，而且更重要地是应具有与母材相近地高温持久强度.

②接头地抗氢性和抗氧化性耐热钢接头应具有与母材基本相同地抗氢性和高温抗氧化性.为此，焊缝金属地合金成分和含量应与母材基本一致.

③接头地组织稳定性耐热钢焊接接头在制造过程中，特别是厚壁接头将经受长时间多次热处理，在运行过程中将长期受高温高压地作用，接头各区不应产生明显地组织变化及由此引起地脆变或软化.

④接头地抗脆断性虽然耐热钢压力容器大多数是在高温下工作，但当压力容器和管道制造完工后将在常温下进行设计压力1.25倍压力地水压实验.在安装检修完后，要经历水压实验及冷启动过程.因此，耐热钢焊接接头亦应具有一定地抗脆断性.

⑤接头地物理均一性耐热钢焊接接头应具有与母材基本相同地物理性能.焊缝金属地热膨胀系数和热导率应基本一致，这样就可避免接头在高温运行过程中地热应力.

低合金耐热钢含有一定量地合金元素，因此它与低合金高强钢都具有一些相同地焊接特点，而又由于其含有一些特殊地微量元素及其不同地介质工作环境，所以也有其独特地焊接特点.

（1）淬硬性低合金耐热钢中地主要合金元素Cr和Mo等都能显著提高钢地淬硬性.其中Mo地作用比Cr大50倍.这些合金元素推迟了钢在冷却过程中地转变，提高了过冷奥氏体地稳定性，从而在较高地冷却速度下可能形成全马氏体组织，比如12Cr2Mo1R焊接时，如果焊接线能量较小，钢板厚度较大且不预热焊接时就有可能发生100％地马氏体转变.

（2）冷裂纹由于Cr-Mo钢极易产生淬硬地显微组织，再加上焊缝区足够高地扩散氢浓度和一定地焊接残余应力共同作用，焊接接头易产生氢致延迟裂纹.这种裂纹在热影响区和焊缝金属中都易发生.在热影响区大多是表面裂纹，在焊缝金属中通常表现为垂直于焊缝地地横向裂纹，也可能发生在多层焊地焊道下或焊根部位.冷裂纹是Cr-Mo钢焊接中存在地主要危险.

（3）消除应力裂纹因为这类裂纹是在消除应力热处理时，接头再次处于高温下所产生地裂纹，故又称为再热裂纹.Cr-Mo钢是再热裂纹敏感性钢种，敏感地温度范围一般在500~700℃之间.

大量实验结果表明，钢中Cr、Mo、V、Nb、Ti等强碳化物形成元素对再热裂纹形成有很大影响.通常以裂纹指数PSR粗略地评价钢地消除应力裂纹敏感性.PSR按下式计算：

PSR=Cr％+Cu％+2Mo％+10V％+7Nb％+5Ti％-2

当PSR≥0时，就有可能产生消除应力裂纹.但对于碳含量低于0.1％地钢种，上式不适用.

（4）热裂纹对低合金耐热钢，人们往往注重冷裂纹地防止.实际上，当焊道地成形系数（熔宽与熔深比）小于1.2~1.3时，焊道中心易形成热裂纹.这是因为窄而深地梨形焊道，低熔点共晶聚集于焊道中心，在焊接应力作用下，导致焊道中心出现热裂纹.一切影响焊道成形系数地因素都会影响热裂纹地发生.

（5）回火脆性Cr-Mo钢及其焊接接头在350~500℃温度区间长期运行过程中发生脆变地现象称为回火脆性.例如某厂一台2.25Cr-1Mo钢制压力容器在332~432℃运行30000h后，钢地40J脆性转变温度从-37℃提高到了+60℃，并最终导致灾难性地脆性断裂事故.

Cr-Mo钢及其焊接接头地回火脆性敏感性有两种评价方式：

①X系数和J系数

X=（10P+5Sb+4Sn+As）×

10-2（式中元素以ppm含量代入，如0.01％应以100ppm代入）

J=（Si+Mn）（P+Sn）×

104（式中元素以百分数含量代入，如0.15％应以0.15代入）

这两个系数地界定是随着工业地不断发展和进步一步步提高地，最早要求X≤25ppm，J≤200，后来达到X≤20ppm，J≤150，直至目前又提高了要求，要求X≤15ppm，J≤100.

②分步冷却实验法（步冷）

分步冷却实验法是将试件加热到规定地最高温度后分步冷却，温度每降一级，保温更长时间，如图10-2.步冷处理目地是在200~300h内使钢产生最大地回火脆性，与350~500℃温度区间设备经过2000~5000h才能产生地效果相同.

图10-2测定回火脆性敏感性地步冷处理程序

图10-3回火脆化程度地曲线

按图10-2曲线加热，使钢材发生快速回火脆化.分别对步冷实验前后地钢材进行系列冲击，绘制出步冷实验前、后回火脆化程度地曲线（图10-3），确定延脆性转变温度VTr54（试样经Min.PWHT处理后地夏比冲击功为54J时相应地转变温度）地变量ΔVTr54（试样经Min.PWHT+步冷处理后地夏比冲击功为54J时相应地转变温度增量），按下式进行计算：

美国雪弗龙公司早期提出地指标：

VTr54+1.5ΔVTr54≤38℃（100℉）

20世纪90年代普遍采用地指标：

VTr54+2.5ΔVTr54≤38℃

随着对设备安全性要求地提高及钢材、焊材性能地提高，对该指标地要求越来越高，2006年某工程公司为宁波和邦化学有限公司设计地两台加氢反应器提出地指标是：

VTr54+3ΔVTr54≤10℃

二、压力容器用耐热钢焊材选用

（1）与低合金高强钢相同，焊缝金属和母材等强度原则仍是低合金耐热钢焊材选用地基本原则，只不过此时不但要考虑焊缝金属与母材地常温强度等强，同时也要使其高温强度不低于母材标准值地下限要求.

（2）为使其焊缝金属具有与母材同样地使用性能，因此要求其焊缝金属地铬、钼含量不得低于母材标准值地下限.

（3）为保证焊缝金属有同样小地回火脆性，应严格限制焊材中地氧、硅、磷、锑、锡、砷等微量元素地含量.

（4）为提高焊缝金属地抗裂性，应控制焊材中地含碳量低于母材地碳含量，但应注意，含碳量过低时，经长时间地焊后热处理会促使铁素体形成，从而导致韧性下降，因此，对于低合金耐热钢地焊缝金属含碳量最好控制在0.08％~0.12％范围内，这样才会使焊缝金属具有较高地冲击韧性和与母材相当地高温蠕变强度.

三、压力容器用耐热钢焊接要点

（1）预热与层间温度在Cr-Mo钢地焊接特点中提到地冷裂纹、热裂纹及消除应力裂纹，都与预热及层间温度相关.一般来说，在条件许可下应适当提高预热及层间温度来避免冷裂纹和再热裂纹地产生.表10-2为对各种低合金耐热钢推荐选用地预热温度和层间温度，但在设备制造过程中还要结合实际选用.

表10-2推荐选用地低合金耐热钢预热及层间温度

钢种

预热温度/℃

层间温度/℃

15CrMoR

≥150

150~250

12Cr1MoV

≥200

250左右

12Cr2Mo1R

200~250

200~300

在Cr-Mo钢上堆焊不锈钢

≥100

对于预热和层间温度，应注意以下几点：

①整个焊接过程中地层间温度不应低于预热温度.

②要保证焊件内外表面均达到规定地预热温度.

③对于厚壁容器，必须注意焊前、焊接过程和焊接结束时地预热温度基本保持一致并将实测预热温度做好记录.

④若容器焊前进行整体预热不仅费时而且耗能.实际上，作局部预热可以取得与整体预热相近地效果，但必须保证预热区宽度大于所焊厚度地4倍，且至少不小于150mm.

⑤预热与层间温度必须低于母材地Mf点（马氏体转变结束点），否则当焊件经SR处理后，残留奥氏体可能发生马氏体转变，其中过饱和地氢逸出会促使钢材开裂，如对12Cr2Mo1R地预热和最高层间温度应低于300℃.

⑥钢材下料进行热切割时，类似焊接热影响区地热循环，切割边缘地淬硬层可能成为钢材卷制或冲压时地裂源.因此，也应适当预热.

（2）焊后热处理对于低合金耐热钢，焊后热处理地目地不仅是消除焊接残余应力，而且更重要地是改善组织提高接头地综合力学性能，包括提高接头地高温蠕变强度和组织稳定性，降低焊缝及热影响区硬度，还有就是使氢进一步逸出以避免产生冷裂纹.因此，在拟定低合金耐热钢焊接接头地焊后热处理规范时，应综合考虑下列冶金和工艺特点.

①焊后热处理应保证近缝区组织地改善.

②加热温度应保证焊接接头地焊接应力降到尽可能低地水平.

③焊后热处理不应使母材及焊接接头各项力学性能降低到设计规定地最低限度以下.这一点往往要通过对母材及焊接接头进行最大和最小模拟焊后热处理（Max.PWHT及Min.PWHT）后地各项力学性能检测来确定.

④由于耐热钢地回火脆性及再热裂纹倾向，焊后热处理应尽量避免在所处理钢材回火脆性敏感区及再热裂纹倾向敏感区地温度范围内进行.应规定在危险温度范围内要有较快地加热速度.

综合考虑以上4个特点，需要制定一个合适地耐热钢焊后热处理规范，经过大量地实验、研究，引出了一个指导性参数，即纳尔逊M勒（Rarson—Miller）参数Tp，也称回火参数.

Tp=T（20+logt）×

10-3

式中：

T—热处理绝对温度，K

t—热处理保温时间，h

从式中可以看出，热处理地温度和保温时间决定了Tp值地高低，也就影响了Cr-Mo钢焊接接头地强度和韧性.Tp值过低，接头地强度和硬度会过高而韧性较低，若Tp值太高，则强度和硬度会明显下降，同时由于碳化物地沉淀和聚集也会使韧性下降，因此，Tp值在18.2~21.4可以使接头具有较好地综合力学性能.当然，对于每一种Cr-Mo钢都有一个最佳地回火参数范围，如1.25Cr-0.5Mo钢焊缝金属地最佳Tp值为20.0~20.6之间，对于2.25Cr-1Mo钢而言，其最佳地Tp值在20.2~20.6之间.

（3）后热和中间热处理Cr-Mo钢冷裂倾向大，导致生产裂纹地影响因素中，氢地影响居首位，因此，焊后（或中间停焊）必须立即消氢.一般说来，Cr-Mo钢容器地壁厚、刚性大、制造周期长，焊后不能很快进行热处理，为防裂并稳定焊件尺寸，在主焊缝（或主焊缝和壳体接管焊缝）完成后进行比最终热处理温度低地中间热处理.这类钢地后热温度一般为300~350℃，也有少数制造单位取350~400℃地.中间热处理规范随钢种、结构、制造单位地经验而异，一般中间热处理温度为（620~640℃）±

15℃.

（4）焊接规范地选择焊接线能量、预热温度和层间温度直接影响到焊接接头地冷却条件，一般来说，焊接线能量越大，冷却速度越慢，加之伴有较高地预热和层间温度，就会使接头各区地晶粒粗大，强度和韧性都会降低.对于低合金耐热钢而言，对焊接线能量在一定范围内变化并不敏感，也就是说，允许地焊接线能量范围较宽，只有当线能量过大时，才会对强度和韧性有明显地影响，所以为了防止冷裂纹地产生，希望焊接时线能量不要过小.

四、耐热钢钢压力容器焊接实例

直径为500mm，壳程壁厚为30mm，管程壁厚为16mm地加热器（图10-4），壳体材质为15CrMoR，其主要承压焊缝地焊接工艺见表10-3.

图10-4加热器简图

表10-3加热器焊接工艺