本科毕业设计锅炉压力容器的焊接材料选用职业技术学院.docx

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本科毕业设计锅炉压力容器的焊接材料选用职业技术学院

克拉玛依职业技术学院

毕业设计（论文）

锅炉、压力容器的焊接材料选用

系部：

机械工程系

专业：

焊接技术及自动化

班级：

焊接1331班

学生：

魏国安

学号：

13030320

指导教师：

郭君

2016年6月

目录

目录2

摘要3

第一章绪论4

1.1焊接材料选用的基本方法5

1.1.1焊接材料选用的依据4

1.1.2焊接材料的选择4

第二章实践中的焊接材料的选用与代用5

2.1碳素钢、低合金高强度钢的焊接材料的选用与代用5

2.2低合金耐热钢介绍5

2.3如何正确判定耐热钢的性能5

2.3.1低合金耐热钢焊接材料的选用6

2.4低合金低温钢焊接材料的选用6

2.4.1低温钢介绍6

2.4.2低温钢性能6

2.4.3低温钢焊接材料的选择7

2.5奥氏体不锈钢焊接材料的选用7

2.5.1不锈钢介绍7

2.5.2奥氏体不锈钢的性能7

2.5.3奥氏体不锈钢的焊接材料选用7

2.6焊条酸碱性的选用原则8

第三章结论9

致谢10

参考文献：

11

摘要

在锅炉压力容器制造业中，有很多刚入职的焊接技术人员，对焊接材料的选用依据有些模糊，尤其是在小企业存在焊接材料代用方面问题最多，本文就小型锅炉、压力容器制造企业在焊接材料的选用方法进行了简单地说明。

关键词：

锅炉；压力容器；焊接材料；

第一章绪论

NB/T47014—2011《承压设备焊接工艺评定》已经开始实施了。

该版本最大的变化是对焊接材料也进行了分组，从根本上减少了焊接工艺评定的数量，给焊接工程师提供了比较大的选择焊接材料的空间，有利于减少成本。

但很多小型锅炉、压力容器制造企业，由于焊接工艺人员变动频繁，没有形成良好的传、帮、带效应，容易在焊接材料的选用和代用上犯致命错误。

本文主要针对容易出现的问题进行了简单说明。

1.1焊接材料选用的基本方法

1.1.1焊接材料选用的依据

焊接材料选用的依据满足产品的使用性能是焊接材料选用的主要依据，其中使用性能包括：

强度、温度、腐蚀性、载荷性质。

这些数据在压力容器设计图样的数据表中都有明确地体现；而锅炉的这些数据不反映在图样上，是锅炉的设计文件之一：

强度计算中有详细说明。

仔细阅读产品的数据表，掌握产品的使用需求，是选择焊接材料第一步必做的事。

1.1.2焊接材料的选择

焊接材料的选用最直接的方法首先查阅母材的执行标准，掌握母材的性能（力学性能、高温性能、低温性能等）、化学成分，必要时可以计算其碳当量，为后面进行焊接工艺的制订提供数据。

根据被焊接材料的化学成分、强度（抗拉强度Rm、屈服强度ReL）和韧性（冲击试验温度、冲击吸收功）选择相匹配的焊接材料。

这样选择的焊接材料就能满足产品的使用要求，不必考虑其他要求。

需要指出的是：

“匹配”与“相近”、“相同”两个概念区别，“匹配”指的是该被焊材料的专用焊接材料，按焊接工艺要求焊接后，可以得到与母材具有几乎相同的性能。

这是一种最为简单且比较实用的方法，可以从《压力容器焊接规程》和焊接材料生产厂家的样本中很容易查到某一母材对应的焊接材料；“相近”是指熔敷金属的化学成分和力学性能相近，但化学成分和力学性能的偏差量不易控制，造成一种母材可以使用多种焊接材料；焊接材料与母材完全“相同”的很少，只有在钨极氩弧焊时偶尔使用，这是由焊接特殊性造成的。

第二章实践中的焊接材料的选用与代用

2.1碳素钢、低合金高强度钢的焊接材料的选用与代用

碳素钢、低合金高强度钢主要用于无腐蚀、无明显氧化的承载结构，温度在-20~425℃范围内。

目前大量的焊接结构基于此原则选用焊接材料，其选用焊接材料一般为等强度，也允许采用强度等级略高的焊接材料，在NB/T47014—2011中描述为“当用强度级别高的类别的填充金属代替强度级别低的类别的填充金属时，不需要重新进行焊接工艺评定”。

但选用中需要注意以下几个问题：

（1）要考虑厚度的影响，当达到一定厚度时，会因焊缝受到多次热循环，强度会降低［1］。

（2）热处理的影响。

锅炉、压力容器的热处理目前主要是消除应力热处理，加热温度一般在550~650℃，加热会消除应力的同时，也会使焊缝的强度降低约30~50MPa［2］。

（3）应力腐蚀的要求。

目前多采用强度高、价格低的材料，但在有应力腐蚀的工况多采用强度低的材料，主要是为了减小应力腐蚀的敏感性，在选择焊接材料时，要严格控制碳当量［3］，不能选用强度过高的焊接材料。

2.2低合金耐热钢介绍

低合金耐热钢指在高温下具有一定抗氧化能力和高温抗蠕变能力的钢材，主要在低合金高强度钢的基础上，增加Cr，Mo元素［4］，组织以铁素体为主，常见牌号有：

15Mo，12CrMo，15CrMo，12Cr1MoV等，中小企业一般都能用到12Cr1MoV，耐热温度再高的Cr2，Cr5，Cr9等类型耐热钢基本上不会用到。

2.3如何正确判定耐热钢的性能

要判断耐热钢的性能，可以从GB/T150—1998、《锅炉强度计算标准》《ASME锅炉压力容器规范》第Ⅱ卷D篇等标准给定的设计数据入手，掌握不同的耐热钢材料在不同温度下的许用应力，和允许的最高工作温度。

例如在GB/T150—1998《钢制压力容器》的表4-3中，15CrMo最高可以用在550℃，12Cr1MoV可以用在575℃；两种材料在同一温度条件下，12Cr1MoV的许用应力比15CrMor的高约10MPa，从而可以看出，12Cr1MoV比15CrMo耐热性高。

2.3.1低合金耐热钢焊接材料的选用

按照《压力容器焊接规程》推荐的焊接材料，仅低合金耐热钢中小企业就需要准备R207，R307，R307H，R317这4种牌号焊条、2种规格，再加上手工钨极氩弧焊、埋弧自动焊焊丝的2种牌号、1种规格，共计需要10种（牌号、规格）焊接材料，管理起来就会有很多困难。

焊条R317，焊丝H08CrMoVA是与12Cr1MoV钢相匹配的焊接材料，焊条R307、焊丝H08CrMoVA是与15CrMo钢相匹配的焊接材料，就可以认定为R317的耐热性能高于R307的，按照以高代低的原则，选用R317焊条可以焊接从15Mo到12Cr1MoV母材，从而整体成本也相差很少。

反之，12Cr1MoV钢在满足下列条件也可以使用R307的焊接材料：

①使用温度在550℃以下；②要对焊缝进行强度计算。

因为2种材料的常温强度相差很小，但在高温下强度相差很大。

这一点在锅炉集箱中使用是可行的。

锅炉集箱上需要有很多管孔，为了对开孔部位进行补强，需要增加集箱的厚度，而焊缝处不能开孔，因此存在很大的厚度余量。

经过严格的条件审核后，利用R307材料焊接12Cr1MoV钢是可行的。

在锅炉、压力容器焊接评定中，12Cr1MoV和15CrMo这2种材料定义为Fe-4类，不是一个组，其评定不可以互相代替。

不考虑工件的使用条件就用R307焊条焊接12Cr1MoV钢，会存在很大的安全隐患。

2.4低合金低温钢焊接材料的选用

2.4.1低温钢介绍

设备在低温下工作（低于-20℃）［5］，存在的主要问题时低温脆性，常通过控制合金成分、金属组织来保证低温性能，常用的牌号有16MnDR，15Mn-NiDR，09MnNiDR，10MnDG等。

2.4.2低温钢性能

不同材料，适用的低温等级是不同的，性能的关注点是材料标准中冲击试验的温度。

因此在选择焊接材料前，必须仔细研究材料的各种性能及保证的低温冲击韧性。

2.4.3低温钢焊接材料的选择

从低温钢的材料可以看出，可使用的温度越低，其常温强度也越低。

因此，它不能像低合金耐热钢一样进行归类。

在材料代用中，相对比较复杂。

以焊条选择为例，焊条材料根据GB5118—1995《低合金钢焊条》选择对应的强度及冲击试验温度与母材相匹配的焊条。

如果想代用，有2种方法，第1种就必须明确被焊接产品的最低使用温度。

因为设计者选用的母材材料的允许最低温度比实际使用温度低，根据产品的最低温度来确定焊接材料，在这一点，可以参考《ASME锅炉压力容器规范》第Ⅷ卷。

第二种方法是：

设计者在设计低温容器时，常采用“低温低应力工况”其产品的应力水平为常温屈服强度的1/6，因此存在着很大的厚度余量，可以用强度等级略低但低温冲击性能更好的材料来代用。

2.5奥氏体不锈钢焊接材料的选用

2.5.1不锈钢介绍

不锈钢用途广泛，主要是用于有腐蚀、高温（1200℃）、低温（-196℃）等工况。

按其成分和组织，分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、双相不锈钢。

其中，在锅炉、压力容器行业，奥氏体不锈钢应用最为广泛。

2.5.2奥氏体不锈钢的性能

奥氏体不锈钢材料强度方面相差很小，超低碳不锈钢一般在480MPa，低碳不锈钢强度在520MPa左右，而焊接材料中超低碳不锈钢焊材一般在520MPa，低碳不锈钢强度焊接材料在540MPa左右，标准规定的最低值比正常材料的实际测定值一般都低30~50MPa，用超低碳焊接材料来焊接低碳奥氏体不锈钢从强度方面是能够保证的，因此，强度对选用焊接材料的影响很小。

2.5.3奥氏体不锈钢的焊接材料选用

在选择焊接材料前，必须要明确产品的工况：

当主要满足耐腐蚀要求或低温要求时，应尽量选用超低碳奥氏体不锈钢焊接材料，这是由于耐腐蚀性主要取决于材料的成分，含碳量低的耐腐蚀能力强，含Cr量高的耐腐蚀能力也强；并且当不锈钢用于温度高于525℃时，钢中含碳量应不小于0.04%［6］。

因此，高温条件时不能使用超低碳的焊接材料。

按此方法，至少可以减少一半的焊材牌号，而如果再用含Ti的焊接材料代替不含Ti的焊接材料，又可以减少一些牌号。

2.6焊条酸碱性的选用原则

焊接材料酸碱性的选用。

碱性焊条焊缝的熔敷金属的扩散氢含量低，抗裂性能好，冲击韧性高而广泛用于重要的焊接结构中。

但它的工艺性能较差，主要是：

焊前清理要求严格，因为对水、油、锈相当敏感，容易产生缺陷，在使用前要严格烘干；焊接操作难度较大，对焊接人员的技能要求高。

酸性焊条的抗裂性能相对较差，冲击韧性相对较低，但酸性焊条具有良好的工艺性能，对焊前清理要求不高，对操作人员要求也不高。

作为特种设备的锅炉、压力容器对焊缝的要求主要表现在强度、塑性和冲击韧性上。

酸碱性焊条当熔敷金属成分相同时，其强度和塑性基本相同，主要表现在冲击韧性的不同。

影响冲击韧性的因素为温度。

温度越高，冲击韧性值越高。

按目前的标准，酸性焊条熔敷金属保证0℃冲击吸收功达到标准要求，而碱性焊条则保证熔敷金属-30℃冲击吸收功满足要求。

当产品的工作温度在0℃以上时，可以选用酸性焊条。

在ASME标准中，对于焊接材料选用要求有一条是：

选用的焊接材料的冲击温度必须低于工件的最低工作温度。

在某个大型锅炉压力容器制造企业，在碳素钢焊接中使用酸性焊接材料来焊接低压锅炉、压力容器，质量稳定，没有因为使用酸性焊条而影响产品的使用性能。

建议酸性焊条只在碳素结构钢、奥氏体不锈钢焊接中使用，要注意产品的使用温度。

在合金钢中不使用。

酸性焊条熔敷金属的w（O）为0.05%～0.07%，而低氢型焊条熔敷金属的为0.02%~0.03%，随着含氧量的增加，其强度、塑性、韧性明显下降，尤其是低温冲击韧性急剧下降，它还引起红脆、冷脆和时效硬化［1］，由于熔渣呈酸性，其脱硫、脱磷效果很差，从而抗裂性也很差。

第3章结论

作为小型、单件生产的企业焊接技术人员，在选择焊接材料时，不仅要考虑材料的匹配性，更应注重产品的使用性能研究，只有在保证质量的前提下，才能得心应手地选择和代用焊接材料，降低焊接成本。

作为NB/T47014—2011《承压设备焊接工艺评定》标准中，母材的分类和分组、焊接材料的分类和分组，只是在宏观上给予了评定互相代用。

不能因只满足标准要求，而不考虑产品的要求来选择焊接材料，会严重危害社会安全。

致谢

历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的问题，感谢老师和同学帮我解决了很多困难。

尤其要强烈感谢我的论文指导老师老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮我进行论文的修改。

另外，在图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也为我提供了很多方面的支持与帮助。

在此向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢！

感谢这篇论文所涉及到的各位学者。

本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。

感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。

由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，敬请各位老师、同学批评和指正！

参考文献：

［1］周振丰，张文钺.焊接冶金与金属焊接性［M］.北京：

机械工业出版社，1988.

［2］ASME锅炉压力容器规范第Ⅱ卷C篇［S］.北京：

中国石化出版社，2008：

33-34.

［3]HG20581—2011压力容器材料选用技术条件［S］.北京：

化学工业出版社，

2011：

50-55.

［4]王笑天.金属材料学［M］.北京：

机械工业出版社，1987：

185-189.

［5］GB/T150—1998钢制压力容器附录C［S］.北京：

中国标准出版社，1998：

141-144.

［6］潘家祯.压力容器材料实用手册———碳钢及合金钢［M］.北京：

化学工业出

版社，2000：

1.