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碳钢、低合金高强钢压力容器的焊接


  随着工程焊接技术的迅速发展,现代压力容器也已发展成典型的全焊结构。压力容器的焊接成为压力容器制造过程中最重要最关键的一个环节,焊接质量直接影响压力容器的质量。
  一、压力容器用碳钢的焊接
  碳钢以铁为基础,以碳为合金元素,含量?#35805;?#19981;超过1.0%。此外,含锰量不超过1.2%,含硅量不超过0.5%,SI、MN皆不作为合金元素。而其他元素,如NI、CR、CU等,控制在残余量限度内,更不是合金元素。S、P、O、N等作为杂质元素,根据钢材品种和等级,也都有严格限制。
  碳钢根据含碳量的不同,分为低碳钢(C≤0.30%)、中碳钢(C=0.30%~0.60%)、高碳钢(C≥0.60%)。压力容器主要受压元件用碳钢,主要限于低碳钢。在《容规》中规定:“用于焊接结构压力容器主要受压元件的碳素钢和低合金钢,其含碳量不应大于0.25%。在特殊条件下,如选?#29028;?#30899;量超过0.25%的钢材,应限定碳当量不大于0.45%,由制造单位征得用户同意,并经制造单位压力容器技术总负责人批准,并按相关规定办理批准?#20013;?rdquo;。
  常用的压力容器用碳钢牌号有Q235-B、Q235-C、10、20、20R等。
  (一)低碳钢焊接特点
  低碳钢含碳量低,锰、硅含量少,在通常情况下?#25442;?#22240;焊接而引起?#29616;?#32452;织?#19981;?#25110;出现淬火组织。这种钢的塑性和冲击韧?#26434;?#33391;,其焊接?#27833;返?#22609;性、韧性也极其良好。焊?#37038;幣话?#19981;需预热和后热,不需采取特殊的工艺措施,即可获得质量满意的焊接?#27833;罰?#25925;低碳钢钢具有优良的焊?#26377;?#33021;,是所有钢材中焊?#26377;?#33021;最好的钢种。
  (二)低碳钢焊接要点
  (1)埋弧焊时若焊接线能量过大,会使热影响区粗晶区的晶粒过于粗大,甚至会产生魏氏组织,从而使?#20204;?#30340;冲击韧性和弯曲性能降低,导致冲击韧性和弯曲性能不合格。故在使用埋弧焊焊接,尤其是焊接厚板时,应严格按经焊接工艺评定合格的焊接线能量施焊。
  (2)在现场低温条件下焊接、焊接厚度或刚性较大的焊缝时,由于焊接?#27833;?#20919;却速度较快,冷裂纹的倾向增大。为避免焊接裂纹,应采取焊前预热等措施。
  二、压力容器用低合金高强钢及其焊接特点
  在钢中除碳外少量加入一种或多种合金元素(合金元素总量在5%以下),以提高钢的力学性能,使其屈服强度在275MPA以上,并具有良好的综合性能,这类钢称之为低合金高强钢,其主要特点是强度高、塑性和韧性也较好。?#38180;?#30340;屈服强度级别及热处理状态,压力容器用低合金高强钢可分为二类。
  ①热轧、正火钢屈服强度在294MPA~490MPA之间,其使用状态为热轧、正火或控轧状态,属于非热处理强化钢,这类钢应用最为广泛。
  ②低碳调质钢屈服强度在490MPA~980MPA之间,在调?#39318;?#24577;下使用,属于热处理强化钢。其特点是既有高的强度,且塑性和韧性也较好,可以直接在调?#39318;?#24577;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的低合金高强钢。钢板牌号有:16MNR、15MNVR、13MNNIMONBR、18MNMONBR等。?#22270;?#29260;号有16MN、15MNV、20MNMO、20MNMONB等。
  低合金高强钢的含碳量?#35805;?#19981;超过0.20%,合金元素总量?#35805;?#19981;超过5%。正是由于低合金高强钢含有?#27426;?#37327;的合金元素,使其焊?#26377;?#33021;与碳钢有?#27426;?#24046;别,其焊接特点表现在:
  (一)焊接?#27833;返?#28938;接裂纹
  (1)冷裂纹低合金高强钢由于含使钢材强化的C、MN、V、NB等元素,在焊?#37038;?#26131;淬硬,这些?#19981;?#32452;织很敏感,因此,在刚性较大或拘束应力高的情况下,若焊接工艺不当,很容易产生冷裂纹。而且这类裂纹有?#27426;?#30340;延迟性,其危害极大。
  (2)再热(SR)裂纹再热裂纹是焊接?#27833;?#22312;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的沿晶开?#36873;R话?#35748;为,其产生是由于焊接高温使HAZ附近的V、NB、CR、MO等碳化物固溶于奥氏体中,焊后冷?#35789;?#26469;不及析出,而在PWHT时呈弥散析出,从而强化?#21496;?#20869;,使应力松弛时的蠕变变形集中于晶界。
  低合金高强钢焊接?#27833;芬话悴灰?#20135;生再热裂纹,如16MNR、15MNVR等。但?#26434;贛N-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的元素,因此这一类钢在焊后热处理时应注意避开再热裂纹的敏感温度区,?#20048;?#20877;热裂纹的发生。
  (二)焊接?#27833;返?#33030;化和软化
  (1)应变时效脆化焊接?#27833;?#22312;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?#21361;?#22914;果?#20204;?#20877;经200~450℃的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?#30784;B150-1998《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的厚度不小于圆筒内径DI的3%;其他低合金钢的厚度不不小于圆筒内径DI的2.5%。且为冷成?#20301;?#20013;温成形的受压元件,应于成形后进行热处理。
  (2)焊缝和热影响区脆化焊?#37038;?#19981;均匀的加热和冷却过程,从而形成不均匀组织。焊缝(WM)和热影响区(HAZ)的脆性转变温度比母材高,是?#27833;?#20013;的薄弱环节。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的晶粒粗大会造成?#27833;?#33030;化。低碳调质钢与热轧、正火钢相比,对线能量过大而引起的HAZ脆化倾向更?#29616;亍?#25152;以焊?#37038;保?#24212;将线能量限制在?#27426;?#33539;围。
  (3)焊接?#27833;返?#28909;影响区软化由于焊接热作用,低碳调质钢的热影响区(HAZ)外侧加热到回火温度以上特别是AC1附近的区域,会产生强度下降的软化带。HAZ区的组织软化随着焊接线能量的增加和预热温度的提高而加重,但?#35805;?#20854;软化区的抗拉强?#28909;?#39640;于母材标准值的下限要求,所以这类钢的热影响区软化问题?#28784;?#24037;艺得当,不致影响其?#27833;返?#20351;用性能。
  三、压力容器用低合金高强钢焊材选用
  (1)根据钢材不同的强度级别选择与母材强度相当的焊缝金属是这类钢焊材选用的基本原则,当然,与此同时还要根据产?#36820;?#20351;用条件、产品结构和板材厚度等因素,综合考虑焊缝金属的韧性、塑性和焊接?#27833;返目?#35010;性。?#28784;?#28938;缝强度不低于或略高于母材标准抗拉强度的下限值即可。若选择的焊材焊缝金属强度过高,将会导致?#27833;返?#38887;性、塑性及抗裂性降低,?#27833;返?#24367;曲性能?#28784;?#21512;格。
  (2)由于这类钢都具有不同程度的冷裂纹倾向,所以,在等强度原则的前提下,严格控制焊材中的氢含量是非常重要的,应尽量选用低氢型的焊材。?#26434;?#24378;度较高的低碳调质钢焊?#37038;保?#26356;是如此,甚至要选择超低氢型的焊材,并严格控制焊材的存放和使用。
  (3)考虑焊后加工工艺的影响。对焊后需经热处理、热卷(热弯)的焊件,应考虑焊缝金属经受高温处理作用对其力学性能的影响,应保证焊缝金属经热处理后仍具有要求的强度、塑性和韧性等。例如,?#26434;?#21387;力容器常见的16MNR钢的埋弧焊,?#35805;?#24773;况下选用H10MN2焊丝+HJ431焊?#33391;?#21487;。但?#26434;?#28938;后需经正火温度下冲压的封头拼板焊缝,其焊材选用应适当提高一档,使用H08MNMO焊丝+HJ431焊?#31890;?#21487;弥补其强?#20154;?#22833;。
  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的焊材,且重视烘干、保存以及坡口的清理,以减少焊缝中的扩散氢。
  (2)为了避免热影响区粗晶区的脆化,?#35805;?#24212;注意?#28784;?#20351;用过大的线能量。?#26434;?#21547;碳量偏下限的16MNR钢焊?#37038;保?#28938;接线能量没有严格的限制,因为这种钢焊接热影响区脆化倾向较小,但?#26434;?#21547;钒、铌、钛等微合金化元素的钢,则应选用较小的焊接线能量。
  (3)?#26434;?#30899;及合金元素含量较高、屈服强度也较高的低合金高强钢,如18MNMONBR,由于这种钢淬硬倾向较大,又要考虑其热影响区的过热倾向,则在选用较小线能量的同时,还要增加焊前预热、焊后及时后热等措施。
  (4)焊接低碳调质?#36136;保?#20026;了使热影响区保持良好的韧性,同时使焊缝金属既有较高的强度又有良好的韧性,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的冷却条件下才能获得,为此要严格控制焊接线能量,不推荐采用大直径的焊条和焊丝,且要采用多道多层的窄焊道焊,尽量不作横向摆动的运条方式。为?#20048;?#20919;裂纹的产生,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?#20204;?#20869;产生马氏体+奥氏体混合组织和粗大的?#35789;?#20307;,使强度下降,韧性变坏。?#35805;?#35201;求最高预热温度不得高于推荐的最低预热温度加50℃。采用低温预热加后热的方法既可?#20048;?#20302;碳调质钢产生冷裂纹,又可减轻或消除预热温度过高带来的不利影响。
  (5)加强对焊接?#27833;返?#26080;损检测,对再热裂纹敏感的钢种,应在PWHT前后都要做射线或超声检测。

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