壓力容器用焊接材料的選擇與采購技術(shù)條件

1、壓力容器用焊接材料的選擇與采購技術(shù)條件        摘要討論了壓力容器用焊接材料選擇的原則:焊縫金屬的性能應(yīng)高于或等于母材性能。介紹了焊接材料采購技術(shù)條件的編制要求。關(guān)鍵詞焊接材料;焊縫金屬;力學(xué)性能;化學(xué)成分;采購技術(shù)條件1引言焊接材料(以下簡稱焊材)的選擇和使用一直是壓力容器和焊接行業(yè)非常關(guān)注的問題。2000年版壓力容器焊接工藝評(píng)定(4708-2000)和壓力容器焊接工藝規(guī)程(/4709-2000)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱“新標(biāo)準(zhǔn)”)已正式頒布實(shí)施?！靶聵?biāo)準(zhǔn)”對(duì)焊材的選擇使用提出了新的要求。本文結(jié)合我廠實(shí)踐,討論在壓力

2、容器設(shè)計(jì)制造中,如何貫徹“新標(biāo)準(zhǔn)”、選擇合適的焊材以及如何編制焊材采購技術(shù)條件。2焊材選用原則“新標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的焊材選擇原則是:焊縫金屬的性能應(yīng)高于或等于母材性能。壓力容器應(yīng)用廣泛,服役條件復(fù)雜,故此“性能”應(yīng)為根據(jù)設(shè)備實(shí)際工況所要求的力學(xué)性能、化學(xué)成分、耐腐蝕性能以及其它特殊要求等的綜合。2 1焊接接頭的力學(xué)性能壓力容器產(chǎn)品焊接的基礎(chǔ)質(zhì)量是焊接接頭的使用性能和焊接缺陷。焊接接頭的力學(xué)性能(拉伸、彎曲和沖擊)是壓力容器設(shè)計(jì)制造的基礎(chǔ),是最基本的力學(xué)性能。因此焊材選擇的主要依據(jù)是保證其焊接接頭的力學(xué)性能,包括焊接接頭在實(shí)際工況下的高溫/低溫力學(xué)性能、抗動(dòng)載荷、疲勞載荷等性能。2 1 1焊接接頭抗拉

3、強(qiáng)度1焊縫金屬與母材強(qiáng)度匹配是壓力容器行業(yè)和焊接行業(yè)的熱點(diǎn)問題之一,爭(zhēng)論頗多。對(duì)于強(qiáng)度型低合金鋼按等強(qiáng)原則選用焊材,能保證焊接接頭具有足夠的韌性儲(chǔ)備,適當(dāng)超強(qiáng)有利于提高接頭的抗脆斷性能。對(duì)于強(qiáng)度級(jí)別為700800的高強(qiáng)鋼,焊縫金屬超強(qiáng)或過分低強(qiáng),均易促進(jìn)脆性斷裂,接近等強(qiáng)的接頭最為理想。焊縫低強(qiáng)在工藝上可以降低預(yù)熱溫度,減少冷裂紋敏感性。因此規(guī)范、150在堅(jiān)持等強(qiáng)匹配的同時(shí),也允許低匹配或高匹配在一定場(chǎng)合的實(shí)施應(yīng)用。從文字表面上看,/4709對(duì)焊材的選用要求完全依照等強(qiáng)原則。實(shí)際上,標(biāo)準(zhǔn)起草人在“標(biāo)準(zhǔn)釋義”中說明:通常是按照熔敷金屬名義值來選用焊材,而“熔敷金屬實(shí)際強(qiáng)度往往超出名義值很多,再考

4、慮冶金因素或熔化比的作用,實(shí)際焊縫的強(qiáng)度水平將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出焊材熔敷金屬的名義值”?？梢?該標(biāo)準(zhǔn)并不排斥高強(qiáng)匹配,同時(shí)也同意低強(qiáng)匹配。/4709的規(guī)定,主要是基于我國尚未有壓力容器用焊材專業(yè)標(biāo)準(zhǔn),國家焊材標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品樣本未規(guī)定拉伸強(qiáng)度上限,國內(nèi)市場(chǎng)上焊材拉伸強(qiáng)度普遍偏高的現(xiàn)狀。至于標(biāo)準(zhǔn)中推薦的焊材均是按等強(qiáng)匹配給出的這一問題,如何理解和處理呢?/4709所列焊材為標(biāo)準(zhǔn)推薦,其目的是提供導(dǎo)向性建議,以減少在焊材選擇上的盲目性和制造廠工藝試驗(yàn)工作量,僅供使用者參考。因此標(biāo)準(zhǔn)中不可能將實(shí)際可能使用的所有焊材均列入,只要按4708進(jìn)行工藝評(píng)定,通過規(guī)定的拉伸、彎曲、沖擊及其他試驗(yàn)的焊材,均可以應(yīng)用于壓力容器產(chǎn)

5、品的焊接,并不要求是否為該標(biāo)準(zhǔn)推薦焊材。2 1 2焊接接頭塑性“新標(biāo)準(zhǔn)”在對(duì)彎曲試驗(yàn)機(jī)理的認(rèn)識(shí)上有了突破:彎曲試驗(yàn)的目的是考核材料或焊接接頭的塑性特征和致密程度,從而解決了壓力容器界一個(gè)長期爭(zhēng)論的問題。彎曲直徑對(duì)彎曲變形的影響很大,我們選擇不同的(彎曲直徑/試樣厚度)值,將試樣彎至180°,觀察其變形情況并測(cè)定外表面彎曲變形率,結(jié)果如圖1。從圖1可見,當(dāng)=4時(shí),整個(gè)接頭(包括焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū))都在彎曲范圍內(nèi),彎曲變形圖1各種值冷彎試樣彎到180°的縱向變形均勻,變形率在20%左右2。絕大多數(shù)壓力容器用鋼板纖維伸長率的下限值均在20%。因此“新標(biāo)準(zhǔn)”參照規(guī)范等國外先進(jìn)

6、標(biāo)準(zhǔn),以鋼材纖維伸長率20%為界,規(guī)定彎曲直徑取4倍試樣厚度,彎曲角度180°,不再以鋼材類別、單面焊、雙面焊的不同規(guī)定彎曲直徑和彎曲角度?！靶聵?biāo)準(zhǔn)”對(duì)鋼材纖維伸長率低于20%,又未通過上述彎曲,規(guī)定可以根據(jù)實(shí)際纖維伸長率決定彎曲直徑。“新標(biāo)準(zhǔn)”這些規(guī)定充分體現(xiàn)了焊縫金屬與母材等塑性原則。4334 5不銹鋼硫酸硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法中對(duì)焊接接頭彎曲試驗(yàn)的規(guī)定沒有體現(xiàn)焊縫金屬與母材等塑性原則,也同4708-2000相沖突,行業(yè)內(nèi)對(duì)修訂4334 5標(biāo)準(zhǔn)的呼聲很高。2 1 3焊接接頭韌性我國在韌性失效破壞方面積累的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)不足,所以焊接接頭沖擊試驗(yàn)一直是懸而未決的問題。規(guī)范提供的沖擊試驗(yàn)豁免

7、曲線(根據(jù)材料種類和厚度、最低設(shè)計(jì)金屬壁溫,決定是否作沖擊試驗(yàn)或其它測(cè)定韌性的方法),是在大量試驗(yàn)和失效破壞的基礎(chǔ)上做出的。我國因材料體系等諸方面因素同美國不同,不能照搬?！靶聵?biāo)準(zhǔn)”修改了沖擊試驗(yàn)驗(yàn)收指標(biāo),但何情況下應(yīng)作沖擊試驗(yàn)方能體現(xiàn)焊縫金屬與母材等韌性原則,“新標(biāo)準(zhǔn)”及150仍未回答,尚待進(jìn)一步研究。2 2焊接接頭的化學(xué)成分焊縫金屬化學(xué)成分是保證焊縫使用性能(包括機(jī)械性能)的基礎(chǔ)。/4709-2000規(guī)定,耐熱型合金鋼的焊縫金屬,在保證力學(xué)性能的前提下,還應(yīng)保證化學(xué)成分或耐磨蝕性能,即對(duì)鉻鉬鋼要保證化學(xué)成分,高合金鋼要保證耐腐蝕性能。進(jìn)行耐蝕層堆焊時(shí),堆焊層的化學(xué)成分是保證耐腐蝕性能的基礎(chǔ)

8、。我廠為南化大化肥制造的臨氫設(shè)備、300/合成氨氣化爐,主體材料為耐熱型鉻鉬鋼3871212。為保證焊縫金屬有良好的綜合性能,特別是良好的抗回火脆性,在保證焊縫力學(xué)性能的前提下,對(duì)其化學(xué)成分應(yīng)提出要求,尤其是微量元素,必須嚴(yán)格控制,即=10+5+4+,在一定范圍內(nèi)。我廠與山東濰坊登峰焊務(wù)公司共同研制的焊材,其化學(xué)成分和機(jī)械性能見表1。從表1可見,化學(xué)成分范圍不一定與母材相同。焊材鉻含量高于母材,對(duì)提高耐熱性能有利3。我們知道,焊縫金屬為鑄造組織,鋼板為鍛造或軋制狀態(tài),當(dāng)它們化學(xué)成分相同時(shí),力學(xué)性能不一定相同,反過來也是如此。因此不可在要求焊縫的力學(xué)性能符合母材的同時(shí),規(guī)定焊縫的化學(xué)成分范圍同母

9、材相同。表1-鋼母材及焊材熔敷金屬化學(xué)成分、機(jī)械性能對(duì)于高合金焊縫,規(guī)定其化學(xué)成分是為保證其耐腐蝕性能。其中、含量的提高對(duì)提高耐腐蝕性能有利,所有可適當(dāng)提高焊材、含量。我廠使用的尿素級(jí)設(shè)備母材為269(25-22-2型),焊材為310,化學(xué)成分見表2。另外,4 0%5 5%的與作用,焊縫金屬可獲得良好的抗熱裂性,在役設(shè)備檢修中經(jīng)常發(fā)現(xiàn),雖然鋼板腐蝕了,而焊縫完好無損。表2母材及焊材熔敷金屬化學(xué)成分(%)對(duì)于超級(jí)雙相不銹鋼,如果焊縫金屬與母材化學(xué)成分相同,在焊后冷卻時(shí),由于鐵素體向奧氏體發(fā)生的轉(zhuǎn)變不完全,其室溫組織必然是鐵素體含量過高。鐵素體固能力差,易析出化合物,加上鐵素體晶粒粗大,導(dǎo)致力學(xué)性

10、能和抗腐蝕性能下降。因此填充金屬,即焊材應(yīng)含有較多的奧氏體形成元素,如等4。2 3其它因素3焊材采購技術(shù)條件的編制我國尚未出臺(tái)壓力容器用焊材專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),用于壓力容器的焊材通常遵循國家標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品樣本,該標(biāo)準(zhǔn)和樣本適用于各種行業(yè),其技術(shù)指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于壓力容器規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)。因此制造廠在采購壓力容器用焊材時(shí),必須提出附加技術(shù)條件,作為國家標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。3 1熔敷金屬化學(xué)成分和硫磷含量硫磷等元素對(duì)焊接質(zhì)量的影響很大,是關(guān)鍵的有害元素。將國家焊材標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品樣本與壓力容器用鋼材標(biāo)準(zhǔn)(如6654-1996、3531-1996等)進(jìn)行比較,可以看出,與壓力容器用鋼材匹配的焊材,其國家標(biāo)準(zhǔn)和樣本規(guī)定的硫磷含

11、量普遍高于鋼材標(biāo)準(zhǔn);對(duì)于少數(shù)強(qiáng)度型低合金鋼和幾乎所有低溫壓力容器用低合金鋼板、低溫壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件,相匹配的焊材國家標(biāo)準(zhǔn)和樣本均未規(guī)定硫磷含量。根據(jù)/4709的規(guī)定,采購技術(shù)條件應(yīng)明確焊材(以熔敷金屬)硫磷含量,其含量應(yīng)低于6654-1996、3531-1996等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。3 2熔敷金屬力學(xué)性能3 2 1拉伸強(qiáng)度上限值和下限值150中所列碳素鋼和低合金均規(guī)定了拉伸強(qiáng)度上限值和下限值,而焊材國家標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品樣本只規(guī)定了熔敷金屬拉伸強(qiáng)度的下限值。焊材熔敷金屬強(qiáng)度過高,會(huì)造成焊縫與母材的強(qiáng)度、塑性和韌性不匹配,影響焊接接頭性能。3 2 2彎曲試驗(yàn)焊材國家標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品樣本均未規(guī)定進(jìn)行熔敷金屬

12、的彎曲試驗(yàn)。上述分析可知,對(duì)焊材熔敷金屬進(jìn)行彎曲試驗(yàn)是必要的,我國壓力容器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)對(duì)彎曲試驗(yàn)也有明確要求。因此采購技術(shù)條件應(yīng)規(guī)定熔敷金屬的彎曲試驗(yàn),其合格指標(biāo)不低于壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)規(guī)定。3 2 3焊縫的沖擊試驗(yàn)焊材國家標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品樣本中力學(xué)性能試板熱處理規(guī)范與產(chǎn)品焊后熱處理不完全相同,與不少鋼材相差甚遠(yuǎn)。因此應(yīng)根據(jù)焊材的力學(xué)性能試板熱處理規(guī)范、焊件焊后熱處理、焊接返修和鋼材特點(diǎn),選用相應(yīng)的焊材,規(guī)定合適的焊縫金屬夏比型缺口沖擊功驗(yàn)收指標(biāo),滿足/4709要求。3 3焊接性焊材的焊接性,指通過焊接,被焊件得到充分連接,以及焊接接頭滿足結(jié)構(gòu)使用要求的程度,也即焊材焊接時(shí)產(chǎn)生氣孔、凹痕、裂紋或焊

13、接不良等焊接缺陷的程度。采購技術(shù)條件應(yīng)根據(jù)壓力容器有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī),對(duì)焊材使用性能及熔敷金屬焊接缺陷的檢測(cè)方法及合格指標(biāo)增加規(guī)定,如偏心度、藥皮強(qiáng)度、焊縫成形及外觀、焊縫射線檢測(cè)、擴(kuò)散氫含量等6。另外,對(duì)焊材的包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存等。應(yīng)規(guī)定嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn)、符合壓力容器法規(guī)的要求。4結(jié)論(1)焊材的選用原則是:焊縫金屬的性能應(yīng)高于或等于母材性能。(2)焊材化學(xué)成分是保證焊縫性能的重要因素,確定焊材化學(xué)成分還應(yīng)考慮材料的焊接性。(3)采購用于壓力容器的焊材,應(yīng)根據(jù)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、設(shè)備制造工藝、鋼材特點(diǎn)以及設(shè)備股役條件,編制嚴(yán)于國家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)條件。技術(shù)條件應(yīng)包括主要技術(shù)指標(biāo)及其檢測(cè)方法和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。參考文獻(xiàn)1戈兆文,等.4708-2000、/4709-2000標(biāo)準(zhǔn)釋義.昆明:云南科技出版社,2000.73.2徐道榮,等.實(shí)施國