壓力容器的焊接技術(shù)

第十章壓力容器的焊接技術(shù)

隨著工程焊接技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代壓力容器也已發(fā)展成典型的全焊

結(jié)構(gòu)。壓力容器的焊接成為壓力容器制造過程中最重要最關(guān)鍵的一個(gè)

環(huán)節(jié)，焊接質(zhì)量直接影響壓力容器的質(zhì)量。

第一節(jié)碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼壓力容器的焊接

一、壓力容器用碳鋼的焊接

碳鋼以鐵為基礎(chǔ)，以碳為合金元素，含量一般不超過L0%。此外，含

鎰量不超過1.2%,含硅量不超過0.5%,Si、Mn皆不作為合金元素。

而其他元素，如Ni、Cr、Cu等，控制在殘余量限度內(nèi)，更不是合金

元素。S、P、0、N等作為雜質(zhì)元素，根據(jù)鋼材品種和等級(jí)，也都有

嚴(yán)格限制。

碳鋼根據(jù)含碳量的不同，分為低碳鋼(CW0.30%)、中碳鋼(C=0.30%?

0.60%)、高碳鋼(C20.60%)。壓力容器主要受壓元件用碳鋼，主要限

于低碳鋼。在《容規(guī)》中規(guī)定：“用于焊接結(jié)構(gòu)壓力容器主要受壓元件

的碳素鋼和低合金鋼，其含碳量不應(yīng)大于0.25%o在特殊條件下，如

選用含碳量超過0.25%的鋼材，應(yīng)限定碳當(dāng)量不大于0.45%,由制造

單位征得用戶同意，并經(jīng)制造單位壓力容器技術(shù)總負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)，并按

相關(guān)規(guī)定辦理批準(zhǔn)手續(xù)”。

常用的壓力容器用碳鋼牌號(hào)有Q235-B、Q235-C、10、20、20R等。

(-)低碳鋼焊接特點(diǎn)

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低碳鋼含碳量低，鎰、硅含量少，在通常情況下不會(huì)因焊接而引起嚴(yán)

重組織硬化或出現(xiàn)淬火組織。這種鋼的塑性和沖擊韌性優(yōu)良，其焊接

接頭的塑性、韌性也極其良好。焊接時(shí)一般不需預(yù)熱和后熱，不需采

取特殊的工藝措施，即可獲得質(zhì)量滿意的焊接接頭，故低碳鋼鋼具有

優(yōu)良的焊接性能，是所有鋼材中焊接性能最好的鋼種。

(-)低碳鋼焊接要點(diǎn)

(1)埋弧焊時(shí)若焊接線能量過大，會(huì)使熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒過于粗

大，甚至?xí)a(chǎn)生魏氏組織，從而使該區(qū)的沖擊韌性和彎曲性能降低，

導(dǎo)致沖擊韌性和彎曲性能不合格。故在使用埋弧焊焊接，尤其是焊接

厚板時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按經(jīng)焊接工藝評(píng)定合格的焊接線能量施焊。

(2)在現(xiàn)場(chǎng)低溫條件下焊接、焊接厚度或剛性較大的焊縫時(shí)，由于焊

接接頭冷卻速度較快，冷裂紋的傾向增大。為避免焊接裂紋，應(yīng)采取

焊前預(yù)熱等措施。

二、壓力容器用低合金高強(qiáng)鋼及其焊接特點(diǎn)

在鋼中除碳外少量加入一種或多種合金元素(合金元素總量在5%以

下)，以提高鋼的力學(xué)性能，使其屈服強(qiáng)度在275MPa以上，并具有良

好的綜合性能，這類鋼稱之為低合金高強(qiáng)鋼，其主要特點(diǎn)是強(qiáng)度高、

塑性和韌性也較好。按鋼的屈服強(qiáng)度級(jí)別及熱處理狀態(tài)，壓力容器用

低合金高強(qiáng)鋼可分為二類。

①熱軋、正火鋼屈服強(qiáng)度在294Mpa?490MPa之間，其使用狀態(tài)

為熱軋、正火或控軋狀態(tài)，屬于非熱處理強(qiáng)化鋼，這類鋼應(yīng)用最為廣

泛。

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②低碳調(diào)質(zhì)鋼屈服強(qiáng)度在490Mpa?980Mpa之間，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下

使用，屬于熱處理強(qiáng)化鋼。其特點(diǎn)是既有高的強(qiáng)度，且塑性和韌性也

較好，可以直接在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接。近年來，這類低碳調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用日

益廣泛。

目前應(yīng)用于壓力容器的低合金高強(qiáng)鋼。鋼板牌號(hào)有：16MnR、15MnVR、

13MnNiMoNbR>18MnMoNbR等。鍛件牌號(hào)有16Mn、15MnV>

20MnMo、20MnMoNb等。

低合金高強(qiáng)鋼的含碳量一般不超過0.20%,合金元素總量一般不超過

5%。正是由于低合金高強(qiáng)鋼含有一定量的合金元素，使其焊接性能與

碳鋼有一定差別，其焊接特點(diǎn)表現(xiàn)在：

(一)焊接接頭的焊接裂紋

(1)冷裂紋低合金高強(qiáng)鋼由于含使鋼材強(qiáng)化的C、Mn、V、Nb

等元素，在焊接時(shí)易淬硬，這些硬化組織很敏感，因此，在剛性較大

或拘束應(yīng)力高的情況下，若焊接工藝不當(dāng)，很容易產(chǎn)生冷裂紋。而且

這類裂紋有一定的延遲性，其危害極大。

(2)再熱(SR)裂紋再熱裂紋是焊接接頭在焊后消除應(yīng)力熱處理

過程或長(zhǎng)期處于高溫運(yùn)行中發(fā)生在靠近熔合線粗晶區(qū)的沿晶開裂。一

般認(rèn)為，其產(chǎn)生是由于焊接高溫使HAZ附近的V、Nb、Cr、M。等碳

化物固溶于奧氏體中，焊后冷卻時(shí)來不及析出，而在PWHT時(shí)呈彌散

析出，從而強(qiáng)化了晶內(nèi)，使應(yīng)力松弛時(shí)的蠕變變形集中于晶界。

低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭一般不易產(chǎn)生再熱裂紋，如16MnR、15MnVR

等。但對(duì)于Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金高強(qiáng)鋼，如

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07MnCrMoVR,由于Nb、V、Mo是促使再熱裂紋敏感性較強(qiáng)的元素,

因此這一類鋼在焊后熱處理時(shí)應(yīng)注意避開再熱裂紋的敏感溫度區(qū)，防

止再熱裂紋的發(fā)生。

(二)焊接接頭的脆化和軟化

(1)應(yīng)變時(shí)效脆化焊接接頭在焊接前需經(jīng)受各種冷加工(下料剪切、

筒體卷圓等)，鋼材會(huì)產(chǎn)生塑性變形，如果該區(qū)再經(jīng)200?450℃的熱作

用就會(huì)引起應(yīng)變時(shí)效。應(yīng)變時(shí)效脆化會(huì)使鋼材塑性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫

度提高，從而導(dǎo)致設(shè)備脆斷。

PWHT可消除焊接結(jié)構(gòu)這類應(yīng)變時(shí)效，使韌性恢復(fù)。GB150-1998《鋼

制壓力容器》作出規(guī)定，圓筒鋼材厚度6s符合以下條件：碳素鋼、

16MnR的厚度不小于圓筒內(nèi)徑Di的3%；其他低合金鋼的厚度不不小

于圓筒內(nèi)徑Di的2.5%。且為冷成形或中溫成形的受壓元件，應(yīng)于成

形后進(jìn)行熱處理。

(2)焊縫和熱影響區(qū)脆化焊接是不均勻的加熱和冷卻過程，從而形

成不均勻組織。焊縫(WM)和熱影響區(qū)(HAZ)的脆性轉(zhuǎn)變溫度比母材

高，是接頭中的薄弱環(huán)節(jié)。焊接線能量對(duì)低合金高強(qiáng)鋼WM和HAZ

性能有重要影響，低合金高強(qiáng)鋼易淬硬，線能量過小，HAZ會(huì)出現(xiàn)馬

氏體引起裂紋；線能量過大，WM和HAZ的晶粒粗大會(huì)造成接頭脆

化。低碳調(diào)質(zhì)鋼與熱軋、正火鋼相比，對(duì)線能量過大而引起的HAZ脆

化傾向更嚴(yán)重。所以焊接時(shí)，應(yīng)將線能量限制在一定范圍。

(3)焊接接頭的熱影響區(qū)軟化由于焊接熱作用，低碳調(diào)質(zhì)鋼的熱影

響區(qū)(HAZ)外側(cè)加熱到回火溫度以上特別是Aci附近的區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)

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度下降的軟化帶。HAZ區(qū)的組織軟化隨著焊接線能量的增加和預(yù)熱溫

度的提高而加重，但一般其軟化區(qū)的抗拉強(qiáng)度仍高于母材標(biāo)準(zhǔn)值的下

限要求，所以這類鋼的熱影響區(qū)軟化問題只要工藝得當(dāng)，不致影響其

接頭的使用性能。

三、壓力容器用低合金高強(qiáng)鋼焊材選用

(1)根據(jù)鋼材不同的強(qiáng)度級(jí)別選擇與母材強(qiáng)度相當(dāng)?shù)暮缚p金屬是這類

鋼焊材選用的基本原則，當(dāng)然，與此同時(shí)還要根據(jù)產(chǎn)品的使用條件、

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和板材厚度等因素，綜合考慮焊縫金屬的韌性、塑性和焊接

接頭的抗裂性。只要焊縫強(qiáng)度不低于或略高于母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度的下

限值即可。若選擇的焊材焊縫金屬?gòu)?qiáng)度過高，將會(huì)導(dǎo)致接頭的韌性、

塑性及抗裂性降低，接頭的彎曲性能不易合格。

(2)由于這類鋼都具有不同程度的冷裂紋傾向，所以，在等強(qiáng)度原則

的前提下，嚴(yán)格控制焊材中的氫含量是非常重要的，應(yīng)盡量選用低氫

型的焊材。對(duì)于強(qiáng)度較高的低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時(shí)，更是如此，甚至要選

擇超低氫型的焊材，并嚴(yán)格控制焊材的存放和使用。

(3)考慮焊后加工工藝的影響。對(duì)焊后需經(jīng)熱處理、熱卷(熱彎)的

焊件，應(yīng)考慮焊縫金屬經(jīng)受高溫處理作用對(duì)其力學(xué)性能的影響，應(yīng)保

證焊縫金屬經(jīng)熱處理后仍具有要求的強(qiáng)度、塑性和韌性等。例如，對(duì)

于壓力容器常見的16MnR鋼的埋弧焊，一般情況下選用H10Mn2焊

絲+HJ431焊劑即可。但對(duì)于焊后需經(jīng)正火溫度下沖壓的封頭拼板焊

縫，其焊材選用應(yīng)適當(dāng)提高一檔，使用H08MnM。焊絲+HJ431焊劑，

可彌補(bǔ)其強(qiáng)度損失。

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四、壓力容器用低合金高強(qiáng)鋼焊接要點(diǎn)

(1)選用低氫或超低氫高韌性的焊材，且重視烘干、保存以及坡口的

清理，以減少焊縫中的擴(kuò)散氫。

(2)為了避免熱影響區(qū)粗晶區(qū)的脆化，一般應(yīng)注意不要使用過大的線

能量。對(duì)于含碳量偏下限的16MnR鋼焊接時(shí)，焊接線能量沒有嚴(yán)格的

限制，因?yàn)檫@種鋼焊接熱影響區(qū)脆化傾向較小，但對(duì)于含鋼、鋸、鈦

等微合金化元素的鋼，則應(yīng)選用較小的焊接線能量。

(3)對(duì)于碳及合金元素含量較高、屈服強(qiáng)度也較高的低合金高強(qiáng)鋼，

如18MnMoNbR,由于這種鋼淬硬傾向較大，又要考慮其熱影響區(qū)的

過熱傾向，則在選用較小線能量的同時(shí)，還要增加焊前預(yù)熱、焊后及

時(shí)后熱等措施。

(4)焊接低碳調(diào)質(zhì)鋼時(shí)，為了使熱影響區(qū)保持良好的韌性，同時(shí)使焊

縫金屬既有較高的強(qiáng)度又有良好的韌性，這就要求焊縫金屬得到針狀

鐵素體組織，而這種組織只有在較快的冷卻條件下才能獲得，為此要

嚴(yán)格控制焊接線能量，不推薦采用大直徑的焊條和焊絲，且要采用多

道多層的窄焊道焊，盡量不作橫向擺動(dòng)的運(yùn)條方式。為防止冷裂紋的

產(chǎn)生，焊前需要預(yù)熱，但應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度，預(yù)熱溫度過高，會(huì)使

熱影響區(qū)冷卻速度過于緩慢，從而在該區(qū)內(nèi)產(chǎn)生馬氏體+奧氏體混合組

織和粗大的貝氏體，使強(qiáng)度下降，韌性變壞。一般要求最高預(yù)熱溫度

不得高于推薦的最低預(yù)熱溫度加50℃o采用低溫預(yù)熱加后熱的方法既

可防止低碳調(diào)質(zhì)鋼產(chǎn)生冷裂紋，又可減輕或消除預(yù)熱溫度過高帶來的

不利影響。

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（5）加強(qiáng)對(duì)焊接接頭的無損檢測(cè)，對(duì)再熱裂紋敏感的鋼種，應(yīng)在PWHT

前后都要做射線或超聲檢測(cè)。

五、低合金高強(qiáng)鋼壓力容器焊接實(shí)例

直徑為2000mm,壁厚為32mm的緩沖罐（圖10-1）,殼體材質(zhì)為

16MnR,其主要承壓焊縫的焊接工藝見表10-1。

表10-1緩沖罐焊接工藝

焊縫編號(hào)焊縫位置焊接方法焊接材料說明

H08MnMo+

O1AK02A1封頭拼縫雙面SAW①

HJ431

1AK2A1、H10Mn2+H

殼體縱、環(huán)縫雙面SAW②

Bl、B3J431

J507

內(nèi)SMAW

B2殼體環(huán)縫（大合攏）H10Mn2+H③

外SAW

J431

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焊縫編號(hào)焊縫位苴焊接方法焊接材料說明

人孔接管與對(duì)應(yīng)法蘭

B4環(huán)縫雙回

J507④

D1-D3人孔、小接管與殼體角SMAW

焊縫

GTAW打

小接管與對(duì)接法蘭環(huán)底TIG-50

B5、B6⑤

縫SMAW蓋J507

面

鞍座與殼體焊接角焊GMAW

E1TWE-711⑥

縫（CO?焊）

說明:

①封頭拼縫在平板狀態(tài)下焊接完成后，需再經(jīng)過950?1000C的加熱

后進(jìn)行沖壓成形，故拼縫要經(jīng)過AC3以上溫度的加熱，焊縫的力學(xué)性

能不僅取決于化學(xué)成分，而且和焊縫的組織狀態(tài)有很大關(guān)系。雖然焊

縫的含碳量要比母材低很多，但由于焊接是一個(gè)局部加熱過程，冷卻

速度很大，因此焊縫呈現(xiàn)為一種柱狀晶的特殊的過飽和鑄造組織，其

中少量的馬氏體主要靠碳的固溶強(qiáng)化存在，而低碳馬氏體的亞結(jié)構(gòu)存

在許多位錯(cuò)，過飽和的固溶的碳就聚集在位錯(cuò)周圍，起著釘扎位錯(cuò)的

作用，使位錯(cuò)難于運(yùn)動(dòng)，馬氏體便不易變形而呈現(xiàn)強(qiáng)化焊縫的作用。

經(jīng)過AC3以上的溫度加熱后，焊縫組織從柱狀晶變成了等軸晶，打破

了原來的亞結(jié)構(gòu)狀態(tài)，使過飽和程度降低，其碳的固溶強(qiáng)化作用也隨

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之降低了，所以勢(shì)必焊縫強(qiáng)度降低。為了彌補(bǔ)上述情況造成的焊縫強(qiáng)

度降低，只有調(diào)整焊縫的化學(xué)成分，使用合金元素更多一些的、強(qiáng)度

高一檔的焊絲來焊接熱壓封頭拼縫。

②殼體縱、環(huán)縫焊接條件好，考慮到板厚因素，從提高效率、保證焊

接質(zhì)量出發(fā)，選用雙面埋弧焊，焊絲啊等強(qiáng)度原則選用。

③設(shè)備大合攏焊縫，考慮到設(shè)備因素，內(nèi)焊縫采用埋弧焊較困難，故

內(nèi)側(cè)采用焊條電弧焊、外側(cè)采用碳弧氣刨清根后再進(jìn)行外環(huán)縫埋弧焊。

B2焊縫據(jù)人孔較近，故將其為大合攏焊縫。

④人孔接管與人孔法蘭環(huán)縫，由于人孔直徑較大，故采用焊條電弧焊

進(jìn)行雙面焊。對(duì)于人孔、小接管與殼體角焊縫，鑒于此部位焊縫形狀

和焊接條件，一般選用焊條電弧焊進(jìn)行雙面焊。

⑤對(duì)于小直徑接管環(huán)縫，由于只能單面焊，又要保證質(zhì)量，選用TIG

焊打底是保證焊縫質(zhì)量最有效的方法。TIG-50為焊材牌號(hào)，其焊材型

號(hào)為ER70S-G(AWSA5.18)。

⑥鞍座與殼體焊接角焊縫屬非承壓焊縫，采用熔化極氣體保護(hù)焊(保

護(hù)氣體為純CO)效率高，焊縫成形好。TWE-711為焊材牌號(hào)，其焊

材型號(hào)為E71T-1(AWSA5.20)o

第二節(jié)耐熱鋼壓力容器的焊接

一、壓力容器用耐熱鋼及其焊接性

在普通碳鋼中加入一定量的合金元素，以提高鋼的高溫強(qiáng)度和持久強(qiáng)

度，就形成了低合金耐熱鋼，對(duì)于壓力容器用低合金耐熱鋼，為改善

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其焊接性能，常常把碳含量控制在0.2%以下。這類鋼通常以退火態(tài)或

正火+回火狀態(tài)交貨。由于合金含量在2.5%以下的低合金耐熱鋼具有

珠光體+鐵素體組織，故也經(jīng)常稱為珠光體耐熱鋼，如15CrMoRo合

金含量在3%?5%之間的低合金耐熱鋼供貨狀態(tài)為貝氏體+鐵素體組

織，故也稱為貝氏體耐熱鋼，如12Cr2MoiR。

壓力容器上使用的低合金耐熱鋼主要是以加入鋁和鋁元素或輔以加入

少量的鋼、鈦等元素來提高鋼的蠕變強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性，所以也經(jīng)常

稱之為Cr-Mo耐熱鋼或Cr-Mo-V系耐熱鋼。也正由于這一類鋼在耐高

溫的同時(shí)還具有良好的抗氫腐蝕性能，為止匕，Cr-Mo或Cr-Mo-V系的

低合金耐熱鋼亦經(jīng)常稱為抗氫鋼。

作為耐熱鋼，除上面已講到的低合金耐熱鋼外，還有合金含量在在6

%?12%之間的中合金耐熱鋼，如ICr5Mo、lCr9Mol,和合金大于

13%的高合金耐熱鋼，如lCrl7。由于在壓力容器中這兩類耐熱鋼并

不多見，本節(jié)以敘述低合金耐熱鋼為主。

為保證耐熱鋼焊接接頭在高溫、高壓和各種腐蝕介質(zhì)條件下長(zhǎng)期安全

的運(yùn)行，其焊接接頭性能應(yīng)滿足下列幾點(diǎn)要求。

①接頭的等強(qiáng)性耐熱鋼接頭不僅應(yīng)具有與母材基本相等的室溫和

高溫短時(shí)強(qiáng)度，而且更重要的是應(yīng)具有與母材相近的高溫持久強(qiáng)度。

②接頭的抗氫性和抗氧化性耐熱鋼接頭應(yīng)具有與母材基本相同的

抗氫性和高溫抗氧化性。為此，焊縫金屬的合金成分和含量應(yīng)與母材

基本一致。

③接頭的組織穩(wěn)定性耐熱鋼焊接接頭在制造過程中，特別是厚壁接

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頭將經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間多次熱處理，在運(yùn)行過程中將長(zhǎng)期受高溫高壓的作用，

接頭各區(qū)不應(yīng)產(chǎn)生明顯的組織變化及由此引起的脆變或軟化。

④接頭的抗脆斷性雖然耐熱鋼壓力容器大多數(shù)是在高溫下工作，但

當(dāng)壓力容器和管道制造完工后將在常溫下進(jìn)行設(shè)計(jì)壓力1.25倍壓力的

水壓試驗(yàn)。在安裝檢修完后，要經(jīng)歷水壓試驗(yàn)及冷啟動(dòng)過程。因此，

耐熱鋼焊接接頭亦應(yīng)具有一定的抗脆斷性。

⑤接頭的物理均一性耐熱鋼焊接接頭應(yīng)具有與母材基本相同的物

理性能。焊縫金屬的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率應(yīng)基本一致，這樣就可避免

接頭在高溫運(yùn)行過程中的熱應(yīng)力。

低合金耐熱鋼含有一定量的合金元素，因此它與低合金高強(qiáng)鋼都具有

一些相同的焊接特點(diǎn)，而又由于其含有一些特殊的微量元素及其不同

的介質(zhì)工作環(huán)境，所以也有其獨(dú)特的焊接特點(diǎn)。

(1)淬硬性低合金耐熱鋼中的主要合金元素Cr和Mo等都能顯著

提高鋼的淬硬性。其中Mo的作用比Cr大50倍。這些合金元素推遲

了鋼在冷卻過程中的轉(zhuǎn)變，提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而在較高

的冷卻速度下可能形成全馬氏體組織，比如12Cr2MolR焊接時(shí)，如果

焊接線能量較小，鋼板厚度較大且不預(yù)熱焊接時(shí)就有可能發(fā)生100%

的馬氏體轉(zhuǎn)變。

(2)冷裂紋由于Cr-Mo鋼極易產(chǎn)生淬硬的顯微組織，再加上焊縫

區(qū)足夠高的擴(kuò)散氫濃度和一定的焊接殘余應(yīng)力共同作用，焊接接頭易

產(chǎn)生氫致延遲裂紋。這種裂紋在熱影響區(qū)和焊縫金屬中都易發(fā)生。在

熱影響區(qū)大多是表面裂紋，在焊縫金屬中通常表現(xiàn)為垂直于焊縫的的

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橫向裂紋，也可能發(fā)生在多層焊的焊道下或焊根部位。冷裂紋是Cr-Mo

鋼焊接中存在的主要危險(xiǎn)。

(3)消除應(yīng)力裂紋因?yàn)檫@類裂紋是在消除應(yīng)力熱處理時(shí)，接頭再次

處于高溫下所產(chǎn)生的裂紋，故又稱為再熱裂紋。Cr-Mo鋼是再熱裂紋

敏感性鋼種，敏感的溫度范圍一般在500?700C之間。

大量試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼中Cr、Mo、V、Nb、Ti等強(qiáng)碳化物形成元素

對(duì)再熱裂紋形成有很大影響。通常以裂紋指數(shù)PSR粗略地評(píng)價(jià)鋼的消

除應(yīng)力裂紋敏感性。PSR按下式計(jì)算：

PsR=Cr%+Cu%+2Mo%+10V%+7Nb%+5Ti%-2

當(dāng)PSR20時(shí)，就有可能產(chǎn)生消除應(yīng)力裂紋。但對(duì)于碳含量低于0.1%

的鋼種，上式不適用。

(4)熱裂紋對(duì)低合金耐熱鋼，人們往往注重冷裂紋的防止。實(shí)際上,

當(dāng)焊道的成形系數(shù)(熔寬與熔深比)小于1.2?1.3時(shí)，焊道中心易形

成熱裂紋。這是因?yàn)檎畹睦嫘魏傅溃腿埸c(diǎn)共晶聚集于焊道中心,

在焊接應(yīng)力作用下，導(dǎo)致焊道中心出現(xiàn)熱裂紋。一切影響焊道成形系

數(shù)的因素都會(huì)影響熱裂紋的發(fā)生。

(5)回火脆性Cr-Mo鋼及其焊接接頭在350?500c溫度區(qū)間長(zhǎng)期

運(yùn)行過程中發(fā)生脆變的現(xiàn)象稱為回火脆性。例如某廠一臺(tái)2.25Cr-lMo

鋼制壓力容器在332?432℃運(yùn)行30000h后，鋼的40J脆性轉(zhuǎn)變溫度

從-37℃提高到了+60C,并最終導(dǎo)致災(zāi)難性的脆性斷裂事故。

Cr-Mo鋼及其焊接接頭的回火脆性敏感性有兩種評(píng)價(jià)方式：

①X系數(shù)和J系數(shù)

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X=(10P+5Sb+4Sn+As)X10-2(式中元素以ppm含量代入，如0.01

%應(yīng)以lOOppm代入)

J=(Si+Mn)(P+Sn)X104(式中元素以百分?jǐn)?shù)含量代入，如0.15%

應(yīng)以015代入)

這兩個(gè)系數(shù)的界定是隨著工業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步一步步提高的，最早

要求XW25ppm,JW200,后來達(dá)到XW20ppm,JW150,直至目前又

提高了要求，要求XW15Ppm,JW100。

②分步冷卻試驗(yàn)法(步冷)

分步冷卻試驗(yàn)法是將試件加熱到規(guī)定的最高溫度后分步冷卻，溫度每

降一級(jí)，保溫更長(zhǎng)時(shí)間，如圖10-2。步冷處理目的是在200?300h內(nèi)

使鋼產(chǎn)生最大的回火脆性，與350?500℃溫度區(qū)間設(shè)備經(jīng)過2000?

5000h才能產(chǎn)生的效果相同。

13

按圖10-2曲線加熱，使鋼材發(fā)生快速回火脆化。分別對(duì)步冷試驗(yàn)前后

的鋼材進(jìn)行系列沖擊，繪制出步冷試驗(yàn)前、后回火脆化程度的曲線（圖

10-3）,確定延脆性轉(zhuǎn)變溫度V1Y54（試樣經(jīng)Min.PWHT處理后的夏比沖

擊功為54J時(shí)相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度）的變量7*4（試樣經(jīng)Min.PWHT+步

冷處理后的夏比沖擊功為54J時(shí)相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度增量），按下式進(jìn)行計(jì)

算：

美國(guó)雪弗龍公司早期提出的指標(biāo)：

VTr54+1.5AVTr54這38℃（100°F）

20世紀(jì)90年代普遍采用的指標(biāo)：

VTr54+2.5AVTr54W38℃

隨著對(duì)設(shè)備安全性要求的提高及鋼材、焊材性能的提高，對(duì)該指標(biāo)的

要求越來越高，2006年某工程公司為寧波和邦化學(xué)有限公司設(shè)計(jì)的兩

臺(tái)加氫反應(yīng)器提出的指標(biāo)是：

VTr54+3AVTr5410℃

二、壓力容器用耐熱鋼焊材選用

14

(1)與低合金高強(qiáng)鋼相同，焊縫金屬和母材等強(qiáng)度原則仍是低合金耐

熱鋼焊材選用的基本原則，只不過此時(shí)不但要考慮焊縫金屬與母材的

常溫強(qiáng)度等強(qiáng)，同時(shí)也要使其高溫強(qiáng)度不低于母材標(biāo)準(zhǔn)值的下限要求。

(2)為使其焊縫金屬具有與母材同樣的使用性能，因此要求其焊縫金

屬的銘、銅含量不得低于母材標(biāo)準(zhǔn)值的下限。

(3)為保證焊縫金屬有同樣小的回火脆性，應(yīng)嚴(yán)格限制焊材中的氧、

硅、磷、鐲、錫、碑等微量元素的含量。

(4)為提高焊縫金屬的抗裂性，應(yīng)控制焊材中的含碳量低于母材的碳

含量，但應(yīng)注意，含碳量過低時(shí)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的焊后熱處理會(huì)促使鐵素

體形成，從而導(dǎo)致韌性下降，因此，對(duì)于低合金耐熱鋼的焊縫金屬含

碳量最好控制在0.08%?0.12%范圍內(nèi)，這樣才會(huì)使焊縫金屬具有較

高的沖擊韌性和與母材相當(dāng)?shù)母邷厝渥儚?qiáng)度。

三、壓力容器用耐熱鋼焊接要點(diǎn)

(1)預(yù)熱與層間溫度在Cr-Mo鋼的焊接特點(diǎn)中提到的冷裂紋、熱

裂紋及消除應(yīng)力裂紋，都與預(yù)熱及層間溫度相關(guān)。一般來說，在條件

許可下應(yīng)適當(dāng)提高預(yù)熱及層間溫度來避免冷裂紋和再熱裂紋的產(chǎn)生。

表10-2為對(duì)各種低合金耐熱鋼推薦選用的預(yù)熱溫度和層間溫度，但在

設(shè)備制造過程中還要結(jié)合實(shí)際選用。

表10-2推薦選用的低合金耐熱鋼預(yù)熱及層間溫度

鋼種預(yù)熱溫度/℃層間溫度/℃

15CrMoR2150150~250

12CrlMoV2200250左右

15

12Cr2MolR200?250200?300

在Cr-Mo鋼上堆焊不銹鋼2100

對(duì)于預(yù)熱和層間溫度，應(yīng)注意以下兒點(diǎn)：

①整個(gè)焊接過程中的層間溫度不應(yīng)低于預(yù)熱溫度。

②要保證焊件內(nèi)外表面均達(dá)到規(guī)定的預(yù)熱溫度。

③對(duì)于厚壁容器，必須注意焊前、焊接過程和焊接結(jié)束時(shí)的預(yù)熱溫度

基本保持一致并將實(shí)測(cè)預(yù)熱溫度做好記錄。

④若容器焊前進(jìn)行整體預(yù)熱不僅費(fèi)時(shí)而且耗能。實(shí)際上，作局部預(yù)熱

可以取得與整體預(yù)熱相近的效果，但必須保證預(yù)熱區(qū)寬度大于所焊厚

度的4倍，且至少不小于150mm。

⑤預(yù)熱與層間溫度必須低于母材的Mf點(diǎn)(馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn))，否則

當(dāng)焊件經(jīng)SR處理后，殘留奧氏體可能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，其中過飽和

的氫逸出會(huì)促使鋼材開裂，如對(duì)12Cr2MolR的預(yù)熱和最高層間溫度應(yīng)

低于300℃o

⑥鋼材下料進(jìn)行熱切割時(shí);類似焊接熱影響區(qū)的熱循環(huán)，切割邊緣的

淬硬層可能成為鋼材卷制或沖壓時(shí)的裂源。因此，也應(yīng)適當(dāng)預(yù)熱。

(2)焊后熱處理對(duì)于低合金耐熱鋼，焊后熱處理的目的不僅是消除

焊接殘余應(yīng)力，而且更重要的是改善組織提高接頭的綜合力學(xué)性能，

包括提高接頭的高溫蠕變強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性，降低焊縫及熱影響區(qū)硬

度，還有就是使氫進(jìn)一步逸出以避免產(chǎn)生冷裂紋。因此，在擬定低合

金耐熱鋼焊接接頭的焊后熱處理規(guī)范時(shí)，應(yīng)綜合考慮下列冶金和工藝

特點(diǎn)。

16

①焊后熱處理應(yīng)保證近縫區(qū)組織的改善。

②加熱溫度應(yīng)保證焊接接頭的焊接應(yīng)力降到盡可能低的水平。

③焊后熱處理不應(yīng)使母材及焊接接頭各項(xiàng)力學(xué)性能降低到設(shè)計(jì)規(guī)定

的最低限度以下。這一點(diǎn)往往要通過對(duì)母材及焊接接頭進(jìn)行最大和最

小模擬焊后熱處理(Max.PWHT及Min.PWHT)后的各項(xiàng)力學(xué)性能檢測(cè)

來確定。

④由于耐熱鋼的回火脆性及再熱裂紋傾向，焊后熱處理應(yīng)盡量避免在

所處理鋼材回火脆性敏感區(qū)及再熱裂紋傾向敏感區(qū)的溫度范圍內(nèi)進(jìn)

行。應(yīng)規(guī)定在危險(xiǎn)溫度范圍內(nèi)要有較快的加熱速度。

綜合考慮以上4個(gè)特點(diǎn)，需要制定一個(gè)合適的耐熱鋼焊后熱處理規(guī)范，

經(jīng)過大量的試驗(yàn)、研究，引出了一個(gè)指導(dǎo)性參數(shù)，即納爾遜米勒(Rarson

—Miller)參數(shù)Tp,也稱回I火參數(shù)。

3

Tp=T(20+logt)X10-

式中：

T—熱處理絕對(duì)溫度，K

t—熱處理保溫時(shí)間，h

從式中可以看出，熱處理的溫度和保溫時(shí)間決定了Tp值的高低，也就

影響了Cr-M。鋼焊接接頭的強(qiáng)度和韌性。Tp值過低，接頭的強(qiáng)度和硬

度會(huì)過高而韌性較低，若Tp值太高，則強(qiáng)度和硬度會(huì)明顯下降，同時(shí)

由于碳化物的沉淀和聚集也會(huì)使韌性下降，因此，Tp值在18.2?21.4

可以使接頭具有較好的綜合力學(xué)性能。當(dāng)然，對(duì)于每一種Cr-M。鋼都

有一個(gè)最佳的回火參數(shù)范圍，如1.25Cr-0.5Mo鋼焊縫金屬的最佳Tp

17

值為20.0?20.6之間，對(duì)于2.25Cr-lMo鋼而言，其最佳的Tp值在20.2

?20.6之間。

（3）后熱和中間熱處理Cr-Mo鋼冷裂傾向大，導(dǎo)致生產(chǎn)裂紋的影響

因素中，氫的影響居首位，因此，焊后（或中間停焊）必須立即消氫。

一般說來，Cr-Mo鋼容器的壁厚、剛性大、制造周期長(zhǎng)，焊后不能很

快進(jìn)行熱處理，為防裂并穩(wěn)定焊件尺寸，在主焊縫（或主焊縫和殼體接

管焊縫）完成后進(jìn)行比最終熱處理溫度低的中間熱處理。這類鋼的后熱

溫度一般為300?350C,也有少數(shù)制造單位取350?400c的。中間熱

處理規(guī)范隨鋼種、結(jié)構(gòu)、制造單位的經(jīng)驗(yàn)而異，一般中間熱處理溫度

為（620?640℃）±15℃。

（4）焊接規(guī)范的選擇焊接線能量、預(yù)熱溫度和層間溫度直接影響到

焊接接頭的冷卻條件，一般來說，焊接線能量越大，冷卻速度越慢，

加之伴有較高的預(yù)熱和層間溫度，就會(huì)使接頭各區(qū)的晶粒粗大，強(qiáng)度

和韌性都會(huì)降低。對(duì)于低合金耐熱鋼而言，對(duì)焊接線能量在一定范圍

內(nèi)變化并不敏感，也就是說，允許的焊接線能量范圍較寬，只有當(dāng)線

能量過大時(shí)，才會(huì)對(duì)強(qiáng)度和韌性有明顯的影響，所以為了防止冷裂紋

的產(chǎn)生，希望焊接時(shí)線能量不要過小。

四、耐熱鋼鋼壓力容器焊接實(shí)例

直徑為500mm,殼程壁厚為30mm,管程壁厚為16mm的加熱器（圖

10-4）,殼體材質(zhì)為15CrMoR,其主要承壓焊縫的焊接工藝見表10-3。

18

圖10-4加熱器簡(jiǎn)圖

表10-3加熱器焊接工藝

焊縫編號(hào)焊縫位置焊接方法焊接材料說明

3A1、4Ak管程筒體縱、環(huán)縫GTAW打

B6殼程、管程筒體與管板鹿HBCrMoA

①

B2-B5、B7環(huán)縫SMAW蓋R307

B8、B9接管與對(duì)接法蘭環(huán)縫面

lAk2A1、管程筒體縱縫

SMAWR307②

Bl、B4管程筒體與法蘭環(huán)縫

接管、整體法蘭與法蘭

D1-D6SMAWR307③

蓋、管板、殼體角焊縫

GTAWC自

D7換熱管與管板角焊縫H08CrMoA④

動(dòng)）

GMAW

El耳座與殼體角焊縫TWE-811B2⑤

（CO2焊）

說明:

19

①殼程筒體直徑較小，焊工無法鉆入筒體內(nèi)焊接，故殼程筒體縱、環(huán)

縫只能從外側(cè)施焊。同樣，由于該設(shè)備結(jié)構(gòu)方面的原因，殼程、管程

筒體與管板的環(huán)縫焊接也只能從外側(cè)進(jìn)行。至于接管與對(duì)接法蘭環(huán)縫,

本設(shè)備中接管規(guī)格為6273X12,亦無法從內(nèi)側(cè)施焊。以上焊縫需要單

面焊，但又要保證質(zhì)量，選用TIG焊打底是保證焊縫質(zhì)量最有效的方

法。對(duì)于殼程筒體環(huán)縫，也可采用GTAW打底，SMAW再焊兩道，然

后SAW焊剩余層的方法。

②盡管管程筒體直徑較小，但其長(zhǎng)度很短，管程筒體縱縫、管程筒體

與法蘭環(huán)縫具備內(nèi)側(cè)焊條電弧焊的條件，故采用焊條電弧焊進(jìn)行雙面

焊。

③接管、整體法蘭與法蘭蓋、管板、殼體的角焊縫設(shè)備大合攏焊縫，

鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊。

④換熱管-管板焊接是熱交換設(shè)備的重要焊縫，其焊接方法有焊條電

弧焊、手工鶴極家弧焊、全位置自動(dòng)氨弧焊。焊條電弧焊是最早使用

的焊接方法，其特點(diǎn)是效率高，但是質(zhì)量對(duì)比于其他兩種方法來說要

差很多，現(xiàn)在基本上已被淘汰。但是在某些特殊場(chǎng)合，如絲堵式空冷

器，其管子-管板焊接必須通過管板前的絲堵板進(jìn)行焊接，這時(shí)只能用

采用焊條電弧焊的方法，用小直徑焊條焊接，這對(duì)焊工操作技術(shù)要求

很高，一般在焊前需要對(duì)焊工進(jìn)行專門培訓(xùn)。

目前使用最廣泛，質(zhì)量最好的焊接方法為自動(dòng)筑弧焊。本設(shè)備中換熱

管-管板焊接采用全位置自動(dòng)氣弧焊，焊接接頭形式為角焊縫（圖

10-50）o焊絲直徑為1mm,填絲焊兩道。

20

圖10-5加熱器換熱管-管板接頭形式

⑤耳座與殼體焊接角焊縫屬非承壓焊縫，采用熔化極氣體保護(hù)焊(保

護(hù)氣體為純CO2),效率高，焊縫成形好。TWE-811B2為焊材牌號(hào)，

其焊材型號(hào)為E81Tl-B2(AWSA5.29)o

第三節(jié)低溫鋼壓力容器的焊接

一、壓力容器用低溫鋼及其焊接特點(diǎn)

GB150-1998《鋼制壓力容器》附錄C規(guī)定，設(shè)計(jì)溫度低于或等于一20

℃的鋼制壓力容器為低溫容器。

眾所周知，鋼材在低溫條件下工作時(shí)具有冷脆性。衡量低溫鋼性能的

主要指標(biāo)是低溫韌性，即低溫下的沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)變溫度，鋼的低

溫沖擊韌性越高，脆性轉(zhuǎn)變溫度越低，則該鋼低溫韌性越好。鋼的成

分和組織對(duì)低溫性能都有顯著影響，磷、碳、硅使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度

升高，其中尤以磷、碳最為顯著，而鎰和銀會(huì)使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低，

對(duì)低溫韌性有利。鋼中含鍥量增高時(shí)，可以使其在更低的溫度下保持

相當(dāng)高的沖擊韌性。一般來說，具有面心立方晶格的金屬，其韌性隨

溫度的變化極小，18-8型奧氏體不銹鋼就是由于具有面心立方晶格，

故在很低的溫度下仍具有較高的沖擊韌性。此外，鋼的晶粒越細(xì)，低

21

溫沖擊韌性越好。

低溫鋼就是通過嚴(yán)格控制鋼材中的碳、硫、磷含量或加入一些電凡、鋁、

鈦和銀等合金元素，達(dá)到固溶強(qiáng)化、晶粒細(xì)化之目的，并通過正火或

正火+回火處理來細(xì)化晶粒，使組織均勻化或使鋼具有面心立方晶格，

從而使鋼在低溫下具有足夠的低溫韌性及抵抗脆性破壞的能力，以保

證設(shè)備在低溫條件下能安全運(yùn)行。

低溫鋼一般可分為無銀和含銀兩大類。無銀鋼的最低使用溫度為-50

℃,含銀鋼最低使用溫度根據(jù)含銀量的多少范圍在-60C?-196C之間，

-196C以下則使用奧氏體不銹鋼，有關(guān)奧氏體不銹鋼的焊接在介紹不

銹鋼焊接時(shí)再作詳細(xì)敘述，表10-4為部分典型的低溫鋼的低溫沖擊韌

性指標(biāo)。

表10-4部分典型的低溫鋼的低溫沖擊韌性

厚度最低沖擊試驗(yàn)

鋼材牌號(hào)使用狀態(tài)AKV〃

/mm溫度/℃

6-36-40

16MnDR正火>224

-30

36?100

正火，正火+

15MnNiDR6~60-45227

回火

正火，正火+

09MnNiDR6~60-70227

回火

3.5Ni鋼正火W50-101N20

22

（SA203B級(jí)）>50

-87

?75

對(duì)不含鎂的低溫鋼而言，由于其含碳量低，其他合金元素含量也較少,

故其淬硬傾向和冷裂傾向都小，因而具有良好的焊接性能，一般可不

預(yù)熱或用較低的預(yù)熱溫度來進(jìn)行焊接，當(dāng)板厚較厚或低溫環(huán)境下焊接

時(shí)，才需要一定的預(yù)熱溫度。所以，這一類鋼焊接時(shí)，只要選擇相匹

配的焊材和合適的工藝，保證焊縫及熱影響區(qū)的低溫韌性是不成問題

的。

含銀低溫鋼由于添加了銀，雖然對(duì)冷裂紋傾向影響不顯著，但卻增大

了熱裂紋的傾向，必須嚴(yán)格控制鋼及焊材中的碳、硫、磷含量，同時(shí)

采用合適的焊接規(guī)范，使焊縫有較大的焊縫成形系數(shù)，即避免形成窄

而深的焊道成形截面，就可以有效地避免熱裂紋的產(chǎn)生。

總之，低溫鋼焊接的重點(diǎn)是保證焊縫及熱影響區(qū)獲得足夠的低溫沖擊

韌性。

二、壓力容器用低溫鋼焊材選用

(1)所選用的焊材必須保證焊縫含有最少的有害雜質(zhì)(S、P、0、N

等)，對(duì)于含銀低溫鋼尤其要嚴(yán)格控制。

(2)選用的焊材應(yīng)保證焊縫金屬的低溫韌性。對(duì)于含銀低溫鋼，選用

的焊材的含鎂量應(yīng)與母材相當(dāng)或稍高。

三、壓力容器用低溫鋼焊接要點(diǎn)

(1)采用小的焊接線能量為避免焊縫及熱影響區(qū)形成粗大組織而

23

使其沖擊韌性嚴(yán)重降低，焊接時(shí)必須采用較小的焊接線能量，具體要

求是，焊接電流不宜過大，焊條電弧焊時(shí)、焊條盡量不擺動(dòng)，采用窄

焊道、多道多層焊和快速多道焊以減小焊道過熱，并通過多層焊的重

復(fù)加熱作用細(xì)化晶粒。多層焊時(shí)要嚴(yán)格控制層間溫度。

（2）選擇適當(dāng)?shù)暮附铀俣葘?duì)于含銀低溫鋼進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊時(shí)，切

不可以提高焊接速度來獲得較低的焊接線能量。這是因?yàn)楫?dāng)焊接速度

較高時(shí)，由于熔池形成典型的雨滴狀，且焊道成形變成窄而深的截面

形狀，此時(shí)就易產(chǎn)生焊道中心的熱裂紋。所以，這類鋼焊接時(shí),焊接

速度要特別選擇適當(dāng)，不可過小，也不可過大。

（3）避免咬邊缺陷低溫鋼焊接時(shí)應(yīng)注意避免弧坑、未焊透及咬邊

等缺陷，這些缺陷在低溫條件下，在應(yīng)力作用時(shí)，都會(huì)造成較大的應(yīng)

力集中而引起脆性破壞。所以對(duì)于低溫壓力容器而言，不允許有任何

尺寸的咬邊缺陷存在。

四、低溫鋼壓力容器焊接實(shí)例

直徑4400mm,長(zhǎng)90m,壁厚為34mm的乙烯精硫塔（圖10-6）,設(shè)計(jì)

溫度為-45℃。因設(shè)備上管口、內(nèi)件眾多，簡(jiǎn)圖中只畫出部分。殼體材

質(zhì)為09MnNiDR,其主要承壓焊縫的焊接工藝見表10-5。

24

25

圖10-6丙烯精儲(chǔ)塔簡(jiǎn)圖

表10-5丙烯精儲(chǔ)塔焊接工藝

焊縫位置焊接方法焊接材料說明

UNIONS3

封頭拼縫

SAWSi①

殼體縱、環(huán)縫

UV-418TT

現(xiàn)場(chǎng)合攏焊縫SMAWW707②

接管、人孔與殼體角焊縫

人孔筒體拼縫、人孔筒體與SMAWR307③

對(duì)接法蘭環(huán)縫

UNIONI

接管與法蘭環(huán)縫GTAW④

1.2Ni

THYSEN

GMAW

內(nèi)件與殼體內(nèi)壁角焊縫TG50Ni⑤

（CO2焊）

E81T1-Nil

說明:

①殼程筒體直徑較小，焊工無法鉆入筒體內(nèi)焊接，故殼程筒體縱、環(huán)

縫只能從外側(cè)施焊。同樣，由于該設(shè)備結(jié)構(gòu)方面的原因，殼程、管程

筒體與管板的環(huán)縫焊接也只能從外側(cè)進(jìn)行。至于接管與對(duì)接法蘭環(huán)縫,

本設(shè)備中接管規(guī)格為6273X12,亦無法從內(nèi)側(cè)施焊。以上焊縫需要單

面焊，但又要保證質(zhì)量，選用TIG焊打底是保證焊縫質(zhì)量最有效的方

法。對(duì)于殼程筒體環(huán)縫，也可采用GTAW打底，SMAW再焊兩道，然

26

后SAW焊剩余層的方法。

②盡管管程筒體直徑較小，但其長(zhǎng)度很短，管程筒體縱縫、管程筒體

與法蘭環(huán)縫具備內(nèi)側(cè)焊條電弧焊的條件，故采用焊條電弧焊進(jìn)行雙面

焊。

③接管、整體法蘭與法蘭蓋、管板、殼體的角焊縫設(shè)備大合攏焊縫，

鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊。

④換熱管-管板焊接是熱交換設(shè)備的重要焊縫，其焊接方法有焊條電

弧焊、手工鋁極氨弧焊、全位置自動(dòng)氨弧焊。焊條電弧焊是最早使用

的焊接方法，其特點(diǎn)是效率高，但是質(zhì)量對(duì)比于其他兩種方法來說要

差很多，現(xiàn)在基本上已被淘汰。但是在某些特殊場(chǎng)合，如絲堵式空冷

器，其管子-管板焊接必須通過管板前的絲堵板進(jìn)行焊接，這時(shí)只能用

采用焊條電弧焊的方法，用小直徑焊條焊接，這對(duì)焊工操作技術(shù)要求

很高，一般在焊前需要對(duì)焊工進(jìn)行專門培訓(xùn)。

目前使用最廣泛，質(zhì)量最好的焊接方法為自動(dòng)瀛弧焊。本設(shè)備中換熱

管-管板焊接采用全位置自動(dòng)筑弧焊，焊接接頭形式為角焊縫（圖

10-50）o焊絲直徑為1mm,填絲焊兩道。

⑤內(nèi)壁與殼體內(nèi)壁角焊縫，鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選

用焊條電弧焊。

第四節(jié)不銹鋼壓力容器的焊接

一、壓力容器用不銹鋼及其焊接特點(diǎn)

所謂不銹鋼是指在鋼中加入一定量的銘元素后，使鋼處于鈍化狀態(tài)，

27

具有不生銹的特性。為達(dá)到此目的，其鋁含量必須在12%以上。為提

高鋼的鈍化性，不銹鋼中還往往需加入能使鋼鈍化的銀、鋁等元素。

一般所指的不銹鋼實(shí)際上是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。不銹鋼并不一定

耐酸，而耐酸鋼一般均具有良好的不銹性能。

不銹鋼按其鋼的組織不同可分為四類，即奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹

鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體一鐵素體雙相不銹鋼。

1.奧氏體不銹鋼及其焊接特點(diǎn)

奧氏體不銹鋼是應(yīng)用最廣泛的不銹鋼，以高Cr-Ni型最為普遍。目前

奧氏體不銹鋼大致可分為Crl8-Ni8型、Cr25-Ni20型、Cr25-Ni35型。

奧氏體不銹鋼有以下焊接特點(diǎn)：

①焊接熱裂紋奧氏體不銹鋼由于其熱傳導(dǎo)率小，線膨脹系數(shù)大，因

此在焊接過程中，焊接接頭部位的高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，焊縫易形成粗

大的柱狀晶組織，在凝固結(jié)晶過程中，若硫、磷、錫、鐲、銅等雜質(zhì)

元素含量較高，就會(huì)在晶間形成低熔點(diǎn)共晶，在焊接接頭承受較高的

拉應(yīng)力時(shí)，就易在焊縫中形成凝固裂紋，在熱影響區(qū)形成液化裂紋，

這都屬于焊接熱裂紋。防止熱裂紋最有效的途徑是降低鋼及焊材中易

產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)元素和使銘鍥奧氏體不銹鋼中含有4%?12%

的鐵素體組織。

②晶間腐蝕根據(jù)貧銘理論，在晶間上析出碳化鋁，造成晶界貧鋁

是產(chǎn)生晶間腐蝕的主要原因。為此，選擇超低碳焊材或含有鋸、鈦等

穩(wěn)定化元素的焊材是防止晶間腐蝕的主要措施。

③應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂通常表現(xiàn)為脆性破壞，且發(fā)生破壞

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的過程時(shí)間短，因此危害嚴(yán)重。造成奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的主

要原因是焊接殘余應(yīng)力。焊接接頭的組織變化或應(yīng)力集中的存在，局

部腐蝕介質(zhì)濃縮也是影響應(yīng)力腐蝕開裂的原因。

④焊接接頭的。相脆化。相是一種脆硬的金屬間化合物，主要析集

于柱狀晶的晶界。y相和3相都可發(fā)生。相轉(zhuǎn)變。比如對(duì)于Cr25Ni20

型焊縫在800℃?900℃加熱時(shí)，就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的y—3轉(zhuǎn)變。對(duì)于銘

銀型奧氏體不銹鋼，特別是鋁銀鋁型不銹鋼，易發(fā)生3一。相轉(zhuǎn)變，這

主要是由于銘、鋁元素具有明顯的o化作用，當(dāng)焊縫中b鐵素體含量

超過12%時(shí)，5一。的轉(zhuǎn)變非常顯著，造成焊縫金屬的明顯的脆化，這

也就是為什么熱壁加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層將§鐵素體含量控制在3%

?10%的原因。

2.鐵素體不銹鋼及其焊接特點(diǎn)

鐵素體不銹鋼分為普通鐵素體不銹鋼和超純鐵素體不銹鋼兩大類，其

中普通鐵素體不銹鋼有CH2?Crl4型，如00Crl2、0Crl3Al；Crl6~

Crl8型，如ICrl7Mo；Cr25?30型。

由于普通鐵索體不銹鋼中的碳、氮含量較高，故加工成形及焊接都較

困難，耐蝕性也難以保證，使用受到限制，在超純鐵素體不銹鋼中嚴(yán)

格控制了鋼中的碳和氮總量，一般控制在0.035%?0.045%、0.030%、

0.010%?0.015%三個(gè)層次，同時(shí)還加入必要的合金元素以進(jìn)一步提

高鋼的耐腐蝕性和綜合性能。與普通鐵素體不銹鋼相比，超純高倍鐵

素體不銹鋼具有很好的耐均勻腐蝕、點(diǎn)蝕及應(yīng)力腐蝕性能，較多的應(yīng)

用于石化設(shè)備中。鐵素體不銹鋼有以下焊接特點(diǎn)：

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①焊接高溫作用下，在加熱溫度達(dá)到1000C以上的熱影響區(qū)特別在

近縫區(qū)的晶粒會(huì)急劇長(zhǎng)大，焊后即使快速冷卻，也無法避免因晶粒粗

大化引起的韌性急劇下降及較高的晶間腐蝕傾向。

②鐵素體鋼本身含銘量較高，有害元素碳、氮、氧等也較多，脆性轉(zhuǎn)

變溫度較高，缺口敏感性較強(qiáng)。因此，焊后脆化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

③在400℃?600℃長(zhǎng)時(shí)間加熱緩冷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)475℃脆化，使常溫

韌性嚴(yán)重下降。在550c?820c長(zhǎng)時(shí)間加熱后，則容易從鐵素體中析

出。相，也明顯降低其塑、韌性。

3.馬氏體不銹鋼及其焊接特點(diǎn)

馬氏體不銹鋼可分為Crl3型馬氏體不銹鋼、低碳馬氏體不銹鋼和超級(jí)

馬氏體不銹鋼。Crl3型具有一般抗腐蝕性能，從Crl2為基的馬氏體

不銹鋼，因加入銀、鋁、鴇、專凡等合金元素，除具有一定的耐腐蝕性

能，還具有較高的高溫強(qiáng)度及抗高溫氧化性能。

馬氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn)：Crl3型馬氏體不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)的淬

硬傾向特別大，焊接接頭在空冷條件下便可得到硬脆的馬氏體，在焊

接拘束應(yīng)力和擴(kuò)散氫的作用下，很容易出現(xiàn)焊接冷裂紋。當(dāng)冷卻速度

較小時(shí)，近縫區(qū)及焊縫金屬會(huì)形成粗大鐵素體及沿晶析出碳化物，使

接頭的塑、韌性顯著降低。

低碳及超級(jí)馬氏體不銹鋼的焊縫和熱影響區(qū)冷卻后，雖然全部轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

低碳馬氏體，但沒有明顯的淬硬現(xiàn)象，具有良好的焊接性能。

二、壓力容器用不銹鋼焊材選用

1.奧氏體不銹鋼焊材選用

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奧氏體不銹鋼焊材的選擇原則是在無裂紋的前提下，保證焊縫金屬的

耐蝕性能及力學(xué)性能與母材基本相當(dāng)，或高于母材，一般要求其合金

成分大致與母材成分匹配。對(duì)于耐蝕的奧氏體不銹鋼，一般希望含一

定量的鐵素體，這樣既能保證良好的抗裂性能，又能有很好的抗腐蝕

性能。但在某些特殊介質(zhì)中，如尿素設(shè)備的焊縫金屬是不允許有鐵素

體存在的，否則就會(huì)降低其耐蝕性。對(duì)耐熱用奧氏體鋼，應(yīng)考慮對(duì)焊

縫金屬內(nèi)鐵素體含量的控制。對(duì)于長(zhǎng)期在高溫運(yùn)行的奧氏體鋼焊件，

焊縫金屬內(nèi)鐵素體含量不應(yīng)超過5%。讀者可根據(jù)Schaeffler圖，按焊

縫金屬中的銘當(dāng)量和銀當(dāng)量估計(jì)出相應(yīng)的鐵素體含量。

2.鐵素體不銹鋼焊材選用

鐵素體不銹鋼焊材基本上有三類：1）成分基本與母材匹配的焊材；2）

奧氏體焊材；3）銀基合金焊材，由于其價(jià)格較高，故很少選用。

鐵素體不銹鋼焊材可采用與母材相當(dāng)?shù)牟牧希诰惺却髸r(shí)，很容

易產(chǎn)生裂紋，焊后可采用熱處理，恢復(fù)耐蝕性能，并改善接頭塑性。

采用奧氏體焊材可免除預(yù)熱和焊后熱處理，但對(duì)于不含穩(wěn)定元素的各

種鋼，熱影響區(qū)的敏化仍然存在，常用309型和310型鋁銀奧氏體焊

材。對(duì)于Crl7鋼，也可用308型焊材，合金含量高的焊材有利于提高

焊接接頭塑性。奧氏體或奧氏體一鐵素體焊縫金屬基本與鐵素體母材

等強(qiáng)，但在某些腐蝕介質(zhì)中，焊縫的耐蝕性可能與母材有很大的不同，

這一點(diǎn)在選擇焊材時(shí)要注意。

3.馬氏體不銹鋼焊材選用

在不銹鋼中，馬氏體不銹鋼是可以利用熱處理來調(diào)整性能的，因此，

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為了保證使用性能的要求，特別是耐熱用馬氏體不銹鋼，焊縫成分應(yīng)

盡量接近母材的成分。為了防止冷裂紋，也可采用奧氏體焊材，這時(shí)

的焊縫強(qiáng)度必然低于母材。

焊縫成分同母材成分相近時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)將會(huì)同時(shí)硬化變脆，同

時(shí)在熱影響區(qū)中出現(xiàn)回火軟化區(qū)。為了防止冷裂，厚度3mm以上的構(gòu)

件往往要進(jìn)行預(yù)熱，焊后也往往需要進(jìn)行熱處理，以提高接頭性能，

由于焊縫金屬與母材的熱膨脹系數(shù)基本一致，經(jīng)熱處理后有可能完全

消除焊接應(yīng)力。

當(dāng)工件不允許進(jìn)行預(yù)熱或熱處理時(shí)，可選擇奧氏體組織焊縫，由于焊

縫具有較高的塑性和韌性，能松弛焊接應(yīng)力，并且能較多地固溶氫，

因而可降低接頭的冷裂傾向，但這種材質(zhì)不均勻的接頭，由于熱膨脹

系數(shù)不同，在循環(huán)溫度的工作環(huán)境下，在熔合區(qū)可能產(chǎn)生剪應(yīng)力，而

導(dǎo)致接頭破壞。

對(duì)于簡(jiǎn)單的Crl3型馬氏體鋼，不采用奧氏體組織的焊縫時(shí)，焊縫成分

的調(diào)整余地不多，一般都和母材基體相同，但必須限制有害雜質(zhì)S、P

及Si等，Si在Crl3型馬氏體鋼焊縫中可促使形成粗大的馬氏體。降

低含C量，有利于減小淬硬性，焊縫中存在少量Ti、N或Al等元素,

也可細(xì)化晶粒并降低淬硬性。

對(duì)于多組元合金化的Crl2基馬氏體熱強(qiáng)鋼，主要用途是耐熱，通常不

用奧氏體焊材，焊縫成分希望接近母材。在調(diào)整成分時(shí)，必須保證焊

縫不致出現(xiàn)一次鐵素體相，因它對(duì)性能十分有害，由于Cd3基馬氏體

熱強(qiáng)鋼的主要成分多為鐵素體元素（如Mo、Nb、W、V等），為保證全

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部組織為均一的馬氏體，必須用奧氏體元素加以平衡，也就是要有適

當(dāng)?shù)腃、Ni、Mn、N等元素。

馬氏體不銹鋼具有相當(dāng)高的冷裂傾向，因此必須嚴(yán)格保持低氫，甚至

超低氫，在選擇焊材時(shí)，必須要注意這一點(diǎn)。

三、壓力容器用不銹鋼焊接要點(diǎn)

1.奧氏體不銹鋼焊接要點(diǎn)

總的來說，奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的焊接性。兒乎所有的熔化焊接方

法均可用于焊接奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼的熱物理性能和組織特

點(diǎn)決定了其焊接工藝要點(diǎn)。

①由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小而熱膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)易于產(chǎn)生較

大的變形和焊接應(yīng)力，因此應(yīng)盡可能選用焊接能量集中的焊接方法。

②由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，在同樣的電流下，可比低合金鋼得

到較大的熔深。同時(shí)又由于其電阻率大，在焊條電弧焊時(shí)，為了避免

焊條發(fā)紅，與同直徑的碳鋼或低合金鋼焊條相比，焊接電流較小。

③焊接規(guī)范。一般不采用大線能量進(jìn)行焊接。焊條電弧焊時(shí)，宜采

用小直徑焊條，快速多道焊，對(duì)于要求高的焊縫，甚至采用澆冷水的

方法以加速冷卻，對(duì)于純奧氏體不銹鋼及超級(jí)奧氏體不銹鋼，由于熱

裂紋敏感性大，更應(yīng)嚴(yán)格控制焊接線能量，防止焊縫晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大與

焊接熱裂紋的發(fā)生。

④為提高焊縫的抗熱裂性能和耐蝕性能，焊接時(shí)，要特別注意焊接區(qū)

的清潔，避免有害元素滲入焊縫。

⑤奧氏體不銹鋼焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱。為了防止焊縫和熱影響區(qū)的

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晶粒長(zhǎng)大及碳化物的析出，保證焊接接頭的塑、韌性和耐蝕姓，應(yīng)控

制較低的層間溫度，一般不超過150C。

2.鐵素體不銹鋼焊接要點(diǎn)

鐵素體不銹鋼的鐵素體形成元素相對(duì)較多，奧氏體形成元素相對(duì)較少,

材料淬硬和冷裂傾向較小。鐵素體不銹鋼在焊接熱循環(huán)的作用下，熱

影響區(qū)晶粒明顯長(zhǎng)大，接頭的韌性和塑性急劇下降。熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)

大的程度取決于焊接時(shí)所達(dá)到的最高溫度及其保持時(shí)間，為此，在焊

接鐵素體不銹鋼時(shí)一，應(yīng)盡量采用小的線能量，即采用能量集中的方法,

如小電流TIG、小直徑焊條手工焊等，同時(shí)盡可能采用窄間隙坡口、

高的焊接速度和多層焊等措施，并嚴(yán)格控制層間溫度。

由于焊接熱循環(huán)的作用，一般鐵素體不銹鋼在熱影響區(qū)的高溫區(qū)產(chǎn)生

敏化，在某些介質(zhì)中產(chǎn)生晶間腐蝕。焊后經(jīng)700?850℃退火處理，使

倍均勻化，可恢復(fù)其耐蝕性。

普通高銘鐵素體不銹鋼可采用焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊、埋弧焊焊等

熔焊方法。由于高銘鋼固有的低塑性，以及焊接熱循環(huán)引起的熱影響

區(qū)晶粒長(zhǎng)大和碳化物、氮化物在晶界集聚，焊接接頭的塑性和韌性都

很低。在采用與母材化學(xué)成分相似的焊材且拘束度大時(shí)，很易產(chǎn)生裂

紋。為了防止裂紋，改善接頭塑性和耐蝕性，以焊條電弧焊為例，可

以采取下列工藝措施。

①預(yù)熱100?150℃左右，使材料在富有韌性的狀態(tài)下焊接。含銘越

高，預(yù)熱溫度應(yīng)越高。

②采用小的線能量、不擺動(dòng)焊接。多層焊時(shí)，應(yīng)控制層間溫度不高于

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150℃,不宜連續(xù)施焊，以減小高溫脆化和475。。脆性影響。

③焊后進(jìn)行750?800c退火處理，由于碳化物球化和鋁分布均勻，

可恢復(fù)耐蝕性，并改善接頭塑性。退火后應(yīng)快泠，防止出現(xiàn)。相及475

℃脆性。

3.馬氏體不銹鋼焊接要點(diǎn)

對(duì)于CH3型馬氏體不銹鋼，當(dāng)采用同材質(zhì)焊條進(jìn)行焊接時(shí)，為了降低

冷裂紋敏感性，確保焊接接頭塑、韌性，應(yīng)選用低氫型焊條并同時(shí)采

取下列措施：

①預(yù)熱。預(yù)熱溫度隨鋼材含碳量的增加而提高，一般在100C?350

℃范圍內(nèi)。

②后熱。對(duì)于含碳量較高或拘束度大的焊接接頭，焊后采取后熱措施,

以防止焊接氫致裂紋。

③焊后熱處理。為改善焊接接頭塑、韌性和耐蝕性，焊后熱處理溫度

一般為650c?750C,保溫時(shí)間按lh/25mm計(jì)。

對(duì)于超級(jí)及低碳馬氏體不銹鋼，一般可不采取預(yù)熱措施，當(dāng)拘束度大

或焊縫中含氫量較高時(shí)，采取預(yù)熱及后熱措施，預(yù)熱溫度一般為100

℃~150℃,焊后熱處理溫度為590?620℃。

對(duì)于含碳量較高的馬氏體鋼。或在焊前預(yù)熱、焊后熱處理難以實(shí)施，

以及接頭拘束度較大的情況下，工程中也可用奧氏體型的焊材，以提

高焊接接頭的塑、韌性，防止產(chǎn)生裂紋。但此時(shí)焊縫金屬為奧氏體組

織或以?shī)W氏體為主的組織時(shí)，與母材強(qiáng)度相比實(shí)為低強(qiáng)匹配，而且焊

縫金屬與母材在化學(xué)成分、金相組織、熱物理性能、力學(xué)性能差別很