【正文】 l等元素，也可細(xì)化晶粒并降低淬硬性。 當(dāng)工件不允許進(jìn)行預(yù)熱或熱處理時，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。 焊縫成分同母材成分相近時，焊縫和熱影響區(qū)將會同時硬化變脆，同時在熱影響區(qū)中出現(xiàn)回火軟化區(qū)。 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，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。對于 Cr17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。 鐵素體不銹鋼 焊材 可采用與母材相當(dāng)?shù)牟牧?，但在拘束度大時，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。讀者可根據(jù) Schaeffler 圖，按焊縫金屬中的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量估計出相應(yīng)的鐵素體含量。對耐熱用奧氏體鋼，應(yīng)考慮對焊縫金屬內(nèi)鐵素體含量的控制。對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。 低碳及超級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)榈吞捡R氏體，但沒有明顯的淬硬現(xiàn)象，具有良好的焊接性能。 馬氏體不銹鋼的 焊接特點： Cr13 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。 3. 馬氏體不銹鋼及其焊接特點 馬氏體不銹鋼可分為 Cr13 型馬氏體不銹鋼、低碳馬氏體不銹鋼和超級馬氏體不銹鋼。 ③ 在 400℃ ~ 600℃長時間加熱緩冷時，會出現(xiàn) 475℃脆化，使常溫韌性嚴(yán)重下降。 ② 鐵素體鋼本身含鉻量較高，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)。與普通鐵素體不銹鋼相比，超純高鉻鐵素體不銹鋼具有很好的耐均勻腐 蝕、點蝕及應(yīng)力腐蝕性能，較多的應(yīng)用于石化設(shè)備中。 2. 鐵素體不銹鋼及其焊接特點 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 Cr12 ~ Cr14 型，如 00Cr1 0Cr13Al； Cr16 ~ Cr18 型，如 1Cr17Mo； Cr25 ~ 30 型。比如對于 Cr25Ni20 型焊縫在 800℃ ~ 900℃加熱時，就會發(fā)生強(qiáng)烈的 γ→δ轉(zhuǎn)變。 ④ 焊接接頭的 σ 相脆化 σ 相是一種脆硬的金 屬間化合物，主要析集于柱狀晶的晶界。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。為此，選擇超低碳 焊材 或含有鈮、鈦等穩(wěn)定化元素的 焊材 是防止晶間腐蝕的主要措施。防止熱裂紋最有效的途徑是降低鋼及 焊材 中易產(chǎn)生低熔點共晶的雜質(zhì)元 素和使 鉻鎳 奧氏體不銹鋼中含有 4％ ~ 12％的鐵素體組織。目前奧氏體不銹鋼大致可分為Cr18Ni8 型、 Cr25Ni20 型、 Cr25Ni35 型。 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。一般所指的不銹鋼實際上是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。為達(dá)到此目的，其鉻含量必須在 12％以上。 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。本設(shè)備中換熱管 管板焊接采用全位置自動氬弧焊，焊接接頭形式為角焊縫（圖 1050）。但是在某些特殊場合，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，這時只能用采用焊條電弧焊的方法，用小直徑焊條焊接，這對焊工操作技術(shù)要求很高，一般在焊前需要對焊工進(jìn)行專門培訓(xùn)。 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、手工鎢極氬弧焊、全位置自動氬弧焊。 ② 盡管管程筒體直徑較小，但其長度很短，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。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。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。 殼體材質(zhì)為 09MnNiDR，其主要承壓焊縫的焊接工藝見表 105。 四、 低溫鋼壓力容器焊 接實例 15 直徑 4400mm，長 90m， 壁厚為 34mm 的 乙烯精硫塔 （圖 106）， 設(shè)計溫度為 45℃。 （ 3）避免咬邊缺陷 低溫鋼焊接時應(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，都會造成較大的應(yīng)力集中而引起脆性破壞。這是因為當(dāng)焊接速度較高時，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，此時就易產(chǎn)生焊道中心的熱裂紋。多層焊時要嚴(yán)格控制層間溫度。對于含鎳低溫鋼，選用的焊材的含鎳量應(yīng)與母材相當(dāng)或稍高。 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、 O、 N 等），對于含鎳低溫鋼尤其要嚴(yán)格控制。 含鎳低溫鋼由于添加了鎳，雖然對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 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。 表 104 部分典型的 低溫鋼的低溫沖擊韌性 鋼材牌號 使用狀 態(tài) 厚度 /mm 最低沖擊試驗溫度/℃ AKV/J 16MnDR 正火 6 ~ 36 40 ≥ 24 36~100 30 15MnNiDR 正火，正火 +回火 6 ~ 60 45 ≥ 27 09MnNiDR 正火，正火 +回火 6 ~ 60 70 ≥ 27 14 鋼 (SA203B級 ) 正火 ≤ 50 101 ≥ 20 50 ~75 87 對不含鎳的低溫鋼而言，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，才需要一定的預(yù)熱溫度。 低溫鋼一般可分為無鎳和含鎳兩大類。此外，鋼的晶粒越細(xì)，低溫沖擊韌性越好。鋼中含鎳量增高時，可以使 其 在更低的溫度下保持相當(dāng)高的沖擊韌性。 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。 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 GB1501998《鋼制壓力容器》附錄 C 規(guī)定，設(shè)計溫度低于或等于－ 20℃的鋼制壓力容器為低溫容器。 13 圖 105 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。 本設(shè)備 中 換熱管 管板焊接 采用全位置自動氬弧焊，焊接接頭形式 為角焊縫（ 圖 1050） 。但是在某些特殊場合，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，這時只能用采用焊條電弧焊的方法，用小直徑焊條焊接，這對焊工操作技術(shù)要求很高，一般在焊前需要對焊工進(jìn)行專門培訓(xùn)。 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、手工鎢極氬弧焊、全位置 自動氬弧焊。 ② 盡管 管程筒體 直徑較小，但其 長度很短， 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。 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。 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。 四、 耐熱鋼鋼壓力容器焊接實例 直徑為 500mm， 殼程 壁厚為 30mm， 管程壁厚為 16mm 的 加熱器 （圖 104），殼體材質(zhì)為 15CrMoR，其主要承壓焊縫的焊接工藝見表 103。 （ 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，就會使接頭各區(qū)的晶粒粗大，強(qiáng)度和韌性都會降低。中間熱處理規(guī)范隨鋼種、結(jié)構(gòu)、制造單位的經(jīng)驗而異，一般中間熱處理溫度為(620 ~ 640℃ )177。一般說來， CrMo 鋼容器的壁厚、剛性大、制造周期長，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。 當(dāng)然 ，對于每一種 CrMo 鋼都有一個最佳的回火參數(shù)范圍 ，如 鋼焊縫金屬的最佳 Tp 值為 ~ 之間，對于 鋼而言，其最佳的 Tp值在 ~ 之間 。 Tp= T ( 20+log t ) 103 式中： T — 熱處理絕對溫度， K t — 熱處理保溫時間， h 從式中可以看出，熱處理的溫度和保溫時間決定了 Tp 值的高低，也就影響了 CrMo 鋼焊接接頭的強(qiáng)度和韌性。應(yīng)規(guī)定在危險溫度范圍內(nèi)要有較快的加熱速度。這一點往往要通過對母材及焊接接頭進(jìn)行最大和最小模擬焊后熱處理 (Max. PW HT 及 Min. PWHT)后的各項力學(xué)性能檢測來確定。 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。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，應(yīng)綜合考慮下列冶金和工藝特點。因此，也應(yīng)適當(dāng)預(yù)熱。 ⑤ 預(yù)熱與層間溫度必須低于 母材 的 Mf點 (馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點 )，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促使鋼材開裂，如對 12Cr2Mo1R 的預(yù)熱和最高層間溫度應(yīng)低于 300℃。 ④ 若容器焊前進(jìn)行整體預(yù)熱不僅費時而且耗能。 ② 要保證焊件 內(nèi)外表面均達(dá)到規(guī)定的預(yù)熱溫度。表 102 為 對 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)合實際選用 。 三、 壓力容器用耐熱鋼焊接要點 （ 1）預(yù)熱與層間溫度 在 CrMo 鋼的焊接 特點 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)。 （ 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、銻、錫、砷等微量元素的含量。分別對步冷試驗前后的鋼材進(jìn)行系列沖擊 ，繪制出步冷試驗前 、后回火脆化程度的曲線 (圖 103)，確定延脆性轉(zhuǎn)變溫度 VTr54 (試樣經(jīng) Min. PWHT處理后的夏比沖擊功為 54J 時相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度 )的 變量 ΔVTr54 (試樣經(jīng) Min. PWHT + 步冷處理后的夏比沖擊功為 54J 時相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度增量 )，按下式進(jìn)行計算： 美國雪弗龍公司早期提出的指標(biāo) ： VTr54 + ≤ 38℃ (100℉ ) 20 世紀(jì) 90 年代普遍采用的指標(biāo)： VTr54 + ≤ 38℃ 隨著對設(shè)備安全性要求的提高及鋼材、焊材性能的提高， 對 該指標(biāo) 的 要求越來越高， 2020年 某 工 9 程 公司 為寧波 和邦化學(xué)有限公司設(shè)計的兩臺加氫反應(yīng)器 提出的指標(biāo)是： VTr54 +3ΔVTr54 ≤ 10℃ 二、 壓力容器用耐熱鋼焊材選用 （ 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，只不過此時不但要考慮焊縫金屬與母材的常溫強(qiáng)度等強(qiáng)，同時也要使其高溫強(qiáng)度不低于母材標(biāo)準(zhǔn)值的下限要求。步冷處理目的是在 200 ~ 300 h 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 2020 ~ 5000 h 才能產(chǎn)生的效果相同。 CrMo 鋼 及其焊接接頭的回火脆性敏感性有兩種評價方式： ① X 系數(shù)和 J 系數(shù) X=（ 10P+5Sb+4Sn+As） 102（式中元素以 ppm含量代入 ，如 ％應(yīng)以 100ppm代入 ） J=（ Si+Mn）（ P+Sn） 104 （式中元素以百分?jǐn)?shù)含量代入 ，如 ％應(yīng)以 代入 ） 這兩個系數(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 X≤ 25ppm， J≤ 200，后 8 來達(dá)到 X≤ 20ppm， J≤ 150，直至目前又提高了要求，要求 X≤ 15ppm， J≤ 100。 （ 5）回火脆性 CrMo 鋼及其焊接接頭在 350 ~ 500℃溫度區(qū)間長期運行過程中發(fā)生脆變的現(xiàn)象稱為回火脆性。這是因為窄而深的梨形焊道，低熔點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。 （ 4）熱裂紋 對低合金耐熱鋼，人們往往注重冷裂紋的防止。 PSR按下式計算： PSR=Cr％ + Cu％ + 2Mo％ + 10V％ + 7Nb％ + 5Ti％ 2 當(dāng) PSR≥ 0 時 ，就有可能產(chǎn)生消除應(yīng)力裂紋。 大量試驗結(jié)果表明，鋼中 Cr、 Mo、 V、 Nb、 Ti等強(qiáng)碳化物形成元素對再熱裂紋形成有很大影響。 （ 3）消除應(yīng)力裂紋 因為這類裂紋是在消除應(yīng)力熱處理時，接頭再次處于高溫下所產(chǎn)生的裂紋，故又稱為再熱裂紋。在熱影響區(qū)大多是表面裂紋，在焊縫金屬中通常表現(xiàn)為垂直于焊縫的的橫向裂紋， 也可能發(fā)生在多層焊的焊道下或焊根部位。 （ 2）冷裂紋 由于 CrMo 鋼 極易產(chǎn)生淬硬的顯微組織，再加上焊