【正文】 度的加熱 ，焊縫的力學性能不僅取決于化學成分，而且和焊縫的組織狀態(tài)有很大關系。經過 Ac3 以上 的溫度加熱后，焊縫組織從柱狀晶變成了等軸晶，打破了原來的亞結構狀態(tài)，使過飽和程度降低，其碳的固溶強化作用也隨之降低了，所以勢必焊縫強度降低。 ② 殼體縱、環(huán)縫焊接條件好，考慮到板厚因素，從提高效率、保證焊接質量出發(fā)，選用雙面埋弧焊，焊絲啊等強度原則選用。 B2 焊縫據人孔較近， 故將其為大合攏焊縫。 對于人孔、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 進行雙面焊 。 TIG50為焊材牌號，其焊材型號為 ER70SG (AWS )。 TWE711 為焊材牌號，其焊材型號為 E71T1(AWS )。這類鋼通常以退火態(tài)或正火 +回火狀態(tài)交貨。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 12Cr2Mo1R。也正由于這一類鋼在耐高溫的同時還具有良好的抗氫腐蝕性能 ，為此， CrMo 或 CrMoV 系的低合金耐熱鋼亦經常稱為抗氫鋼。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。 ① 接頭的等強性 耐熱鋼接頭不僅應具有與母材基本相等的室溫和高溫短時強度，而且更重要的是 應具有 與母材相近的高溫持久強度。為此，焊縫金屬的合金成分和含量應與母材基本一致。 ④ 接頭的抗脆斷性 雖然耐熱鋼壓力容器大多數是在高溫下工作，但當壓力容器和管道制造完工后將在常溫下進行設計壓力 。因此，耐熱鋼焊接接頭亦應具有一定的抗脆斷性。焊縫金屬的熱膨脹系數和熱導率應基本一致，這樣就可避免接頭在高溫運行過程中的熱應力。 （ 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。這些合金元素推遲了鋼在冷 卻過程中的轉變，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 12Cr2Mo1R 焊接時，如果焊接 線能量 較小，鋼板厚度較大且不預熱焊接時就有可能發(fā)生 100％的馬氏體轉變。這種裂紋在熱影響區(qū)和焊縫金屬中都易發(fā)生。冷裂紋是 CrMo 鋼 焊接中存在的主要危險。 CrMo 鋼是再熱裂紋敏感性鋼種，敏感的溫度范圍一般在 500 ~ 700℃之間。通常以裂紋指數 PSR粗略地評價鋼的消除應力裂紋敏感性。 但對于碳含量低于 ％的鋼種，上式不適用。實際上，當焊道的成形系數（熔寬與熔深比）小于 ~ 時，焊道中心 易形成熱裂紋。一切影響焊道成形系數的因素都會影響熱裂紋的發(fā)生。例如某廠一臺 鋼制壓力容器在 332 ~ 432℃運行 30000h 后，鋼的 40J脆性轉變溫度從 37℃提高到了 +60℃，并最終導致災難性的脆性斷裂事故。 ② 分步冷卻試驗法 (步冷 ) 分步 冷卻試驗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，保溫更長時間，如圖 102。 圖 102 測定回火脆性敏感性的步冷處理程序 圖 103 回火脆 化程度的曲線 按圖 102 曲線加熱，使鋼材發(fā)生快速回火脆化。 （ 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鉻、鉬含量不得低于母材標準值的下限。 （ 4）為提高焊縫金屬的抗裂性，應控制焊材中的含碳量低于母材的碳含量，但應注意，含碳量過低時，經長時間的焊后熱處理會促使鐵素體形成，從而導致韌性下降，因此，對于低合金耐熱鋼的焊縫金屬含碳量最好控制在 ％ ~ ％范圍內，這樣才會使焊縫金屬具有較高的沖擊韌性和與母材相當的高溫蠕變強度。一般來說，在條件許可下應適當提高預熱及層間 溫度來避免冷裂紋和再熱裂紋的產生。 表 102 推薦選用的低合金耐熱鋼預熱及層間溫度 鋼種 預熱溫度 /℃ 層間溫度 /℃ 15CrMoR ≥ 150 150 ~ 250 12Cr1MoV ≥ 200 250 左右 12Cr2Mo1R 200 ~ 250 200 ~ 300 在 CrMo 鋼上堆焊不銹鋼 ≥ 100 對于預熱和層間溫度，應注意以下幾點： ① 整個焊接過程中的層間溫度不應低于預熱溫度。 ③ 對于厚壁容器，必須注意焊前、焊接過程和焊接結束時的預熱溫度基本保持一致并將實測預熱溫度做好記錄。實際上，作局部預熱可以取得與整體預熱相近的 10 效果，但必須保證預熱區(qū)寬度大于所焊厚度的 4 倍，且至少不小于 150mm。 ⑥ 鋼材下料 進行熱切割時，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的裂源。 （ 2）焊后熱處理 對于低合金耐熱鋼，焊后熱處理的目的不僅是消除焊接殘余應力，而且更重要的是改善組織提高接頭的綜合力學性能，包括提高接頭的高溫蠕變強度和組織穩(wěn)定性，降低焊縫及熱影響區(qū)硬度，還有就是使氫進一步逸出以避免產生冷裂紋。 ① 焊后熱處理應保證近縫區(qū)組織的改善。 ③ 焊后熱處理不應使母材及焊接接頭各項力學性能降低到設計規(guī)定的最低限度以下。 ④ 由于耐熱鋼的回火脆性及再熱裂紋傾向，焊后熱處理應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)的溫度范圍內進行。 綜合考慮以上 4 個特點，需要制定一個合適的耐熱鋼焊后熱處理規(guī)范，經過大量的試驗、研究，引出了一個指導性參數，即納爾遜米勒（ Rarson— Miller）參數 Tp，也稱回火參數。 Tp 值過低，接頭的強度和硬度會過高而韌性較低，若 Tp 值太高，則強度和硬度會明顯下降，同時由于碳化物的沉淀和聚集也會使韌性下降，因此， Tp 值在 ~ 可以使接頭具有較好的綜合力學性能 。 （ 3）后熱和中間熱處理 CrMo 鋼冷裂傾向大，導致生產裂紋的影響因素中，氫的影響居首位 ， 11 因此，焊后 (或中間停焊 )必須立即消氫。這類鋼的后熱溫度一般為 300 ~350℃，也有少 數 制造單位取 350 ~ 400℃的。 15℃。對于低合金耐熱鋼而言，對焊接 線能量 在一定范圍內變化并不敏感，也就是說，允許的焊接 線能量 范圍較寬，只有當 線能量 過大時，才會對強度和韌性有明顯的影響，所以為了防止冷裂紋的產生， 希望焊接時 線能量 不要過小。 圖 104 加熱器簡圖 表 103 加熱器焊接工藝 焊縫編號 焊縫位置 焊接方法 焊接材料 說明 3A 4A B6 B2B B7 B B9 管程筒體 縱、環(huán)縫 殼程 、管程 筒體與管板環(huán)縫 接管與對接法蘭環(huán)縫 GTAW 打底 SMAW 蓋面 H13CrMoA R307 ① 12 焊縫編號 焊縫位置 焊接方法 焊接材料 說明 1A 2A BB4 管程筒體縱縫 管程筒體與法蘭環(huán)縫 SMAW R307 ② D1D6 接管、整體法蘭與法蘭蓋、管板、殼體角焊縫 SMAW R307 ③ D7 換熱管與管板角焊縫 GTAW（自動） H08CrMoA ④ E1 耳座與殼體角焊縫 GMAW (CO2 焊 ) TWE811B2 ⑤ 說明： ① 殼程 筒體 直徑較小，焊工無法鉆入筒體內 焊接 ， 故殼程筒體縱、環(huán)縫只能從外側施焊。 至于接管與對接法蘭環(huán)縫， 本設備中接管規(guī)格為φ 273 12， 亦無 法從內側施焊 。 對于殼程筒體環(huán)縫，也可采用 GTAW打底， SMAW 再焊 兩 道，然后 SAW 焊剩余層的方法。 ③ 接管、整體法蘭與法蘭蓋、管板、殼體的角焊縫 設備大合攏焊縫， 鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊 。焊條電弧焊是最早使用的焊接方法，其特點是效率高，但是質量對比于其他兩種方法來說要差很多，現在基本上已被淘汰。 目前使用最廣泛，質量最好的焊接方法為自動氬弧焊。焊絲直徑為 1mm，填絲焊兩道。 TWE811B2 為焊材牌號，其焊材型號為 E81T1B2(AWS )。 眾所周知，鋼材在低溫條件下工作時具有冷脆性 。鋼的成分和組織對低溫性能都有顯著影響，磷、碳、硅使 鋼的 脆性轉變溫度升高，其中尤以磷、碳最為顯著，而錳和鎳會使脆性轉變溫度降低，對低溫韌性有利。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， 188 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。 低溫鋼就是通過嚴格控制鋼材中的碳、硫、磷含量或加入一些釩、鋁、鈦和鎳等合金元素，達到固溶強化、 晶粒細化之目的，并通過正火或正火 +回火處理來細化晶粒，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，以保證設備在低溫條件下能安全運行。無鎳鋼的最低使用溫度為 50℃，含鎳鋼最低使用溫度根據含鎳量的多少范圍在 60℃ ~196℃之間， 196℃以下則使用奧氏體不銹鋼 ，有關奧氏體不銹鋼的焊接在介紹不銹鋼焊接時再作詳細敘述，表 104 為部分典型的低溫鋼的低溫沖擊韌性指標 。所以，這一類鋼焊接時，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。 總之，低溫鋼焊接的重點是保證焊縫及熱影響區(qū)獲得足夠的低溫沖擊韌性。 （ 2）選用的 焊材 應保證焊縫金屬的低溫韌性。 三、 壓力容器用低溫鋼焊接要點 （ 1）采用小的焊接 線能量 為避免焊縫及熱影響區(qū)形成粗大組織而使其沖擊韌性嚴重降低，焊接時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，焊條盡量不擺動，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加熱作用細化晶粒。 （ 2）選擇適當的焊接速度 對于含鎳低溫鋼進行埋弧自動焊時，切不可以提高焊接速度來獲得較低的焊接 線能量 。所以，這類鋼焊接時，焊接速度要特別選擇適當，不可過小，也不可過大。所以對于低溫壓力容器而言，不允許有任何尺寸的咬邊缺陷存在。 因設備上管口、內件眾多， 簡圖中 只畫出部分 。 圖 106 丙烯精餾塔簡圖 表 105 丙烯精餾塔 焊接工藝 焊縫位置 焊接方法 焊接材料 說明 封頭拼縫 殼體縱、環(huán)縫 SAW UNION S3 Si UV418TT ① 16 焊縫位置 焊接方法 焊接材料 說明 現場 合攏焊縫 SMAW W707 ② 接管、人孔與殼體角焊縫 人孔筒體拼縫、 人孔筒體與對接法蘭環(huán)縫 SMAW R307 ③ 接管與法蘭環(huán)縫 GTAW UNION I Ni ④ 內件與殼體內壁角焊縫 GMAW (CO2 焊 ) THYSEN TG 50Ni E81T1Ni1 ⑤ 說明： ① 殼程筒體直徑較小，焊工無法鉆入筒體內焊接，故殼程筒體縱、環(huán)縫只能從外側施焊。至于接管與對接法蘭環(huán)縫，本設備中接管規(guī)格為φ 273 12，亦無法從內側施焊。對于殼程筒體環(huán)縫，也可采用 GTAW打底， SMAW 再焊兩道，然后 SAW 焊剩余層的方法。 ③ 接管、整體法蘭與法蘭蓋、管板、殼體的角焊縫設備大合攏焊縫，鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊。焊條電弧焊是最早使用的焊接方法，其特點是效率高，但是質量 對比于其他兩種方法來說要差很多，現在基本上已被淘汰。 目前使用最廣泛，質量最好的焊接方法為自動氬弧焊。焊絲直徑為 1mm，填絲焊兩道 。 第四節(jié) 不銹鋼 壓力容 器 的焊接 17 一、 壓力容器用不銹鋼及其焊接特點 所謂不銹鋼是指在鋼中加入一定量的鉻元素后，使鋼處于鈍化狀態(tài)，具有不生銹的特性。為提高鋼的鈍化性，不銹鋼中還往往需加入能使鋼鈍化的鎳、鉬等元素。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。 1. 奧氏體不銹鋼及其焊接特點 奧氏體不銹鋼是應用最廣泛的不銹鋼，以高 CrNi 型 最為普遍。奧氏體不銹鋼有以下焊接特點： ① 焊接熱裂紋 奧氏體不銹鋼由于其熱傳導率小，線膨脹系數大，因此在焊接過程中，焊接接頭部位的高溫停留時間較長，焊縫易形成粗大的柱狀晶組織，在凝固結晶過程中，若硫、磷、錫、銻、鈮等雜質元素含量較高，就 會 在晶間形成低熔點共晶，在焊接接頭承受較高的拉應力時，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。 ② 晶間腐蝕 根據貧鉻理論，在晶間上析出碳化鉻，造成晶界貧鉻是產生晶間腐蝕的主要原因。 ③ 應力腐蝕開裂 應力腐蝕開裂 通常表現為脆性破壞，且發(fā)生破壞的過程時間短，因此危害嚴重。焊接接頭的組織變化或應力集中的存在，局部腐蝕介質濃縮也是影響應力腐蝕開裂的原因。 γ 相和 δ相都可發(fā)生 σ相轉變。對于 鉻鎳 型奧氏體不銹鋼，特別是 鉻鎳鉬 型不銹鋼，易發(fā)生 δ→σ 相轉變，這主要是由于鉻、鉬元素具有明顯的 σ化作用，當焊縫中 δ 鐵素體含量超過 12％時， δ→σ 的轉變非常顯著，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器內壁堆焊層將 δ 鐵素體含量控制在 3％~10％的原因。 18 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格控制了鋼中的碳和氮總量，一般控制在 ％ ~ ％、 ％、 ％ ~ ％三個層次，同時還加入必要的合金元素 以 進一步提高鋼的耐腐蝕性和綜合性能。鐵素體不銹鋼有