钢制压力容器焊接工艺评定项目的优化和整合1

1、钢制压力容器焊接工艺评定项目的优化和整合朱海鹰 辛忠智（中国化工装备协会 100011）廖洋 杨鹏 辛忠仁（四川省质量技术监督局 610061）摘 要：本文根据压力容器安全技术监察规程和JB4708-2000标准，提出对现有和新做的钢制压力容器焊接工艺评定项目进行优化和整合，减少焊接工艺评定的数量，以及避免出现焊接工艺评定不能覆盖产品的情况等。关键词：钢制压力容器 焊接工艺评定 优化 整合经过二十余年的努力和积累，国内压力容器制造企业对焊接工艺评定重要性的认识不断深入，焊接工艺评定工作也取得大的进展。目前，企业做了上百个甚至几百个焊接工艺评定项目的并不少见。但是由于对JB4708-2000标准

2、认识和理解的偏差，也出现一些不可忽视的问题，如焊接工艺评定项目的选择无序，无计划，随意性大，以致焊接工艺评定覆盖范围重叠，评定项目相互重复；甚至有的企业所做评定项目数量虽不少，但却不能覆盖现有的压力容器产品。因而急需对焊接工艺评定项目进行优化和整合。在确定焊接工艺因素时，尽量扩大焊接工艺评定覆盖范围，避免和减少覆盖范围的重叠，减少焊接工艺评定数量，保证焊接工艺评定项目能覆盖全部压力容器产品。根据固定式压力容器安全技术监察规程和JB4708-2000标准，按照钢制压力容器用材种类（碳钢和低合金钢、铬镍奥氏体不锈钢）、焊接方法（焊条电弧焊、埋弧焊、钨极气体保护焊）、焊后热处理类别，对各种钢制压力容

3、器的焊接工艺评定项目进行分析和探讨。1、碳钢和低合金钢制压力容器1.1 不进行焊后热处理（As Weld）对于母材为标准抗拉强度下限值小于或等于540MPa及-2组以外的钢材，为了充分利用焊接工艺评定的覆盖范围，减小焊接工艺评定项目共同叠加的覆盖范围，达到减少焊接工艺评定数量的目的，在拟定焊接工艺指导书时，选择焊接工艺评定试件的厚度分别为6mm、16mm、38mm。评定合格后，则它们的焊件母材厚度覆盖范围分别为1.512mm、1232mm、28.5200mm。这样，选择的三个焊接工艺评定项目则可不间断地覆盖1.5200mm的所有板厚，见表1。表1 序号焊接方法焊后热处理类 别试件母材厚度mm焊

4、件母材厚度覆盖范围mm1SMAW（或SAW、GTAW）AW61.5-1221612-3233828.5-200注：AWAS WELD，即焊态，不进行焊后热处理。从表1可以看出，对于焊条电弧焊、埋弧焊和钨极气体保护焊，每种焊接方法各有三个焊接工艺评定项目。对于中厚板和厚板，如厚度16mm和38mm的试件，可以采用二种焊接方法（钨极气体保护焊和焊条电弧焊）或三种焊接方法（钨极气体保护焊、焊条电弧焊和埋弧焊）的组合评定代替分别评定，这样一个工艺评定可以代替二个或三个评定，达到减少焊接工艺评定数量的目的。对于母材为-2组和标准抗拉强度下限值大于540MPa的强度型低合金钢，拟定焊接工艺指导书时，选择焊

5、接工艺评定的试件厚度分别为6mm、16mm、32mm、64mm、128mm，评定合格后，则它们的焊件母材厚度覆盖范围分别为1.512mm、1224mm、2448mm、4896mm、96192mm，这样，选择的五个焊接工艺评定就可不间断地覆盖从1.5192mm的所有板厚，而且没有发生覆盖范围的重叠，见表2。表2 序号焊接方法焊后热处理PWHT试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mm1SMAW（或SAW、GTAW）AW61.5-1221612-2433224-4846448-96512896-1921.2 高于上转变温度进行焊后热处理（Normalizing）这主要针对热冲压成形的碳钢和低合金钢凸

6、形封头的拼接焊接接头的焊接工艺评定。对于热冲压成形的碳钢和低合金钢制凸形封头，应充分考虑封头拼接焊接接头热冲压的热过程，如果认为热冲压的热加工过程不属于焊后热处理，这样的理解是不正确的。对于碳钢和低合金钢制凸形封头，热冲压过程的加热温度已达到或超过910（铁碳平衡图上的临界点A3），因而封头的热冲压过程类似于正火热处理过程（Normalizing），直接影响到封头拼接焊接接头的力学性能和弯曲性能，对于封头拼接焊接接头实际上也就是一次焊后热处理过程。由于热冲压加热温度超过了碳钢和低合金钢的上转变温度，因而适用于焊件的最大厚度为试件厚度的1.1倍，按JB4708-2000的表8；而适用于焊件的最小

7、厚度按JB4708-2000中表5或表3（IV-2组和 b>540MPa强度型低合金钢）。对于大多数压力容器制造企业所需焊接工艺评定的项目推荐见表3。表3 序号焊接方法焊后热处理PWHT试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mm1SMAWN385-41.82SAWN385-41.8从表3可以看出，在重要因素和补加因素不变的条件下，厚板评定合格的焊接工艺，其母材厚度覆盖范围将包容了较薄板。因此，此种情况下，应做较厚板的焊接工艺评定。充分利用焊接工艺评定的覆盖范围，减少工艺评定次数。1.3 先高于上转变温度，继之在低于下转变温度进行焊后热处理（Normalizing + Stress Reli

8、ef）这主要针对热冲压成形的碳钢和低合金钢凸形封头的拼接焊接接头的焊接工艺评定。对于焊后需整体热处理消除应力的压力容器（如液化石油气储罐、液氯储槽等），其热冲压成形的封头的拼接焊接接头也就要与容器一起再进行一次消除应力热处理，因而这类压力容器在制造过程中封头拼接焊接接头相当于进行了两次焊后热处理，正火+消除应力热处理（N+SR）。所需焊接工艺评定项目见表4。表4 序号焊接方法焊后热处理PWHT试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mm1SMAWN+SR385-41.82SAWN+SR385-41.8从表4可以看出，在重要因素和补加因素不变的条件下，厚板评定合格的焊接工艺，其母材覆盖范围包含了较薄

9、板。因此，此种情况下应做较厚板的焊接工艺评定，充分利用焊接工艺评定的覆盖范围，减少评定的次数。1.4 进行低于下转变温度的焊后热处理（Stress Relief）对于需要焊后进行消除焊接应力热处理（SR）的压力容器，其焊接接头也就要进行消应处理（SR），当焊件规定进行冲击试验时，该类压力容器的焊接接头焊接工艺评定项目，推荐见表5。表5 序号焊接方法焊后热处理PWHT试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mm1SMAW（或SAW、GTAW）SR61.5-1221612-3233828.5-200JB4708-2000标准规定：“试件的焊后热处理应与焊件在制造过程中的热处理基本相同，加热温度范围不得

10、超过相应标准或技术文件规定”。“低于下转变温度进行焊后热处理（SR）时，试件的保温时间不得少于焊件在制造过程中累计保温时间的80%”。图1 接管与壳体的角接头组合焊缝当试件较薄时，低于下转变温度焊后热处理保温时间相应较短，但这类试件，尤其是小于或等于6mm的试件的工艺评定主要应用于覆盖压力容器接管与壳体角接头的组合焊缝（对接焊缝+角焊缝），见图1。由于接管厚度较薄（一般为1.5mm）。当容器进行焊后整体消除应力热处理（SR）时，接管与壳体的组合焊缝也就要与较厚的壳体焊缝一样经过保温时间较长的下转变温度热处理，充分考虑这些情况，拟定焊接工艺指导书时，就应按较厚壳体焊件选取可能遇到的较长保温时间，

11、避免因热处理保温时间覆盖不上，而另做一个保温时间更长的焊接工艺评定。根据经验，笔者推荐，对于壁厚小于或等于6mm的工艺评定试件，低于下转变温度焊后热处理保温时间至少2小时以上。当试件较厚时，低于下转变温度焊后热处理保温时间相应较长，若有中间热处理或焊缝多次返修，热处理累积保温时间还会更长，充分考虑这些因素，拟定焊接工艺指导书时选取可能遇到的较长保温时间，就可避免因热处理保温时间覆盖不上，而又要做另一个更长保温时间的焊接工艺评定。2、铬镍奥氏体不锈钢制压力容器2.1 不进行焊后热处理（As Weld）铬镍奥氏体不锈钢制压力容器，一般不进行焊后热处理，而且对于使用温度大于或等于-196的铬镍奥氏体

12、不锈钢母材可免做冲击实验。但是应考虑到用于设计温度低于-100时的铬镍奥氏体不锈钢制低温压力容器，按照GB150-1998的附录C1.4条，铬镍奥氏体不锈钢低温容器，当“设计温度低于-100时，应按JB4708进行焊缝金属的低温夏比（V型缺口）冲击试验，且符合C的要求”。这类容器如设计温度为-196的液氧、液氮低温绝热容器和液化天然气（LNG）罐式集装箱等，其内容器由奥氏体不锈钢焊制而成，它们的焊接接头的焊接工艺就需要焊缝金属经-196低温夏比冲击试验合格的焊接工艺评定支持。因此对于铬镍奥氏体不锈钢制压力容器，其焊接接头的焊接工艺评定项目，则分为不要求焊缝金属进行冲击试验（见表6）和要求焊缝金

13、属进行低于-100的低温冲击试验（见表7）两种情况。表6 序号试件母材类别号P-No焊接方法焊后热处理PWHT试件母材厚度Mm焊件母材厚度覆盖范围mm1VII(不要求焊缝金属进行冲击试验)SMAW（或SAW、GTAW）AW61.5-122385-200表7 序号试件母材类别号P-No焊接方法焊后热处理PWHT试件母材厚度Mm焊件母材厚度覆盖范围mm1VII(要求焊缝金属进行低于-100低温冲击试验)SMAW（或SAW、GTAW）AW61.5-1221612-3233828.5-2002.2 进行焊后固溶热处理（Solution Heat Treatment）这主要是针对热冲压成形的铬镍奥氏体不

14、锈钢凸形封头的拼接焊接接头的焊接工艺评定。由于铬镍奥氏体不锈钢在加热过程中没有相变发生，晶粒会涨大，而且加热过程中有铁素体析出，促使奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能降低。因此对有耐腐蚀性能要求的铬镍奥氏体不锈钢封头经热冲压成形后，要进行固溶热处理（S），目的是得到单一的、均匀的奥氏体组织，保证其具有高的耐腐蚀性能。因此，对于此类封头拼接焊接接头的焊接工艺评定项目，则分为需要固溶热处理的，按表8和表9选用；不需要进行固溶热处理的，按表6和表7选用。表8 序号试件母材类别号P-No焊接方法焊后热处理PWHT试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mm1VII(不要求焊缝金属进行冲击试验)SMAW（或SAW、G

15、TAW）S61.5-122385-200表9 序号试件母材类别号P-No焊接方法焊后热处理PWHT试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mm1VII(要求焊缝金属进行低于-100低温冲击试验)SMAW（或SAW、GTAW）S61.5-122385-2003、钢制压力容器典型焊接工艺评定项目一览表根据固定式压力容器安全技术监察规程和GB4708-2000标准，按照常用钢材组别、焊接方法、焊后热处理种类，列出钢制压力容器典型焊接工艺评定项目一览表，见表10。表10 试件母材组别P-No焊接方法PWHT试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mmWPQ项次I-ISMAWAW616381.52003N385

16、41.81SR616381.52003N+SR38541.81SAWAW143810.52002N38541.81SR143810.52002N+SR38541.81GTAWAW616381.52003SR616381.52003II-ISMAWAW616381.52003N38541.81SR616381.52003N+SR38541.81SAWAW143810.52002N38541.81SR143810.52002N+SR38541.81GTAWAW616381.52003SR616381.52003VII-I(不要求焊缝金属进行冲击试验)SMAWAW6381.52002S6381.52

17、002SAWAW3852001S3852001GTAWAW6381.52002S6381.52002VII-I(要求焊缝金属进行低于-100低温冲击试验)SMAWAW616381.52003S6381.52002SAWAW143810.52002S3852001GTAWAW616381.52003S6381.52002综上所述，不难看出：对于从事、组母材，采用焊条电弧焊、埋弧焊和钨极气体保护焊的压力容器制造企业，按照法规、标准，需要拥有约63个焊接工艺评定项目；从事、组母材的需要拥有约86个焊接工艺评定项目。对于上述企业如果所需封头全部由封头制造厂供给，则需要分别拥有约45个和58个焊接工艺评

18、定项目。压力容器制造企业对焊接工艺评定项目进行优化和整合，可以避免焊接工艺评定覆盖范围的重叠，达到减少工艺评定数量的目的，优化工艺评定；避免因工艺评定项目不当选择，覆盖范围不同，而需要多做或漏做产品焊接试板；避免因工艺评定项目选择不当，焊接工艺不相同，造成产品焊接试板以批代台出现错误；避免焊接工艺评定项目数量虽多，但却覆盖不了产品等问题。Treatment and Rectity of Welding Procedure Qualification for Steel Pressure VesselsZhu Haiying Xin Zhongzhi Ying Xiao ping Liao Yang Yang Ping Xin ZhongrenAbstract: According to code of safety technical for pressure vessel and the JB4708-2000 standard, this paper raises treating and rec