压力容器用钢焊接技术探讨 吴方超

1、压力容器用钢焊接技术探讨 吴方超摘要：现如今，我国是化工行业快速发展的新时期，压力容器的应用越来越广 泛，在压力容器制作中，焊接过程是影响产品质量的关键因素，其质量的好坏直 接决定一台压力容器的质量等级和使用年限。文章对压力容器用钢的焊接技术进 行讨论，对比分析各种技术的特性和条件，提出工艺关注点和施工注意事项。关键词：压力容器；焊接；碳素钢；不锈钢；异种钢引言低温用钢主要用于低温条件工作的容器、管道和钢结构。在压力容器行业中 设计温度低于或等于-20C的压力容器称之为压力容器(简称低温容器)。凡用来制 造低温设备的钢，称之为低温用钢(以下简称低温钢)。随着我国炼油化工工业的 迅猛发展，各种液

2、化石油气、液氨、液氧、液氢、液氮等介质的生产、储存、运 输设备，化肥、乙烯、煤液化、海洋工程、冷冻设备等装置的大量建造，低温钢 的需求量日益增多;且对低温钢也提出了越来越高的要求。用于制造压力容器的低温钢 低温钢主要是指镍铬合金与碳锰合金。在低温钢的分类中，其分类依据主要是环境的温度、合金的含量与组织、合金中镍、铬元素的含量等。将低温钢按温 度等级一般可以分为以下四类：-40C-20C；-80C-50C；-100C 110C；-296C-196C。根据合金元素与组织的不同可以将低温钢分为低合 金铁素体钢、中合金低碳马氏体钢与高合金奥氏体钢。根据合金中镍、铬元素的 含量可以将低温钢分为无镍、铬低

3、温钢与含镍、铬低温钢。钢中的合金元素主要 是起到固溶强化、细晶强化的作用，而且其在经过正火、回火之后，钢组织中的 晶粒将会更加的细化，从而提高钢材的低温韧性，延长钢材的使用寿命。目前， 使用最多的低温钢中均含有镍元素，相同规格的钢材料中所含的镍元素越高，在 相同的韧性条件下所能适应的温度就越低。我们知道，钢材在低温环境中工作时 具有冷脆性，压力容器的制造用钢则克服了钢材的这一缺点，其生产出的低温钢 能够在低于或是等于-20C的环境下工作。在对低温钢性能的衡量过程中主要采用 的指标则是低温韧性，即低温条件下低温钢的冲击韧性与脆性转变温度，钢材所 具有的低温冲击韧性越高，而其脆性转变温度越低的话，

4、则其具有越好的低温韧 性。钢材的成分与组织会对其所具有的低温性能有很大的影响，钢材中所含的磷、 碳、硅等元素会使钢的脆性转变温度升高，其中磷与碳对其的影响最为明显，而 钢材中所含的锰、镍元素会降低钢的脆性转变温度，使钢材具有更好的低温韧性。 通常，对于具有面心立方晶体的金属而言，在温度的变化过程中其韧性的变化是 极小的，仍然会有较高的冲击韧性。另外，钢材中所含晶粒越细，其所具有的低 温冲击韧性也就越好。目前，无镍低温钢的最低使用温度为-50C，含镍低温钢的 最低使用温度则是根据所含镍元素的量来决定的，其使用温度的范围一般为- 196C-60C，奥氏体不锈钢的使用温度一般在-196C以下。压力容

5、器用钢焊接技术压力容器用低温钢焊接要点(1)采用小的焊接热输入量为避免焊缝及热影响区形成粗大组织而使其冲击韧 性严重降低，必须采用较小的焊接热输入量量，具体是焊接电流不宜大，焊条电 弧焊时焊条尽量不摆动，采用窄焊道、多道多层焊和快速多道焊以减小焊道过热， 并通过多层焊重复加热作用细化晶粒。多层焊时要严格控制层间温度。 (2)选择适 当的焊接速度对于含镍低温钢进行埋弧自动焊时，切不可以提高焊接速度来获得 较低的焊接线能量。因为当焊接速度较高时，熔池形成典型的雨滴状，且焊道成 形变成窄而深的截面形状，此时就易产生焊道中心的热裂纹。所以，这类钢焊接 时，焊接速度要选择适当，不可过小，也不可过大。(3

6、)避免咬边缺陷低温钢焊接 时应注意避免弧坑、未焊透及咬边等缺陷，这些缺陷在低温条件下，在应力作用 时，都会造成较大的应力集中而引起脆性破坏。所以对于压力容器而言，不允许 有任何尺寸的咬边缺陷存在。碳素钢压力容器的焊接 低碳钢的焊接性能较好，因为其成分中的含碳量低，锰、硅含量较少，在焊 接时，不容易产生淬硬组织。一般情况下，低碳钢的塑形和冲击韧性好，其焊缝 的塑形和冲击韧性也往往较好。故低碳钢具有优良的焊接性能，是所有钢材中焊 接性能最好的钢种。整个焊接过程中不需采用特殊的工艺措施，焊后也不必进行 热处理。低碳钢焊接材料的选用焊条应根据焊缝金属强度与母材等强的原则选用 焊条，同时还须考虑焊接接头

7、形式、板厚和焊接位置等因素。随着母材厚度的增 大、接头内残余应力很大。因此，随着母材厚度的增加，在焊接时，应选优先选 用抗裂纹性能好的焊条。在焊接含合金元素不高的低碳，一般要采用能够补充合 金元素的焊丝和焊剂，以增加焊缝的抗裂纹的能力，并降低气孔的出现并提高焊 缝的低温冲击韧性。由于低碳钢的塑形、韧性都较好，焊接性能优良，一般情况 下焊接时不需要预热及控制层间温度和后热，整个焊接过程中不采用特殊的工艺 措施，焊后也不必进行热处理。在存在可能使焊接接头冷却速度过快的环境下， 例如低温或母材较厚的情况，易发生冷裂纹现象，因此应采取相应的措施以避免 冷裂纹出现：1.焊接前对母材进行预热，焊接过程中保

8、持层间温度。2.采用低氢 型或超低氢型焊条。3.定位焊时，加大焊接电流，减慢焊接速度。4.整条焊缝尽 量一次连续焊完。低温用 15MnNiNbDR 钢的开发应用及焊接要点由于 16MnDR、15MnNiDR 和 09MnNiDR 的强度较低，致使我国压力容器罐体 壁厚较大，自重系数相应增大，增加了制造成本和工人的劳动强度。为此，在系 统分析国外同类钢种成分和工艺的基础上，利用武钢先进的冶炼设备，通过添加 GB3531标准所允许的微量元素V、Nb和Ni,成功研制出了高性能的15MnNiNbDR(-50C低温冲击AKVA34J, Rm530MPa)钢板。既提高了现有压力 容器用钢的强度,又提高了其

9、韧性。不锈钢压力容器的焊接不锈钢就是在钢中增加Cr、Ni等合金元素，使钢处于钝化状态不易发生氧化 的钢材,其具有不易生锈的特点。按相组织可分为铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢 双相不锈钢等。压力容器中最为常见的是奥氏体不锈钢,由于奥氏体不锈钢的膨 胀系数小,热导率小,焊缝易形成粗大的柱状精组织。其粗大组织在受力时,易 发生裂纹,该裂纹为热裂纹。在焊接过程中应注意以下几点：1.由于奥氏体不锈 钢热导率小线胀系数大,应尽可能选用焊接能量集中的焊接方法。 2.在焊接时, 焊接电流要比焊接碳钢时更小。 3.尽量采用小的热输入进行焊接。 4.焊接前清理 坡口及母材周边,减少有害物质的污染。随着技术的提高和化工行业的发展,越 来越多的压力容器使用了双相不锈钢,所谓双相不锈钢,其相组织为含量相当的 奥氏体组织和铁素体相组织。双相不锈钢强度高于奥氏体不锈钢,韧性高于铁素 体不锈钢,且耐孔蚀、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能也有明显的改善。其焊接 性较好不易产生热裂纹,但有可能产生氢致裂纹。在焊接时,需控制焊缝金属的 奥氏体组织和铁素体组织的比例。结语 由于压力容器的工作环境特别，因此其制造用钢以及制造中的工艺措施等均 需要进行严格地控制。在该过程中，不仅需要选用合适的焊接材料、焊接工艺， 还需要注意焊接