《压力管道技术》 第十章 施工安装

管道工程工艺标准规范做法相关

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二零XX年XX月XX日

压力管道技术

目录

第一章绪论...................................................................1

第一节压力管道的特点....................................................1

一、压力管道的定义及分类................................................1

二、压力管道的特点......................................................2

第二节压力管道的研究范畴................................................3

一、设计................................................................3

二、制造.................................................................7

三、安装.................................................................7

四、应用（运行）........................................................8

第三节压力管道的基本要求................................................8

一、安全性..............................................................9

一经济样.........................................................................Q

第二章应用总准体系..........................................................11

第一节国际上常用的标准体系..............................................11

一、德国及前苏联应用标准体系............................................11

二、美国及日本应用标准体系..............................................12

三、国际标准化组织的应用标准体系.......................................14

四、英国及法国应用标准体系..............................................14

第二节国内常用的标准体系................................................15

一、石化行业应用标准体系................................................15

二、化工行业应用标准体系................................................16

三、机械行业应用标准体系................................................17

四、中国国家应用标准体系................................................17

第三节常用压力管道应用标准配伍表.......................................19

附录F2—1常用的管子标准及其外径尺寸对比...............................21

第三章材料...................................................................22

第一节金属材料基本知识（一）...........................................22

一、金属的微观结构......................................................22

二、金属材料的基本性能..................................................28

三、温度对金属材料性能的影响...........................................30

四、常见元素对金属材料性能的影响.......................................32

第二节常用金属材料......................................................36

一、常用黑色金属材料....................................................37

二、常用有色金属材料....................................................43

第三节石油化工生产过程中常见的腐蚀环境.................................44

一、常见的腐蚀类型及定义................................................44

二、常见的几种腐蚀介质..................................................48

三、常见的几种腐蚀环境..................................................52

第四节压力管道常用金属材料的基本限制条件...............................54

一、一般限制条件........................................................54

二、常用材料的应用限制..................................................56

三、其它方面对材料的限制................................................57

第五节常用非金属材料....................................................58

一、常用工程塑料及其衬里管..............................................59

二、常用橡胶衬里管子....................................................62

三、其它非金属及其衬里管子..............................................63

四、非金属材料及其衬里的设计与施工.....................................63

附录F3—1常用金属材料的物理参数.......................................66

第四章管道压力等级..........................................................69

第一节设计条件..........................................................69

一、设计压力............................................................69

二、设计温度............................................................70

第二节影响管道压力等级确定的因素.......................................71

一、影响公称压力等级确定的因素.........................................71

二、影响壁厚等级确定的因素.............................................71

第三节压力等级的确定方法...............................................74

一、管道压力等级确定的原则.............................................74

二、公称压力等级的确定方法.............................................75

三、壁厚等级的确定方法.................................................76

第四节特殊管道元件的强度设计...........................................77

一、法兰强度设计........................................................77

二、常用非标准管件的壁厚确定...........................................84

三、管道的开孔补强.....................................................86

附录F4—1常用垫片的比压力y和垫片系数m.......................................................90

附录F4-2盲板或平盖封头的计算直径和结构特征参数......................91

第五章管道元件应用..........................................................92

第一节管子..............................................................92

一、焊接钢管............................................................92

二、无缝钢管............................................................93

三、复合管和衬里管.....................................................95

四、其它类管子..........................................................95

第二节管件..............................................................96

一、连接型式............................................................96

二、对焊管件............................................................97

三、承插焊和螺纹连接管件...............................................98

四、其它管件............................................................100

第三节法兰及紧固件......................................................101

一、法兰................................................................101

二、螺栓/螺母...........................................................102

三、垫片................................................................102

四、盲板、8字盲板、限流孔板和混合孔板.................................103

第四节阀门及其它管道设备................................................104

一、对阀门的一般要求...................................................104

二、闸阀、截止阀、止回阀...............................................107

三、蝶阀、球阀、疏水阀.................................................107

四、仪表调节阀和安全阀.................................................108

五、其它管道设备........................................................108

第六章管系静应力分析........................................................110

第一节静力分析的基础知识................................................110

一、基本概念............................................................110

二、管道元件变形的几种基本型式..........................................112

三、强度理论............................................................118

四、强度分析............................................................124

第二节管系静应力的计算与评定............................................128

一、管系静应力分析的目的及任务..........................................129

二、管系静应力的分析方法................................................130

三、ANSI简单判断法....................................................131

四、CAESARII详细应力分析法............................................132

第三节管系的热胀及柔性设计..............................................140

一、热膨胀的概念........................................................141

二、管系柔性的概念......................................................143

三、影响管系柔性的因素..................................................144

四、管系的柔性设计......................................................145

附录F6—1常用管件的应力增强系数和柔性系数.............................149

第七章管系动应力分析........................................................151

第一节机械振动理论......................................................151

一、基本概念............................................................151

二、机械振动研究的目的和方法............................................152

三、机械振动理论........................................................152

第二节往复压缩机管道的振动分析与设计...................................158

一、第一振系的分析与设计................................................159

二、第二振系的分析与设计................................................160

三、第三振系的分析与设计................................................163

四、第五振系的分析与设计................................................166

五、管道振动设计的其它问题..............................................167

第三节其它常见的管道振动设计............................................168

一、两相流介质呈柱塞流时引起的管道振动分析及设计.......................168

二、水锤引起的管道振动分析及设计.......................................168

三、介质涡流引起的管道振动分析及设计...................................169

四、转动机械动不平衡引起的管道振动分析及设计...........................169

五、风载荷引起的管道振动分析及设计.....................................169

六、地震载荷引起的管道振动分析及设计...................................169

第四节管道的低循环疲劳破坏及设计.......................................170

一、基本概念............................................................170

二、低循环疲劳的分析与计算..............................................172

三、低循环疲劳设计时应注意的问题.......................................174

附录F7—1常见材料的设计疲劳曲线.......................................175

第八章管道支撑..............................................................179

第一节概述...............................................................179

一、管道支吊架的分类....................................................179

二、支吊架的结构组成....................................................181

第二节支吊架的型式选用..................................................183

一、一般选用原则........................................................183

二、常用支吊架型式及其选用..............................................184

三、弹簧支吊架..........................................................192

第三节支吊架的位置确定..................................................197

一、支吊架位置确定的原则................................................197

二、管道允许跨距的确定..................................................199

第四节支吊架的载荷计算及强度设计.......................................202

一、载荷的分类及计算....................................................202

二、管道支撑件的强度设计................................................206

第九章采购与制造............................................................209

第一节金属材料的基本知识（二）.........................................209

一、冶炼方法及其对材料性能的影响.......................................209

二、加工变形及其对材料性能的影响.......................................211

三、热处理及其对材料性能的影响.........................................213

第二节检测技术..........................................................219

一、化学成分分析........................................................219

二、机械性能试验........................................................220

三、耐腐蚀性试验.......................................................222

四、宏观组织检验.......................................................223

五、微观组织检验.......................................................226

六、无损检测............................................................227

第三节管道及其元件的常用制造方法.......................................231

一、铸造................................................................231

二、压力变形加工.......................................................234

第四节管道元件的采购和技术要求.........................................237

一、编写询标技术文件...................................................237

二、参加技术谈判.......................................................238

三、编写订货技术文件...................................................240

四、中间技术资料确认...................................................241

附录F9-1常用的检查试验标准...........................................242

附录F9—2布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度对照表..........................243

第十章施工安装..............................................................244

第一节金属焊接的基本知识（一）.........................................244

一、金属焊接的分类.....................................................244

二、电弧焊接过程的金属理论.............................................247

三、焊接接头缺陷.......................................................251

四、焊接接头的检查与试验...............................................254

第二节金属焊接的基本知识（二）.........................................256

一、焊接技术............................................................256

二、常用材料的焊接.....................................................261

第三节常用压力管道施工规范介绍.........................................264

一、适用范围及管道分类.................................................264

二、管道及其元件安装前的检查...........................................265

三、管道的焊接与检验...................................................266

四、管道的压力及密封试验...............................................268

第四节设计人员在施工中的任务...........................................270

一、设计文件的技术交底.................................................270

二、处理施工中与设计有关的技术问题....................................271

二、一些常见的施工问题.................................................271

附录F10-1常用管道焊接坡口型式及尺寸.................................274

附录F10-1常用管道施工标准...........................................276

第十一章运行使用............................................................277

第一节运行前的检查.....................................................277

一、竣工文件检查.......................................................277

二、现场检查............................................................281

三、建档、标识及数据采集...............................................283

第二节运行中的检查和监测...............................................285

一、运行初期检查.......................................................285

二、巡线检查及在线监测.................................................287

三、末期检查及寿命评估.................................................287

第三节压力管道事故的呈报及分析.........................................289

一、压力管道事故的呈报.................................................289

二、压力管道事故的分析.................................................289

三、工程引例............................................................291

第十章施工安装

压力管道的现场安装及施工一般涉及到管子及其元件的安装前抽检、管道的预制及机加工、管道的

焊接及检查、管道的吹扫及试验、工程验收等内容，除此之外，它还包括现场施工程序编制、现场施工

组织、现场施工管理等方面的内容。这些问题是施工技术人员研究的问题。本书仍按既定原则，即仅从

设计人员的角度来介绍有关的问题。

在压力管道的现场施工中，焊接占去了大部分的施工工作量，而且它也是全部施工工作中最关键的

一个内容，同时也是技术最复杂的工作内容，焊接质量的好坏直接影响到压力管道的安全。因此本章将

首先介绍一些有关的焊接基本知识，然后介绍几个常用的施工规范及其应用注意事项，最后介绍设计技

术人员应如何配合管道的现场施工。

第一节金属焊接的基本知识(一)

焊接是使两个分离的金属构件借助于原子间的联系和扩散，形成永久结合接头的过程。焊接是实现

管道连接最常用的方法之一，它与法兰、螺纹连接相比，具有下列一些特点：

a、接头重量轻，可以节省大量的金属材料；

b、接头价格便宜。因为采用法兰或螺纹连接时，需要采用经过精密机加工的专用管道元件，成本较

高；

c、接头强度高，密封性能好；

山为不可拆卸接头；

e、现场劳动强度大，且因为焊接过程可能会产生强光或有害气体，需要加强劳动保护。

正因上述原因，管道的连接接头约有90%为焊接，除非管道结构或工艺要求必须为可拆卸或者不能

焊接的接头才采用法兰和螺纹连接。

由于这部分的内容较多，考虑章节的均衡问题，故将它分为两节介绍。

一、金属焊接的分类

焊接的分类方法很多，常见的分类方法有以下三种。

(-)按接头型式和用途分类

按接头型式可分为角焊、对焊、点焊、断续焊、塞焊、密封焊等，见图10-1所示。

a、角焊b、对焊c、点焊d、断续焊e、密封焊

图10-1焊接接头型式分类

在压力管道中，小口径薄壁管子及管件常用角焊，详见第五章所述。除小口径管道外，它还经常用

于平焊法兰接管、开口补强接头、支吊架连接接头的焊接。根据元件的厚度不同，它又可分为单面焊和

双面焊两种。角焊不能采用射线探伤，故其接头强度和焊接质量不易检查。

对焊是管道器材元件连接中应用最多的一种焊接。根据管道元件的厚度不同可分为单面焊、双面焊

、带垫板和不带垫板焊接等多种型式。

点焊是在整个接头中仅就几个点进行焊接，常用于装配定位或正式焊接前的定位。

断续焊是在整个接头中分段进行焊接。它常用于某些管道支吊架的焊接，此时只需要强度满足要求

即可，而不需要严密性。断续焊可以减少焊缝长度，从而减少焊接工作量，又不容易引起过大的焊接变

形。管道及其元件间的焊接是不允许采用断续焊的。

塞焊常用于衬里层与基层的焊接，压力管道中不常用。

密封焊是对管道元件其它连接接头的补充焊接，起二次密封作用。例如，螺纹接头的焊接、阀盖法

兰的焊接等。密封焊常采用低熔点材料进行焊接，容易清除掉，不影响原接头的可拆性。

（二）按接头位置分类

按焊接接头与焊接材料（焊条）的相对空间位置不同可分为平焊、立焊、横焊和仰焊等类型。见图

图10-2所示。

a、平焊b、立焊c、横焊d、仰焊

图10-2焊接接头与焊条的相对空间位置分类

平焊使得焊接人员以比较舒适的姿式工作，因此焊接速度快，生产率高。由于重力的作用，焊缝容

易成形，外观好，出现咬边、末焊透、焊瘤等缺陷的机会少，故焊接质量较好。但是，如果焊缝材料分

渣不好，易产生夹渣。由于它可以有较多的熔池金属存在，故可以采用较大的焊条直径和焊接电流，故

可提高生产率。总起来讲，平焊的焊接质量较好，故在焊接质量评定和现场施工检查中，对平焊和其它

型式的焊接要求是不一样的。例如一些施工规范规定，固定焊比转动焊的无损探伤比例大，就是因为转

动焊可以均为平焊，而固定焊可能不得不部分采用立焊、横焊或仰焊。

就对焊接人员的姿式影响来说，立焊劣于平焊，但优于仰焊，故焊接人员的工作效率和工作质量介

于平焊和仰焊之间。由于重力的作用，熔渣容易从熔池金属中分离出去，不易使焊缝产生夹渣，但此时

若熔池金属太多，容易下流而产生焊瘤、咬边等缺陷，焊缝外观质量也不如平焊，故立焊时常采用小直

径焊条和小电流焊接。

横焊与立焊的特点基本相似，仅仅是其咬边和焊瘤易出现的位置不同。横焊的咬边容易出现在焊缝

的下边沿。

仰焊将使焊接人员以极不舒适的姿式焊接，劳动强度大，劳动条件差，焊接质量也较差，故施工时

应尽量减少仰焊的数量。

（三）按焊接方法分类

自从工业焊接方法问世以来，得到了迅猛发展，到目前为止，焊接方法已有近百种之多。在这里仅

就压力管道中可能用到焊接方法进行介绍。

压力管道中可能遇到的焊接方法如图10—3所示。

手工电弧焊

自动埋弧焊

半自动埋弧焊

--------气焊E

——二氧化碳气体保护焊

——熔化焊---------气体保护焊

-----惰性气体保护焊

压力管道焊接--------等离子焊

--------锻焊

—压力焊________接触焊

高频焊

图10—3按焊接方法分类

1、熔化焊

利用外部加热使构件连接处熔化，从而实现构件的原子间结合的焊接方法称为熔化焊。它的特点是

焊接接头达到完全的冶金结合，接头的机械性能接近或完全达到甚至超过母材，因此它是目前应用较多

的一种焊接方法。

常用的熔化焊焊接方法有电弧焊、气体保护焊、等离子焊、气焊等。

a、电弧焊

电瓠焊是在电极（通常为与电源连接的焊条或焊丝）和焊件之间造成电弧，并利用电弧产生的热量

,将接头处的金属及填充金属熔化，形成永久性接头的焊接方法。它是目前应用最广泛的一种焊接方法

。电瓠焊具有焊接质量可靠，热影响区小，焊接速度快的特点。

根据操作方式的不同，常用的电弧焊有手工电瓠焊、自动埋弧焊、半自动埋瓠焊之分。其中，手工

电弧焊与自动埋弧焊相比，它们的优缺点见表10-1所示。

表10-1手工电弧凋N和自动埋孤焊的特点

比较项目手工电弧焊自动埋弧焊

人工夹持填充材料，并沿焊健接头专用机械夹持焊接填充材料，并通过机械自动运

操作方式移动而完成焊接。焊接填充材料通送焊接填充材料，焊接接头也自动前进，焊接填

常为带药皮的焊条充物通常为焊丝，并通过机械自动输送保护材料

生产效率生产效率低，劳动强度大，生产环可以采用较大的焊接参数，故生产效率高。由于

境差机械操作，人员只需操作机器，故劳动强度低

焊接质量受焊接人员的技术水平、环境等影受人为的影响较小，焊接质量稳定，焊箕表面质

响，质量不稳定量较好。由于焊接电流大，不易产生未焊透等缺

陷。不存在换焊条问题，为连续完成，故减少了

由于这个原因而引起的焊接质量问题

焊料及电较厚件需要开坡口，焊缝金属填充由于焊接电流大，熔深大，较厚件也可以不开坡

能的利用量较大。每根焊条均要留下一截夹口。由于焊缝金属的烧损和飞溅少，故金属损失

持段，造成浪费也较少

生产设备设备简单，一次投资低设备复杂，为专用的焊接设备，一次投资高

焊接位置不受位置限制，操作比较灵活限用于焊筑形状简单、能实现自动成形的水平焊

缝或螺旋焊缝。当焊接构件的尺寸、接头型式等

发生变化时，需重新调整机器的有关参数

适用场合适用于小批量、接头型式多变的场适用于大批量同一类型接头型式的焊接，常用于

合，故施工现场一般均采用该方法钢管厂制造焊接钢管

半自动埋弧焊的特点介于手工和全自动埋弧焊之间。

b、气体保护焊

气体保护焊实际上是电弧焊的一种。对手工电弧焊来说，其熔池金属是通过焊条药皮产生的熔渣来

覆盖，以避免与空气的接触。对于自动埋弧焊，它是通过大量的焊剂材料将电弧及熔池金属均覆盖起来

以达到隔绝空气的目的。而气体保护焊则是通过非氧化性气体或惰性气体将电孤及溶池金属与空气隔绝

,从而达到保护焊缝金属的目的。气体保护焊与前二者相比，具有下列特点：由于没有熔剂，整个焊接

过程和熔池情况可见性好，便于操作控制，焊^表面成形好。而且由于没有熔剂的存在，焊缝的夹渣已

不存在。由于保护气体的气流对强柱有压缩作用，使电弧热量更集中，因此焊缝热影响区减小，焊缝质

量较好，构件变形也较小，同时也可节省能源。但焊接过程要消耗大量气体，尤其是制取费用较高的惰

性气体（如氧气、氨气），焊接费用较高。压力管道的焊接常用它作为单面焊双面成形的打底焊和盖面

焊。

根据所采用的保护气体不同，气体保护焊可分为二氧化碳气体保护焊、氧气气体保护焊（通常也称

它为氢弧焊）和氨气气体保护焊等。二氧化碳气体保护焊与氯气、氨气保护焊相比，其最大特点是气体

较廉价。但由于二氧化碳在电瓠的作用下会被电离而分解出氧和一氧化碳，前者对熔池金属易产生氧化

作用，而后者易使焊缝产生气孔等缺陷，故其焊缝质量不如惰性气体保护焊好。

c、等离子焊

等离子焊是利用等离子弧作为热源，将焊接接头的局部金属和填充金属熔化而进行焊接的一种方法

。作为等离子焊热源的等离子弧，与一般电弧相比具有以下特点：温度高，通常可达16000°K-33000

°K；速度高，可达300m/s~100m/s；能量密度大，可达480kw/cm2»这些特点使得等离子焊具有焊

缝热影响区小、焊接构件变形小、焊接接头质量好及焊接速度快等优点，它常用来焊接高熔点金属或合

金。但等离子焊的设备控制较复杂，设备昂贵，而且由于电离产生的金属气体对人身有害，焊接时需要

良好的通风和劳动保护，故它在工程上的应用并不太广泛。

等离子焊不如等离子切割应用广泛。由于等离子弧具有上述特点，故几乎没有不能被它切割的金属

,并且其热量集中，具有切割速度快、质量好、热影响区小及构件变形小等优点，故压力管道器材元件

的制造和施工中，常用它来切割钢板（尤其是合金钢板）和开设焊接坡口。

d、气焊

气焊是利用可燃气体和助燃气体混合燃烧形成的火焰，将被焊构件的接头局部溶化，并另外填充焊

接金属而进行焊接的一种方法。与电弧焊相比，由于火焰的热强度较低，金属加热时间较长，而且加热

范围较大，故焊后构件的变形较大。气焊的火焰对熔池金属的保护较差，容易造成熔池金属的氧化，而

且易出现气孔、夹渣等缺陷，故其焊^质量较差。因此，在压力管道现场施工中，这种焊接方法实际上

已很少用。但气焊不需要电流，设备简单，适合于野外的施工及修理工作。由于气焊的温度低，不象电

弧焊那样容易将较薄构件烧穿，故它以前常用于较薄构件的焊接。但随着氢弧焊等焊接方法的应用，在

较薄构件的焊接中，气焊也逐渐被采用细焊丝的氮弧焊所代替。

2压力焊

利用外部加热，使构件连接处的金属呈塑性或表面熔化状态，同时对构件施加压力，从而实现构件

间原子结合的焊接方法称为压力焊。与熔化焊相比，它具有下列特点：焊接时一般不需要太高的温度，

故对母材的损伤小。不需要焊条和保护剂或保护气，可以减小焊接成本。但其焊接接头一般情况下冶金

结合不完全，焊缝质量较差，尤其是综合机械性能较低，故常用于压力和温度不高尤其温度不高的使用

场合。

常用的压力焊接方法有锻焊（炉焊）、接触焊（电阻焊）、高频焊等。

a、锻焊（炉焊）

连续炉焊（锻焊）是在加热炉内对构件进行加热，然后对已成型的边缘采用机械加压方法并使其焊

接在一起而形成具有一条直健的焊接方法。其特点是生产效率高，生产成本低，但焊接接头冶金结合不

完全，焊缝质量差，综合机械性能差。石化装置中的水、汽、风管道常为采用该焊接方法制造的焊接钢

管。

b.接触焊（电阻焊）

电阻焊是利用强大的电流在通过焊接件的接头处时，利用接头处的电阻产生热量，将接头金属迅速

加热到高温，同时施加压力使之焊合。其特点是生产效率高，自动化程度高，焊接时不需要焊条和焊剂

,对母材损伤小，焊接变形和残余应力较小。但其焊接设备复杂，价格高，对焊接接头的表面质量要求

也比较高。由于接头处难免有杂质存在，所以接头处的塑性和冲击韧性较低，不宜用于高温情况下和重

要的场合。

c,高频焊

通过高频感应电流发热，对焊接接头局部加热使表面熔化，然后加压，使构件焊接在一起。其特点

与电阻焊近似，常用于制造焊接钢管。

二、电弧焊接过程的金属理论

压力管道及其元件在制造和现场施工过程中，基本上都是采用电瓠焊，故下面就以电弧焊为例来介

绍有关的焊接理论和焊接技术。

（-）焊接金属及其填充金属的加热特性

一般情况下，将电焊机、焊条和焊接件连接构成一个闭合电路。电路的电压较低，一般为24V左右

,而焊接电流较大，一般为50A~250A。当焊条与构件接触时，由于接触点的电阻较大，由此产生较大

的热量，使接触金属温度升高。如果将焊条离开构件一较小的距离，在电压和高温的作用下，会使焊条

与构件间的气体发生电离，从而产生连续而强烈的放电现象。这种因气体介质的电离而产生的连续放电

现象就是电弧。

电弧是由一组高温的正负离子和电子组成的。就焊条与构件之间的电弧来说，其各部分的温度是不

相同的。以直流电弧为例，阴极区的温度约为24009，长度约为104mm,阳极区的温度约为2600℃

,长度约为1（?2mm~1（y3mm,阴极与阳极之间的弧柱区的温度约为6000X>700（rc。由此可见，对直

流电来说，正接（焊条接电源负极，焊件接电源正极）与反接（与正接相反）对焊件的熔化温度是不一

样的，对于高强度钢，采用正接可以得到较大的熔深。对于交流电来说，由于其正、负极为交替出现，

故不存在正接、反接之说。总起来说，高温的电弧形成了电瓠焊的热源。

电瓠燃烧时，弧柱便成为高度电离的气体导体，而电弧的两端加有焊接电流和焊接电压，电弧本身

又具有电阻。根据电学原理可知，当电阻不变时，电弧发出的热量与其电阻和电流成正比，也就是说，

焊接电流越大，电弧产生的热量越多，对焊件金属的熔化就越快，熔深越深。而焊接电压不宜太高，这

是因为焊件本身是作为焊接回路的一部分，它又直接暴露于人们可接触的地方，故如果电压太高，会导

致人员触电。

由于电瓠是被电离的高温气体，又是导体，故在焊接中常出现电弧的偏吹问题，它主要是受环境气

流（如大风）或电流磁场的影响所至。电弧的偏吹会使电弧的燃烧不稳定，焊缝成型不规则，或因弧长

增长而增加了有害气体侵入的机会，从而导致焊舞质量下降等问题。许多施工规范中都对焊接施工环境

的风速进行了规定正是源于这个原因。

（二）焊缝金属的冶金过程

焊件与焊条在电弧的作用下熔化，电弧离开后，熔化的液态金属将结晶凝固。这个熔化凝固过程具

有加热温度高，时间短，液态金属少，冷却速度快，并直接与空气接触发生一系列反应等特点。为此，

为了补充可能被烧损的金属，常通过焊条或药皮（焊剂）加入一些相应的金属，以保证焊健金属的性能

。由此可以说，焊接的过程，存在着一个冶金反应过程。

焊接过程包括的冶金反应基本上有以下两个方面的反应：其一是液态金属与气体间的反应；其二是

液态金属与焊条药皮或焊剂的反应。

1、液态金属与气体间的反应

焊接时，熔池周围充满了各种成分的气体，这些气体主要来自于周围的空气，焊件或焊条中的湿气

（水分），焊件表面的铁锈、油脂和油漆受热后蒸发出的气体等。在这些气体中，以氧、氮、氢对焊缝

质量的影响最大。

在第九章中已经讲到，氧的存在会造成许多金属元素的烧损。氧与铁形成的氧化铁，不仅使铁元素

的量减少，还容易溶入焊健中形成非金属物夹杂，从而造成焊健金属性能的下降。氧还能与碳生成一氧

化碳气体，使焊缝中出现气孔。为了减少氧的存在，应尽量采用较短的电弧，以避免大量的空气接触熔

池金属。焊前应对焊条进行烘干，潮湿或雨雪天不能户外焊接，以避免大量的湿气（H2。）因电离而分

解出对焊缝金属有害的氢气和氧气。在焊条药皮或焊剂中加入脱氧剂可以有效地脱除焊缝金属中的氧。

氮的存在会使焊舞的塑性和韧性下降，故对它的存在也应加以控制。焊舞中的氮主要来自于焊^周

围的空气，故焊接时一方面要采用较短的孤长，另一方面要加强溶池熔化金属的保护。

氢的存在会给焊缝带来一系列不利的影响。由于氢在液态金属和固态金属中的溶解度差别较大，故

焊缝金属冷却后，过饱和的氢会在晶格缺陷中聚集而还原为氢分子，从而造成局部高压，这个高压会导

致晶格缺陷扩展成微裂纹，进而扩展为宏观裂纹。氢是众多合金钢焊缝冷裂纹产生的主要诱因，氢在逸

出过程中容易产生气孔，氢分散存在于金属内部时容易造成金属的脆性，等等。由此可见，焊缝金属中

的氢必须严加控制。氢的主要来源是潮湿的焊接环境、焊条和焊剂中的水蒸汽，焊件上的油污及油漆在

高温下也会析出氢，因此焊接时应严格控制这些影响因素。除此之外，在焊条药皮或焊剂中加入CaF2（

即莹石），它可与氢生成HF而逸出。凡是加入CaF2的焊条称为低氢型焊条。

2、液态金属与焊条药皮或焊剂的反应

在介绍这个反应之前，首先介绍一下焊条药皮或焊剂的作用。总起来讲，焊条药皮或焊剂主要有以

下作用：

a、焊条药皮或焊剂随金属填充物熔化后（对焊剂是部分熔化），将以熔渣的形式覆盖在焊^金属

表面上，从而保护高温的焊缝金属免遭空气的侵害；

b、由于熔渣中存在金属钠、钾、钙等元素的化合物等易电离介质，可以使电瓠中的电离条件得到

改善，使电弧容易点燃，并稳定燃烧，减少飞溅，保证焊缝成形良好；

c、在焊条药皮或焊剂中加入一些特定的物质，可以达到对焊缝金属进行脱氧、脱硫、脱磷的冶金

目的；

d、通过在焊条药皮或焊剂中有意加入一些特定金属元素，可以补偿焊接过程中的金属烧损。

根据焊条药皮或焊剂的组成不同，可分为碱性焊条（焊剂）、酸性焊条（焊剂）和中性焊条（焊剂）

三种。碱性焊条（焊剂）中的主要成分为Na2。、K2。、CaO、MgO,FeO,MnO等；酸性焊条（焊剂

）中的主要成分为Si02、Ti2O,P2O5等；中性焊条（焊剂）的主要成分为AI2O3、Fe2O3,V2O5等。

酸性焊条的焊渣呈玻璃状结构，外表发亮，容易形成光滑的焊缝。碱性焊条（焊剂）一般呈结晶状，焊

缝成形较差。

不同药皮的焊条或焊剂，在焊缝的冶金反应中的作用是不同的。下面将结合冶金反应的目的来介绍

它们的作用。

前面已经讲过，氧的存在会造成许多有用合金元素的烧损，或者易形成夹杂物，故焊条的药皮或焊

剂中常加入一些与氧亲合力更高的元素如硅、镒、钛、铝等，并生成不溶于焊缝液态金属的焊渣而排出

。从这个角度来说，酸性、碱性、中性焊条或焊剂均能达到该目的。

第三章中已经讲过，硫的存在能与铁生成FeS,并以低熔点的FeS-Fe（熔点为985T）或FeS-FeO（

熔点为940匕）共晶存在于晶界上。在高温下，这些共晶物容易引起材料的红脆，降低材料的耐蚀性和

材料的强度及塑性，在焊健中它还容易导致结晶裂纹（热裂纹）的出现。在焊接冶金反应中，往往在焊

条药皮或焊剂中加入比铁对硫亲合力更大的镒、钙等元素，焊接时生成难溶于金属溶液而容易溶于熔渣

的MnS、CaS,从而达到脱硫的目的。从脱硫的目的来讲，碱性焊条或焊剂更好些。

磷在钢中可全部溶于铁素体中，使铁素体难以变形，从而使钢材呈现脆性。它也可能以Fe3P的形

式存在，并与铁形成低熔点共晶物分布于晶界上，但Fe3P与FeS不同，前者强度较高，会阻碍晶界的

常温变形，故总起来说，磷主要是导致金属材料冷脆的有害元素。焊接冶金反应中脱磷的方法是靠FeO

将磷氧化，然后再与CaO、MgO、MnO等生成复杂的磷酸盐，从而达到脱磷目的。脱磷的反应式为：

2P+5FeO,<—►P2O5+Fe

2Fe3P+5FeO•<—►P2O5+11Fe

P2O5+4CaO◄—►4CaO・P2c）5

CaO・P2O5易溶于熔渣而排走。由此可见，只有碱性焊条才能脱磷，酸性焊条是不能脱磷的。

在焊接过程中，由于蒸发、氧化等原因，会损失一部分有用的合金元素，使焊缝的组织和性能受到

影响。为了补偿损失的合金元素，或者为了有意识地去改善焊缝金属的组织和性能，可以在焊条药皮或

焊剂中加入相应的元素，使它们在焊^冶金反应过程中熔入到焊健金属中，使焊^的合金成分达到希望

的要求。当然，在焊接材料中直接提高可能被烧损的合金元素含量或者有意识加入某些特定的合金元素

也能达到该目的。对于气体保护电瓠焊，因为不存在焊条药皮或焊剂，故只有通过改善焊接材料（焊丝

）的成分来达到这个目的。

（三）焊接接头的组织与性能

焊接接头在经历