低溫壓力容器制造用鋼及其焊接特點(diǎn)和檢測(cè)要求

張 超

（西南石油大學(xué)材料院，四川 成都 610500）

隨著煉油、化工工業(yè)的快速發(fā)展，這些工業(yè)中所需的設(shè)備在制造過(guò)程中均需要大量的低溫用鋼，而且因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)對(duì)設(shè)備的要求越來(lái)越高，設(shè)備對(duì)低溫用鋼的要求也越來(lái)越高。低溫用鋼主要是用于低溫條件下工作的一些工業(yè)設(shè)備、管道以及鋼結(jié)構(gòu)的制造。在壓力容器的生產(chǎn)中，低溫壓力容器主要是指設(shè)計(jì)溫度低于或是等于－20℃的壓力容器，而低溫用鋼則是指用于制造低溫設(shè)備的鋼，簡(jiǎn)稱(chēng)低溫鋼。

1 用于制造壓力容器的低溫鋼

低溫鋼主要是指鎳鉻合金與碳錳合金。在低溫鋼的分類(lèi)中，其分類(lèi)依據(jù)主要是環(huán)境的溫度、合金的含量與組織、合金中鎳、鉻元素的含量等。將低溫鋼按溫度等級(jí)一般可以分為以下四類(lèi)：①－40℃～－20℃；②－80℃～－50℃；③－100℃～110℃；④－296℃～－196℃。根據(jù)合金元素與組織的不同可以將低溫鋼分為低合金鐵素體鋼、中合金低碳馬氏體鋼與高合金奧氏體鋼。根據(jù)合金中鎳、鉻元素的含量可以將低溫鋼分為無(wú)鎳、鉻低溫鋼與含鎳、鉻低溫鋼。鋼中的合金元素主要是起到固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化的作用，而且其在經(jīng)過(guò)正火、回火之后，鋼組織中的晶粒將會(huì)更加的細(xì)化，從而提高鋼材的低溫韌性，延長(zhǎng)鋼材的使用壽命。目前，使用最多的低溫鋼中均含有鎳元素，相同規(guī)格的鋼材料中所含的鎳元素越高，在相同的韌性條件下所能適應(yīng)的溫度就越低。

我們知道，鋼材在低溫環(huán)境中工作時(shí)具有冷脆性，低溫壓力容器的制造用鋼則克服了鋼材的這一缺點(diǎn)，其生產(chǎn)出的低溫鋼能夠在低于或是等于－20℃的環(huán)境下工作。在對(duì)低溫鋼性能的衡量過(guò)程中主要采用的指標(biāo)則是低溫韌性，即低溫條件下低溫鋼的沖擊韌性與脆性轉(zhuǎn)變溫度，鋼材所具有的低溫沖擊韌性越高，而其脆性轉(zhuǎn)變溫度越低的話，則其具有越好的低溫韌性。

鋼材的成分與組織會(huì)對(duì)其所具有的低溫性能有很大的影響，鋼材中所含的磷、碳、硅等元素會(huì)使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，其中磷與碳對(duì)其的影響最為明顯，而鋼材中所含的錳、鎳元素會(huì)降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，使鋼材具有更好的低溫韌性。通常，對(duì)于具有面心立方晶體的金屬而言，在溫度的變化過(guò)程中其韌性的變化是極小的，仍然會(huì)有較高的沖擊韌性。另外，鋼材中所含晶粒越細(xì)，其所具有的低溫沖擊韌性也就越好。目前，無(wú)鎳低溫鋼的最低使用溫度為－50℃，含鎳低溫鋼的最低使用溫度則是根據(jù)所含鎳元素的量來(lái)決定的，其使用溫度的范圍一般為－196℃～－60℃，奧氏體不銹鋼的使用溫度一般在－196℃以下。

2 焊接

2.1低溫鋼所用焊材的選擇

低溫鋼焊接過(guò)程中選擇焊接材料的規(guī)則如下：①所選擇的焊材必須確保其焊縫所含的有害雜質(zhì)要少，特別是含鎳的低溫鋼更應(yīng)該嚴(yán)格地控制。②所選擇的焊接材料需要注意其焊縫金屬的低溫韌性。③對(duì)于含鎳的低溫鋼，焊接中所選用的焊接材料的含鎳量應(yīng)和母材接近或稍高。

2.2低溫鋼在焊接中的特點(diǎn)

不含鎳的低溫鋼在焊接時(shí)一般不用進(jìn)行預(yù)熱或是利用較低的預(yù)熱溫度進(jìn)行預(yù)熱，若是板板較厚或是在低溫的環(huán)境下進(jìn)行焊接時(shí)才需要進(jìn)行預(yù)熱。在對(duì)不含鎳的鋼材進(jìn)行焊接時(shí)只要選用與其相匹配的焊材與工藝即可，在焊接過(guò)程中只要保證焊縫與熱影響區(qū)的低溫韌性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)即可。

含鎳低溫鋼中因?yàn)樘砑恿随囋?，因此其?duì)冷裂紋傾向的影響不顯著，但是卻增加了其對(duì)熱裂紋傾向的影響，所以在焊接過(guò)程必須對(duì)鋼與焊材中的碳、硫、磷元素的含量進(jìn)行嚴(yán)格地控制。在焊接的過(guò)程中，必須按焊接規(guī)范使用，以避免出現(xiàn)窄而深的焊道，從而有效地避免出現(xiàn)熱裂紋。

2.3壓力容器的制造用鋼的焊接要點(diǎn)

2.3.1 焊接熱輸入量應(yīng)較小

采用較小的焊接熱輸入量主要是為了避免焊縫與熱影響區(qū)形成粗大組織，從而避免沖擊韌性出現(xiàn)嚴(yán)重降低的情況。采用較小的焊接熱輸入量的具體操作方法是采用的焊接電流不宜過(guò)大，電弧焊過(guò)程中焊條應(yīng)盡量不要擺動(dòng)，通常采用窄焊道、多道多層焊與快速多道焊進(jìn)行焊接，以避免焊道出現(xiàn)過(guò)熱的情況，同時(shí)還可以通過(guò)多層焊進(jìn)行重復(fù)加熱的作用來(lái)細(xì)化晶粒。另外，多層焊時(shí)還需要對(duì)層間的溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

2.3.2 焊接速度應(yīng)適當(dāng)

在含鎳低溫鋼進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊的過(guò)程中，切忌采用高速焊接來(lái)獲得較低的焊接線能量。因?yàn)樵诤附铀俣容^快的時(shí)候，熔池會(huì)形成典型的雨滴狀，而且焊道成形也會(huì)變成窄而深的截面形狀，這樣焊道中心就容易出現(xiàn)熱裂紋。因此，含鎳低溫鋼在焊接中要選擇適當(dāng)?shù)乃俣冗M(jìn)行焊接，不可過(guò)快，也不可過(guò)慢。

2.3.3 避免咬邊時(shí)出現(xiàn)缺陷

低溫鋼在焊接時(shí)應(yīng)避免弧坑、未焊透與咬邊的情況出現(xiàn)，因?yàn)樵诘蜏貤l件下，應(yīng)力作用于這些缺陷上時(shí)，應(yīng)力將會(huì)被集中起來(lái)，從而造成脆性破壞。因此，低溫壓力容器在焊接中不能有任何的咬邊缺陷出現(xiàn)。

3 檢測(cè)

采用低溫鋼制造而成的壓力容器，除了要保證材料及制造質(zhì)量外，確保檢測(cè)質(zhì)量也是保證低溫壓力容器能夠安全運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。下面我們將對(duì)材料以及蛤蚧接頭的檢測(cè)進(jìn)行分析。

3.1材料檢測(cè)

3.1.1 鋼材檢測(cè)

低溫壓力容器制造用鋼的超聲檢測(cè)（UT）與磁粉檢測(cè)（MT）除了需要遵守常規(guī)材料的檢測(cè)要求之外，對(duì)鋼板厚度大于20mm的鋼材還需要采用超聲波對(duì)每一張鋼板都進(jìn)行檢測(cè)。

3.1.2 焊接材料的檢測(cè)

低溫壓力容器制造中對(duì)其焊接材料除了要按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行檢驗(yàn)之外，還需要成批次的進(jìn)行藥皮含水或是熔敷金屬擴(kuò)散氮含量的復(fù)試。

3.2焊接接頭的檢測(cè)

低溫壓力容器對(duì)接接頭（A、B類(lèi)接頭）進(jìn)行100%射線（RT）或是超聲（UT）的情況主要包括以下幾個(gè)方面：①壓力容器的設(shè)計(jì)溫度為－40℃以下；②壓力容器的設(shè)計(jì)溫度等于或是高于－40℃，但對(duì)接接頭的厚度為25mm以上；③該壓力容器為進(jìn)行氣壓試驗(yàn)的容器；④低溫壓力容器的圖樣上已經(jīng)注明該容器用于盛裝毒性為極度危害或是高度危害介質(zhì)的容器。對(duì)于符合這些要求的低溫壓力容器而言，它們除了需要進(jìn)行100%RT或是UT監(jiān)測(cè)之外，其T型接頭、對(duì)接焊縫以及角焊縫均要進(jìn)行100%磁粉（MT）或是滲透（PT）檢測(cè)，其中還包括對(duì)受壓元件和非受壓元件的連接焊接進(jìn)行檢測(cè)。除了這些規(guī)定之外，低溫壓力容器焊接接頭還允許局部無(wú)損檢測(cè)。在對(duì)壓力容器對(duì)接接頭的檢測(cè)時(shí)還需要注意所檢測(cè)的接頭長(zhǎng)度不能長(zhǎng)于各類(lèi)焊接接頭長(zhǎng)度的50%，同時(shí)也不能短于2500mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于低溫壓力容器的工作環(huán)境特別，因此其制造用鋼以及制造中的工藝措施等均需要進(jìn)行嚴(yán)格地控制。在該過(guò)程中，不僅需要選用合適的焊接材料、焊接工藝，還需要注意焊接中的各項(xiàng)要求，以確保焊接的質(zhì)量。筆者主要是對(duì)壓力容器的制造用鋼（即低溫鋼）、焊接特點(diǎn)、焊接中的要點(diǎn)以及檢測(cè)的一些要求進(jìn)行了分析，希望對(duì)相關(guān)人士有所幫助。

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