壓力容器制造的焊材選用原則

劉鳳強

(大慶市特種設備檢驗研究所，黑龍江 大慶 163311)

0 引 言

壓力容器的焊接是壓力容器質量保證的重要因素。由于受到介質、載荷、溫度等因素的作用，要求其焊接接頭具有與母材基本相等的化學成分、物理與力學等各方面性能［1－2］。焊接壓力容器需要良好的焊接設備，成熟的焊接工藝，優秀的焊工操作，還有一個重要因素就是焊接材料的選擇，雖然很多標準(包括NB47015)均提出了選擇焊接材料的基本原則。但是除了滿足一般性原則外，對制造廠來講，面對眾多的焊材制造廠，雜亂繁多的各種牌號，如何選擇最佳的焊接材料，是壓力容器生產過程質量保證的重要環節［3－4］。

隨著科技的發展，焊接領域也相應出現了新材料、新技術、新工藝。壓力容器制造行業也不斷出現各種新的復雜材料、復雜結構和新的特殊要求，歸納起來常見的主要有以下四個類別，第一類為普通低合金鋼壓力容器如Q245R Q345R等;第二類為低合金耐熱鋼壓力容器15CrMoR 13MnNiMoR等;第三類為不銹鋼壓力容器06Cr19Ni10 022Cr17Ni12Mo2等;第四類為復合鋼壓力容器Q345R+2507 14Cr1MoR+316L等。因此，本文就近年來生產過程中經常接觸的焊接材料的選擇使用談點體會。

1 選擇最佳的焊接材料首先要遵循等強度的原則

所謂等強度原則一般應理解為焊接接頭強度性能不低于母材標準規定的下限值。這里的強度應該定義為產品工作時的強度包括低溫、常溫和高溫時的強度。具體材料不同強度原則也不同。

1.1 普通低合金鋼相同鋼號

選用焊接材料應保證焊縫金屬的力學性能高于或等于母材規定的限值。具體常用見表1。

表1 常用普通結構鋼焊接方法選材選用推薦表

2.2 低合金耐熱鋼相同鋼號

選用焊接材料應保證焊縫金屬的力學性能高于或等于母材規定的限值且焊縫金屬中的Cr、Mo含量與母材規定相當。這里的強度指標應該是最高工作溫度下暫時的高溫抗拉強度即可。同時還要根據鋼材的焊接性，綜合考慮焊接結構尺寸、形狀、坡口及母材成分過渡等影響因素。尤其應當充分考慮熱處理的合金元素的損失，選擇適當高的合金元素含量。常用的選擇見表2。

表2 常用低合金耐熱鋼焊接方法選材選用推薦表

1.3 常用不銹鋼相同鋼號

為避免重復加熱碳化物(C6Cr23)的析出，應盡量考慮選擇含Cr量較高的焊接材料。如果是鉻不銹鋼，還應考慮熱處理等因素。常見的選擇見表3。

表3 常用不銹鋼鋼焊接方法選材選用推薦表

1.4 不銹復合鋼相焊

基層相焊考慮低合金鋼相焊的選用原則，復層相焊考慮不銹鋼相焊的選用原則，過渡層相焊應保證焊縫金屬的抗裂性能和力學性能。常用舉例見表4。

表4 常用不銹鋼復合鋼焊接方法選材選用推薦表

以上兩種不銹鋼復合材料容器，是近年來應 用復合材料制造壓力容器比較典型的兩種。

2 選擇最佳的焊接材料還要遵循等塑性和等韌性的原則

壓力容器焊接接頭等塑性和等韌性是指塑性和韌性不低于母材標準規定的塑性和韌性指標的下限值，或不低于容器制造技術條件的規定值。實踐證明，如果焊縫強度超過母材過多，接頭冷彎時，塑性變形不均勻，因而造成冷彎角小，甚至出現橫向裂紋。這樣，一般在選擇焊接材料主要在保證等強度前提下，重點考慮焊縫金屬沖擊韌性的要求。

2.1 焊條電弧焊

低合金鋼材的材料焊接中，焊條使用是最常見的。由于壓力容器制造焊縫內在質量要求高，而低氫型焊條其藥皮具有擴散氫含量低，熔敷金屬中S、P等雜質及含氧量和含氫量低，焊縫具有較高的塑性、韌性和抗裂性(如圖1所示)，因此多數情況下應選用堿性低氫型焊條，在缺少直流電的情況下，也應選用交直流兩用低氫型焊條。

圖1 熔敷金屬中的含氫量示意圖

2.2 埋弧焊

埋弧焊時由于是焊絲與焊劑的不同組合，可獲得不同性能和不同成分的熔敷金屬。在低碳鋼埋弧焊時，由于焊縫中合金成分較少，故可采用焊絲滲合金，也可采用焊劑滲合金。無論怎樣滲合金都是為了改善焊縫的韌性和抗裂紋能力，尤其是燒結焊劑不但電弧燃燒穩定，脫渣容易，焊縫成型美觀，而且具備環保、節能的優點，使焊縫獲得較高的沖擊(或低溫沖擊)韌性和焊縫質量。因此，選用合理的適用的燒結焊劑是非常恰當的。

在選擇低合金鋼埋弧焊焊絲時，要首先考慮焊絲中錳、硅及其他合金元素的含量，為了避免焊縫產生縱向裂紋和減少氣孔數量，應選用含錳量較高的焊絲。其次要與焊劑一起根據容器的厚度考慮單道焊還是多道焊，多道焊要防止合金燒損，單道焊要防止母材的稀釋。而這都是影響母材和焊縫性能的主要因素，得進一步通過焊接工藝評定來解決。

2.3 氣體保護焊

壓力容器用的氣體保護焊時，焊縫金屬的性能不但與焊絲的化學成分有關，還與采用的保護氣體成分十分密切。根據目前工廠的情況大致分為三種，首先是鎢極氬弧焊(TIG)，由于是惰性氣體保護，沒有化學反應，因此選用的填充焊絲只要與母材成分一致即可;當然，不用焊絲僅用發熱的鎢極燃燒母材也可達到焊接的目的。缺點是熔深低、熔速慢、效率低，只適用于小的配件接管或接管與法蘭的打底焊接。其次是CO2氣保焊，該焊接方法由于具有操作簡單、效率高及成本較低的優點而被廣泛接受。但由于CO2是較強的氧化性氣體，飛濺大、熔渣多、焊縫成型差，更容易造成焊縫金屬合金燒損和氣孔的生成。因此，一般要求焊接壓力容器中非受壓的附屬配件比如裙座等。最后是熔化極氣保焊，也可以稱作混合氣體保護焊，在配比器的作用下，將多數氬氣(70% ～85%)與少量CO2(15% ～30%)氣體混合進行焊接，這種方式具有焊接效率高、焊縫成型良好、焊道飛濺少的優點，目前已越來越多被廣泛應用。國外推行的高效全數字化焊機(比如福尼斯的TIME5000型)是國內應用最成功的一例。

對于不銹鋼來講，一般情況下，對于鐵素體奧氏體不銹鋼由于焊縫金屬具有一定量的鐵素體，具有良好的塑性和韌性，焊材選用時，除從工藝角度考慮外大都選用藥皮類型為16或17的焊材(如 A102)。

埋弧焊和氣保焊用不銹鋼焊絲與母材的化學成分相近，但應配用無錳中硅中氟或無錳低硅高氟熔煉焊劑最好是堿性燒結焊劑。

3 選擇最佳的焊接材料還要遵循等耐蝕性的原則

壓力容器焊接接頭的等耐蝕性應為耐蝕性、抗氫性和抗氧化性均不低于母材標準的規定指標或產品制造技術條件規定的相應值。考慮焊接熱過程對接頭的耐蝕性可能產生的不利影響，應選擇主要合金成分高于母材，而碳含量低于母材的焊接材料。

3.1 低合金鋼的考慮

近年來，隨著石油行業的深度開采，原油的含硫量越來越高，使得更多壓力容器處于濕硫化氫(H2S)環境中，此時因腐蝕而生成的原子氫很容易滲入鋼中，并在局部聚集，致使在鋼材內部產生沿軋制方向擴展的裂紋，而相鄰裂紋相互連接又會形成橫截于厚度方向、形似階梯狀的裂紋，這種現象稱為氫致開裂，簡稱HIC。硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)則是金屬材料在硫化物腐蝕環境中的腐蝕和拉伸應力的聯合作用下，所發生的延遲脆性斷裂現象。針對這種情況，國內鋼材廠家制造了超低 S(S≤0.005%)、低 P(P≤0.015%)的抗H2S等腐蝕的HIC材料。目前常用的有Q245R(HIC)及Q345R(HIC)兩種材料。同樣焊接材料也就相繼產生，比如哈爾濱焊接研究所威爾公司的“SHA”系列焊材，其使用選擇原則除按照低合金鋼的焊材選用原則外，必須首先保證其具備S、P的含量達到規定數值，然后焊接接頭經過720小時的SSCC試驗方可進行使用。具體選擇牌號見表5。

表5 低合金鋼HIC耐蝕鋼容器焊接方法選材選用表

近年來應用以上焊接材料焊接國內外HIC類材料的壓力容器近百余臺，效果良好，為國內壓力容器制造行業贏得了信譽。說明我國焊材生產水平在一定程度上達到了國際先進水平。

3.2 不銹鋼的考慮

由于不銹鋼本身具有很強的耐蝕性和抗氧化性，所以焊材的選用可參照母材的材質牌號，選用與母材成分相同或相近的焊材。由于碳含量對不銹鋼的耐蝕性能有很大影響，因此應選用熔敷金屬含碳量不高于母材的焊材。也就是說，盡可能保證其合金成分大致與母材成分一致或相近，在不影響耐蝕性的情況下，含一定量的鐵素體，這樣既能保證良好的抗裂性能，又有良好的耐蝕性能。

3.3 異種鋼的考慮

在壓力容器制造過程中，經常出現不銹鋼與碳鋼或低合金鋼焊接的情況。在這種情況下，通常焊材的選用原則是“就高不就低”，選用耐蝕合金成分高的不銹鋼焊材，來解決由于焊接過程中焊縫金屬成分的“滲碳”和顯微組織的一些變化。因為碳鋼或低合金鋼在于不銹鋼接觸時不銹鋼中鉻元素會“非常活躍”與碳元素形成不可逆轉的叫碳化鉻的組織(C6Cr23)，該組織游離于焊縫中或不銹鋼組織里，本身不具備任何抗蝕能力，使本來很好的、抗蝕性很強的不銹鋼組織造成了“貧鉻”現象，從而使材料形成點蝕或銹蝕，嚴重時，還可能導致裂紋的形成。因此，在壓力容器制造中通常為碳鋼或低合金鋼與奧氏體不銹鋼相焊時要本著以下情況進行考慮。

(1)焊縫金屬的成分稀釋。

(2)熔合區的塑性:在焊縫金屬靠近低合金鋼一側，熔合區附近存在寬為0.2～0.6 mm的低塑帶，該區域中存在馬氏體組織，會明顯降低接頭的塑性韌性和耐蝕性。

(3)碳的擴散遷移能造成接頭在熔合區發生脆性斷裂。

(4)熱應力及其影響。

總之，無論任何一種碳鋼或低合金鋼與不銹鋼相焊時，必須選用不銹鋼焊材。否則，將難以滿足其組織抗蝕性要求。常見異種鋼焊材使用見表6。

表6 常用碳鋼低合金鋼與不銹鋼焊接材料表

4 選擇最佳的焊接材料還要遵循適用性的原則

壓力容器是一種典型的全焊接結構，它的運行條件非常苛刻，制造工藝復雜，但是幾乎所有的目前國內的壓力容器都是采用熔焊方法焊制而成的。因此，壓力容器的制造的好壞絕大多數取決于產品的焊接水平。但是對于某些情況下，在考慮到產品材料的最佳匹配而保證產品質量的前提下，還有很多因素制約著焊接材料的選用。歸納起來，必須從以下條件進行適當選擇。

4.1 要充分考慮工件的復雜程度、坡口制備以及適當的焊接部位

由于工件的結構復雜厚度較大，其冷卻速度快而產生內應力大，容易出現裂紋的情況，就應選擇抗裂性好的焊材;如受條件限制使某些焊接部位難以清理時，就應考慮選用氧化性強的、對銹蝕或油污等不敏感的酸性焊材。

4.2 要充分考慮焊工的身體健康

鑒于堿性焊條對操作技術和施工準備要求較高，且產生的焊接煙塵有害影響較大，故在酸性和堿性焊材都允許得情況下優先選用酸性焊條。

4.3 要充分考慮焊材使用的經濟性

在保證使用性能滿足壓力容器要求的前提下，適當選用合適的不同價位的焊材，主體焊縫按照要求可以使用精煉水準高的焊材，對一些輔助配件，比如容器的裙座、墊板等可以適當考慮使用價格低的普通焊材，不要片面追求焊材的全面性能，只要滿足需要即可。

結語綜合起來看，壓力容器焊接材料選用需要考慮的因素是多方面的，需要從合理性、高效性、經濟性等各個方面統籌進行考慮，才能在保證壓力容器制造質量的前提下，實現各項利益的最大化。

［1］林尚揚，于 丹，于靜偉.壓力容器焊接新技術及其應用［J］.壓力容器，2009(11):1－6.

［2］宋敏霞，胡賢飛.壓力容器焊接自動化技術的現狀與發展［J］.科技創新導報，2010(31):54+56.

［3］李文超，于建國，李敏.雙面W板安全護欄結構設計和靜力仿真分析［J］.森林工程，2012(6):42－46+53.

［4］陳 強，王 蒸，孟陽君.鋼筒套箍內灌漿加固立柱試驗研究［J］.森林工程，2013(2):86－89.