鋼制壓力容器焊接工藝及焊后熱處理方法分析

范鑫　姚菲

摘要：通過實驗室模擬方式，系統分析了焊后熱處理（PWHT）工藝對345MPa級壓力容器用鋼板組織性能的影響，發現：在所涉PWHT工藝范圍內，試驗鋼組織類型、晶粒度未發生明顯變化;組織中珠光體內滲碳體片層球化、鐵素體中亞結構形成以及第二相彌散析出于鋼板性能影響均具有兩面性，其耦合作用下產生了試驗鋼性能小幅度變化。但需注意，隨著熱處理溫度和保溫時間的進一步升高與增長，組織中第二相的聚集長大勢必弱化其析出強化效果，晶界的嚴重弱化將導致鋼板塑性與沖擊韌性更大程度的降低。故相關鋼板產品研發與具體工程焊后熱處理方案制定，均應結合并充分考慮多周期PWHT對鋼鐵材料的實際影響，并科學確定其合理性能裕度。

關鍵詞：壓力容器用鋼;焊后熱處理;組織性能;保溫時間

前言

隨著石化工業飛速發展，鋼制壓力容器被廣泛應用于化工、石化等行業，并向著大型化、復雜化、專用化、高參數、嚴工況發展，其所用材料亦日趨高強化和壁厚化。作為焊接成型設備，由于焊接工藝短時間內局部驟熱驟冷的特點，導致焊接結構中存在較大殘余應力乃至產生變形，嚴重影響鋼制壓力容器在使用過程中的安全與穩定，尤其結構復雜的大型壓力容器。焊后熱處理是焊制壓力容器制造安裝過程中最后階段的關鍵工藝。通過合理的焊后熱處理，一方面改善焊接接頭組織，達到降低硬度、提高塑性和韌性的目的，進而防止焊縫裂紋產生;另一方面消除整體結構組裝與焊接時產生的殘余應力，穩定設備幾何尺寸，提高其安全裕度與使用壽命。

1鋼制壓力容器焊接工藝

1.1焊接方法

鋼制壓力容器應用廣泛，焊接方法相對成熟，適用的焊接方法有氣焊、電弧焊、埋弧焊、等離子焊等。不銹鋼復合板的焊接方法一般有電弧焊、鎢極氬弧焊和埋弧焊。在實際焊接過程中，應根據工件的結構、形狀和焊接位置選擇合適的焊接方法。例如，在一些換熱器中，管箱和浮頭罩基本上是復合材料，焊接空間有限，直縫不長，可以采用雙面焊。采用電弧焊的焊接方法，操作相對簡單，焊件形狀和焊接位置的影響小，焊接成本低，焊接質量高。具體應用時，焊接方法的確定較為靈活，需根據實際情況分析哪種焊接方法更合適，從經濟性、可行性、簡便性等方面綜合考慮，但最基本的是要保證焊接質量。

1.2焊接材料的選擇

由于鋼制壓力容器材料復雜，焊接材料的選擇應根據母材性能和焊接方法來確定。不銹鋼復合板由不銹鋼和碳鋼或低合金鋼組成，不銹鋼耐腐蝕，碳鋼或低合金鋼板可承受結構所需的強度和剛度，因此不銹鋼復合板的物理性能和化學成分存在很大差異。對于不銹鋼復合板，在選擇焊接材料時，可遵循基體等強度和涂層保證耐腐蝕的原則。耐熱低合金鋼采用同一鋼種焊接時，焊后焊縫金屬中鉻、鉬的含量應與母材中規定的含量相當，或符合設計文件規定的技術要求;高合金鋼與同一鋼種焊接時，一般應考慮焊接材料的耐腐蝕性;當焊接不同鋼種時，由于兩側母材的抗拉強度不同，對焊接后焊縫金屬的抗拉強度值有一定的要求，其值應介于抗拉強度較低的母材的下限值和抗拉強度較高的母材的上限值之間，以保證焊接接頭的強度;如果使用能產生奧氏體焊縫金屬和非奧氏體母材的焊接材料進行焊接，由于母材與焊縫金屬膨脹系數不同，應充分考慮焊接過程中產生的應力效應;奧氏體高合金鋼與碳鋼、低合金鋼焊接時，應充分考慮焊縫金屬的抗裂性和力學性能。以上是對鋼制壓力容器焊接材料選擇時可能遇到的不同情況的簡要分析，實際選擇中考慮的問題需更加全面。

1.3焊接設備與環境

不銹鋼復合板的焊接可采用電弧焊的方法。直流焊機可用于基層、過渡層和熔覆層三種焊縫，并可選用逆變焊接電源。焊接環境是焊接過程中需要控制的內容之一，因為焊接環境的溫度、濕度和風速都會影響焊接質量。因此，在焊接施工前，應測量環境中的溫度、濕度和風速。在不銹鋼復合板表面0.5～1m范圍內，可在0℃以上、風速2m/s以下的環境下進行焊接;雨雪天氣焊接溫度在0～20℃時，應在距焊點100mm范圍內進行預熱，焊接應在15℃以上進行。不同的焊接方法對風速有不同的要求，風速超過規定范圍時，應采取相應的防風措施。

2鋼制壓力容器焊后熱處理

2.1焊后熱處理的作用

因為焊接施工是對焊件的局部區域進行加熱與冷卻的過程，在較短的時間內施焊區域會受到高溫熱源和局部約束應力的共同作用，所以焊接接頭的各個位置在經受不均勻的熱冷變化后，在焊接接頭中會存在焊接殘余應力，焊縫區和熱影響區內的金屬在化學成分和金相組織都會發生很大的改變。為了改善焊接接頭的組織、性能和穩定性，就需要采用焊后熱處理的方式，可以消除焊接接頭內的殘余應力，提高焊縫的耐腐蝕性能、沖擊韌性、強度和抗蠕變性能。

2.2焊后熱處理的保溫溫度和保溫時間

保溫溫度和保溫時間是焊后熱處理工藝的重要參數，直接影響到焊后熱處理的效果。保溫溫度的確定首先要高于行業規定的最低溫度值，然后要判斷鋼材的屈服強度，確保在適宜的溫度下能夠使焊接接頭金屬產生一定的塑性變形，從而消除接頭中的殘余應力。保溫溫度的控制還要考慮到鋼材中的氫能夠處于活躍狀態，使氫從鋼材中溢出，降低氫含量，防止焊縫出現冷裂紋。為了使鋼材的強度、硬度、塑性和韌性都能夠得到恢復，一般會將溫度控制在450℃以上，此時晶粒會再結晶，鋼材性能得以恢復。由于焊件的厚度、結構不同，所以焊后熱處理的保溫時間會有所不同。

3結束語

壓力容器作為一種焊接成形設備，其焊接質量對其使用安全至關重要。不同的材料采用不同的焊接方法和焊接工藝。根據鋼制壓力容器的焊接工藝，應根據鋼制壓力容器在材料和性能上的特點，選擇合適的焊接方法，然后制定相應的焊接工藝。在制定焊接工藝時，焊接方法的確定、焊接材料的選擇和焊接工藝參數的確定，應嚴格按照國家和行業工藝標準，做好各環節的質量控制。焊后熱處理是焊接過程中最重要的一步，也是消除焊接應力的重要手段，因此有必要選擇合適的焊后熱處理方法，做好質量控制。

參考文獻

[1]周艷.低溫鋼制壓力容器焊接工藝綜述[J].現代制造技術與裝備，2017（4）：77-78.