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碳钢、低合金高强钢压力容器的焊接

　　随着工程焊接技术的迅速生长，现代压力容器也已生长成典范的全焊结构。压力容器的焊接成为压力容器制造历程中极为重要极为要害的一个环节，焊接质量直接影响压力容器的质量。

　　一、压力容器用碳钢的焊接

　　碳钢以铁为基础，以碳为合金元素，含量一般不凌驾1.0%。别的，含锰量不凌驾1.2%，含硅量不凌驾0.5%，SI、MN皆不作为合金元素。而其他元素，如NI、CR、CU等，控制在剩余量限度内，更不是合金元素。S、P、O、N等作为杂质元素，凭据钢材品种和品级，也都有严格限制。

　　碳钢凭据含碳量的差别，分为低碳钢(C≤0.30%)、中碳钢(C=0.30%～0.60%)、高碳钢(C≥0.60%)。压力容器主要受压元件用碳钢，主要限于低碳钢。在《容规》中划定：“用于焊接结构压力容器主要受压元件的碳素钢和低合金钢，其含碳量不应大于0.25%。在特殊条件下，如选用含碳量凌驾0.25%的钢材，应限定碳当量不大于0.45%，由制造单位征得用户同意，并经制造单位压力容器技术总卖力人批准，并按相关划定治理批准手续”。

　　常用的压力容器用碳钢牌号有Q235-B、Q235-C、10、20、20R等。

　　(一)低碳钢焊接特点

　　低碳钢含碳量低，锰、硅含量少，在通常情况下不会因焊接而引起严重组织硬化或泛起淬火组织。这种钢的塑性和攻击韧性优良，其焊接接头的塑性、韧性也极其良好。焊接时一般不需预热和后热，不需接纳特殊的工艺步伐，即可获得质量满意的焊接接头，故低碳钢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。

　　(二)低碳钢焊接要点

　　(1)埋弧焊时若焊接线能量过大，会使热影响区粗晶区的晶粒过于粗大，甚至会爆发魏氏组织，从而使该区的攻击韧性和弯曲性能降低，导致攻击韧性和弯曲性能缺乏格。故在使用埋弧焊焊接，尤其是焊接厚板时，应严格按经焊接工艺评定及格的焊接线能量施焊。

　　(2)在现场低温条件下焊接、焊接厚度或刚性较大的焊缝时，由于焊接接头冷却速度较快，冷裂纹的倾向增大。为制止焊接裂纹，应接纳焊前预热等步伐。

　　二、压力容器用低合金高强钢及其焊接特点

　　在钢中除碳外少量加入一种或多种合金元素(合金元素总量在5%以下)，以提高钢的力学性能，使其屈服强度在275MPA以上，并具有良好的综合性能，这类钢称之为低合金高强钢，其主要特点是强度高、塑性和韧性也较好。按钢的屈服强度级别及热处理状态，压力容器用低合金高强钢可分为二类。

　　①热轧、正火钢屈服强度在294MPA～490MPA之间，其使用状态为热轧、正火或控轧状态，属于非热处理强化钢，这类钢应用最为广泛。

　　②低碳调质钢屈服强度在490MPA～980MPA之间，在调质状态下使用，属于热处理强化钢。其特点是既有高的强度，且塑性和韧性也较好，可以直接在调质状态下焊接。近年来，这类低碳调质钢应用日益广泛。

　　目前应用于压力容器的低合金高强钢。钢板牌号有：16MNR、15MNVR、13MNNIMONBR、18MNMONBR等。锻件牌号有16MN、15MNV、20MNMO、20MNMONB等。

　　低合金高强钢的含碳量一般不凌驾0.20%，合金元素总量一般不凌驾5%。正是由于低合金高强钢含有一定量的合金元素，使其焊接性能与碳钢有一定差别，其焊接特点体现在：

　　(一)焊接接头的焊接裂纹

　　(1)冷裂纹低合金高强钢由于含使钢材强化的C、MN、V、NB等元素，在焊接时易淬硬，这些硬化组织很敏感，因此，在刚性较大或羁绊应力高的情况下，若焊接工艺不当，很容易爆发冷裂纹。并且这类裂纹有一定的延迟性，其危害极大。

　　(2)再热(SR)裂纹再热裂纹是焊接接头在焊后消除应力热处理历程或恒久处于高温运行中爆发在靠近熔合线粗晶区的沿晶开裂。一般认为，其爆发是由于焊接高温使HAZ四周的V、NB、CR、MO等碳化物固溶于奥氏体中，焊后冷却时来缺乏析出，而在PWHT时呈弥散析出，从而强化了晶内，使应力松弛时的蠕变变形集中于晶界。

　　低合金高强钢焊接接头一般不易爆发再热裂纹，如16MNR、15MNVR等。但关于MN-MO-NB和MN-MO-V系低合金高强钢，如07MNCRMOVR，由于NB、V、MO是促使再热裂纹敏感性较强的元素，因此这一类钢在焊后热处理时应注意避开再热裂纹的敏感温度区，避免再热裂纹的爆发。

　　(二)焊接接头的脆化和软化

　　(1)应变时效脆化焊接接头在焊接前需经受种种冷加工(下料剪切、筒体卷圆等)，钢材会爆发塑性变形，如果该区再经200～450℃的热作用就会引起应变时效。应变时效脆化会使钢材塑性降低，脆性转变温度提高，从而导致设备脆断。

　　PWHT可消除焊接结构这类应变时效，使韧性恢复。GB150-1998《钢制压力容器》作出划定，圆筒钢材厚度δS切合以下条件：碳素钢、16MNR的厚度不小于圆筒内径DI的3%;其他低合金钢的厚度不不小于圆筒内径DI的2.5%。且为冷成形或中温成形的受压元件，应于成形后进行热处理。

　　(2)焊缝和热影响区脆化焊接是不均匀的加热和冷却历程，从而形成不均匀组织。焊缝(WM)和热影响区(HAZ)的脆性转变温度比母材高，是接头中的薄弱环节。焊接线能量对低合金高强钢WM和HAZ性能有重要影响，低合金高强钢易淬硬，线能量过小，HAZ会泛起马氏体引起裂纹;线能量过大，WM和HAZ的晶粒粗大会造成接头脆化。低碳调质钢与热轧、正火钢相比，对线能量过大而引起的HAZ脆化倾向更严重。所以焊接时，应将线能量限制在一定规模。

　　(3)焊接接头的热影响区软化由于焊接热作用，低碳调质钢的热影响区(HAZ)外侧加热到回火温度以上特别是AC1四周的区域，会爆发强度下降的软化带。HAZ区的组织软化随着焊接线能量的增加和预热温度的提高而加重，但一般其软化区的抗拉强度仍高于母材标准值的下限要求，所以这类钢的热影响区软化问题只要工艺恰当，不致影响其接头的使用性能。

　　三、压力容器用低合金高强钢焊材选用

　　(1)凭据钢材差别的强度级别选择与母材强度相当的焊缝金属是这类钢焊材选用的基来源则，虽然，与此同时还要凭据产品的使用条件、产品结构和板材厚度等因素，综合考虑焊缝金属的韧性、塑性和焊接接头的抗裂性。只要焊缝强度不低于或略高于母材标准抗拉强度的下限值即可。若选择的焊材焊缝金属强度过高，将会导致接头的韧性、塑性及抗裂性降低，接头的弯曲性能不易及格。

　　(2)由于这类钢都具有差别水平的冷裂纹倾向，所以，在等强度原则的前提下，严格控制焊材中的氢含量是很是重要的，应尽量选用低氢型的焊材。关于强度较高的低碳调质钢焊接时，更是如此，甚至要选择超低氢型的焊材，并严格控制焊材的存放和使用。

　　(3)考虑焊后加工工艺的影响。对焊后需经热处理、热卷(热弯)的焊件，应考虑焊缝金属经受高温处理作用对其力学性能的影响，应包管焊缝金属经热处理后仍具有要求的强度、塑性和韧性等。例如，关于压力容器常见的16MNR钢的埋弧焊，一般情况下选用H10MN2焊丝+HJ431焊剂即可。但关于焊后需经正火温度下冲压的封头拼板焊缝，其焊材选用应适当提高一档，使用H08MNMO焊丝+HJ431焊剂，可弥补其强度损失。

　　四、压力容器用低合金高强钢焊接要点

　　(1)选用低氢或超低氢高韧性的焊材，且重视烘干、生存以及坡口的清理，以减少焊缝中的扩散氢。

　　(2)为了制止热影响区粗晶区的脆化，一般应注意不要使用过大的线能量。关于含碳量偏下限的16MNR钢焊接时，焊接线能量没有严格的限制，因为这种钢焊接热影响区脆化倾向较小，但关于含钒、铌、钛等微合金化元素的钢，则应选用较小的焊接线能量。

　　(3)关于碳及合金元素含量较高、屈服强度也较高的低合金高强钢，如18MNMONBR，由于这种钢淬硬倾向较大，又要考虑其热影响区的过热倾向，则在选用较小线能量的同时，还要增加焊前预热、焊后实时后热等步伐。

　　(4)焊接低碳调质钢时，为了使热影响区坚持良好的韧性，同时使焊缝金属既有较高的强度又有良好的韧性，这就要求焊缝金属获得针状铁素体组织，而这种组织只有在较快的冷却条件下才华获得，为此要严格控制焊接线能量，不推荐接纳大直径的焊条和焊丝，且要接纳多道多层的窄焊道焊，尽量不作横向摆动的运条方法。为避免冷裂纹的爆发，焊前需要预热，但应严格控制预热温度，预热温度过高，会使热影响区冷却速度过于缓慢，从而在该区内爆发马氏体+奥氏体混淆组织和粗大的贝氏体，使强度下降，韧性变坏。一般要求最高预热温度不得高于推荐的最低预热温度加50℃。接纳低温预热加后热的要领既可避免低碳调质钢爆发冷裂纹，又可减轻或消除预热温度过高带来的倒运影响。

　　(5)增强对焊接接头的无损检测，对再热裂纹敏感的钢种，应在PWHT前后都要做射线或超声检测。

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