耐熱鋼壓力容器的焊接.doc

耐熱鋼壓力容器的焊接一、 壓力容器用耐熱鋼及其焊接性在普通碳鋼中加入一定量的合金元素，以提高鋼的高溫強度和持久強度，就形成了低合金耐熱鋼，對于壓力容器用低合金耐熱鋼，為改善其焊接性能，常常把碳含量控制在0.2以下。這類鋼通常以退火態(tài)或正火+回火狀態(tài)交貨。由于合金含量在2.5以下的低合金耐熱鋼具有珠光體+鐵素體組織，故也經(jīng)常稱為珠光體耐熱鋼，如15CrMoR。合金含量在3 5之間的低合金耐熱鋼供貨狀態(tài)為貝氏體+鐵素體組織，故也稱為貝氏體耐熱鋼，如12Cr2Mo1R。壓力容器上使用的低合金耐熱鋼主要是以加入鉻和鉬元素或輔以加入少量的釩、鈦等元素來提高鋼的蠕變強度和組織穩(wěn)定性，所以也經(jīng)常稱之為Cr-Mo耐熱鋼或Cr-Mo-V系耐熱鋼。也正由于這一類鋼在耐高溫的同時還具有良好的抗氫腐蝕性能，為此，Cr-Mo或Cr-Mo-V系的低合金耐熱鋼亦經(jīng)常稱為抗氫鋼。 作為耐熱鋼，除上面已講到的低合金耐熱鋼外，還有合金含量在在6 12之間的中合金耐熱鋼，如1Cr5Mo、1Cr9Mo1，和合金大于13的高合金耐熱鋼，如1Cr17。由于在壓力容器中這兩類耐熱鋼并不多見，本節(jié)以敘述低合金耐熱鋼為主。為保證耐熱鋼焊接接頭在高溫、高壓和各種腐蝕介質(zhì)條件下長期安全的運行，其焊接接頭性能應滿足下列幾點要求。 接頭的等強性 耐熱鋼接頭不僅應具有與母材基本相等的室溫和高溫短時強度，而且更重要的是應具有與母材相近的高溫持久強度。 接頭的抗氫性和抗氧化性 耐熱鋼接頭應具有與母材基本相同的抗氫性和高溫抗氧化性。為此，焊縫金屬的合金成分和含量應與母材基本一致。 接頭的組織穩(wěn)定性 耐熱鋼焊接接頭在制造過程中，特別是厚壁接頭將經(jīng)受長時間多次熱處理，在運行過程中將長期受高溫高壓的作用，接頭各區(qū)不應產(chǎn)生明顯的組織變化及由此引起的脆變或軟化。 接頭的抗脆斷性 雖然耐熱鋼壓力容器大多數(shù)是在高溫下工作，但當壓力容器和管道制造完工后將在常溫下進行設計壓力1.25倍壓力的水壓試驗。在安裝檢修完后，要經(jīng)歷水壓試驗及冷啟動過程。因此，耐熱鋼焊接接頭亦應具有一定的抗脆斷性。 接頭的物理均一性 耐熱鋼焊接接頭應具有與母材基本相同的物理性能。焊縫金屬的熱膨脹系數(shù)和熱導率應基本一致，這樣就可避免接頭在高溫運行過程中的熱應力。低合金耐熱鋼含有一定量的合金元素，因此它與低合金高強鋼都具有一些相同的焊接特點，而又由于其含有一些特殊的微量元素及其不同的介質(zhì)工作環(huán)境，所以也有其獨特的焊接特點。（1）淬硬性 低合金耐熱鋼中的主要合金元素Cr和Mo等都能顯著提高鋼的淬硬性。其中Mo的作用比Cr大50倍。這些合金元素推遲了鋼在冷卻過程中的轉變，提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而在較高的冷卻速度下可能形成全馬氏體組織，比如12Cr2Mo1R焊接時，如果焊接線能量較小，鋼板厚度較大且不預熱焊接時就有可能發(fā)生100的馬氏體轉變。（2）冷裂紋 由于Cr-Mo鋼極易產(chǎn)生淬硬的顯微組織，再加上焊縫區(qū)足夠高的擴散氫濃度和一定的焊接殘余應力共同作用，焊接接頭易產(chǎn)生氫致延遲裂紋。這種裂紋在熱影響區(qū)和焊縫金屬中都易發(fā)生。在熱影響區(qū)大多是表面裂紋，在焊縫金屬中通常表現(xiàn)為垂直于焊縫的的橫向裂紋，也可能發(fā)生在多層焊的焊道下或焊根部位。冷裂紋是Cr-Mo鋼焊接中存在的主要危險。（3）消除應力裂紋 因為這類裂紋是在消除應力熱處理時，接頭再次處于高溫下所產(chǎn)生的裂紋，故又稱為再熱裂紋。Cr-Mo鋼是再熱裂紋敏感性鋼種，敏感的溫度范圍一般在500 700之間。大量試驗結果表明，鋼中Cr、Mo、V、Nb、Ti等強碳化物形成元素對再熱裂紋形成有很大影響。通常以裂紋指數(shù)PSR粗略地評價鋼的消除應力裂紋敏感性。PSR按下式計算：PSR=Cr + Cu + 2Mo + 10V + 7Nb + 5Ti - 2當PSR0時，就有可能產(chǎn)生消除應力裂紋。但對于碳含量低于0.1的鋼種，上式不適用。（4）熱裂紋 對低合金耐熱鋼，人們往往注重冷裂紋的防止。實際上，當焊道的成形系數(shù)（熔寬與熔深比）小于1.2 1.3時，焊道中心易形成熱裂紋。這是因為窄而深的梨形焊道，低熔點共晶聚集于焊道中心，在焊接應力作用下，導致焊道中心出現(xiàn)熱裂紋。一切影響焊道成形系數(shù)的因素都會影響熱裂紋的發(fā)生。（5）回火脆性 Cr-Mo鋼及其焊接接頭在350 500溫度區(qū)間長期運行過程中發(fā)生脆變的現(xiàn)象稱為回火脆性。例如某廠一臺2.25Cr-1Mo鋼制壓力容器在332 432運行30000h后，鋼的40J脆性轉變溫度從-37提高到了+60，并最終導致災難性的脆性斷裂事故。Cr-Mo鋼及其焊接接頭的回火脆性敏感性有兩種評價方式：X系數(shù)和J系數(shù)X=（10P+5Sb+4Sn+As）10-2（式中元素以ppm含量代入，如0.01應以100ppm代入）J=（Si+Mn）（P+Sn）104 （式中元素以百分數(shù)含量代入，如0.15應以0.15代入）這兩個系數(shù)的界定是隨著工業(yè)的不斷發(fā)展和進步一步步提高的，最早要求X25ppm，J200，后來達到X20ppm，J150，直至目前又提高了要求，要求X15ppm，J100。 分步冷卻試驗法(步冷) 分步冷卻試驗法是將試件加熱到規(guī)定的最高溫度后分步冷卻，溫度每降一級，保溫更長時間，如圖10-2。步冷處理目的是在200 300 h內(nèi)使鋼產(chǎn)生最大的回火脆性，與350 500溫度區(qū)間設備經(jīng)過2000 5000 h才能產(chǎn)生的效果相同。圖10-2 測定回火脆性敏感性的步冷處理程序圖10-3 回火脆化程度的曲線按圖10-2曲線加熱，使鋼材發(fā)生快速回火脆化。分別對步冷試驗前后的鋼材進行系列沖擊，繪制出步冷試驗前 、后回火脆化程度的曲線(圖10-3)，確定延脆性轉變溫度VTr54 (試樣經(jīng)Min. PWHT處理后的夏比沖擊功為54J時相應的轉變溫度)的變量VTr54 (試樣經(jīng)Min. PWHT + 步冷處理后的夏比沖擊功為54J時相應的轉變溫度增量)，按下式進行計算：美國雪弗龍公司早期提出的指標：VTr54 +1.5VTr54 38(100)20世紀90年代普遍采用的指標：VTr54 +2.5VTr54 38隨著對設備安全性要求的提高及鋼材、焊材性能的提高，對該指標的要求越來越高，2006年某工程公司為寧波和邦化學有限公司設計的兩臺加氫反應器提出的指標是：VTr54 +3VTr54 10二、 壓力容器用耐熱鋼焊材選用（1）與低合金高強鋼相同，焊縫金屬和母材等強度原則仍是低合金耐熱鋼焊材選用的基本原則，只不過此時不但要考慮焊縫金屬與母材的常溫強度等強，同時也要使其高溫強度不低于母材標準值的下限要求。（2）為使其焊縫金屬具有與母材同樣的使用性能，因此要求其焊縫金屬的鉻、鉬含量不得低于母材標準值的下限。（3）為保證焊縫金屬有同樣小的回火脆性，應嚴格限制焊材中的氧、硅、磷、銻、錫、砷等微量元素的含量。（4）為提高焊縫金屬的抗裂性，應控制焊材中的含碳量低于母材的碳含量，但應注意，含碳量過低時，經(jīng)長時間的焊后熱處理會促使鐵素體形成，從而導致韌性下降，因此，對于低合金耐熱鋼的焊縫金屬含碳量最好控制在0.08 0.12范圍內(nèi)，這樣才會使焊縫金屬具有較高的沖擊韌性和與母材相當?shù)母邷厝渥儚姸?。三?壓力容器用耐熱鋼焊接要點（1）預熱與層間溫度 在Cr-Mo鋼的焊接特點中提到的冷裂紋、熱裂紋及消除應力裂紋，都與預熱及層間溫度相關。一般來說，在條件許可下應適當提高預熱及層間溫度來避免冷裂紋和再熱裂紋的產(chǎn)生。表10-2為對各種低合金耐熱鋼推薦選用的預熱溫度和層間溫度，但在設備制造過程中還要結合實際選用。表10-2 推薦選用的低合金耐熱鋼預熱及層間溫度鋼種預熱溫度/層間溫度/15CrMoR150150 25012Cr1MoV200250左右12Cr2Mo1R200 250200 300在Cr-Mo鋼上堆焊不銹鋼100對于預熱和層間溫度，應注意以下幾點： 整個焊接過程中的層間溫度不應低于預熱溫度。 要保證焊件內(nèi)外表面均達到規(guī)定的預熱溫度。 對于厚壁容器，必須注意焊前、焊接過程和焊接結束時的預熱溫度基本保持一致并將實測預熱溫度做好記錄。 若容器焊前進行整體預熱不僅費時而且耗能。實際上，作局部預熱可以取得與整體預熱相近的效果，但必須保證預熱區(qū)寬度大于所焊厚度的4倍，且至少不小于150mm。 預熱與層間溫度必須低于母材的Mf點(馬氏體轉變結束點)，否則當焊件經(jīng)SR處理后，殘留奧氏體可能發(fā)生馬氏體轉變，其中過飽和的氫逸出會促使鋼材開裂，如對12Cr2Mo1R的預熱和最高層間溫度應低于300。 鋼材下料進行熱切割時，類似焊接熱影響區(qū)的熱循環(huán)，切割邊緣的淬硬層可能成為鋼材卷制或沖壓時的裂源。因此，也應適當預熱。（2）焊后熱處理 對于低合金耐熱鋼，焊后熱處理的目的不僅是消除焊接殘余應力，而且更重要的是改善組織提高接頭的綜合力學性能，包括提高接頭的高溫蠕變強度和組織穩(wěn)定性，降低焊縫及熱影響區(qū)硬度，還有就是使氫進一步逸出以避免產(chǎn)生冷裂紋。因此，在擬定低合金耐熱鋼焊接接頭的焊后熱處理規(guī)范時，應綜合考慮下列冶金和工藝特點。 焊后熱處理應保證近縫區(qū)組織的改善。 加熱溫度應保證焊接接頭的焊接應力降到盡可能低的水平。 焊后熱處理不應使母材及焊接接頭各項力學性能降低到設計規(guī)定的最低限度以下。這一點往往要通過對母材及焊接接頭進行最大和最小模擬焊后熱處理(Max. PWHT及Min. PWHT)后的各項力學性能檢測來確定。 由于耐熱鋼的回火脆性及再熱裂紋傾向，焊后熱處理應盡量避免在所處理鋼材回火脆性敏感區(qū)及再熱裂紋傾向敏感區(qū)的溫度范圍內(nèi)進行。應規(guī)定在危險溫度范圍內(nèi)要有較快的加熱速度。綜合考慮以上4個特點，需要制定一個合適的耐熱鋼焊后熱處理規(guī)范，經(jīng)過大量的試驗、研究，引出了一個指導性參數(shù)，即納爾遜米勒（RarsonMiller）參數(shù) Tp，也稱回火參數(shù)。Tp= T ( 20+log t )10-3式中：T 熱處理絕對溫度，Kt 熱處理保溫時間，h從式中可以看出，熱處理的溫度和保溫時間決定了Tp值的高低，也就影響了Cr-Mo鋼焊接接頭的強度和韌性。Tp值過低，接頭的強度和硬度會過高而韌性較低，若Tp值太高，則強度和硬度會明顯下降，同時由于碳化物的沉淀和聚集也會使韌性下降，因此，Tp值在18.2 21.4可以使接頭具有較好的綜合力學性能。當然，對于每一種Cr-Mo鋼都有一個最佳的回火參數(shù)范圍，如1.25Cr-0.5Mo鋼焊縫金屬的最佳Tp值為20.0 20.6之間，對于2.25Cr-1Mo鋼而言，其最佳的Tp值在20.2 20.6之間。（3）后熱和中間熱處理 Cr-Mo鋼冷裂傾向大，導致生產(chǎn)裂紋的影響因素中，氫的影響居首位，因此，焊后(或中間停焊)必須立即消氫。一般說來，Cr-Mo鋼容器的壁厚、剛性大、制造周期長，焊后不能很快進行熱處理，為防裂并穩(wěn)定焊件尺寸，在主焊縫(或主焊縫和殼體接管焊縫)完成后進行比最終熱處理溫度低的中間熱處理。這類鋼的后熱溫度一般為300 350，也有少數(shù)制造單位取350 400的。中間熱處理規(guī)范隨鋼種、結構、制造單位的經(jīng)驗而異，一般中間熱處理溫度為(620 640)15。（4）焊接規(guī)范的選擇 焊接線能量、預熱溫度和層間溫度直接影響到焊接接頭的冷卻條件，一般來說，焊接線能量越大，冷卻速度越慢，加之伴有較高的預熱和層間溫度，就會使接頭各區(qū)的晶粒粗大，強度和韌性都會降低。對于低合金耐熱鋼而言，對焊接線能量在一定范圍內(nèi)變化并不敏感，也就是說，允許的焊接線能量范圍較寬，只有當線能量過大時，才會對強度和韌性有明顯的影響，所以為了防止冷裂紋的產(chǎn)生，希望焊接時線能量不要過小。四、 耐熱鋼鋼壓力容器焊接實例直徑為500mm，殼程壁厚為30mm，管程壁厚為16mm的加熱器（圖10-4），殼體材質(zhì)為15CrMoR，其主要承壓焊縫的焊接工藝見表10-3。 圖10-4 加熱器簡圖表 10-3 加熱器焊接工藝焊縫編號焊縫位置焊接方法焊接材料說明3A1、4A1、B6B2-B5、B7B8、B9管程筒體縱、環(huán)縫殼程、管程筒體與管板環(huán)縫接管與對接法蘭環(huán)縫GTAW打底SMAW蓋面H13CrMoAR3071A1、2A1、B1、B4管程筒體縱縫管程筒體與法蘭環(huán)縫SMAWR307D1-D6接管、整體法蘭與法蘭蓋、管板、殼體角焊縫SMAWR307D7換熱管與管板角焊縫GTAW（自動）H08CrMoAE1耳座與殼體角焊縫GMAW(CO2焊)TWE-811B2說明： 殼程筒體直徑較小，焊工無法鉆入筒體內(nèi)焊接，故殼程筒體縱、環(huán)縫只能從外側施焊。同樣，由于該設備結構方面的原因，殼程、管程筒體與管板的環(huán)縫焊接也只能從外側進行。至于接管與對接法蘭環(huán)縫，本設備中接管規(guī)格為27312，亦無法從內(nèi)側施焊。以上焊縫需要單面焊，但又要保證質(zhì)量，選用TIG焊打底是保證焊縫質(zhì)量最有效的方法。對于殼程筒體環(huán)縫，也可采用GTAW打底，SMAW再焊兩道，然后SAW焊剩余層的方法。 盡管管程筒體直徑較小，但其長度很短，管程筒體縱縫、管程筒體與法蘭環(huán)縫具備內(nèi)側焊條電弧焊的條件，故采用焊條電弧焊進行雙面焊。 接管、整體法蘭與法蘭蓋、管板、殼體的角焊縫設備大合攏焊縫，鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊。 換熱管-管板焊接是熱交換設備的重要焊縫，其焊接方法有焊條電弧焊、手工鎢極氬弧焊、全位置自動氬弧焊。焊條電弧焊是最早使用的焊接方法，其特點是效率高，但是質(zhì)量對比于其他兩種方法來說要差很多，現(xiàn)在基本上已被淘