不銹鋼壓力容器的焊接技術(shù)

1、.不銹鋼壓力容器的焊接技術(shù)一、壓力容器用不銹鋼及其焊接特點(diǎn)所謂不銹鋼是指在鋼中加入一定量的鉻元素后，使鋼處于鈍化狀態(tài)，具有不生銹的特性。為達(dá)到此目的，其鉻含量必須在12以上。為提高鋼的鈍化性，不銹鋼中還往往需加入能使鋼鈍化的鎳、鉬等元素。一般所指的不銹鋼實(shí)際上是不銹鋼和耐酸鋼的總稱(chēng)。不銹鋼并不一定耐酸，而耐酸鋼一般均具有良好的不銹性能。不銹鋼按其鋼的組織不同可分為四類(lèi)，即奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。1.奧氏體不銹鋼及其焊接特點(diǎn)奧氏體不銹鋼是應(yīng)用最廣泛的不銹鋼，以高Cr-Ni型最為普遍。目前奧氏體不銹鋼大致可分為Cr18-Ni8型、Cr25-Ni20型、C

2、r25-Ni35型。奧氏體不銹鋼有以下焊接特點(diǎn)：焊接熱裂紋奧氏體不銹鋼由于其熱傳導(dǎo)率小，線膨脹系數(shù)大，因此在焊接過(guò)程中，焊接接頭部位的高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)，焊縫易形成粗大的柱狀晶組織，在凝固結(jié)晶過(guò)程中，若硫、磷、錫、銻、鈮等雜質(zhì)元素含量較高，就會(huì)在晶間形成低熔點(diǎn)共晶，在焊接接頭承受較高的拉應(yīng)力時(shí)，就易在焊縫中形成凝固裂紋，在熱影響區(qū)形成液化裂紋，這都屬于焊接熱裂紋。防止熱裂紋最有效的途徑是降低鋼及焊材中易產(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)元素和使鉻鎳奧氏體不銹鋼中含有412的鐵素體組織。晶間腐蝕根據(jù)貧鉻理論，在晶間上析出碳化鉻，造成晶界貧鉻是產(chǎn)生晶間腐蝕的主要原因。為此，選擇超低碳焊材或含有鈮、鈦等穩(wěn)定化元素的

3、焊材是防止晶間腐蝕的主要措施。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂:應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂通常表現(xiàn)為脆性破壞，且發(fā)生破壞的過(guò)程時(shí)間短，因此危害嚴(yán)重。造成奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的主要原因是焊接殘余應(yīng)力。焊接接頭的組織變化或應(yīng)力集中的存在，局部腐蝕介質(zhì)濃縮也是影響應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的原因。焊接接頭的相脆化相是一種脆硬的金屬間化合物，主要析集于柱狀晶的晶界。相和相都可發(fā)生相轉(zhuǎn)變。比如對(duì)于Cr25Ni20型焊縫在800900加熱時(shí)，就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的轉(zhuǎn)變。對(duì)于鉻鎳型奧氏體不銹鋼，特別是鉻鎳鉬型不銹鋼，易發(fā)生相轉(zhuǎn)變，這主要是由于鉻、鉬元素具有明顯的化作用，當(dāng)焊縫中鐵素體含量超過(guò)12時(shí)，的轉(zhuǎn)變非常顯著，造成焊縫金屬的明顯的脆化，這也就是為什么熱壁

4、加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層將鐵素體含量控制在310的原因。2.鐵素體不銹鋼及其焊接特點(diǎn)鐵素體不銹鋼分為普通鐵素體不銹鋼和超純鐵素體不銹鋼兩大類(lèi)，其中普通鐵素體不銹鋼有Cr12Cr14型，如00Cr12、0Cr13Al；Cr16Cr18型，如1Cr17Mo；Cr2530型。由于普通鐵索體不銹鋼中的碳、氮含量較高，故加工成形及焊接都較困難，耐蝕性也難以保證，使用受到限制，在超純鐵素體不銹鋼中嚴(yán)格控制了鋼中的碳和氮總量，一般控制在0.0350.045、0.030、0.0100.015三個(gè)層次，同時(shí)還加入必要的合金元素以進(jìn)一步提高鋼的耐腐蝕性和綜合性能。與普通鐵素體不銹鋼相比，超純高鉻鐵素體不銹鋼具有很好的

5、耐均勻腐蝕、點(diǎn)蝕及應(yīng)力腐蝕性能，較多的應(yīng)用于石化設(shè)備中。鐵素體不銹鋼有以下焊接特點(diǎn)：焊接高溫作用下，在加熱溫度達(dá)到1000以上的熱影響區(qū)特別在近縫區(qū)的晶粒會(huì)急劇長(zhǎng)大，焊后即使快速冷卻，也無(wú)法避免因晶粒粗大化引起的韌性急劇下降及較高的晶間腐蝕傾向。鐵素體鋼本身含鉻量較高，有害元素碳、氮、氧等也較多，脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，缺口敏感性較強(qiáng)。因此，焊后脆化現(xiàn)象較為嚴(yán)重。在400600長(zhǎng)時(shí)間加熱緩冷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)475脆化，使常溫韌性嚴(yán)重下降。在550820長(zhǎng)時(shí)間加熱后，則容易從鐵素體中析出相，也明顯降低其塑、韌性。3.馬氏體不銹鋼及其焊接特點(diǎn)馬氏體不銹鋼可分為Cr13型馬氏體不銹鋼、低碳馬氏體不銹鋼和超級(jí)馬氏

6、體不銹鋼。Cr13型具有一般抗腐蝕性能，從Cr12為基的馬氏體不銹鋼，因加入鎳、鉬、鎢、釩等合金元素，除具有一定的耐腐蝕性能，還具有較高的高溫強(qiáng)度及抗高溫氧化性能。馬氏體不銹鋼的焊接特點(diǎn)：Cr13型馬氏體不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)的淬硬傾向特別大，焊接接頭在空冷條件下便可得到硬脆的馬氏體，在焊接拘束應(yīng)力和擴(kuò)散氫的作用下，很容易出現(xiàn)焊接冷裂紋。當(dāng)冷卻速度較小時(shí)，近縫區(qū)及焊縫金屬會(huì)形成粗大鐵素體及沿晶析出碳化物，使接頭的塑、韌性顯著降低。低碳及超級(jí)馬氏體不銹鋼的焊縫和熱影響區(qū)冷卻后，雖然全部轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體，但沒(méi)有明顯的淬硬現(xiàn)象，具有良好的焊接性能。二、壓力容器用不銹鋼焊材選用1.奧氏體不銹鋼焊材選用奧

7、氏體不銹鋼焊材的選擇原則是在無(wú)裂紋的前提下，保證焊縫金屬的耐蝕性能及力學(xué)性能與母材基本相當(dāng)，或高于母材，一般要求其合金成分大致與母材成分匹配。對(duì)于耐蝕的奧氏體不銹鋼，一般希望含一定量的鐵素體，這樣既能保證良好的抗裂性能，又能有很好的抗腐蝕性能。但在某些特殊介質(zhì)中，如尿素設(shè)備的焊縫金屬是不允許有鐵素體存在的，否則就會(huì)降低其耐蝕性。對(duì)耐熱用奧氏體鋼，應(yīng)考慮對(duì)焊縫金屬內(nèi)鐵素體含量的控制。對(duì)于長(zhǎng)期在高溫運(yùn)行的奧氏體鋼焊件，焊縫金屬內(nèi)鐵素體含量不應(yīng)超過(guò)5。讀者可根據(jù)Schaeffler圖，按焊縫金屬中的鉻當(dāng)量和鎳當(dāng)量估計(jì)出相應(yīng)的鐵素體含量。2.鐵素體不銹鋼焊材選用鐵素體不銹鋼焊材基本上有三類(lèi)：1)成分基

8、本與母材匹配的焊材；2)奧氏體焊材；3)鎳基合金焊材，由于其價(jià)格較高，故很少選用。鐵素體不銹鋼焊材可采用與母材相當(dāng)?shù)牟牧?，但在拘束度大時(shí)，很容易產(chǎn)生裂紋，焊后可采用熱處理，恢復(fù)耐蝕性能，并改善接頭塑性。采用奧氏體焊材可免除預(yù)熱和焊后熱處理，但對(duì)于不含穩(wěn)定元素的各種鋼，熱影響區(qū)的敏化仍然存在，常用309型和310型鉻鎳奧氏體焊材。對(duì)于Cr17鋼，也可用308型焊材，合金含量高的焊材有利于提高焊接接頭塑性。奧氏體或奧氏體一鐵素體焊縫金屬基本與鐵素體母材等強(qiáng)，但在某些腐蝕介質(zhì)中，焊縫的耐蝕性可能與母材有很大的不同，這一點(diǎn)在選擇焊材時(shí)要注意。3.馬氏體不銹鋼焊材選用在不銹鋼中，馬氏體不銹鋼是可以利用熱

9、處理來(lái)調(diào)整性能的，因此，為了保證使用性能的要求，特別是耐熱用馬氏體不銹鋼，焊縫成分應(yīng)盡量接近母材的成分。為了防止冷裂紋，也可采用奧氏體焊材，這時(shí)的焊縫強(qiáng)度必然低于母材。焊縫成分同母材成分相近時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)將會(huì)同時(shí)硬化變脆，同時(shí)在熱影響區(qū)中出現(xiàn)回火軟化區(qū)。為了防止冷裂，厚度3mm以上的構(gòu)件往往要進(jìn)行預(yù)熱，焊后也往往需要進(jìn)行熱處理，以提高接頭性能，由于焊縫金屬與母材的熱膨脹系數(shù)基本一致，經(jīng)熱處理后有可能完全消除焊接應(yīng)力。當(dāng)工件不允許進(jìn)行預(yù)熱或熱處理時(shí)，可選擇奧氏體組織焊縫，由于焊縫具有較高的塑性和韌性，能松弛焊接應(yīng)力，并且能較多地固溶氫，因而可降低接頭的冷裂傾向，但這種材質(zhì)不均勻的接頭，由于熱

10、膨脹系數(shù)不同，在循環(huán)溫度的工作環(huán)境下，在熔合區(qū)可能產(chǎn)生剪應(yīng)力，而導(dǎo)致接頭破壞。對(duì)于簡(jiǎn)單的Cr13型馬氏體鋼，不采用奧氏體組織的焊縫時(shí)，焊縫成分的調(diào)整余地不多，一般都和母材基體相同，但必須限制有害雜質(zhì)S、P及Si等，Si在Cr13型馬氏體鋼焊縫中可促使形成粗大的馬氏體。降低含C量，有利于減小淬硬性，焊縫中存在少量Ti、N或Al等元素，也可細(xì)化晶粒并降低淬硬性。對(duì)于多組元合金化的Cr12基馬氏體熱強(qiáng)鋼，主要用途是耐熱，通常不用奧氏體焊材，焊縫成分希望接近母材。在調(diào)整成分時(shí)，必須保證焊縫不致出現(xiàn)一次鐵素體相，因它對(duì)性能十分有害，由于Cr13基馬氏體熱強(qiáng)鋼的主要成分多為鐵素體元素(如Mo、Nb、W、V

11、等)，為保證全部組織為均一的馬氏體，必須用奧氏體元素加以平衡，也就是要有適當(dāng)?shù)腃、Ni、Mn、N等元素。馬氏體不銹鋼具有相當(dāng)高的冷裂傾向，因此必須嚴(yán)格保持低氫，甚至超低氫，在選擇焊材時(shí)，必須要注意這一點(diǎn)。三、壓力容器用不銹鋼焊接要點(diǎn)1.奧氏體不銹鋼焊接要點(diǎn)總的來(lái)說(shuō)，奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的焊接性。幾乎所有的熔化焊接方法均可用于焊接奧氏體不銹鋼，奧氏體不銹鋼的熱物理性能和組織特點(diǎn)決定了其焊接工藝要點(diǎn)。由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小而熱膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)易于產(chǎn)生較大的變形和焊接應(yīng)力，因此應(yīng)盡可能選用焊接能量集中的焊接方法。由于奧氏體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，在同樣的電流下，可比低合金鋼得到較大的熔深。同時(shí)又由于

12、其電阻率大，在焊條電弧焊時(shí)，為了避免焊條發(fā)紅，與同直徑的碳鋼或低合金鋼焊條相比，焊接電流較小。焊接規(guī)范。一般不采用大線能量進(jìn)行焊接。焊條電弧焊時(shí)，宜采用小直徑焊條，快速多道焊，對(duì)于要求高的焊縫，甚至采用澆冷水的方法以加速冷卻，對(duì)于純奧氏體不銹鋼及超級(jí)奧氏體不銹鋼，由于熱裂紋敏感性大，更應(yīng)嚴(yán)格控制焊接線能量，防止焊縫晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大與焊接熱裂紋的發(fā)生。為提高焊縫的抗熱裂性能和耐蝕性能，焊接時(shí)，要特別注意焊接區(qū)的清潔，避免有害元素滲入焊縫。奧氏體不銹鋼焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱。為了防止焊縫和熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大及碳化物的析出，保證焊接接頭的塑、韌性和耐蝕姓，應(yīng)控制較低的層間溫度，一般不超過(guò)150。2.鐵素體

13、不銹鋼焊接要點(diǎn)鐵素體不銹鋼的鐵素體形成元素相對(duì)較多，奧氏體形成元素相對(duì)較少，材料淬硬和冷裂傾向較小。鐵素體不銹鋼在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)晶粒明顯長(zhǎng)大，接頭的韌性和塑性急劇下降。熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大的程度取決于焊接時(shí)所達(dá)到的最高溫度及其保持時(shí)間，為此，在焊接鐵素體不銹鋼時(shí)，應(yīng)盡量采用小的線能量，即采用能量集中的方法，如小電流TIG、小直徑焊條手工焊等，同時(shí)盡可能采用窄間隙坡口、高的焊接速度和多層焊等措施，并嚴(yán)格控制層間溫度。由于焊接熱循環(huán)的作用，一般鐵素體不銹鋼在熱影響區(qū)的高溫區(qū)產(chǎn)生敏化，在某些介質(zhì)中產(chǎn)生晶間腐蝕。焊后經(jīng)700850退火處理，使鉻均勻化，可恢復(fù)其耐蝕性。普通高鉻鐵素體不銹鋼可采

14、用焊條電弧焊、氣體保護(hù)焊、埋弧焊焊等熔焊方法。由于高鉻鋼固有的低塑性，以及焊接熱循環(huán)引起的熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大和碳化物、氮化物在晶界集聚，焊接接頭的塑性和韌性都很低。在采用與母材化學(xué)成分相似的焊材且拘束度大時(shí)，很易產(chǎn)生裂紋。為了防止裂紋，改善接頭塑性和耐蝕性，以焊條電弧焊為例，可以采取下列工藝措施。預(yù)熱100150左右，使材料在富有韌性的狀態(tài)下焊接。含鉻越高，預(yù)熱溫度應(yīng)越高。采用小的線能量、不擺動(dòng)焊接。多層焊時(shí)，應(yīng)控制層間溫度不高于150，不宜連續(xù)施焊，以減小高溫脆化和475脆性影響。焊后進(jìn)行750800退火處理，由于碳化物球化和鉻分布均勻，可恢復(fù)耐蝕性，并改善接頭塑性。退火后應(yīng)快冷，防止出現(xiàn)相及

15、475脆性。3.馬氏體不銹鋼焊接要點(diǎn)對(duì)于Cr13型馬氏體不銹鋼，當(dāng)采用同材質(zhì)焊條進(jìn)行焊接時(shí)，為了降低冷裂紋敏感性，確保焊接接頭塑、韌性，應(yīng)選用低氫型焊條并同時(shí)采取下列措施：預(yù)熱。預(yù)熱溫度隨鋼材含碳量的增加而提高，一般在100350范圍內(nèi)。后熱。對(duì)于含碳量較高或拘束度大的焊接接頭，焊后采取后熱措施，以防止焊接氫致裂紋。焊后熱處理。為改善焊接接頭塑、韌性和耐蝕性，焊后熱處理溫度一般為650750，保溫時(shí)間按1h/25mm計(jì)。對(duì)于超級(jí)及低碳馬氏體不銹鋼，一般可不采取預(yù)熱措施，當(dāng)拘束度大或焊縫中含氫量較高時(shí)，采取預(yù)熱及后熱措施，預(yù)熱溫度一般為100150，焊后熱處理溫度為590620。對(duì)于含碳量較高的

16、馬氏體鋼?；蛟诤盖邦A(yù)熱、焊后熱處理難以實(shí)施，以及接頭拘束度較大的情況下，工程中也可用奧氏體型的焊材，以提高焊接接頭的塑、韌性，防止產(chǎn)生裂紋。但此時(shí)焊縫金屬為奧氏體組織或以?shī)W氏體為主的組織時(shí)，與母材強(qiáng)度相比實(shí)為低強(qiáng)匹配，而且焊縫金屬與母材在化學(xué)成分、金相組織、熱物理性能、力學(xué)性能差別很大，焊接殘余應(yīng)力不可避免，容易引發(fā)應(yīng)力腐蝕或高溫蠕變破壞。四、雙相不銹鋼的焊接1.雙相不銹鋼的類(lèi)型雙相不銹鋼由于具有奧氏體+鐵素體雙相組織，且兩個(gè)相組織的含量基本相當(dāng)，故兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)。屈服強(qiáng)度可達(dá)400Mpa550MPa，是普通奧氏體不銹鋼的2倍。與鐵素體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的韌性高，脆性

17、轉(zhuǎn)變溫度低，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高；同時(shí)又保留了鐵素體不銹鋼的一些特點(diǎn)，如475脆性、熱導(dǎo)率高、線膨脹系數(shù)小，具有超塑性及磁性等。與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的強(qiáng)度高，特別是屈服強(qiáng)度顯著提高，且耐孔蝕性、耐應(yīng)力腐蝕、耐腐蝕疲勞等性能也有明顯的改善。雙相不銹鋼按其化學(xué)成分分類(lèi)，可分為Cr18型、Cr23(不含Mo)型、Cr22型和Cr25型四類(lèi)。對(duì)于Cr25型雙相不銹鋼又可分為普通型和超級(jí)雙相不銹鋼，其中近年來(lái)應(yīng)用較多的是Cr22型和Cr25型。我國(guó)采用的雙相不銹鋼以瑞典產(chǎn)居多，具體牌號(hào)有：3RE60(Cr18型)，SAF2304(Cr23型)，SAF2205(Cr22型)，SAF

18、2507(Cr25型)。2.雙相不銹鋼的焊接特點(diǎn)雙相不銹鋼具有良好的焊接性，它既不像鐵素體不銹鋼焊接時(shí)熱影響區(qū)易脆化，也不像奧氏體不銹鋼易產(chǎn)生焊接熱裂紋，但由于它有大量的鐵素體，當(dāng)剛性較大或焊縫含氫量較高時(shí)，有可能產(chǎn)生氫致冷裂紋，因此嚴(yán)格控制氫的來(lái)源是非常重要的。為了保證雙相鋼的特點(diǎn)，確保焊接接頭的組織中奧氏體及鐵素體比例合適是這類(lèi)鋼焊接的關(guān)鍵所在。當(dāng)焊后接頭冷卻速度較慢時(shí)，的二次相變化較充分，因此到室溫時(shí)可得到相比例比較合適的雙相組織，這就要求在焊接時(shí)要有適當(dāng)大的焊接熱輸人量，否則若焊后冷卻速度較快時(shí)，會(huì)使鐵素體相增多，導(dǎo)致接頭塑韌性及耐蝕性嚴(yán)重下降。3.雙相不銹鋼焊材選用雙相不銹鋼用的焊材

19、，其特點(diǎn)是焊縫組織為奧氏體占優(yōu)的雙相組織，主要耐蝕元素(鉻、鉬等)含量與母材相當(dāng)，從而保證與母材相當(dāng)?shù)哪臀g性。為了保證焊縫中奧氏體的含量，通常是提高鎳和氮的含量，也就是提高約24的鎳當(dāng)量。在雙相不銹鋼母材中，一般都有一定量的氮含量，在焊材中也希望有一定的含氮量，但一般不宜太高，否則會(huì)產(chǎn)生氣孔。這樣鎳含量較高就成了焊材與母材的一個(gè)主要區(qū)別。根據(jù)耐腐蝕性、接頭韌性的要求不同來(lái)選擇與母材化學(xué)成分相匹配的焊條，如焊接Cr22型雙相不銹鋼，可選用Cr22Ni9Mo3型焊條，如E2209焊條。采用酸性焊條時(shí)脫渣優(yōu)良，焊縫成形美觀，但沖擊韌性較低，當(dāng)要求焊縫金屬具有較高的沖擊韌性，并需進(jìn)行全位置焊接時(shí)，應(yīng)采

20、用堿性焊條。當(dāng)根部封底焊時(shí)，通常采用堿性焊條。當(dāng)對(duì)焊縫金屬的耐腐蝕性能具有特殊要求時(shí)，還應(yīng)采用超級(jí)雙相鋼成分的堿性焊條。對(duì)于實(shí)心氣體保護(hù)焊焊絲，在保證焊縫金屬具有良好耐腐蝕性與力學(xué)性能的同時(shí)，還應(yīng)注意其焊接工藝性能，對(duì)于藥芯焊絲，當(dāng)要求焊縫成形美觀時(shí)，可采用金紅石型或鈦鈣型藥芯焊絲，當(dāng)要求較高的沖擊韌度或在較大的拘束度條件下焊接時(shí)，宜采用堿度較高的藥芯焊絲。對(duì)于埋弧焊宜采用直徑較小的焊絲，實(shí)現(xiàn)中小焊接規(guī)范下的多層多道焊，以防止焊接熱影響區(qū)及焊縫金屬的脆化，并采用配套的堿性焊劑。4.雙相不銹鋼的焊接要點(diǎn)焊接熱過(guò)程的控制焊接線能量、層間溫度、預(yù)熱及材料厚度等都會(huì)影響焊接時(shí)的冷卻速度，從而影響到焊縫

21、和熱影響區(qū)的組織和性能。冷卻速度太快和太慢都會(huì)影響到雙相鋼焊接接頭的韌性和耐腐蝕性能。冷卻速度太快時(shí)會(huì)引起過(guò)多的相含量以及Cr2N的析出增加。過(guò)慢的冷卻速度會(huì)引起晶粒嚴(yán)重粗大，甚至有可能析出一些脆性的金屬間化合物，如相。表1列出了一些推薦的焊接線能量和層間溫度的范圍。在選擇線能量時(shí)還應(yīng)考慮到具體的材料厚度，表中線能量的上限適合于厚板，下限適合于薄板。在焊接合金含量高的(Cr)為25%的雙相鋼和超級(jí)不銹鋼時(shí)，為獲得最佳的焊縫金屬性能，建議最高層間溫度控制在100。當(dāng)焊后要求熱處理時(shí)可以不限制層間溫度。表1 推薦選用的雙相鋼線能量和層間溫度 焊后熱處理雙相不銹鋼焊后最好不進(jìn)行熱處理，但當(dāng)焊態(tài)下相含量超過(guò)了要求或析出了有害相，如相時(shí)，可采用焊后熱處理來(lái)改善。所用的熱處理方法是水淬。熱處理時(shí)加熱應(yīng)盡可能快，在熱處理溫度下的保溫時(shí)間為530min，應(yīng)該