奥氏体不锈钢应变强化焊接工艺评定方案.docx

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奥氏体不锈钢应变强化焊接工艺评定方案

固定式奥氏体不锈钢应变强化低温容器

焊接工艺评定方案

编制：

审核：

批准：

重庆中容石化机械制造有限公司

2015 年 10 月

1、总则

奥氏体不锈钢具有良好的综合力学性能和优异的抗腐蚀性能及良好的低温

使用性能，是一种应用广泛的压力容器用钢。

通常奥氏体不锈钢屈服强度较低，

屈强比小，按照现行的安全系数，其许用应力由材料的屈服强度决定，由实际

应用经验证明，由此方法确定的材料许用应力与材料在低温使用条件下的强度

值较大，因而导致设计的低温压力容器壁厚较厚、设备笨重，材料浪费严重，

制造和运输成本较高。

利用应变强化工艺，在确保奥氏体不锈钢原有力学性能

不受大的影响的前提下，使材料发生一部分塑性变形，可以有效提高奥氏体不

锈钢的屈服强度。

采用应变强化后材料新的屈服强度设计的容器，其壁厚通常

可以减薄 30%～50%，有利于节省材料，降低制造成本及运输中的能耗，经济效

益显著。

2、编制依据

奥氏体不锈钢应变强化低温容器焊接工艺评定，针对奥氏不锈钢应变强化

前后力学性能的改变及本公司低温容器焊接接头的特点进行焊接工艺评定试验。

按照 Q/TCZR4207-2014《固定式奥氏体不锈钢应变强化低温容器》、

GB150.1～150.4-2011《压力容器》、NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》

、NB/T47016-2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》的规定及要求进

行编制。

1、焊接工艺评定一般要求

1.1、焊接工艺评定试验应按 NB/T47016-2011《承压设备产品焊接试件的力学

性能检验》规定；

1.2、焊接工艺评定应在本单位进行。

焊接工艺评定所用设备、仪表应处于正常

工作状态，金属材料、焊接材料应符合相应标准，由本单位操作技能熟练的焊

接人员使用本单位设备焊接试件；

1.3、对接焊缝试件评定合格的焊接工艺适用于角焊缝；

1.4、在焊接本工艺评定前，应首先对本工艺评定提出相应的预焊接工艺规程，

焊接工艺评定合格后，提出相应的焊接工艺评定报告；

1.5、焊接工艺评定方案的评定内容及结果应当由单位焊接责任工程师审核，技

术负责人批准，经过监检人员认可后方可进行。

3、焊接工艺评定目的

1、本次焊接工艺评定，是为固定式奥氏体不锈钢应变强化低温容器焊接施工提

供依据；

2、评定奥氏体不锈钢应变强化低温容器的所采用的焊接方法，坡口型式等一系

列焊接参数；

3、验证奥氏体不锈钢应变强化后屈服强度较应变强化之前有较大的提高，为采

用应变强化后新的屈服强度提供理论基础。

4、焊接工艺评定项目

本次焊接工艺评定试验材料将选取国产 GB24511.S30408（δ=8 和 δ=12）和美

国 ASME 材料 SA-240.S30400（δ=8 和 δ=12）两种材料进行，以检验美国 ASME

材料和国产材料焊接参数及焊接材料。

由于固定式奥氏体不锈钢应变强化低温容器在制作过程中焊接方法多样（埋

弧焊，焊条电弧焊，钨极氩弧焊），且试验又分为应变强化前和应变强化后。

故决定了本次焊接工艺评定项目多样性与复杂性。

下表 1 中，序号 1~12 为应变

强化之前焊接工艺评定项目，序号 13~24 为应变强化之后焊接工艺评定项目。

序号

焊接方法

评定母材

母材规格

焊接位置

应

变

强

化

前

试

验

项

目

1

SAW（埋弧焊）

S30408

δ=8

平焊

2

SAW（埋弧焊）

S30408

δ=12

平焊

3

SMAW（焊条电弧焊）

S30408

δ=8

平焊

4

SMAW（焊条电弧焊）

S30408

δ=12

平焊

5

GTAW（钨极氩弧焊）

S30408

δ=8

平焊

6

GTAW（钨极氩弧焊）

S30408

δ=12

平焊

7

SAW（埋弧焊）

S30400

δ=8

平焊

8

SAW（埋弧焊）

S30400

δ=12

平焊

9

SMAW（焊条电弧焊）

S30400

δ=8

平焊

10

SMAW（焊条电弧焊）

S30400

δ=12

平焊

11

GTAW（钨极氩弧焊）

S30400

δ=8

平焊

12

GTAW（钨极氩弧焊）

S30400

δ=12

平焊

应

变

强

化

后

试

验

项

目

13

SAW（埋弧焊）

S30408

δ=8

平焊

14

SAW（埋弧焊）

S30408

δ=12

平焊

15

SMAW（焊条电弧焊）

S30408

δ=8

平焊

16

SMAW（焊条电弧焊）

S30408

δ=12

平焊

17

GTAW（钨极氩弧焊）

S30408

δ=8

平焊

18

GTAW（钨极氩弧焊）

S30408

δ=12

平焊

19

SAW（埋弧焊）

S30400

δ=8

平焊

20

SAW（埋弧焊）

S30400

δ=12

平焊

21

SMAW（焊条电弧焊）

S30400

δ=8

平焊

22

SMAW（焊条电弧焊）

S30400

δ=12

平焊

23

GTAW（钨极氩弧焊）

S30400

δ=8

平焊

24

GTAW（钨极氩弧焊）

S30400

δ=12

平焊

序号

姓名

职务

单位

备注

1

王辉

总工程师

重庆中容石化机械制造有限公司

2

万天林

技术工程师

重庆中容石化机械制造有限公司

3

陈恩泽

质保工程师

重庆中容石化机械制造有限公司

4

牟红梅

焊接工程师

重庆中容石化机械制造有限公司

5

郎鄂

焊接工艺员

重庆中容石化机械制造有限公司

6

谢祖华

焊接技师

重庆中容石化机械制造有限公司

7

况小军

检验员

重庆中容石化机械制造有限公司

8

杨涛

无损检测工程师

重庆中容石化机械制造有限公司

表 2  焊接工艺评定试验机构人员组成

5、组织机构

本次工艺评定由技术、质量、生产、专业焊接管理人员、焊工、无损检测人

员组成专业小组，负责本次焊接工艺评定的组织实施。

焊接工艺评定焊接人员，

必须由本公司熟练焊工进行焊接，并邀请驻厂监检人员现场监督指导。

温度

力学性能

0.2%屈服强度

RP0.2（Mpa）

1.0%屈服强度

RP1.0（Mpa）

抗拉强度

RP1.0（Mpa）

断后伸长率

A（%）

20℃

291

/

651

57.5

-196℃

≥300

≥400

≥1250

≥30

化学成分（%）

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

N

0.05

0.48

1.21

0.031

0.001

18.12

8.04

0.05

温度

力学性能

0.2%屈服强度

RP0.2（Mpa）

1.0%屈服强度

RP1.0（Mpa）

抗拉强度

RP1.0（Mpa）

断后伸长率

A（%）

20℃

≥205

≥250

≥515

≥40

-196℃

≥300

≥400

≥1250

≥30

化学成分（%）

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

N

≤0.08

≤0.75

≤2.00

≤0.045

≤0.030

18.0-20.0

8.0-10.5

≤0.10

6、焊接工艺评定

1、母材

奥氏体不锈钢应变强化焊接工艺评定试板（S30408 和 S30400），必须是按炉进

行化学成分复验和按批进行力学性能复验合格的板材，且材料化学成分和力学

性能分别符合表 3 表 4 规定。

以下表 5~表 8 为焊接工艺评定各种材料各种厚度化学成分与力学性能表。

表 6S30400 δ8 化学成份与力学性能表

温度

力学性能

0.2%屈服强度

RP0.2（Mpa）

1.0%屈服强度

RP1.0（Mpa）

抗拉强度

RP1.0（Mpa）

断后伸长率

A（%）

20℃

284

/

649

61.0

-196℃

≥300

≥400

≥1250

≥30

化学成分（%）

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

N

0.03

0.41

1.13

0.032

0.001

18.14

8.12

0.05

温度

力学性能

0.2%屈服强度

RP0.2（Mpa）

1.0%屈服强度

RP1.0（Mpa）

抗拉强度

RP1.0（Mpa）

断后伸长率

A（%）

20℃

270

/

650

57

-196℃

≥300

≥400

≥1250

≥30

化学成分（%）

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

N

0.05

0.48

1.21

0.031

0.001

18.12

8.04

0.05

温度

力学性能

0.2%屈服强度

RP0.2（Mpa）

1.0%屈服强度

RP1.0（Mpa）

抗拉强度

RP1.0（Mpa）

断后伸长率

A（%）

20℃

254

/

625

62

-196℃

≥300

≥400

≥1250

≥30

化学成分（%）

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

N

0.06

0.47

1.09

0.025

0.001

18.03

8.01

0.01

取根据 NB/T47016 的规定及实际情况综合考虑，试件单边板尺寸为

序号

母材

规格

焊接方法

焊接材料

1

S30408

δ8，12

SAW

H08Cr21Ni10Si    Ø4.0

CFH260R

2

S30400

δ8，12

SAW

3

S30408

δ8，12

SMAW

CHS107R    Ø4.0

4

S30400

δ8，12

SMAW

序号

母材

规格（mm）

数量

1

S30408

550×150×8

12 块

2

S30400

550×150×8

12 块

3

S30408

550×150×12

12 块

4

S30400

550×150×12

12 块

表 10  焊接材料的选择

550mm×150mm（如图 1 所示），根据表 1 得出各种母材规格厚度如下表 9 所

示。

焊接工艺评定试板下料后经外观检查应无咬边、裂纹、表面气孔、焊渣、

凹坑、焊瘤等缺陷。

150

图 1

2、焊接材料

2.1 本次焊接工艺评定焊接材料包括：

焊条、焊丝、焊剂、氩气保护气体。

2.2 焊接材料选用原则：

a）、焊缝金属的力学性能应高于或等于母材规定的下限值；

b）、焊接材料的选取应符合 NB/T47018 的规定。

本焊接工艺评定相同焊接方法的两种材料所选用的焊接材料均相同，且不分应

变强化与否。

具体见下表 10。

所选焊接材料化学成份与力学性能见表 11~表 13.

序号

所需工具

数量

备注

1

榔头

1

2

扁铲

1

3

焊缝量规

1

4

钢板尺

1

5

砂轮机

1

6

红外测温仪

1

7

面罩

1

8

氩弧焊面焊

1

焊接材料

分学成分（质量分数%）

C

Mn

Si

S

P

Cr

Ni

Mo

Cu

CHS107R    Ø4.0

0.048

1.51

0.29

0.0042

0.019

20.39

9.68

0.053

0.027

力学性能

抗拉强度

（MPa）

延伸率

（A %）

射线检测

弯曲试验

屈服强度

（MPa）

平均冲击功

（J）

694

42.0

I 级

合格

/

/

焊接材料

分学成分（质量分数%）

C

Mn

Si

S

P

Cr

Ni

Mo

Cu

H08Cr21Ni10Si    Ø4.0

0.059

1.62

0.44

0.017

0.029

19.57

9.15

0.01

0.11

力学性能

抗拉强度

（MPa）

延伸率

（A %）

射线检测

弯曲试验

屈服强度

（MPa）

平均冲击功

（J）

590

39

I 级

合格

/

/

焊接材料

分学成分（质量分数%）

C

Mn

Si

S

P

Cr

Ni

Mo

Cu

H08Cr21Ni10Si    Ø2.5

0.054

1.83

0.49

0.016

0.028

19.62

9.08

/

/

力学性能

抗拉强度

（MPa）

延伸率

（A %）

射线检测

弯曲试验

屈服强度

（MPa）

平均冲击功

（J）

595

38

I 级

合格

/

/

5

S30408

δ8，12

GTAW

H08Cr21Ni10Si    Ø2.0

6

S30400

δ8，12

GTAW

表 14  所需焊接工具

3、焊接工具

序号

焊接方法

母材

坡口型式

1

SAW

S30408

S30400

2

SMAW

S30408

S30400

3

GTAW

S30408

S30400

序号

设备名称

规格、型号

数量

备注

1

多功能弧焊整流器

ZD5（D）-1000

1

焊研威达

2

方波交直流氩弧焊机

WSE-315S

1

广州长胜焊接设备有限公司

3

逆变式整流弧焊机

ZX7-500IGBT

1

华远焊机

焊道

焊层

焊接

方法

填充金属

焊接电流

电弧

电压

（V）

焊接速度

（cm/min）

线能量

（KJ/cm）

牌号

直 径

（mm）

极 性

电 流

（A）

表 17  埋弧焊参数表

9保温桶1

4、焊接设备

本次焊接工艺评定所选用的焊接设备为埋弧焊机，焊条电弧焊机，钨极气体保

护焊机，焊接工艺评定焊接设备与应变强化低温容器焊接设备为相同设备。

具

体见下表。

不锈钢应变强化焊接工艺评定试件是由两块钢板对接组成（见图 1）。

不同的焊

接方法有不同的坡口型式，包括坡口角度，钝边，间隙等。

坡口采用机械加工，

且焊接坡口表面应保持平整，不应有裂纹、分层、夹杂物等缺陷。

具体见表

16。

错边量、棱角度等都应符合相关要求。

组对完成定位焊须用手工焊点牢，定位

焊缝不得有裂纹、气孔、夹渣。

否则应清除重焊。

除钨极氩弧焊外，其余两种

焊接方法焊件两端都须引入 60×60×8 和 60×60×12 引弧板和引出板。

6、施焊

1）、试件施焊前，应根据要求编制预焊接工艺规程。

焊接时各参数的选取应按

预焊接工艺规程。

下表为各种焊接方法预焊接工艺规程部分参数。

焊道

焊层

焊接

方法

填充金属

焊接电流

电弧

电压

（V）

焊接速度

（cm/min）

线能量

（KJ/cm）

牌号

直 径

（mm）

极 性

电 流

（A）

1

（打底）

GTAW

H08Cr21Ni10Si

Ø2.5

DCEN

120~140

12~18

10~12

≤15.12

2~4

（填充）

GTAW

H08Cr21Ni10Si

Ø2.5

DCEN

120~140

12~18

10~12

≤15.12

5

（盖面）

GTAW

H08Cr21Ni10Si

Ø2.5

DCEN

120~140

12~18

10~12

≤15.12

6

（背）

GTAW

H08Cr21Ni10Si

Ø2.5

DCEN

120~140

12~18

10~12

≤15.12

1、板厚 δ=8 时，第 2 层为填充，第 3 层为盖面，第 4 层为背面焊接。

焊道

焊层

焊接

方法

填充金属

焊接电流

电弧

电压

（V）

焊接速度

（cm/min）

线能量

（KJ/cm）

牌号

直 径

（mm）

极 性

电 流

（A）

1

（打底）

SMAW

CHS107R

Ø4.0

DCEP

150~170

22~28

10~14

≤28.56

2~3

（填充）

SMAW

CHS107R

Ø4.0

DCEP

160~180

22~28

10~14

≤30.24

4

（盖面）

SMAW

CHS107R

Ø4.0

DCEP

160~180

22~28

10~14

≤30.24

5

（背）

SMAW

CHS107R

Ø4.0

DCEP

160~180

22~28

10~14

≤30.24

1、板厚 δ=8 时，第 2 层为填充，第 3 层为盖面，第 4 层为背面焊接。

1（正）

SAW

H08Cr21Ni10Si

CHF260R

Ø4.0

DCEP

500~700

38~38

42~45

≤38

2（背）

SAW

H08Cr21Ni10Si

CHF260R

Ø4.0

DCEP

500~700

38~38

42~45

≤38

2）、焊接环境出现下列任一情况时，应采用有效防护措施，否则禁止施焊；

a）、风速：

气体保护焊大于 2m/s,其它焊接方法大于 10m/s;

b）、相对湿度大于 90%；

c）、雨雪环境；

d）、焊件温度低于-20℃。

焊接时，应在引弧板或坡口内引弧，禁止在非焊接部位引弧。

焊接完成时应

在引出板上收弧，弧坑应填满。

电弧擦伤处需经修磨，使其均匀过渡到母材表

面，修磨的深度应不大于该部位母材厚度的 5%，且不大于 2mm，否则应进行

补焊。

焊接时，要严格控制试件的线能量。

在焊接手工焊条电弧焊和钨极氩弧

焊时，应注意层间清理，将焊缝表面熔渣、氧化物、油脂、锈迹等清除干净后

试件母材的

厚度 T（mm）

拉伸试验

（个）

弯曲试验（个）

冲击试验（个）

拉伸

面弯

背弯

侧弯

焊缝区

热影响区

T=8

2［1］

2

2

/

3［3］

3［3］

T=12

2［1］

/

/

4［2］

3

3

1、未进行应变强化处理的拉伸试验试样为 4 个，2 个常温试验，2 个-196℃低

温试验。

2、试件 T=12mm 时，用 4 个横向侧弯试样代替 2 个面弯和 2 个背弯试样;

3、试件 T=8mm 时，冲击试验尺寸为 5mm×10mm×55mm.

焊接

方法

焊缝余高

焊缝余高差

焊缝宽度

焊道高度差

平焊

平焊

比坡口每侧增宽

宽度差

平焊

手工焊

0~3

≤2

0.5~2.5

≤3

/

埋弧焊

0~3

≤2

2~4

≤2

/

再继续施焊。

7、焊接工艺评定检查

1、焊接完成对试件进行检验

1.1 焊接试件检验项目：

外观检查、无损检测

外观检查：

焊接试件的焊缝表面不得有裂纹、未熔合、夹渣、夹钨、气孔、焊

瘤、和未焊透，所有焊缝均不得有咬边和凹坑；焊缝背面凹坑，深度不大于

20%T（T 为母材厚度），且不大于 2mm；试件焊缝外形尺寸见表 20

标准进行，射线检测技术不低于 AB 级，焊缝质量等级不低于Ⅱ级。

2、力学性能试验和弯曲试验

2.1 力学性能试验和弯曲试验项目和取样数量按表 20 取样

2.2 力学性能试验和弯曲试验的取样

焊接试件取样时，采用冷热加工方法均可，但采用热加工方法取样时，则应去

除热影响区。

图 2 为焊接试样样坯位置及尺寸。

舍弃

拉伸试样

拉伸试样

背弯试样

舍                  弃

拉  伸      试  样

拉  伸      试   样

侧  弯      试  样

面弯试样

侧  弯

试   样

备用（需保留）

备用（需保留）

备用（需保留）

备用（需保留）

背弯试样

面弯试样

侧  弯

侧  弯

试   样

试   样

拉伸试样

拉伸试样

冲击试样

舍弃

300

拉  伸      试  样

拉  伸      试  样

冲  击      试  样

舍                  弃

300

图 2 试件尺寸和试样样胚位置图

2.3 拉伸试验

2.31 取样和加工要求：

a）、未进行应变强化处理试样：

切取未进行应变强化处理拉伸试验试样的

样坯时应保留焊缝余高。

之后将样坯制成试样时应以机械加工方法去除焊缝余

高使之与母材平齐，并满足各种试样对表面质量的要求，如图 4 所示。

b）、9%应变强化处理试样：

切取 9%应变强化处理拉伸试验试样时先须保

留焊缝余高，之后再将试样样坯逐件在拉伸试验机上，通过原始标定作 9%拉伸

应变。

卸载后静默 15min 完成其应变强化过程。

之后再将拉伸试样样坯以机械

方法去除焊缝余高。

并满足各种试样对表面质量的要求，如图 4 所示。

拉伸试验试样加工完成后，对未进行应变强化处理的试样和 9%应变强化处

理的试样分别打上永久性标志，以示区分。

拉伸试样

300

未进行应变强化处理拉伸试样样坯尺寸

拉伸试样

≈327

9%应变强化处理拉伸试样样坯尺寸

3.2

拉伸试样

12.5

6

3.2

6

12.5

12（8）

≈327

9%应变强化处理拉伸试样样坯尺寸

3.2

拉伸试样

12.5

6

3.2

6

12.5

12（8）

300

拉伸试样二次加工后尺寸

1）、应变强化拉伸试样二次加工后尺寸长度也为300mm.

图 4

2.3.2 试验方法：

未进行应变强化试样的拉伸试验分为常温拉伸和-196℃低温拉

伸，按照 GB/T228 规定的试验方法分别测定焊接接头的抗拉强度，0.2%屈服强

度，1.0%屈服强度，并计算断后伸长率。

应变强化后拉伸试验只进行常温拉伸，

按照 GB/T228 规定的试验方法测定焊接接头的抗拉强度，0.2%屈服强度，1.0%

屈服强度，并计算断后伸长率。

2.3.3 合格指标：

每个试样的抗拉强度应不低于 Q/CZR4207-2014 标准规定的母

材抗拉强度最低值。

2.4 弯曲试验

2.4.1 取样和加工要求：

a）、未进行