工大钢制压力容器焊接工艺文档格式.docx
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在腐蚀介质作用下,在晶粒边界附近集中产生的选择性腐蚀现象称晶间腐蚀。
晶间腐蚀会导致钢材晶间结合力的丧失,抗拉强度大大降低。
产生晶间腐蚀的原因主要是晶界碳化物的析出造成晶界贫铬。
奥氏体不锈钢在500~800oC温度区间加热或在此温度区间缓慢冷却时,过饱和固溶在奥氏体中的碳以碳化铬的形式在晶界析出,使晶界附近的铬含量明显的降低,而出现明显的贫铬现象,则降低了该区的耐蚀性,产生晶间的选择性腐蚀。
防止晶间腐蚀最根本的办法是降低不锈钢中的碳含量,如从一般碳的质量分数0.08%左右降低到0.03%以下的超低碳级,可有效防止晶间腐蚀,其次在不锈钢中添加Ti、Nb等稳定化元素使钢中的碳和Ti、Nb等合金元素形成较稳定碳化物,以阻止碳化铬在晶界形成。
采用固溶处理和稳定化热处理消除晶间贫铬提高耐蚀性。
防止焊接接头刀状腐蚀的办法除了选用超低碳稳定型奥氏体不锈钢之外,还应该采用低的热输入的焊接方法,必要时在焊接过程中,对高温焊接区进行急冷。
应力腐蚀:
是钢材在拉应力作用和电化学介质共同作用下产生的局部腐蚀。
其腐蚀的结构是产生分枝状的裂纹。
诱发奥氏体不锈钢应力腐蚀的条件是同时含有一定浓度的氯离子和氧气。
温度在50oC以上,结构中的缝隙、拐角部位都能使介质浓缩并在冷加工或焊接残余应力作用下导致应力腐蚀。
焊接经消除应力处理后可避免应力腐蚀,在铬和铬镍不锈钢中,若提高Nb、Ti、Mo和N等元素的含量,则加剧应力腐蚀的倾向,而增加镍和碳含量,则降低应力腐蚀倾向。
在奥氏体不锈钢中增加铁素体含量能提高抗应力腐蚀的作用。
对压力容器用钢焊接性的要求在压力容器制造中使用的各种熔焊方法,其共同的特点是快速高温加热和快速冷却,在HZA引起钢材过热形成魏氏体组织或粗大的淬硬组织,硬度急剧提高,冲击韧性明显降低,钢中碳含量愈低,焊接性就愈好,焊接时不易产生裂纹。
为使钢材适应压力容器制造中常用的高效和高热输入焊接方法。
C含量应控制在0.20%以下,尤其是对厚板和大型锻件,要求更低含碳量,含碳量低于0.15%以下的微合金化钢以及热-力学控轧钢具有优良的焊接性和相当高的抗裂性。
合金元素和杂质对压力容器用的性能的影响
碳随着钢中含碳量的提高,Fe3C量增多,淬硬性也随之提高,钢的抗拉强度和抗拉强度相应增强,而伸长率和缺口冲击韧度则下降,碳也能提高钢的高温强度,碳含量较高时HZA会出现淬硬现象,硬度显著提高,加剧了冷裂倾向。
在碳含量较高的钢中,碳易与某些杂质形成低熔点共晶体夹杂,加剧了钢材焊接过程中的热裂倾向,而对于某些抗氢钢和耐热钢来说,一定的碳含量是保证钢材和焊缝金属具有足够韧性和高温强度所需要的。
锰可在提高钢的抗拉强度和屈服强度的同时也不降低塑性。
锰的含量在一定范围内具有细化组织的作用。
增加锰含量可降低缺口冲击的脆性转变温度,提高抗脆断性能。
锰在铁中固溶强化的极限是1.6%,如果超过此极限值,抗拉强度和屈服强度进一步提高而冲击韧度开始降低。
锰具有脱硫的作用且阻止低熔点硫化物的形成提高抗热裂纹的能力。
因此碳钢和低合金钢焊缝金属中保持适量锰含量是十分必要的。
但是从焊接性能角度看,当碳含量超过1.2%时,由于提高了钢的淬硬性而加剧了HZA冷裂纹的敏感性,为防止冷裂纹的形成,低合金高强度C-Mn合金系列钢钢,当板厚超过某一界限时应预热,以减少其硬化程度。
硅是固溶强化最高合金的元素,但在低合金钢中硅含量不易过高,当超过0.5%时,由于硅酸盐夹杂物的增多而使钢材的塑性和韧性降低,在高强度调制钢中允许提高到1.2%,因为调制热处理可以弥补高的硅含量引起的韧性降低,硅是一种强烈的脱氧元素,是冶金镇静钢不可缺少的还原剂,较高的硅含量会使焊缝金属内残留较多的硅酸盐夹杂物而降低了焊缝金属中的塑性和冲击韧度,过量的硅可能会导致焊缝金属脆裂。
钼其固溶强化作用强于Mn、Cr等元素,钼不仅能提高钢的常温强度还能提高高温持久强度和高温蠕变强度,是低合金耐热钢不可缺少的合金元素,钼也是增强抗氢能力而成为抗氢钢中不可缺少的合金元素。
在Cr、Ni不锈钢中加入2%~3%的Mo可进一步提高其耐蚀性并同时降低焊缝金属热裂纹的敏感性,在低合金钢中加入少量的钼(0.3%左右),可提高焊缝金属的冲击韧度。
从焊接性能角度看,钼提高了低合金钢的淬硬性和焊接冷裂敏感性,当其含量大于0.4%时就应预热,以防止冷裂纹的形成。
铬强化作用与钼相似,是低合金耐热钢中最重要的合金元素之一,其能提高钢的高温强度和增强钢的抗氢能力,当钢中同时加入合金元素铬和钼时,钢的热强性和抗氢能力成倍提高。
铬是不锈钢中最重要的合金元素,其含量超过12%时,在一般的腐蚀介质中具有耐蚀性,含量超过17%的铬钢和铬镍钢具有相当高的耐蚀性。
从焊接性能角度看,当含量超过5%时,则可提高钢的淬硬性和冷裂倾向,超过5%时冷裂倾向加剧,Cr含量超过8%的铬钢其原始组织为全马氏体,必须采取特殊工艺才能提高焊接质量。
钒钒是一种强烈的碳化物形成元素,也是固溶强化合金元素,主要以细化晶粒和碳化物的形式起强化作用。
过量的钒可恶化钢材的塑性和韧性,当钢中同时存在Cr、Mo、V三种元素时,焊接在回火过程中会形成复杂的碳化物而降低了焊接接头的韧性和塑性。
除一些特殊耐热钢外,低合金钢焊缝金属中的V最好限制在0.1%以下,对于大于0.2%的低合金钢焊件焊后热处理时,必须严格控制热处理的温度,以保证焊接接头具有足够的韧性,以防止消除应力裂纹的形成。
钛强烈的碳化物和氮化物形成元素,在低合金钢中能明显提高室温和高温强度,其含量不应超过0.2%,在一定范围内因其具有细化晶粒的作用而提高了钢材的冲击韧性,因其能形成稳定碳化物在不锈钢中能提高抗晶间腐蚀的性能,但因钛对氧的亲和力很高,熔滴在电弧过渡时极易烧损。
铌其常作为细化晶粒元素加入,以提高钢的常温强度和韧性,含量应控制在0.015~0.060%之间。
在不锈钢中因钒不易氧化,不易烧损且能形成稳定的碳化物从而阻止贫铬现象,但其质量分数也应控制在1.0%以下。
铌对焊接性能的影响表现在因易于铁、碳等元素形成低温共晶物并在晶界偏集而加剧热裂纹敏感性。
在高温输入法焊接时会使枝晶间高温裂纹的形成。
镍具有固溶强化作用,能提高抗拉强度,改善冲击韧度特别是低温冲击韧度。
钢镍含量超过3.5%以上时,过热区金属晶粒长大的倾向明显增加并使该区的韧度急剧下降,因此镍钢必须采用低输入,在不锈钢中铬镍含量要匹配,如镍含量偏高,促使热裂纹的形成。
硫硫会降低钢材的高温韧性,加剧钢材熔焊时产生的热裂纹敏感性且其具有易于偏析的特点,厚钢板中还有促使产生层状撕裂。
磷易于形成低熔点共晶体,分布于晶界而加剧热裂倾向,这些低熔点共晶体还会消弱晶间结合力提高钢的冷脆性,会使钢在常温和低温下的冲击韧度明显下降。
综上所述,C、S、P等元素对钢的焊接性十分有害,Mn、Si、Ni、Mo等元素在一定范围内对钢材的焊接性起有利作用,Ti、V、Nb等微量元素亦控制在允许范围内。
压力容器用钢的分类
镇静钢在冶炼过程中采用锰铁、硅铁和铝等脱氧剂对钢进行完全脱氧,使钢中的氧、氮等有害气体几乎全部从钢液中逸出,凝固后的钢锭组织相当的致密,保证了钢材成型后的各项性能。
压力容器受压部件应采用镇静钢。
半镇静钢虽亦经过脱氧处理,但脱氧过程还不完全,钢液浇注凝固后钢锭中还会残留部分氧化物和氮化物。
其Si含量通常小于或者等于0.17%,在压力容器中只要用于制造非受压的承载部件,如支座、撑架等。
沸腾钢是脱氧不完全的钢,钢液中残留FeO等氧化物。
钢液注入钢锭铸模后,还会进行冶金反应放出大量CO2气体,产生沸腾现象,产生气泡,形成组织疏松的钢锭。
其Si含量通常小于或等于0.07%。
钢材成型后的性能较差,特别是缺口冲击韧度,原则上压力容器壳体不用沸腾钢,在压力容器制造过程中用于制造一些非承载件。
低碳钢≤0.25%;
中碳钢0.25%~0.60;
高碳钢≥0.60%
低合金钢<5%;
中合金钢5%~10%高合金钢>10%
对压力容器焊缝金属性能性能的基本要求
等强度原则:
压力容器焊接接头的等强度应理解为其强度性能不低于母材标准的下限值。
等塑性和等韧性原则:
压力容器焊接接头等塑性和等韧性是指其塑性和韧性不低于母材标准规定的塑性和韧性指标的下限值或不低于容器制造技术条件的规定值。
等腐蚀性原则:
压力容器焊接接头的等腐蚀性应理解为其耐腐蚀性、抗氢性和抗氧化性不低于母材标准规定的指标或产品制造技术条件相应的规定值。
气体对焊缝金属性能的影响
氧当氧含量超过溶解度时,氧将以氧化铁和硅酸盐的形式存在,这些夹杂物会导致钢的强度、塑性和韧性急剧下降。
氧化物和硫化物还可能与硫化物形成低熔点共晶体夹杂物,加剧了焊缝金属的冷脆性热裂敏感性。
钨极氩弧焊焊缝金属中的氧含量最低,最常用的是硅锰联合脱氧。
氮氮是焊缝中形成期空的主要因素,分布在晶界和晶内的氮化物是钢的强度提高,塑性和冲击韧性急剧下降。
焊缝金属中氮体积分数超过0.01%时,就会产生明显的不利影响,氮含量较高的焊缝金属在室温或1000C~3000C工作温度下,经过一段时间后,塑性和冲击韧性会明显下降。
埋弧焊焊缝氮含量最少,其次是钨极氩弧焊。
氢氢可以引起焊缝金属和ZHA的冷裂纹,还会使钢变脆即氢脆。
冷裂纹是指焊接接头冷却到1000C以下的温度后形成的一种裂纹并具有延迟特性,即在焊后一段时间内裂纹才萌生与扩展。
焊缝金属的脱硫:
酸性药皮焊条中的主要成分是二氧化硅和二氧化钛等酸性氧化物,不含氟石成分,故脱硫能力较弱,焊缝金属的硫含量相对较高。
碱性药皮焊条中含有大量的氟石、大理石和铁合金,脱硫能力较强,焊缝金属的硫含量很低,大大提高焊缝金属的塑性和低温冲击韧度
焊缝金属的脱磷:
较有效的办法是严格控制母材和各种焊接材料的磷含量。
压力容器用碳钢焊条的性能
焊接二、三类容器应该选用碱性低氢型焊条。
酸性焊条如J422、J422Fe等钛钙型碳钢焊条只能用于压力容器的非受压部件的焊接如支座、附件和支撑等结构件。
受压部件的主焊缝包括接管焊缝必须采用低氢型碱性焊条如:
J506、J506H、J506Fe、J507、J507H、J507Fe等,对于厚壁高压容器壳体的焊接,最好选用J507H或J506H。
碱性焊条应采用划擦法引弧,而不采用敲击法引弧这是应为碱性焊条药皮比较脆,敲击时容易损坏药皮。
压力容器用低合金钢焊条的性能
考虑到厚壁压力容器憨厚需要较长周期的热处理,焊缝金属的强度将有所下降,这时不选用E6015而选用强度级别略高的E7015级焊条。
490MPa级低合金钢焊条与E50级碳钢焊条在强度级别上是相同的,但是在熔敷金属化学成分和其他力学性能指标是不同的。
压力容器用耐热钢焊条
在高温高压容器和高压加氢装置中已广泛应用钼和钼镍低合金钢即耐热钢,其焊条属于低合金钢焊条,牌号代号为“R”
压力容器用低温焊条
工作温度在-45oC以上的压力容器选用低氢型高韧性低合金钢焊条,工作温度在-60oC以下时,则应选用专用的含镍低温钢焊条,对于工作温度接近-100oC的压力容器选用镍含量为3.5%或更高镍含量的低温钢焊条,牌号代号为“W”,其也属于低合金钢焊条。
压力容器用不锈钢焊条
铬不锈钢焊条牌号代号为“G”,铬镍不锈钢焊条的牌号代号为“A”
气体保护焊用焊丝及保护气体
无论是熔化极气体保护焊,还是钨极惰性气体保护焊,由于焊接工程中不产生熔渣,因此不会发生熔渣与熔化金属之间的冶金反应。
焊缝金属的脱氧主要靠焊丝中足够数量的锰,硅合金元素。
熔化极气体保护焊(简称MIG/MAG)与传统的焊条电弧焊相比,具有高效、低耗,低成本以及工作环境污染程度低的优点,其可用于薄壁容器,不锈钢和其他高合金钢容器的焊接,以及中厚壁接管焊缝和难焊位置焊缝的焊接。
实心焊丝的制造工艺较简单,价格较低,但对焊接参数的匹配关系要求较为严格。
药芯焊丝与实心焊丝相比,在相同的焊接电流下具有更高的熔敷率,使用的焊接参数范围较宽,焊缝成形美观,焊接质量易于保证。
虽然药芯焊丝的价格高于实心焊丝,但综合生产成本低于实心焊丝。
纯二氧化碳气体保护焊时,焊接气氛具有很高的氧化性而形成大量的氧化铁,为避免铁被大量氧化,需靠焊丝中加入足够高的硅、锰等还原元素,对熔化金属进行充分脱氧。
因此,在碳钢和低合金钢CO2气体保护焊时,为保证获得致密焊缝必须采用Mn的质量分数大于1.5%,硅的质量分数大于0.6%的高锰高硅焊丝,例如:
H08Mn2SiA。
而在氧化性较弱的保护气体(富Ar混合气体)下焊接时,焊丝中过高的Si、Mn含量会导致焊缝金属内非金属夹杂物量增加而使冲击韧度下降,在这种保护气体下应当采用硅、锰含量适当降低的焊丝,例如:
ER50-3、ER50-4等焊丝。
在低合金钢熔化极气体保护焊时,为使合金元素不产生过量的烧损,大多选用富混合气体Ar,因此低合金钢气体保护焊焊丝的Si、Mn含量应适度降低,对于低温冲击韧性要求较高的低合金钢,焊丝中的Si含量应加严格的控制,以保证焊缝金属的低温冲击韧性与母材相当。
Cr、Ni不锈钢和其他高合金钢熔化极气体保护焊时,为保证焊缝金属的合金元素在所要求的范围内,通常采用惰性气体或氧化性很弱的加入少量氧化性气体的混合气体。
可采用符合GB/T14957-1994标准中规定的熔化焊通用不锈钢焊丝。
在惰性气体保护焊时,基本上不会产生氧化和还原反应。
其实际是一种重熔过程,但会有少量氧气混入焊接气氛。
填充焊丝中适量的Mn、Si含量是必须的,但不宜过量,焊丝不宜采用沸腾钢。
压力容器制造规程明确规定,不容许采用自保护药芯焊丝焊接受压部件焊缝,只容许采用气体保护药芯焊丝电弧焊。
下列三类碳钢药芯焊丝不允许用于压力容器的焊接:
(1)自保护药芯焊丝;
(2)不要求熔敷金属冲击韧度的药芯焊丝;
(3)不规定熔敷金属化学成分(包括碳含量)的药芯焊丝。
混合气体的组成和特性
混合气体组成
(体积分数,%)
适用的焊接方法
适用的
母材
焊接特性
备注
Ar(95~90)+CO2(5~10)
不同形式熔滴过渡MAG焊
低合金钢
改善焊缝成形,提高熔敷率
对氧化皮不太敏感
Ar(89~80)+CO2(11~20)
药芯焊丝电弧焊
碳钢
提高熔敷率
减少飞溅
Ar(79~51)+CO2(21~49)
短路过渡MAG焊
提高电弧稳定性
改善焊缝成形
Ar50+CO250
滴状过渡和短路过渡MAG焊
改善焊缝成形,适于全位置焊
Ar99+O21
射流过渡MIG焊
不锈钢
改善电弧特性,提高熔池流动性
Ar98+O22
提高熔池流动性
Ar95+O25
射流过渡MAG焊
Ar92+O28
射流过渡和短路过渡MAG焊
提高熔池流动性和熔深
Mn、Si烧损量较大
Ar(89~50)+He(11~50)
提高熔深和焊缝宽度
Ar99+H21
Ar98+H22
Ar95+H25
TIG焊
MIG焊
等离子弧焊
高合金钢
还原性气氛
Ar85+H215
增加熔深
Ar(94~86)+CO2(5~10)+CO2(1~6)
短路过渡、滴状过渡、射流过渡MAG焊
焊接性能好,接头力学性能优
Ar(89~45)+He(10~40)+CO2(1~15)
熔池流动性好、工艺性好
厚板接头力学性能好
Ar(25~35)+He(74~60)+CO2(1~15)
各种位置的焊接
保证焊缝的韧性
A7.5+He90+CO22.5
全位置焊接性好
接头耐蚀性好
钨极惰性气体保护焊钨极的特点:
纯钨极的熔点高,不易熔化挥发,但电子发射能力较差,适用于大电流TIG焊;
钍钨极的电子发射能力较纯钨极高,电弧燃烧稳定,可用于较大的电流密度,但钍钨极有微弱的放射性,使用时应加强防护;
铈钨极的电子发射能力比钍钨极略高,易于引弧,电弧稳定性好,铈钨极还具有无放射性,阴极斑点小,烧损少等特点。
是目前应用最广泛的一种钨极。
压力容器用焊接材料的选择
对于低合金高强度钢,采用不开坡口直边对接埋弧焊是母材在焊缝中所占用的比率较大,及时选用合金元素含量比母材略低的焊丝,也能保证焊接接头的强度不低于母材。
例如Q345R可采用H08MnA焊丝,而不必选用合金成分与母材相当的H10Mn2焊丝。
需要经正火处理的焊缝应选用合金成分较高的焊丝,例如Q345R需采用H10MnMo焊丝。
各种焊接方法对冶金特点的影响
焊条电弧焊在碳钢、低合金钢造压力容器的焊条电弧焊时,要求选用低氢型碱性焊条,这时应为碱性焊条熔速与酸性焊条熔渣相比,,脱氧、脱硫较安全,合金元素的过渡较多,氢含量较低,碱性焊条焊缝金属力学性能尤其低温冲击韧度比酸性焊条的焊缝金属高得多,在某些特殊的施工条件下,例如水平固定压力管道的全位置焊,容许采用工艺性能较好的钛钙型焊条。
埋弧焊埋弧焊应特别注意其的冶金特点,选配焊丝和焊剂,例如H08A、H08MnA和H10Mn2等沸腾钢焊丝必须与高锰、高硅焊剂相配,例如:
HJ431、HJ433等焊剂相配,在使用这类焊剂时可对熔池金属进行增硅和增锰焊剂中SiO2含量愈高,增硅量愈高。
影响焊缝金属冲击韧度的另一重要因素是其Mn/Si含量比,总的趋势是焊缝金属Mn/Si比愈高,其冲击韧度愈高,当其比值小于1时,焊缝金属的冲击韧度不易保证,由此可见,不易采用H10MnSi和H08Mn2Si等高硅焊丝与HJ431高硅焊剂组合,使焊缝金属Mn/Si比接近于1,而大大降低焊缝金属的冲击韧度。
适用钢号
焊条电弧焊
埋弧焊
电渣焊
型号
牌号
焊丝型号
焊剂
焊丝牌号
Q235A~D
Q255A、B
E4316
E4315
J426
J427
H08A
H08E
HJ431
SJ301
H10MnSi
HJ360
Q245R、20、25
E5016
E5015
J506
J507
H08MnA
H10Mn2
H08Mn2Si
Q345R
(与焊评标准有差异)
16MnDR
E5016-1
E5015-1
J506H
J507H
HJ350
SJ201
H10MnMoA
1Cr18Ni9
0Cr18Ni9
E308-16
E308-15
A102
A107
H0Cr21Ni10
HJ107
HJ26、SJ601
HJ260
HJ172
00Cr19Ni10
0Cr18Ni10Ti
0Cr18Ni11Nb
1Cr18Ni9Ti
E308L-16
E308L-17
E347-16
E347-15
A002
A002A
A132
A137
H00Cr21Ni10
SJ601
SJ608
0Cr17Ni12Mo2
E316-16
E316-15
A201
A202、A207
H0Cr19Ni12Mo2
SH601
00Cr17Ni14Mo2
E316L-16
A022
A022L
H00Cr19Ni12Mo2
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MIG/MAG焊
保护气体
ER49-1
CO2
Ar
E501T-1/-1M
E500T-1/-1M
Ar+CO2
ER50-2
ER50-4
E501T-5/-5M
E500T-5/-5M
ER50-3
E500T-
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