国标焊接技术要求

随着工程焊接技术的迅速发展，现代压力容器也已发展成典型的全焊结构。压力容器的焊接成为压力容器制造过程中最重要最关键的一个环节，焊接质量直接影响压力容器的质量。

第一节 碳钢、低合金高强钢压力容器的焊接

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，含量一般不超过％。此外，含锰量不超过％，含硅量不超过％，Si、Mn皆不作为合金元素。而其他元素，如Ni、Cr、Cu等，控制在残余量限度内，更不是合金元素。S、P、O、N等作为杂质元素，根据钢材品种和等级，也都有严格。 碳钢根据含碳量的不同，分为低碳钢(C≤％)、中碳钢(C= ％ ~ ％)、高碳钢(C≥％)。压力容器主要受压元件用碳钢，主要限于低碳钢。在《容规》中规定：“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 ％。在特殊条件下，如选用含碳量超过 ％的钢材，应限定碳当量不大于 ％，由制造单位征得用户同意，并经制造单位压力容器技术总负责人批准，并按相关规定办理批准手续”。

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出现淬火组织。这种钢的塑性和冲击韧性优良，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，不需采取特殊的工艺措施，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，甚至会产生魏氏组织，从而使该区的冲击韧性和弯曲性能降低，导致冲击韧性和弯曲性能不合格。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合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。为避免焊接裂纹，应采取焊前预热等措施。 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275 MPa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超过％，合金元素总量一般不超过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，其焊接特点表现在： （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，在刚性较大或拘束应力高的情况下，若焊接工艺不当，很容易产生冷裂纹。而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过程或长期处于高温运行中发生在靠近熔合线粗晶区的沿晶开裂。一般认为，其产生是由于焊接高温使HAZ附近的V、Nb、Cr、Mo等碳化物固溶于奥氏体中，焊后冷却时来不及析出，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产生再热裂纹，如16MnR、15MnVR等。但对于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，防止再热裂纹的发生。 （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各种冷加工(下料剪切、筒体卷圆等)，钢材会产生塑性变形，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》作出规定，圆筒钢材厚度δs符合以下条件：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％。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过程，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会出现马氏体引起裂纹；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，应将线能量在一定范围。 （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附近的区域，会产生强度下降的软化带。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得当，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）根据钢材不同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本原则，当然，与此同时还要根据产品的使用条件、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合格。

（2）由于这类钢都具有不同程度的冷裂纹倾向，所以，在等强度原则的前提下，严格控制焊材中的氢含量是非常重要的，应尽量选用低氢型的焊材。对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，应保证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，对于压力容器常见的16MnR钢的埋弧焊，一般情况下选用H10Mn2焊丝+HJ431焊剂即可。但对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、保存以及坡口的清理，以减少焊缝中的扩散氢。

（2）为了避免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。对于含碳量偏下限的16MnR钢焊接时，焊接线能量没有严格的，因为这种钢焊接热影响区脆化倾向较小，但对于含钒、铌、钛等微合金化元素的钢，则应选用较小的焊接线能量。

（3）对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、焊后及时后热等措施。

（4）焊接低碳调质钢时，为了使热影响区保持良好的韧性，同时使焊缝金属既有较高的强度又有良好的韧性，这就要求焊缝金属得到针状铁素体组织，而这种组织只有在较快的冷却条件下才能获得，为此要严格控制焊接线能量，不推荐采用大直径的焊条和焊丝，且要采用多道多层的窄焊道焊，尽量不作横向摆动的运条方式。为防止冷裂纹的产生，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，从而在该区内产生马氏体+奥氏体混合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℃。采用低温预热加后热的方法既可防止低碳调质钢产生冷裂纹，又可减轻或消除预热温度过高带来的不利影响。

（5）加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。

五、 低合金高强钢压力容器焊接实例

直径为2000mm，壁厚为32mm的缓冲罐（图10-1），壳体材质为16MnR，其主要承压焊缝的焊接工艺见表10-1。

图10-1 缓冲罐简图 表 10-1 缓冲罐焊接工艺

焊缝编号 O1A1、O2A1 1A1、2A1、B1、B3 焊缝位置 封头拼缝 壳体纵、环缝 焊接方法 双面SAW 双面SAW 内SMAW B2 壳体环缝(大合拢) 外SAW B4 D1-D3 人孔接管与对应法兰环缝 双面SMAW 人孔、小接管与壳体角焊缝 GTAW打底 B5、B6 小接管与对接法兰环缝 SMAW盖面 E1 鞍座与壳体焊接角焊缝 GMAW J507 TWE-711 ⑥ TIG-50 ⑤ J507 ④ H10Mn2+HJ431 焊接材料 H08MnMo+HJ431 H10Mn2+HJ431 J507 ③ 说明 ① ② 焊缝编号 焊缝位置 焊接方法 (CO2焊) 焊接材料 说明 说明：

① 封头拼缝在平板状态下焊接完成后，需再经过950 ~ 1000℃的加热后进行冲压成形，故拼缝要经过Ac3以上温度的加热，焊缝的力学性能不仅取决于化学成分，而且和焊缝的组织状态有很大关系。虽然焊缝的含碳量要比母材低很多，但由于焊接是一个局部加热过程，冷却速度很大，因此焊缝呈现为一种柱状晶的特殊的过饱和铸造组织，其中少量的马氏体主要靠碳的固溶强化存在，而低碳马氏体的亚结构存在许多位错，过饱和的固溶的碳就聚集在位错周围，起着钉扎位错的作用，使位错难于运动，马氏体便不易变形而呈现强化焊缝的作用。经过Ac3以上的温度加热后，焊缝组织从柱状晶变成了等轴晶，打破了原来的亚结构状态，使过饱和程度降低，其碳的固溶强化作用也随之降低了，所以势必焊缝强度降低。为了弥补上述情况造成的焊缝强度降低，只有调整焊缝的化学成分，使用合金元素更多一些的、强度高一档的焊丝来焊接热压封头拼缝。

② 壳体纵、环缝焊接条件好，考虑到板厚因素，从提高效率、保证焊接质量出发，选用双面埋弧焊，焊丝啊等强度原则选用。

③ 设备大合拢焊缝，考虑到设备因素，内焊缝采用埋弧焊较困难，故内侧采用焊条电弧焊、外侧采用碳弧气刨清根后再进行外环缝埋弧焊。B2焊缝据人孔较近，故将其为大合拢焊缝。 ④ 人孔接管与人孔法兰环缝，由于人孔直径较大，故采用焊条电弧焊进行双面焊。 对于人孔、小接管与壳体角焊缝，鉴于此部位焊缝形状和焊接条件，一般选用焊条电弧焊进行双面焊。

⑤ 对于小直径接管环缝，由于只能单面焊，又要保证质量，选用TIG焊打底是保证焊缝质量最有效的方法。TIG-50为焊材牌号，其焊材型号为ER70S-G (AWS 。

⑥ 鞍座与壳体焊接角焊缝属非承压焊缝，采用熔化极气体保护焊(保护气体为纯CO2)，效率高，焊缝成形好。TWE-711为焊材牌号，其焊材型号为E71T-1(AWS 。

第二节耐热钢压力容器的焊接

一、 压力容器用耐热钢及其焊接性

在普通碳钢中加入一定量的合金元素，以提高钢的高温强度和持久强度，就形成了低合金耐热钢，对于压力容器用低合金耐热钢，为改善其焊接性能，常常把碳含量控制在％以下。这

类钢通常以退火态或正火+回火状态交货。由于合金含量在％以下的低合金耐热钢具有珠光体+铁素体组织，故也经常称为珠光体耐热钢，如15CrMoR。合金含量在3％ ~ 5％之间的低合金耐热钢供货状态为贝氏体+铁素体组织，故也称为贝氏体耐热钢，如12Cr2Mo1R。 压力容器上使用的低合金耐热钢主要是以加入铬和钼元素或辅以加入少量的钒、钛等元素来提高钢的蠕变强度和组织稳定性，所以也经常称之为Cr-Mo耐热钢或Cr-Mo-V系耐热钢。也正由于这一类钢在耐高温的同时还具有良好的抗氢腐蚀性能，为此，Cr-Mo或Cr-Mo-V系的低合金耐热钢亦经常称为抗氢钢。

作为耐热钢，除上面已讲到的低合金耐热钢外，还有合金含量在在6％ ~ 12％之间的中合金耐热钢，如1Cr5Mo、1Cr9Mo1，和合金大于13％的高合金耐热钢，如1Cr17。由于在压力容器中这两类耐热钢并不多见，本节以叙述低合金耐热钢为主。

为保证耐热钢焊接接头在高温、高压和各种腐蚀介质条件下长期安全的运行，其焊接接头性能应满足下列几点要求。

① 接头的等强性 耐热钢接头不仅应具有与母材基本相等的室温和高温短时强度，而且更重要的是应具有与母材相近的高温持久强度。

② 接头的抗氢性和抗氧化性 耐热钢接头应具有与母材基本相同的抗氢性和高温抗氧化性。为此，焊缝金属的合金成分和含量应与母材基本一致。

③ 接头的组织稳定性 耐热钢焊接接头在制造过程中，特别是厚壁接头将经受长时间多次热处理，在运行过程中将长期受高温高压的作用，接头各区不应产生明显的组织变化及由此引起的脆变或软化。

④ 接头的抗脆断性 虽然耐热钢压力容器大多数是在高温下工作，但当压力容器和管道制造完工后将在常温下进行设计压力倍压力的水压试验。在安装检修完后，要经历水压试验及冷启动过程。因此，耐热钢焊接接头亦应具有一定的抗脆断性。

⑤ 接头的物理均一性 耐热钢焊接接头应具有与母材基本相同的物理性能。焊缝金属的热膨胀系数和热导率应基本一致，这样就可避免接头在高温运行过程中的热应力。

低合金耐热钢含有一定量的合金元素，因此它与低合金高强钢都具有一些相同的焊接特点，而又由于其含有一些特殊的微量元素及其不同的介质工作环境，所以也有其独特的焊接特点。 （1）淬硬性 低合金耐热钢中的主要合金元素Cr和Mo等都能显着提高钢的淬硬性。其中Mo的作用比Cr大50倍。这些合金元素推迟了钢在冷却过程中的转变，提高了过冷奥氏体的稳定性，从而在较高的冷却速度下可能形成全马氏体组织，比如12Cr2Mo1R焊接时，如果焊接线能量较小，钢板厚度较大且不预热焊接时就有可能发生100％的马氏体转变。

（2）冷裂纹 由于Cr-Mo钢极易产生淬硬的显微组织，再加上焊缝区足够高的扩散氢浓度和一定的焊接残余应力共同作用，焊接接头易产生氢致延迟裂纹。这种裂纹在热影响区和焊缝金属中都易发生。在热影响区大多是表面裂纹，在焊缝金属中通常表现为垂直于焊缝的的横向裂纹，也可能发生在多层焊的焊道下或焊根部位。冷裂纹是Cr-Mo钢焊接中存在的主要危险。

（3）消除应力裂纹 因为这类裂纹是在消除应力热处理时，接头再次处于高温下所产生的裂纹，故又称为再热裂纹。Cr-Mo钢是再热裂纹敏感性钢种，敏感的温度范围一般在500 ~ 700℃之间。

大量试验结果表明，钢中Cr、Mo、V、Nb、Ti等强碳化物形成元素对再热裂纹形成有很大影响。通常以裂纹指数PSR粗略地评价钢的消除应力裂纹敏感性。PSR按下式计算： PSR=Cr％ + Cu％ + 2Mo％ + 10V％ + 7Nb％ + 5Ti％ - 2

当PSR≥0时，就有可能产生消除应力裂纹。但对于碳含量低于％的钢种，上式不适用。 （4）热裂纹 对低合金耐热钢，人们往往注重冷裂纹的防止。实际上，当焊道的成形系数（熔宽与熔深比）小于 ~ 时，焊道中心易形成热裂纹。这是因为窄而深的梨形焊道，低熔点共晶聚集于焊道中心，在焊接应力作用下，导致焊道中心出现热裂纹。一切影响焊道成形系数的因素都会影响热裂纹的发生。

（5）回火脆性 Cr-Mo钢及其焊接接头在350 ~ 500℃温度区间长期运行过程中发生脆变的现象称为回火脆性。例如某厂一台钢制压力容器在332 ~ 432℃运行30000h后，钢的40J脆性转变温度从-37℃提高到了+60℃，并最终导致灾难性的脆性断裂事故。 Cr-Mo钢及其焊接接头的回火脆性敏感性有两种评价方式： ①X系数和J系数

X=（10P+5Sb+4Sn+As）×10（式中元素以ppm含量代入，如％应以100ppm代入） J=（Si+Mn）（P+Sn）×10 （式中元素以百分数含量代入，如％应以代入）

这两个系数的界定是随着工业的不断发展和进步一步步提高的，最早要求X≤25ppm，J≤200，后来达到X≤20ppm，J≤150，直至目前又提高了要求，要求X≤15ppm，J≤100。 ② 分步冷却试验法(步冷)

分步冷却试验法是将试件加热到规定的最高温度后分步冷却，温度每降一级，保温更长时间，如图10-2。步冷处理目的是在200 ~ 300 h内使钢产生最大的回火脆性，与350 ~ 500℃温度区间设备经过2000 ~ 5000 h才能产生的效果相同。

图10-2 测定回火脆性敏感性的步冷处理程序

4

-2

图10-3 回火脆化程度的曲线

按图10-2曲线加热，使钢材发生快速回火脆化。分别对步冷试验前后的钢材进行系列冲击，绘制出步冷试验前 、后回火脆化程度的曲线(图10-3)，确定延脆性转变温度VTr (试样经Min. PWHT处理后的夏比冲击功为J时相应的转变温度)的变量ΔVTr (试样经Min. PWHT + 步冷处理后的夏比冲击功为J时相应的转变温度增量)，按下式进行计算： 美国雪弗龙公司早期提出的指标： VTr +ΔVTr ≤ 38℃(100℉) 20世纪90年代普遍采用的指标： VTr +ΔVTr ≤ 38℃

随着对设备安全性要求的提高及钢材、焊材性能的提高，对该指标的要求越来越高，2006年某工程公司为宁波和邦化学有限公司设计的两台加氢反应器提出的指标是： VTr +3ΔVTr ≤ 10℃

二、 压力容器用耐热钢焊材选用

（1）与低合金高强钢相同，焊缝金属和母材等强度原则仍是低合金耐热钢焊材选用的基本原则，只不过此时不但要考虑焊缝金属与母材的常温强度等强，同时也要使其高温强度不低于母材标准值的下限要求。

（2）为使其焊缝金属具有与母材同样的使用性能，因此要求其焊缝金属的铬、钼含量不得低于母材标准值的下限。

（3）为保证焊缝金属有同样小的回火脆性，应严格焊材中的氧、硅、磷、锑、锡、砷等微量元素的含量。

（4）为提高焊缝金属的抗裂性，应控制焊材中的含碳量低于母材的碳含量，但应注意，含碳量过低时，经长时间的焊后热处理会促使铁素体形成，从而导致韧性下降，因此，对于低合金耐热钢的焊缝金属含碳量最好控制在％ ~ ％范围内，这样才会使焊缝金属具有较高的冲击韧性和与母材相当的高温蠕变强度。 三、 压力容器用耐热钢焊接要点

（1）预热与层间温度 在Cr-Mo钢的焊接特点中提到的冷裂纹、热裂纹及消除应力裂纹，都与预热及层间温度相关。一般来说，在条件许可下应适当提高预热及层间温度来避免冷裂纹和再热裂纹的产生。表10-2为对各种低合金耐热钢推荐选用的预热温度和层间温度，但在设备制造过程中还要结合实际选用。

表10-2 推荐选用的低合金耐热钢预热及层间温度 钢种 15CrMoR 12Cr1MoV 12Cr2Mo1R 在Cr-Mo钢上堆焊不锈钢 预热温度/℃ ≥150 ≥200 200 ~ 250 ≥100 层间温度/℃ 150 ~ 250 250左右 200 ~ 300 对于预热和层间温度，应注意以下几点：

① 整个焊接过程中的层间温度不应低于预热温度。 ② 要保证焊件内外表面均达到规定的预热温度。

③ 对于厚壁容器，必须注意焊前、焊接过程和焊接结束时的预热温度基本保持一致并将实测预热温度做好记录。

④ 若容器焊前进行整体预热不仅费时而且耗能。实际上，作局部预热可以取得与整体预热相近的效果，但必须保证预热区宽度大于所焊厚度的4倍，且至少不小于150mm。

⑤ 预热与层间温度必须低于母材的Mf点(马氏体转变结束点)，否则当焊件经SR处理后，残留奥氏体可能发生马氏体转变，其中过饱和的氢逸出会促使钢材开裂，如对12Cr2Mo1R的预热和最高层间温度应低于300℃。

⑥ 钢材下料进行热切割时，类似焊接热影响区的热循环，切割边缘的淬硬层可能成为钢材卷制或冲压时的裂源。因此，也应适当预热。

（2）焊后热处理 对于低合金耐热钢，焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力，而且更重要的是改善组织提高接头的综合力学性能，包括提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性，降低焊缝及热影响区硬度，还有就是使氢进一步逸出以避免产生冷裂纹。因此，在拟定低合金耐热钢焊接接头的焊后热处理规范时，应综合考虑下列冶金和工艺特点。 ① 焊后热处理应保证近缝区组织的改善。

② 加热温度应保证焊接接头的焊接应力降到尽可能低的水平。

③ 焊后热处理不应使母材及焊接接头各项力学性能降低到设计规定的最低限度以下。这一点往往要通过对母材及焊接接头进行最大和最小模拟焊后热处理(Max. PWHT及Min. PWHT)后的各项力学性能检测来确定。

④ 由于耐热钢的回火脆性及再热裂纹倾向，焊后热处理应尽量避免在所处理钢材回火脆性敏感区及再热裂纹倾向敏感区的温度范围内进行。应规定在危险温度范围内要有较快的加热速度。

综合考虑以上4个特点，需要制定一个合适的耐热钢焊后热处理规范，经过大量的试验、研

究，引出了一个指导性参数，即纳尔逊米勒（Rarson—Miller）参数 Tp，也称回火参数。 Tp= T ( 20+log t )×10式中：

T — 热处理绝对温度，K t — 热处理保温时间，h

从式中可以看出，热处理的温度和保温时间决定了Tp值的高低，也就影响了Cr-Mo钢焊接接头的强度和韧性。Tp值过低，接头的强度和硬度会过高而韧性较低，若Tp值太高，则强度和硬度会明显下降，同时由于碳化物的沉淀和聚集也会使韧性下降，因此，Tp值在 ~ 可以使接头具有较好的综合力学性能。当然，对于每一种Cr-Mo钢都有一个最佳的回火参数范围，如钢焊缝金属的最佳Tp值为 ~ 之间，对于钢而言，其最佳的Tp值在 ~ 之间。

（3）后热和中间热处理 Cr-Mo钢冷裂倾向大，导致生产裂纹的影响因素中，氢的影响居首位，因此，焊后(或中间停焊)必须立即消氢。一般说来，Cr-Mo钢容器的壁厚、刚性大、制造周期长，焊后不能很快进行热处理，为防裂并稳定焊件尺寸，在主焊缝(或主焊缝和壳体接管焊缝)完成后进行比最终热处理温度低的中间热处理。这类钢的后热温度一般为300 ~350℃，也有少数制造单位取350 ~ 400℃的。中间热处理规范随钢种、结构、制造单位的经验而异，一般中间热处理温度为(620 ~ 0℃)±15℃。

（4）焊接规范的选择 焊接线能量、预热温度和层间温度直接影响到焊接接头的冷却条件，一般来说，焊接线能量越大，冷却速度越慢，加之伴有较高的预热和层间温度，就会使接头各区的晶粒粗大，强度和韧性都会降低。对于低合金耐热钢而言，对焊接线能量在一定范围内变化并不敏感，也就是说，允许的焊接线能量范围较宽，只有当线能量过大时，才会对强度和韧性有明显的影响，所以为了防止冷裂纹的产生，希望焊接时线能量不要过小。 四、 耐热钢钢压力容器焊接实例

直径为500mm，壳程壁厚为30mm，管程壁厚为16mm的加热器（图10-4），壳体材质为15CrMoR，其主要承压焊缝的焊接工艺见表10-3。

图10-4 加热器简图 表 10-3 加热器焊接工艺

-3

焊缝编号 3A1、4A1、B6 B2-B5、B7 B8、B9 焊缝位置 管程筒体纵、环缝 焊接方法 焊接材料 说明 GTAW打底 壳程、管程筒体与管板环缝 SMAW盖面 接管与对接法兰环缝 管程筒体纵缝 1A1、2A1、B1、B4 管程筒体与法兰环缝 接管、整体法兰与法兰盖、管板、D1-D6 壳体角焊缝 D7 换热管与管板角焊缝 GTAW（自动） GMAW E1 耳座与壳体角焊缝 (CO2焊) SMAW SMAW H13CrMoA ① R307 R307 ② R307 ③ H08CrMoA ④ TWE-811B2 ⑤ 说明：

① 壳程筒体直径较小，焊工无法钻入筒体内焊接，故壳程筒体纵、环缝只能从外侧施焊。同样，由于该设备结构方面的原因，壳程、管程筒体与管板的环缝焊接也只能从外侧进行。至于接管与对接法兰环缝，本设备中接管规格为φ273×12，亦无法从内侧施焊。以上焊缝需要单面焊，但又要保证质量，选用TIG焊打底是保证焊缝质量最有效的方法。对于壳程筒体环缝，也可采用GTAW打底，SMAW再焊两道，然后SAW焊剩余层的方法。

② 尽管管程筒体直径较小，但其长度很短，管程筒体纵缝、管程筒体与法兰环缝具备内侧焊条电弧焊的条件，故采用焊条电弧焊进行双面焊。

③ 接管、整体法兰与法兰盖、管板、壳体的角焊缝设备大合拢焊缝，鉴于此部位焊缝形状和焊接条件，一般选用焊条电弧焊。

④ 换热管-管板焊接是热交换设备的重要焊缝，其焊接方法有焊条电弧焊、手工钨极氩弧焊、全位置自动氩弧焊。焊条电弧焊是最早使用的焊接方法，其特点是效率高，但是质量对比于其他两种方法来说要差很多，现在基本上已被淘汰。但是在某些特殊场合，如丝堵式空冷器，其管子-管板焊接必须通过管板前的丝堵板进行焊接，这时只能用采用焊条电弧焊的方法，用小直径焊条焊接，这对焊工操作技术要求很高，一般在焊前需要对焊工进行专门培训。 目前使用最广泛，质量最好的焊接方法为自动氩弧焊。本设备中换热管-管板焊接采用全位置自动氩弧焊，焊接接头形式为角焊缝（图10-50）。焊丝直径为1mm，填丝焊两道。

图10-5 加热器换热管-管板接头形式

⑤ 耳座与壳体焊接角焊缝属非承压焊缝，采用熔化极气体保护焊(保护气体为纯CO2)，效率高，焊缝成形好。TWE-811B2为焊材牌号，其焊材型号为E81T1-B2(AWS 。

第三节 低温钢压力容器的焊接

一、 压力容器用低温钢及其焊接特点

GB150-1998《钢制压力容器》附录C规定，设计温度低于或等于－20℃的钢制压力容器为低温容器。

众所周知，钢材在低温条件下工作时具有冷脆性。衡量低温钢性能的主要指标是低温韧性，即低温下的冲击韧性和脆性转变温度，钢的低温冲击韧性越高，脆性转变温度越低，则该钢低温韧性越好。钢的成分和组织对低温性能都有显着影响，磷、碳、硅使钢的脆性转变温度升高，其中尤以磷、碳最为显着，而锰和镍会使脆性转变温度降低，对低温韧性有利。钢中含镍量增高时，可以使其在更低的温度下保持相当高的冲击韧性。一般来说，具有面心立方晶格的金属，其韧性随温度的变化极小，18-8型奥氏体不锈钢就是由于具有面心立方晶格，故在很低的温度下仍具有较高的冲击韧性。此外，钢的晶粒越细，低温冲击韧性越好。 低温钢就是通过严格控制钢材中的碳、硫、磷含量或加入一些钒、铝、钛和镍等合金元素，达到固溶强化、晶粒细化之目的，并通过正火或正火+回火处理来细化晶粒，使组织均匀化或使钢具有面心立方晶格，从而使钢在低温下具有足够的低温韧性及抵抗脆性破坏的能力，以保证设备在低温条件下能安全运行。

低温钢一般可分为无镍和含镍两大类。无镍钢的最低使用温度为-50℃，含镍钢最低使用温度根据含镍量的多少范围在-60℃~-196℃之间，-196℃以下则使用奥氏体不锈钢，有关奥氏体不锈钢的焊接在介绍不锈钢焊接时再作详细叙述，表10-4为部分典型的低温钢的低温冲击韧性指标。

表10-4 部分典型的低温钢的低温冲击韧性

最低冲击试验温度钢材牌号 使用状态 厚度/mm /℃ AKV/J 6 ~ 36 16MnDR 正火 > 36~100 15MnNiDR 09MnNiDR 正火，正火+回火 正火，正火+回火 6 ~ 60 6 ~ 60 ≤50 钢(SA203B级) 正火 > 50 ~75 -40 ≥24 -30 -45 -70 -101 ≥20 -87 ≥27 ≥27

对不含镍的低温钢而言，由于其含碳量低，其他合金元素含量也较少，故其淬硬倾向和冷裂倾向都小，因而具有良好的焊接性能，一般可不预热或用较低的预热温度来进行焊接，当板厚较厚或低温环境下焊接时，才需要一定的预热温度。所以，这一类钢焊接时，只要选择相匹配的焊材和合适的工艺，保证焊缝及热影响区的低温韧性是不成问题的。

含镍低温钢由于添加了镍，虽然对冷裂纹倾向影响不显着，但却增大了热裂纹的倾向，必须严格控制钢及焊材中的碳、硫、磷含量，同时采用合适的焊接规范，使焊缝有较大的焊缝成形系数，即避免形成窄而深的焊道成形截面，就可以有效地避免热裂纹的产生。 总之，低温钢焊接的重点是保证焊缝及热影响区获得足够的低温冲击韧性。 二、 压力容器用低温钢焊材选用

（1）所选用的焊材必须保证焊缝含有最少的有害杂质（S、P、O、N等），对于含镍低温钢尤其要严格控制。

（2）选用的焊材应保证焊缝金属的低温韧性。对于含镍低温钢，选用的焊材的含镍量应与母材相当或稍高。

三、 压力容器用低温钢焊接要点

（1）采用小的焊接线能量 为避免焊缝及热影响区形成粗大组织而使其冲击韧性严重降低，焊接时必须采用较小的焊接线能量，具体要求是，焊接电流不宜过大，焊条电弧焊时，焊条尽量不摆动，采用窄焊道、多道多层焊和快速多道焊以减小焊道过热，并通过多层焊的重复加热作用细化晶粒。多层焊时要严格控制层间温度。

（2）选择适当的焊接速度 对于含镍低温钢进行埋弧自动焊时，切不可以提高焊接速度来获得较低的焊接线能量。这是因为当焊接速度较高时，由于熔池形成典型的雨滴状，且焊道成形变成窄而深的截面形状，此时就易产生焊道中心的热裂纹。所以，这类钢焊接时，焊接速度要特别选择适当，不可过小，也不可过大。

（3）避免咬边缺陷 低温钢焊接时应注意避免弧坑、未焊透及咬边等缺陷，这些缺陷在低温条件下，在应力作用时，都会造成较大的应力集中而引起脆性破坏。所以对于低温压力容器而言，不允许有任何尺寸的咬边缺陷存在。 四、 低温钢压力容器焊接实例

直径4400mm，长90m，壁厚为34mm的乙烯精硫塔（图10-6），设计温度为-45℃。因设备上管口、内件众多，简图中只画出部分。壳体材质为09MnNiDR，其主要承压焊缝的焊接工艺见表10-5。

图10-6 丙烯精馏塔简图

表 10-5 丙烯精馏塔焊接工艺

焊缝位置 封头拼缝 SAW 壳体纵、环缝 现场合拢焊缝 接管、人孔与壳体角焊缝 SMAW 人孔筒体拼缝、人孔筒体与对接法兰环缝 接管与法兰环缝 GTAW GMAW 内件与壳体内壁角焊缝 (CO2焊) E81T1-Ni1 UNION I Ni THYSEN TG 50Ni ⑤ ④ R307 ③ SMAW UV-418TT W707 ② 焊接方法 焊接材料 UNION S3 Si ① 说明 说明：

① 壳程筒体直径较小，焊工无法钻入筒体内焊接，故壳程筒体纵、环缝只能从外侧施焊。同样，由于该设备结构方面的原因，壳程、管程筒体与管板的环缝焊接也只能从外侧进行。至于接管与对接法兰环缝，本设备中接管规格为φ273×12，亦无法从内侧施焊。以上焊缝需要单面焊，但又要保证质量，选用TIG焊打底是保证焊缝质量最有效的方法。对于壳程筒体环缝，也可采用GTAW打底，SMAW再焊两道，然后SAW焊剩余层的方法。

② 尽管管程筒体直径较小，但其长度很短，管程筒体纵缝、管程筒体与法兰环缝具备内侧焊条电弧焊的条件，故采用焊条电弧焊进行双面焊。

③ 接管、整体法兰与法兰盖、管板、壳体的角焊缝设备大合拢焊缝，鉴于此部位焊缝形状和焊接条件，一般选用焊条电弧焊。

④ 换热管-管板焊接是热交换设备的重要焊缝，其焊接方法有焊条电弧焊、手工钨极氩弧焊、全位置自动氩弧焊。焊条电弧焊是最早使用的焊接方法，其特点是效率高，但是质量对比于其他两种方法来说要差很多，现在基本上已被淘汰。但是在某些特殊场合，如丝堵式空冷器，其管子-管板焊接必须通过管板前的丝堵板进行焊接，这时只能用采用焊条电弧焊的方法，用小直径焊条焊接，这对焊工操作技术要求很高，一般在焊前需要对焊工进行专门培训。 目前使用最广泛，质量最好的焊接方法为自动氩弧焊。本设备中换热管-管板焊接采用全位置自动氩弧焊，焊接接头形式为角焊缝（图10-50）。焊丝直径为1mm，填丝焊两道。 ⑤ 内壁与壳体内壁角焊缝，鉴于此部位焊缝形状和焊接条件，一般选用焊条电弧焊。

第四节 不锈钢压力容器的焊接

一、 压力容器用不锈钢及其焊接特点

所谓不锈钢是指在钢中加入一定量的铬元素后，使钢处于钝化状态，具有不生锈的特性。为达到此目的，其铬含量必须在12％以上。为提高钢的钝化性，不锈钢中还往往需加入能使钢钝化的镍、钼等元素。一般所指的不锈钢实际上是不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢并不一定耐酸，而耐酸钢一般均具有良好的不锈性能。

不锈钢按其钢的组织不同可分为四类，即奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体一铁素体双相不锈钢。 1. 奥氏体不锈钢及其焊接特点

奥氏体不锈钢是应用最广泛的不锈钢，以高Cr-Ni型最为普遍。目前奥氏体不锈钢大致可分为Cr18-Ni8型、Cr25-Ni20型、Cr25-Ni35型。奥氏体不锈钢有以下焊接特点：

① 焊接热裂纹 奥氏体不锈钢由于其热传导率小，线膨胀系数大，因此在焊接过程中，焊接接头部位的高温停留时间较长，焊缝易形成粗大的柱状晶组织，在凝固结晶过程中，若硫、磷、锡、锑、铌等杂质元素含量较高，就会在晶间形成低熔点共晶，在焊接接头承受较高的拉应力时，就易在焊缝中形成凝固裂纹，在热影响区形成液化裂纹，这都属于焊接热裂纹。防止热裂纹最有效的途径是降低钢及焊材中易产生低熔点共晶的杂质元素和使铬镍奥氏体不锈钢中含有4％ ~ 12％的铁素体组织。

② 晶间腐蚀 根据贫铬理论，在晶间上析出碳化铬，造成晶界贫铬是产生晶间腐蚀的主要原因。为此，选择超低碳焊材或含有铌、钛等稳定化元素的焊材是防止晶间腐蚀的主要措施。 ③ 应力腐蚀开裂 应力腐蚀开裂通常表现为脆性破坏，且发生破坏的过程时间短，因此危害严重。造成奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂的主要原因是焊接残余应力。焊接接头的组织变化或应力集中的存在，局部腐蚀介质浓缩也是影响应力腐蚀开裂的原因。

④ 焊接接头的σ相脆化 σ相是一种脆硬的金属间化合物，主要析集于柱状晶的晶界。γ相和δ相都可发生σ相转变。比如对于Cr25Ni20型焊缝在800℃ ~ 900℃加热时，就会发生强烈的γ→δ转变。对于铬镍型奥氏体不锈钢，特别是铬镍钼型不锈钢，易发生δ→σ相转变，这主要是由于铬、钼元素具有明显的σ化作用，当焊缝中δ铁素体含量超过12％时，δ→σ的转变非常显着，造成焊缝金属的明显的脆化，这也就是为什么热壁加氢反应器内壁堆焊层将δ铁素体含量控制在3％~10％的原因。 2. 铁素体不锈钢及其焊接特点

铁素体不锈钢分为普通铁素体不锈钢和超纯铁素体不锈钢两大类，其中普通铁素体不锈钢有

Cr12 ~ Cr14型，如00Cr12、0Cr13Al；Cr16 ~ Cr18型，如1Cr17Mo；Cr25 ~ 30型。 由于普通铁索体不锈钢中的碳、氮含量较高，故加工成形及焊接都较困难，耐蚀性也难以保证，使用受到，在超纯铁素体不锈钢中严格控制了钢中的碳和氮总量，一般控制在％ ~ ％、％、％ ~ ％三个层次，同时还加入必要的合金元素以进一步提高钢的耐腐蚀性和综合性能。与普通铁素体不锈钢相比，超纯高铬铁素体不锈钢具有很好的耐均匀腐蚀、点蚀及应力腐蚀性能，较多的应用于石化设备中。铁素体不锈钢有以下焊接特点：

① 焊接高温作用下，在加热温度达到1000℃以上的热影响区特别在近缝区的晶粒会急剧长大，焊后即使快速冷却，也无法避免因晶粒粗大化引起的韧性急剧下降及较高的晶间腐蚀倾向。

② 铁素体钢本身含铬量较高，有害元素碳、氮、氧等也较多，脆性转变温度较高，缺口敏感性较强。因此，焊后脆化现象较为严重。

③ 在400℃ ~ 600℃长时间加热缓冷时，会出现475℃脆化，使常温韧性严重下降。在550℃ ~ 820℃长时间加热后，则容易从铁素体中析出σ相，也明显降低其塑、韧性。 3. 马氏体不锈钢及其焊接特点

马氏体不锈钢可分为Cr13型马氏体不锈钢、低碳马氏体不锈钢和超级马氏体不锈钢。Cr13型具有一般抗腐蚀性能，从Cr12为基的马氏体不锈钢，因加入镍、钼、钨、钒等合金元素，除具有一定的耐腐蚀性能，还具有较高的高温强度及抗高温氧化性能。

马氏体不锈钢的焊接特点：Cr13型马氏体不锈钢焊缝和热影响区的淬硬倾向特别大，焊接接头在空冷条件下便可得到硬脆的马氏体，在焊接拘束应力和扩散氢的作用下，很容易出现焊接冷裂纹。当冷却速度较小时，近缝区及焊缝金属会形成粗大铁素体及沿晶析出碳化物，使接头的塑、韧性显着降低。

低碳及超级马氏体不锈钢的焊缝和热影响区冷却后，虽然全部转变为低碳马氏体，但没有明显的淬硬现象，具有良好的焊接性能。 二、 压力容器用不锈钢焊材选用 1. 奥氏体不锈钢焊材选用

奥氏体不锈钢焊材的选择原则是在无裂纹的前提下，保证焊缝金属的耐蚀性能及力学性能与母材基本相当，或高于母材，一般要求其合金成分大致与母材成分匹配。对于耐蚀的奥氏体不锈钢，一般希望含一定量的铁素体，这样既能保证良好的抗裂性能，又能有很好的抗腐蚀性能。但在某些特殊介质中，如尿素设备的焊缝金属是不允许有铁素体存在的，否则就会降低其耐蚀性。对耐热用奥氏体钢，应考虑对焊缝金属内铁素体含量的控制。对于长期在高温

运行的奥氏体钢焊件，焊缝金属内铁素体含量不应超过5％。读者可根据Schaeffler图，按焊缝金属中的铬当量和镍当量估计出相应的铁素体含量。 2. 铁素体不锈钢焊材选用

铁素体不锈钢焊材基本上有三类：1)成分基本与母材匹配的焊材；2)奥氏体焊材；3)镍基合金焊材，由于其价格较高，故很少选用。

铁素体不锈钢焊材可采用与母材相当的材料，但在拘束度大时，很容易产生裂纹，焊后可采用热处理，恢复耐蚀性能，并改善接头塑性。采用奥氏体焊材可免除预热和焊后热处理，但对于不含稳定元素的各种钢，热影响区的敏化仍然存在，常用309型和310型铬镍奥氏体焊材。对于Cr17钢，也可用308型焊材，合金含量高的焊材有利于提高焊接接头塑性。奥氏体或奥氏体一铁素体焊缝金属基本与铁素体母材等强，但在某些腐蚀介质中，焊缝的耐蚀性可能与母材有很大的不同，这一点在选择焊材时要注意。 3. 马氏体不锈钢焊材选用

在不锈钢中，马氏体不锈钢是可以利用热处理来调整性能的，因此，为了保证使用性能的要求，特别是耐热用马氏体不锈钢，焊缝成分应尽量接近母材的成分。为了防止冷裂纹，也可采用奥氏体焊材，这时的焊缝强度必然低于母材。

焊缝成分同母材成分相近时，焊缝和热影响区将会同时硬化变脆，同时在热影响区中出现回火软化区。为了防止冷裂，厚度3mm以上的构件往往要进行预热，焊后也往往需要进行热处理，以提高接头性能，由于焊缝金属与母材的热膨胀系数基本一致，经热处理后有可能完全消除焊接应力。

当工件不允许进行预热或热处理时，可选择奥氏体组织焊缝，由于焊缝具有较高的塑性和韧性，能松弛焊接应力，并且能较多地固溶氢，因而可降低接头的冷裂倾向，但这种材质不均匀的接头，由于热膨胀系数不同，在循环温度的工作环境下，在熔合区可能产生剪应力，而导致接头破坏。

对于简单的Cr13型马氏体钢，不采用奥氏体组织的焊缝时，焊缝成分的调整余地不多，一般都和母材基体相同，但必须有害杂质S、P及Si等，Si在Cr13型马氏体钢焊缝中可促使形成粗大的马氏体。降低含C量，有利于减小淬硬性，焊缝中存在少量Ti、N或Al等元素，也可细化晶粒并降低淬硬性。

对于多组元合金化的Cr12基马氏体热强钢，主要用途是耐热，通常不用奥氏体焊材，焊缝成分希望接近母材。在调整成分时，必须保证焊缝不致出现一次铁素体相，因它对性能十分有害，由于Cr13基马氏体热强钢的主要成分多为铁素体元素(如Mo、Nb、W、V等)，为保证全

部组织为均一的马氏体，必须用奥氏体元素加以平衡，也就是要有适当的C、Ni、Mn、N等元素。

马氏体不锈钢具有相当高的冷裂倾向，因此必须严格保持低氢，甚至超低氢，在选择焊材时，必须要注意这一点。

三、 压力容器用不锈钢焊接要点 1. 奥氏体不锈钢焊接要点

总的来说，奥氏体不锈钢具有优良的焊接性。几乎所有的熔化焊接方法均可用于焊接奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢的热物理性能和组织特点决定了其焊接工艺要点。

① 由于奥氏体不锈钢导热系数小而热膨胀系数大，焊接时易于产生较大的变形和焊接应力，因此应尽可能选用焊接能量集中的焊接方法。

② 由于奥氏体不锈钢导热系数小，在同样的电流下，可比低合金钢得到较大的熔深。同时又由于其电阻率大，在焊条电弧焊时，为了避免焊条发红，与同直径的碳钢或低合金钢焊条相比，焊接电流较小。

③ 焊接规范。一般不采用大线能量进行焊接 。焊条电弧焊时，宜采用小直径焊条，快速多道焊，对于要求高的焊缝，甚至采用浇冷水的方法以加速冷却，对于纯奥氏体不锈钢及超级奥氏体不锈钢，由于热裂纹敏感性大，更应严格控制焊接线能量，防止焊缝晶粒严重长大与焊接热裂纹的发生。

④ 为提高焊缝的抗热裂性能和耐蚀性能，焊接时，要特别注意焊接区的清洁，避免有害元素渗入焊缝。

⑤ 奥氏体不锈钢焊接时一般不需要预热。为了防止焊缝和热影响区的晶粒长大及碳化物的析出，保证焊接接头的塑、韧性和耐蚀姓，应控制较低的层间温度，一般不超过150℃。 2. 铁素体不锈钢焊接要点

铁素体不锈钢的铁素体形成元素相对较多，奥氏体形成元素相对较少，材料淬硬和冷裂倾向较小。铁素体不锈钢在焊接热循环的作用下，热影响区晶粒明显长大，接头的韧性和塑性急剧下降。热影响区晶粒长大的程度取决于焊接时所达到的最高温度及其保持时间，为此，在焊接铁素体不锈钢时，应尽量采用小的线能量，即采用能量集中的方法，如小电流TIG、小直径焊条手工焊等，同时尽可能采用窄间隙坡口、高的焊接速度和多层焊等措施，并严格控制层间温度。

由于焊接热循环的作用，一般铁素体不锈钢在热影响区的高温区产生敏化，在某些介质中产生晶间腐蚀。焊后经700~850℃退火处理，使铬均匀化，可恢复其耐蚀性。

普通高铬铁素体不锈钢可采用焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊焊等熔焊方法。由于高铬钢固有的低塑性，以及焊接热循环引起的热影响区晶粒长大和碳化物、氮化物在晶界集聚，焊接接头的塑性和韧性都很低。在采用与母材化学成分相似的焊材且拘束度大时，很易产生裂纹。为了防止裂纹，改善接头塑性和耐蚀性，以焊条电弧焊为例，可以采取下列工艺措施。 ① 预热100 ~ 150℃左右，使材料在富有韧性的状态下焊接。含铬越高，预热温度应越高。 ② 采用小的线能量、不摆动焊接。多层焊时，应控制层间温度不高于150℃，不宜连续施焊，以减小高温脆化和475℃脆性影响。

③ 焊后进行750 ~ 800℃退火处理，由于碳化物球化和铬分布均匀，可恢复耐蚀性，并改善接头塑性。退火后应快冷，防止出现σ相及475℃脆性。 3. 马氏体不锈钢焊接要点

对于Cr13型马氏体不锈钢，当采用同材质焊条进行焊接时，为了降低冷裂纹敏感性，确保焊接接头塑、韧性，应选用低氢型焊条并同时采取下列措施：

① 预热。预热温度随钢材含碳量的增加而提高，一般在100℃ ~ 350℃范围内。

② 后热。对于含碳量较高或拘束度大的焊接接头，焊后采取后热措施，以防止焊接氢致裂纹。 ③ 焊后热处理。为改善焊接接头塑、韧性和耐蚀性，焊后热处理温度一般为650℃ ~ 750℃，保温时间按1h / 25mm计。

对于超级及低碳马氏体不锈钢，一般可不采取预热措施，当拘束度大或焊缝中含氢量较高时，采取预热及后热措施，预热温度一般为100℃ ~ 150℃，焊后热处理温度为590 ~ 620℃。 对于含碳量较高的马氏体钢。或在焊前预热、焊后热处理难以实施，以及接头拘束度较大的情况下，工程中也可用奥氏体型的焊材，以提高焊接接头的塑、韧性，防止产生裂纹。但此时焊缝金属为奥氏体组织或以奥氏体为主的组织时，与母材强度相比实为低强匹配，而且焊缝金属与母材在化学成分、金相组织、热物理性能、力学性能差别很大，焊接残余应力不可避免，容易引发应力腐蚀或高温蠕变破坏。 四、 双相不锈钢的焊接 1. 双相不锈钢的类型

双相不锈钢由于具有奥氏体+铁素体双相组织，且两个相组织的含量基本相当，故兼有奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的特点。屈服强度可达400Mpa ~ 550MPa，是普通奥氏体不锈钢的2倍。与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的韧性高，脆性转变温度低，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显着提高；同时又保留了铁素体不锈钢的一些特点，如475℃脆性、热导率高、线膨胀系数小，具有超塑性及磁性等。与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的强度高，特别是屈服

强度显着提高，且耐孔蚀性、耐应力腐蚀、耐腐蚀疲劳等性能也有明显的改善。

双相不锈钢按其化学成分分类，可分为Cr18型、Cr23(不含Mo)型、Cr22型和Cr25型四类。对于Cr25型双相不锈钢又可分为普通型和超级双相不锈钢，其中近年来应用较多的是Cr22型和Cr25型。我国采用的双相不锈钢以瑞典产居多，具体牌号有：3RE60(Cr18型)，SAF2304 (Cr23型)，SAF2205 (Cr22型)，SAF2507(Cr25型)。 2. 双相不锈钢的焊接特点

① 双相不锈钢具有良好的焊接性，它既不像铁素体不锈钢焊接时热影响区易脆化，也不像奥氏体不锈钢易产生焊接热裂纹，但由于它有大量的铁素体，当刚性较大或焊缝含氢量较高时，有可能产生氢致冷裂纹，因此严格控制氢的来源是非常重要的。

② 为了保证双相钢的特点，确保焊接接头的组织中奥氏体及铁素体比例合适是这类钢焊接的关键所在。当焊后接头冷却速度较慢时，δ→γ的二次相变化较充分，因此到室温时可得到相比例比较合适的双相组织，这就要求在焊接时要有适当大的焊接热输人量，否则若焊后冷却速度较快时，会使δ铁素体相增多，导致接头塑韧性及耐蚀性严重下降。 3. 双相不锈钢焊材选用

双相不锈钢用的焊材，其特点是焊缝组织为奥氏体占优的双相组织，主要耐蚀元素(铬、钼等)含量与母材相当，从而保证与母材相当的耐蚀性。为了保证焊缝中奥氏体的含量，通常是提高镍和氮的含量，也就是提高约2％ ~ 4％的镍当量。在双相不锈钢母材中，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，否则会产生气孔。这样镍含量较高就成了焊材与母材的一个主要区别。

根据耐腐蚀性、接头韧性的要求不同来选择与母材化学成分相匹配的焊条，如焊接Cr22型双相不锈钢，可选用Cr22Ni9Mo3型焊条，如E2209焊条。采用酸性焊条时脱渣优良，焊缝成形美观，但冲击韧性较低，当要求焊缝金属具有较高的冲击韧性，并需进行全位置焊接时，应采用碱性焊条。当根部封底焊时，通常采用碱性焊条。当对焊缝金属的耐腐蚀性能具有特殊要求时，还应采用超级双相钢成分的碱性焊条。

对于实心气体保护焊焊丝，在保证焊缝金属具有良好耐腐蚀性与力学性能的同时，还应注意其焊接工艺性能，对于药芯焊丝，当要求焊缝成形美观时，可采用金红石型或钛钙型药芯焊丝，当要求较高的冲击韧度或在较大的拘束度条件下焊接时，宜采用碱度较高的药芯焊丝。 对于埋弧焊宜采用直径较小的焊丝，实现中小焊接规范下的多层多道焊，以防止焊接热影响区及焊缝金属的脆化，并采用配套的碱性焊剂。 4. 双相不锈钢的焊接要点

① 焊接热过程的控制 焊接线能量、层间温度、预热及材料厚度等都会影响焊接时的冷却速度，从而影响到焊缝和热影响区的组织和性能。冷却速度太快和太慢都会影响到双相钢焊接接头的韧性和耐腐蚀性能。冷却速度太快时会引起过多的α相含量以及Cr2N的析出增加。过慢的冷却速度会引起晶粒严重粗大，甚至有可能析出一些脆性的金属间化合物，如σ相。表10-6列出了一些推荐的焊接线能量和层间温度的范围。在选择线能量时还应考虑到具体的材料厚度，表中线能量的上限适合于厚板，下限适合于薄板。在焊接合金含量高的ω(Cr)为25 % 的双相钢和超级不锈钢时，为获得最佳的焊缝金属性能，建议最高层间温度控制在100℃。当焊后要求热处理时可以不层间温度。

表10-6 推荐选用的双相钢线能量和层间温度

钢材类型 Cr23 %无Mo双相钢 Cr22 %双相钢 Cr25 %(Cu0 ~ %)双相钢 Cr25 %超级双相钢 线能量/ (kJ/cm) 5 ~ 25 5 ~ 25 2 ~ 15 2 ~ 15 最高层间温度/℃ 150 ~ 200 125 ~ 200 100 ~ 150 100 ~ 150 ② 焊后热处理 双相不锈钢焊后最好不进行热处理，但当焊态下α相含量超过了要求或析出了有害相，如σ相时，可采用焊后热处理来改善。所用的热处理方法是水淬。热处理时加热应尽可能快，在热处理温度下的保温时间为5 ~ 30min，应该足以恢复相的平衡。在热处理时金属的氧化非常严重，应考虑采用惰性气体保护。对于ω(Cr)为22 % 的双相钢应在1050℃ ~ 1100℃温度下进行热处理，而ω(Cr)为25 % 的双相钢和超级双相钢要求在1070℃ ~ 1120℃温度下进行热处理。 五、 不锈钢压力容器焊接实例

直径为800mm，壁厚为10mm的闪蒸罐（图10-7），壳体材质为0Cr18Ni9，其主要承压焊缝的焊接工艺见表10-7。

图10-7 闪蒸罐简图 表10-7 闪蒸罐焊接工艺

焊缝编号 1A1、B1 焊缝位置 壳体纵、环缝 焊接方法 双面SMAW GTAW打底 B2 壳体合拢焊缝 SMAW盖面 A102 焊接材料 A102 TGF-308L ② 说明 ① 焊缝编号 C1-C4 D1-D4 焊缝位置 接管与平焊法兰角焊缝 焊接方法 焊接材料 说明 SMAW 接管与壳体角焊缝 GMAW E1 支座与壳体焊接角焊缝 (CO2焊) A102 ③ TFW-308L ④ 说明：

① 筒体直径为800mm，焊工可以钻入筒体内焊接，故筒体纵、环缝故采用焊条电弧焊进行双面焊。

② 本设备无人孔，故合拢焊缝只能从外侧焊接。为保证焊接质量，采用TIG焊打底。但不锈钢氩弧焊焊接时背面金属会被氧化，以前只能通过采用背面充氩保护的方法，但是当设备较大或背面无法实施氩气保护时，将大量浪费氩气，且仍可能出现保护不好。为解决这一工艺难题，日本油脂公司焊接事业部开发制造了一种背面自保护不锈钢TIG焊丝，这是一种具有特殊涂层的焊丝，涂层（即药皮）熔化后会渗透到熔池背面，形成一层致密的保护层，相当于焊条药皮的作用。这用焊丝的使用方法与普通的TIG焊丝完全相同，涂层不会影响正面的电弧和熔池形态，大大降低了不锈钢氩弧焊的焊接成本。本设备中，若采用背面氩气保护，氩气浪费严重，故采用了自保护焊丝。

③ 接管与平焊法兰角焊缝、接管与壳体角焊缝，鉴于此部位焊缝形状和焊接条件，一般选用焊条电弧焊。若接管直径太小，为了减少焊接难度，也可以采用TIG焊。

④ 支座与壳体焊接角焊缝属非承压焊缝，采用熔化极气体保护焊(保护气体为纯CO2)，效率高，焊缝成形好。TFW-308L为焊材牌号，其焊材型号为E308LT1-1(AWS 。

第五节 有色金属压力容器的焊接

压力容器设备中，除广泛使用碳钢、低合金钢及不锈钢外，有色金属如钛及钛合金、镍及镍基合金、铜及铜合金、铝及铝合金的应用也日益增多。由于这些有色金属具有不锈钢所不能比的优点，所以在一些特殊的重要场合已占有主导地位。 一、镍基耐蚀合金的焊接

镍及镍基合金具有特殊的物理、力学及耐腐蚀性能，镍基耐蚀合金在200℃ ~ 1090℃范围内能耐各种腐蚀介质的侵蚀，同时具有良好的高温和低温力学性能。在一些苛刻腐蚀条件下是一般不锈钢无法取代的优良材料。纯镍一般在工业中应用较少，但在镍中添加入铬、铜、铁、钼、铝、钛、铌、钨等元素后，通过固溶强化，不但改善其力学性能，而且可适应于各种腐

蚀介质下侵蚀，使其具有优良的耐腐蚀性。 1. 镍基耐蚀合金的焊接特点 ① 易产生焊接热裂纹

由于镍基合金为单相奥氏体组织，所以与不锈钢相比，具有高的焊接热裂纹敏感性，特别是焊缝易产生多边化晶间裂纹。这种裂纹一般为微裂纹，焊后对焊缝进行着色检查时，短时间都发现不了，但经过一段时间后，才显露出来。这说明裂纹非常微细，但有时也能发展为较宽的宏观裂纹。如果在单相奥氏体焊缝中加人固溶强化的钼、钨、锰、铬、铌等元素，就可有效地抑制镍基合金焊缝多边化结晶的发展，从而显着提高抗热裂纹能力。线能量，避免采用大线能量焊接也有利于防止热裂纹的产生。此时注意，如果线能量过小，会加速焊缝的凝固结晶速度，更易形成多边化晶界，在一定应力下有助于多边化裂纹的产生。 ② 液态金属流动性差，焊缝熔深浅

这是镍基合金的固有特性。靠加大焊接电流不是解决此问题的办法，因为电流增加会引起裂纹和气孔，降低接头的耐蚀性能，所以为了获得良好的焊缝成形，应采用小摆动工艺，另外要加大坡口角度，减小坡口钝边。 2. 镍基耐蚀合金的焊接要点

镍基合金一般可采用与奥氏体不锈钢相同的焊接方法进行焊接。这里就最常用的钨极气体保护焊和焊条电弧焊进行论述。无论是何种焊接方法，焊前一定要彻底清理焊接区表面，镍基合金对污染物的危害极为敏感，母材应尽可能在固溶状态下焊接。

① 钨极气体保护焊是应用最广泛的，几乎适合于任何一种可熔焊的镍基合金，特别适合于薄件和小截面构件。保护气体最常用的是氩气，它成本低，密度大，保护效果好。氩气中加5％氢气，有还原作用，一般只用于第一层焊道和单道焊，多层焊的其余焊道可能要产生气孔。氦气保护焊应用较少，但有如下特点，氦气导热大，向熔池线能量比较大，能提高焊接速度，减少了气孔的可能性，但氦弧焊，电流小于60A时，电弧不稳定。

钨极气体保护焊焊一般使用直流正接，采用高频引弧以及电流衰减的收弧技术。在保证焊透的条件下，应采用较小的焊接线能量，多层焊时应控制层间温度，焊接析出强化合金及热裂纹敏感性大的合金时，更要注意控制层间温度。弧长尽量短，薄件焊接时焊可不作摆动，但厚板多层焊时，为使熔敷金属与母材及前道焊缝充分熔合，焊仍可适当的摆动。为保证单面焊完全焊透需要用带凹形槽的铜衬垫，通以保护气体进行反面保护。为加强焊接区的保护效果，也可在焊嘴后侧加一辅助输入保护气体的拖罩。

② 使用焊条电弧焊时焊接镍基合金时，由于焊条含合金元素多，且要求防止热裂纹，一般镍

基合金焊条的药皮类型为碱性药皮，采用直流反接。为了防止合金元素的烧损和控制线能量，焊接时要求尽可能采用小规范，与同规格的不锈钢焊条相比，电流可降低20％ ~ 30％。由于液态金属的流动性差，为防止未熔合和气孔等缺陷，一般要求在焊接过程中适当摆动，但不能过大。在焊缝接口再引弧时，应采用反向引弧技术，以利调整接口处焊缝平滑并且能有利于抑制气孔的发生。采用逆向收弧，把弧坑填满，防止弧坑裂纹，必要时要对弧坑进行打磨。

二、钛及钛合金的焊接

钛及钛合金具有良好的耐腐蚀性能，在氧化性、中性及有氯离子介质中，其耐腐蚀性优于不锈钢，有时甚至为普通奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti的10倍。工业纯钛塑性好，但强度较低，具有良好的低温性能，其线膨胀系数和热导率都不大，这都不会给焊接带来困难。钛合金的比强度大，又具有良好的韧性和焊接性，在航天工业中应用最为广泛。钛及钛合金在我国现行标准中按其退火态的组织分为α钛合金、β钛合金和α+β钛合金三类，分别用TA、TB和TC表示。在石化行业中的压力容器设备中，牌号为TA2这种工业纯钛使用为居多。 1. 钛及钛合金的焊接特点 ① 杂质元素的沾污引起脆化

钛是一种活性元素，特别是在焊接高温下非常容易吸收氮、氢、氧，从而使焊缝的硬度、强度增加，塑性、韧性降低，引起脆化。碳也会与钛形成硬而脆的TiC，易引起裂纹。因此，钛及钛合金焊接时必须进行有效的保护，防止空气或其他因素的污染。因此钛及钛合金焊接不能采用气焊或焊条电弧焊方法进行，否则接头满足不了焊接质量要求，一般只能采用氩气保护或在真空下焊接。

② 焊接相变引起的接头塑性下降

常用的工业纯钛为α合金，焊接时由于钛导热差、比热小、高温停留时间长、冷却速度慢，易形成粗大结晶；若采用加速冷却，又易产生针状α组织，也会使塑性下降。 ③ 产生焊接裂纹

钛合金焊接时产生的焊接热裂纹的几率极小，只有当焊丝或母材质量不问题时才可能产生热裂纹。由氢引起的冷裂纹是钛合金焊接时应注意防止的，焊接时熔池和低温区母材中的氢向热影响区扩散，引起热影响区含氢量增加，造成热影响区出现延迟裂纹。 ④ 气孔

钛及钛合金焊接时气孔是最常见的焊接缺陷。焊丝或母材表面清理不干净或氩气不纯都会造成气孔产生，因此保护气-氩气纯度要求在％ 以上，焊丝及工件表面要酸洗、净水冲洗后烘

干。

2. 钛及钛合金的钨极氩弧焊

钛及钛合金焊接时采用最多的就是钨极氩弧焊，对于较厚的工件也可采用熔化极氩弧焊，对于技术要求严格的航天工业中一些重要设备经常也采用真空电子束焊接。

① 焊丝的选用。焊丝的选用应使在正常焊接工艺下的焊缝在焊后状态的抗拉强度不低于母材退火状态的标准抗拉强度下限值，焊缝焊后状态的塑性和耐蚀性能不低于退火状态下的母材或与母材相当，焊接性能良好，能满足钛容器制造和使用的要求。

焊丝中的氮、氧、碳、氢、铁等杂质元素的标准含量上限值应大大低于母材中杂质元素的标准含量上限值。不允许从所焊母材上裁条充当焊丝，应采用JB/T 4745-2002《钛制焊接容器》中附录D中的焊丝用作钛容器用焊丝。杂质元素含量不高于JB/T 4745-2002中附录D的其他标准的焊丝也可使用。母材牌号与推荐所用焊丝牌号表列于表10-8中。

表10-8 钛及钛合金推荐焊材

母材牌号 推荐所用焊丝牌号 TA0、TA1-A STA0R TA1 STA1R TA2 STA2R TA3 STA3R TA9 STA9R TA10 STA10R 一般情况下可按表10-8根据所焊母材牌号来选择相应的焊丝牌号，并通过JB/T 4745-2002中附录B的焊接工艺评定验证。

不同牌号的钛材相焊时，一般按耐蚀性能较好和强度级别较低的母材去选择焊丝材料。 ② 保护气体的选用。焊接用氩气纯度不应低于％，露点不应高于-50℃，且符合GB 4842-1984的规定。当瓶装氩气的压力低于时不宜使用。

③ 钨极。钨极氩弧焊时推荐采用铈钨电极。电极直径应根据焊接电流大小选择，电极端部应为圆锥形。

钛及钛合金氩弧焊时，最关键的是要将焊接高温区与空气隔离开，为了有效地进行保护，焊炬喷嘴、拖罩和背面保护装置通以适量流量的氩气是极其重要的。焊缝及近缝区颜色是衡量保护效果的标志，银白色、浅黄色表示保护效果好，深黄色为轻微氧化，一般情况下还是允许的，金紫色表示中度氧化，深蓝色表示严重氧化，至于灰白色是绝对不允许的，表示焊缝已经变质，必须报废重焊。 三、铝及铝合金的焊接

压力容器中常用纯铝、铝-锰合金和铝-镁合金。铝锰合金仅可变形强化，其强度比纯铝略高，成形工艺及耐蚀性、焊接性好。铝镁合金仅可变形强化，其ω(Mg)一般为 ％ ~ ％ ，与其

他铝合金相比，铝镁合金具有中等强度，其延性、焊接性能、耐蚀性良好。

铝在空气和氧化性水溶液介质中，表面产生致密的氧化铝钝化膜，因而在氧化性介质中具有良好的耐蚀性。铝在低温下与铁素体钢不同，不存在脆性转变，铝容器的设计温度可达-269℃。 1. 铝及铝合金焊接特点

铝极易氧化，在常温空气中即生成致密的A12O3薄膜，焊接时造成夹渣，氧化铝膜还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。焊接时，对熔化金属和高温金属应进行有效的保护。 铝的线膨胀系数约为钢的2倍，铝凝固时的体积收缩率也比钢大得多，铝焊接时熔池容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较高的内应力。

铝及铝合金液体熔池易吸收氢等气体，当焊后冷却凝固过程中来不及析出，在焊缝中形成气孔。

当母材为变形强化或固溶时效强化时，焊接热影响区强度将下降。 2. 焊接方法

铝及铝合金适用的方法很多，压力容器上施焊时，经常采用钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊，这两种焊接方法热量比较集中，电弧燃烧稳定，由于采用隋性气体，保护良好，容易控制杂质和水分来源，减少热裂纹和气孔的发生，焊缝质量优良，钨极氩弧焊一般用于薄板，熔化极气体保护焊用于厚板。 3. 焊丝材料

选用的焊丝应使焊缝金属的抗拉强度不低于母材(非热处理强化铝为退火状态，热处理强化铝为指定值)的标准抗拉强度下限值或指定值，并使焊缝金属的塑性和耐蚀性不低于或接近于母材，或满足图样要求。

为保证焊缝的耐蚀性，在焊接纯铝时宜用纯度与母材相近或纯度比母材稍高的焊丝。在焊接铝镁合金或铝锰合金等耐蚀铝合金时，宜采用含镁量或含锰量与母材相近或比母材稍高的焊丝。

焊丝可从GB/T 10858-19《铝及铝合金焊丝》中选取，也可从化学成分与变形铝及铝合金相同(符合GB/T 3190-1996《变形铝及铝合金化学成分》)的丝材中选取，如按(GB/T 3197-2001《焊条用铝合金线》。

常用的保护气体有氩气和氮气，其气体纯度应大于％。

由于铈钨极化学稳定性好，阴极斑点小，压降低，烧损少，易于引弧，电弧稳定性好。宜选用铈钨极。

三、铜及铜合金的焊接

常用的铜及铜合金有四种：纯铜，黄铜，青铜和白铜。在压力容器中纯铜与黄铜使用较多。 纯铜是ω(Cu)不低于％ 的工业纯铜，具有良好的导电性、导热性，良好的常温和低温塑性，以及对海水等的耐腐蚀性，纯铜中的杂志如氧、硫、铋等都不同程度地降低纯铜的优良性能，增加材料的冷脆性和接头中出现热裂纹的倾向。黄铜系铜和锌组成的二元合金，黄铜与纯铜强度、硬度和耐腐蚀能力都高，且具有一定塑性，能很好承受热加工和冷加工，ω(Zn)在< 30％ ~ 40％ 的黄铜具有α相与少量的β相，因而提高了强度、塑性、耐蚀性、但对焊接性不利。 1. 铜及铜合金焊接特点

铜及铜合金导热率高，线胀系数和收缩率大，当焊接线能量不足时，则容易产生未熔合、未焊透，焊后变形也较严重，外观成形差。焊接时，铜能与其中杂质生成多种低熔点共晶，在焊接应力作用下产生热裂纹，杂质中以氧的危害性最大。

熔焊铜及铜合金时，由于溶解的氢和氧化还原反应引起气孔，几乎分布在焊缝的各个部位。同时，由于晶粒严重长大，杂质和合金元素的掺人，有用合金元素的氧化、蒸发，使焊接接头性能发生很大的变化。 2. 焊接方法

焊接铜及铜合金需要大功率、高能束的熔焊热源，热效率越高，能量越集中愈有利，不同厚度的材料对于不同焊接方法有其适应性，薄板焊接以钨极氩弧焊、焊条电弧焊和气焊为好，中板以熔化极气体保护焊和电子束焊较合适，厚板则建议使用埋弧焊、MIG焊和电渣焊。 3. 焊接材料 ① 焊条

焊条电弧焊用焊条分为纯铜、青铜两类，由于黄铜中的锌容易蒸发，因而极少采用焊条电弧焊。纯铜焊条型号ECu为低氢型药皮，用于焊接脱氧或无氧铜结构件，在大气及海水中具有良好的耐腐蚀性。 ② 埋弧焊用焊丝与焊剂

埋弧焊的特点是电热效率高，对熔池的保护效果好。大、中厚度铜焊件的焊接工艺与钢基本相同，可选用高硅高锰焊剂HJ431，但可能发生合金元素向焊缝过渡，对接头性能要求高的焊件宜选用HJ260、HJ150。焊丝则选用纯铜焊丝、青铜焊丝、焊接纯铜和黄铜。 ③ 气体保护焊用焊丝

铜薄板和中板焊接，使用气保焊逐渐取代气焊、焊条电弧焊，电极一般采用钍钨极(EWTh-2)。焊接纯铜，一般选用含有ω(Si) ％，ω(P) ％或ω(Ti) ％ ~ ％脱氧剂的无氧铜焊丝，如HSCu。焊接普通黄铜，采用无氧铜加脱氧剂的锡青铜焊丝，如HSCuSn。对高强度黄铜则采用

青铜加脱氧剂的硅青铜焊丝或铝青铜焊丝，如：HSCuAl、HSCuSi等。

保护气体则选用氩气(Ar)或Ar+He(Ar+He混合比50/50或30/70)，采用Ar+He混合气体的最大优点是可以改善焊缝金属的润湿性，提高焊接质量。由于氦气保护时输入热量比氩气保护时大，故可降低预热温度。 4. 焊接工艺

① 焊前要预热或在焊接过程中采取同步加热的措施。

② 严格铜中的杂质含量，通过焊丝加人硅、锰、磷等合金元素，增加对焊缝的脱氧能力，选用能获得α+β组织的焊丝等措施防止焊接接头裂纹与减少气孔。 ③ 控制焊后冷却速度，防止焊接变形。

第五节 压力容器中异种钢的焊接

一、 异种钢焊接概述及其焊接特点

两种牌号不同的钢之间的焊接称之为异种钢焊接，它是属于异种金属焊接中应用最为广泛的一类接头。

对于异种钢焊接接头又可分为两种情况，第一类为同类异种钢组成的接头，这类接头的两侧母材虽然化学成分不同，但都属于铁素体类钢或都属于奥氏体类钢；第二类接头为异类异种钢组成，即接头两侧的母材不属于同一类钢，例如一侧为铁素体类钢，另一侧为奥氏体类钢(如奥氏体不锈钢)。对于母材都属于铁素体类钢，其焊缝采用奥氏体不锈钢焊条或镍基焊条焊接的接头，也属于第二类接头。

由于异种钢接头两侧的母材无论从化学成分上还是物理、化学性能上都存在着差异，因此，焊接时，要比同一种钢自身之间的焊接要复杂得多。异种钢焊接时存在以下焊接特点： ① 接头中存在着化学成分的不均匀性

异种钢焊接接头的化学成分不均匀性及由此而导致的组织和力学性能不均匀性问题极为突出，特别是对于第二类异种钢接头更是如此。不仅焊缝与母材的成分往往不同，就连焊缝本身的成分也是不均匀的，这主要是由于焊接时稀释率的存在所造成的。这种化学成分的不均匀性对接头的整体性能影响较大。 ② 接头熔合区组织和性能的不稳定性

在母材与焊缝金属之间的熔合区由于存在着明显的宏观化学成分不均匀性，因此就引起组织极大的不均匀性，给接头的物理化学性能、力学性能带来很大影响。比如用奥氏体不锈钢焊条焊接低合金钢与奥氏体不锈钢之间的异种钢接头，在熔合区就存在着“碳迁移”现象，使熔合区靠焊缝一侧形成增碳层，而低合金钢一侧形成脱碳层，在此区域内硬度变化剧烈，同

时力学性能下降，甚至引起开裂。 ③ 焊后热处理是较难处理的问题

异种钢接头的焊后热处理是一个比较难处置的问题，如果处置不当，会严重损坏异种钢接头的力学性能，甚至造成开裂。例如对于同类异种钢接头，一侧母材强度较低，要求的焊后热处理温度也较低，而另一侧母材强度及合金元素含量较高，要求的焊后热处理温度较高，此时如果PWHT温度选择不当，会使强度低的一侧母材强度下降过度。 二、 异种钢焊接工艺要点 1. 焊材选择

正确地选用焊材是焊接异种钢的关键，焊接接头的质量和使用性能与所选用的焊材密切相关。 异种钢接头的焊缝和熔合区，由于合金元素被稀释及碳的迁移等原因存在一个过渡区，过渡区中不但化学成分、金相组织不均匀，而且物理性能、力学性能等通常也有很大差异，可能会引起焊接缺陷(如裂纹等)或严重降低性能。为此必须按照母材的成分、性能、接头形式和使用要求等来正确选用焊材。其焊材选用的基本原则有以下几点：

① 在焊接接头不产生裂纹等缺陷的前提下，若焊缝金属的强度和塑性不能兼顾时，则应选用塑性和韧性较好的焊材。

② 焊缝金属性能只需要符合两种母材中的一种，即可认为满足使用技术要求。一般情况下，选用焊材使焊缝金属的力学性能及其他性能不低于母材中性能较低一侧的指标，即认为满足了技术要求。但在某些情况下还应从焊接工艺性能(如抗裂性等)方面来考虑。

③ 结构钢的异种钢号焊接时，对相同强度等级的结构钢焊条，一般应选用抗裂性能好的低氢焊条。对于金相组织差别比较大的异种钢接头，如珠光体－奥氏体异种钢接头，则必须充分考虑填充金属受到稀释后焊接接头性能仍然得到保障。

④ 在满足性能要求的条件下，选用工艺性能好、价低、易得的焊材。

⑤ 对于异类异种钢接头，一般均选用高铬镍奥氏体不锈钢焊条或镍基合金焊条。对于工作条件苛刻的重要接头，首推选用镍基合金焊条，因为虽然它价格较贵，但可以减少或避免碳迁移，且其焊缝金属的线膨胀系数介于铁素体钢和奥氏体钢之间，对接头的组织及力学性能都有好处。 2. 焊接预热要求

预热温度的确定，一般按预热要求高的一侧来确定焊接预热温度，但对于异类异种钢接头，可以适当降低预热温度，必要时经试验后确定。 3. 焊接规范的确定

对于异类异种钢接头，在选择焊接规范时，因设法降低熔合比。为此，应选择小直径焊条或焊丝，尽量选用小电流快速焊。 4. 采用预堆边焊的方法进行焊接

有时为了解决异种钢接头预热和焊后热处理难的问题，往往采用预堆边焊的方法进行焊接，如图10-8。

其工艺顺序为：在需要热处理的一侧母材坡口先预堆边焊1 ~2层与焊缝同种钢的焊条→此侧进行PWHT→冷态焊接整个焊缝，然后接头不再进行PWHT。

图10-8 预边堆焊示意图

这种做法，可减少熔合区成分不均匀所带来的一些问题，也给接头的热处理带来方便，但切记此时预堆边焊层的厚度一定要保证大于或等于4mm，以起到隔离层的作用。 5. 焊后热处理温度的确定

一般是按照热处理温度要求高的一侧母材来选定异种钢接头的PWHT温度，此时一定要事先做焊接工艺评定，以防使强度低的一侧母材强度严重下降，出现强度不合格。 三、 复合钢板的焊接

复合钢板是由不锈钢、镍基合金、铜基合金或钛板为复层，珠光体钢为基层，以爆炸焊、复合轧制、堆焊等方法制成的双金属板材。复合钢板的基层应满足接头强度和刚度的要求，复层应满足耐蚀等要求。

为了保证复合钢板不失去原有的综合性能，对基层和复层必须分别进行焊接，其焊接性、焊材选择、焊接工艺等由基层、复层材料决定。

基层和复层交界处的焊接属异种钢焊接，其焊接性主要取决于基层和复层的物理性能、化学成分、接头形式、填充金属成分。凡是异种钢焊接存在的问题在复合钢板焊接时同样存在，为此本节只阐述复合钢板焊接时应注意的一些问题。目前应用较多的是奥氏体不锈钢为复层、珠光体为基层的复合钢板，其次是铁素体钢为复层、珠光体为基层的复合钢板。 1. 焊接方法

根据复合钢板材质、接头厚度、坡口尺寸及施焊条件等确定焊接方法，通常有焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、CO2气体保护焊及等离子弧焊等。目前常用钨极氩弧焊或焊条电弧焊焊接复层，用埋弧焊或焊条电弧焊焊接基层。 2. 坡口形式

对接接头坡口形式见JB/T 4709《钢制压力容器焊接规程》图A1。可采用V形、X形、V和U

联合形坡口。也可以在接头背面一小段距离内进行机械加工，去掉复层金属，以确保焊基层焊道时不使基层焊肉焊到复层上。一般尽可能采用X形坡口双面焊，先焊基层，再焊过渡层，最后焊复层。以保证焊接接头具有较好的耐腐蚀性。同时考虑过渡层的焊接特点，尽量减少复层一侧的焊接工作量。

角接接头坡口形式见JB/T 4709《钢制压力容器焊接规程》中图A2。无论复层位于内侧或外侧，均先焊接基层。复层位于内侧时，在焊复层以前应从内侧对基层焊根进行清根。复层位于外侧时，应对基层最后焊道进行修磨光。焊复层时，先焊过渡层，再焊复层。 当复层金属的熔化温度高于基层钢的熔化温度，而且两种金属在冶金上不相容时，复层金属必须采用衬垫以保持复层的完整性。在基层焊完后，用角焊缝将衬垫与复层焊接起来。 3. 填充金属选择

基层采用适宜的填充金属进行焊接，使接头具有预期使用所需要的力学性能。在大多数情况下，选用合适的中间填充金属作为钢的过渡层，从而控制复层金属最终焊道的含铁量，避免复层和基层处焊道产生脆化、裂纹等，保证复层焊道的耐蚀、耐磨等特殊性能。 4. 焊接顺序及焊材选用

① 通常先焊基层，第一道基层(碳钢、低合金钢)焊缝不应熔透到复层金属，以防焊缝金属发生脆化或产生裂纹。措施是采用合适的接头设计，钢焊缝金属熔透；从接头背面去除复层，这当然也增加了焊复层的工作量，提高了焊接成本。

② 焊(堆焊)复层一侧时，必须考虑稀释的影响。无论哪一种堆焊方法，第一层堆焊的焊缝金属都是由堆焊材料的熔敷金属和熔入的母材金属熔合而成的。由于母材的合金元素含量很低，所以它对第一层焊缝金属的合金成分具有稀释作用。因此，可能使焊缝金属中奥氏体和铁素体形成元素含量不足，结果堆焊金属可能出现大量的马氏体组织，并可能产生裂纹，同时导致堆焊层韧性降低。

下面以手工电焊条为例说明。手工电焊条的熔合比一般是20％左右。如用308型焊条(Cr18％、Ni 8％)型的电焊条，经母材稀释以后，堆焊的焊缝金属成分将变成15-7型，这样焊缝中可能是奥氏体+马氏体组织。若在实际操作中熔合比控制较大时，就有可能在焊缝中产生大量的脆硬马氏体，这样的堆焊层无论力学性能、耐蚀性能，还是抗裂性能都很差。由于稀释作用，焊缝中的Ni含量较低，在熔合线附近产生较宽的马氏体过渡层。同样的堆焊方法，若选用309型的堆焊材料，经母材稀释后，堆焊的焊缝金属成分是19-9或18-8型，这样第一层就基本达到堆焊成分的要求，而且焊缝组织是奥氏体+铁素体组织，这样焊缝金属就具有较高的抗热裂性能和抗腐蚀性能。

所以在焊接复合板的复层时，应选择合适的填充金属先堆焊一层或多层过渡层，然后再焊复层。过渡层的填充金属必须能容许基层钢的稀释。以压力容器常见的16MnR+304复合板为例，焊接复层时通常采用309型焊材先堆焊一层，然后用308型焊材焊盖面层。

③ 根部可用碳弧气刨、铲削或磨削法进行清根。在堆焊过渡层前，必须清除清根坡口中的任何残余物。

④ 要焊后热处理以消除焊接残余应力，选择热处理温度时应考虑：基层和复层的热处理规范的差异；对复层耐蚀性的影响；基层和复层界面的元素扩散是否会产生脆性相，导致钢板性能恶化；由于基层和复层的物理性能差异，热处理冷却过程产生残余应力，沿厚度方向在复层上形成拉伸应力，导致复层产生应力腐蚀开裂等。

消除应力热处理可在焊完基层后进行，然后焊过渡层，再焊复层。热处理温度取下限，延长保温时间。

第七节 加氢反应器的焊接制造

一、概述

加氢反应器是炼油化工行业中加氢装置的核心设备，工作条件十分苛刻，要求设备既耐高温(约400 ~ 450℃)、高压(8 ~ 18MPa)，还要能抗氢腐蚀，为此，一般选用Cr-Mo耐热钢制造壳体，有的选用或1．，但更多的选用钢，为了适应更高温和抗氢性能更苛刻的条件，近年来又研制了及制造热壁加氢反应器。

从结构形式讲，加氢反应器分冷壁加氢反应器和热壁加氢反应器，20世纪60年代初由于冶炼水平与制造水平有限，加氢反应器多数冷壁结构形式，即在反应器内衬上很厚的大颗粒珍珠岩混凝土保温层以保证反应器壳体的壁温不致过热。20世纪70年代以后随着技术的不断发展逐渐由冷壁加氢反应器转向热壁加氢反应器。热壁加氢反应器克服了冷壁反应器的不足，内壁不需要衬保温层，具有有效体积利用率高、施工周期短、生产维护方便、安全可靠等特点，因此为世界各国普遍采用并且向大型化发展。 二、加氢反应器的焊接

现以最典型的加氢用钢制造的热壁加氢反应器壳体作为焊接实例介绍加氢热壁反应器的焊接。

某石化总厂一台直径为Φ1 800mm，壁厚δ=108mm，长度为30869mm的热壁加氢反应器，图10-9。主壳体包括筒体、封头，全部采用钢板制造，接管法兰、弯管、直管全部采用锻件制造，所有部件内壁堆焊双层不锈钢(309L+347L)耐蚀层。

图10-9 热壁加氢反应器简图

在产品制造前，应按产品技术条件和JB 4708《钢制压力容器焊接工艺评定》进行以下评定： ① 用于筒体纵、环缝埋弧焊工艺评定一项；

② 用于接管法兰环缝、弯管间环缝手工钨极氩弧焊、焊条电弧焊工艺评定各一项； ③ 用于接管法兰与壳体焊接焊条电弧焊工艺评定一项； ④ 用于筒体内壁带极堆焊工艺评定一项； ⑤ 用于封头内壁带极堆焊工艺评定一项；

⑥ 用于Φ内<100mm的小管径内壁自动钨极氩弧堆焊工艺评定一项； ⑦ 用于弯管内壁自动钨极氩弧焊工艺评定一项；

⑧ 用于Φ内≥100mm接管内壁不锈钢药芯焊丝自动堆焊一项； ⑨ 焊条电弧焊堆焊工艺评定一项；

以工艺评定以依据，编制指导产品生产的焊接工艺规程。其主要零部件及主壳体焊接工艺规程如下： 1. 筒体纵、环缝 ① 筒体材料 (钢板) ② 焊接位置 平焊

③ 焊接方法 窄间隙埋弧自动焊+埋弧自动焊

④ 焊材 焊丝：US-521S(日本神钢) Φ4。焊剂：PF-200(日本神钢)。焊条（装配、点焊用）：CMA-106N(日本神钢) Φ4或Φ5

⑤ 焊接工序 焊接坡口100％干磁粉(MT)检测→预热(预热温度≥200℃)→装配、点焊→窄

间隙埋弧自动焊→焊接外坡口(层间温度200 ~ 250℃)→内坡口碳弧气刨并打磨至露出金属光泽→内坡口清根部位100％干磁粉(MT)检测→内坡口埋弧自动焊(层间温度200 ~ 250℃) →后热(200 ~ 300℃×2h) →24 h后无损检测(100％MT+100％UT+100％RT)。 ⑥ 焊接参数 焊接电流I=500 ~ 550A； 焊接电压U=28 ~ 30V； 焊接速度v=360 ~ 400mm/min。 2. 接管与法兰焊接 ① 材料 (锻件)。 ② 焊接位置 水平转动。

③ 焊接方法 手工钨极氩弧焊打底+焊条电弧焊。

④ 焊材 氩弧焊焊丝TGS-2CM(日本神钢) Φ。焊条：CMA-106N(日本神钢) Φ4或Φ5。 ⑤ 焊接工序 焊接坡口100％干磁粉(MT)检测→预热(预热温度≥200℃) →装配、点焊→手

工钨极氩弧焊打底(两层、层间温度200 ~ 250℃)→焊条电弧焊盖面→后热(200 ~ 300℃×2h) →24 h后无损检测(100％MT+100％UT+100％RT)。 ⑥ 焊接参数

a. 手工钨极氩弧焊 电流I=160 ~ 180A；电压U=15 ~ 17V；速度v= 80mm/min；氩气流量

16 ~ 18L/min；钨极直径D=2.4mm。

b. 焊条电弧焊 电流IΦ4=170 ~ 190A；电流IΦ5=190 ~ 210A；电压UΦ4、Φ5=22 ~ 26V；焊接

速度vΦ4=130 ~ 150mm/min；焊接速度vΦ5=140 ~ 160mm/min。 3. 接管法兰与封头焊接 ①接管与下封头焊接

a. 材料 接管(钢板)，封头(钢板)。 b．焊接位置 平焊。

c．焊接方法 双面焊条电弧焊。

d．焊材材料 CMA-106N(日本神钢) Φ3.2mm，Φ4mm，Φ5mm。

e．焊接工序 焊接坡口100％干磁粉(MT)检测→预热(预热温度≥200℃) →装配、点焊→外坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃，先用Φ3.2mm焊条打1~2层底，再用Φ4mm焊条焊两层，然后用Φ5mm焊条施焊)焊至外坡口1/3处→内坡口碳弧气刨并打磨至露出金属光泽→内坡口清根部位100％干磁粉(MT)检测→内坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃) →外坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃) →后热(200 ~ 300℃×2h) →24 h后无损检测(100％MT+100％UT+100％RT)。

f．焊接参数 电流IΦ=90 ~ 120A；电流IΦ4=170 ~ 190A；电流IΦ5=190 ~ 210A，电压UΦ=20 ~ 24V；电压UΦ4、Φ5=22 ~ 26V；焊接速度vΦ=100 ~ 120mm/min；焊接速度vΦ4=130 ~ 150mm/min；焊接速度vΦ5=140 ~ 160mm/min。 ② 大法兰接管与上封头焊接 a. 材料 接管(锻件)，封头(钢板)。 b．焊接位置 平焊。

c．焊接方法 埋弧自动焊+焊条电弧焊。

d．焊材材料 焊丝US-521S(日本神钢) Φ4。焊剂：PF-200(日本神钢)。焊条：CMA-106N(日本神钢) Φ4mm，Φ5mm。

e．焊接工序 焊接坡口100％干磁粉(MT)检测→预热(预热温度≥200℃) →装配、点焊→外坡口埋弧自动焊(层间温度200 ~ 250℃)→内坡口清根部位100％干磁粉(MT)检测→内坡口焊

条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃) →内坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃) →后热(200 ~ 300℃×2h) →24 h后无损检测(100％MT+100％UT+100％RT)。 f．焊接参数

焊条电弧焊 电流IΦ4=170 ~ 190A；电流IΦ5=190 ~ 210A，；电压UΦ4、Φ5=22 ~ 26V；焊接速度vΦ4=130 ~ 150mm/min；焊接速度vΦ5=140 ~ 160mm/min。

埋弧自动焊 焊接电流I=500 ~ 550A； 焊接电压U=28 ~ 30V； 焊接速度v=360 ~ 400mm/min。 4. 接管法兰与筒体焊接 ① 大法兰接管与筒体焊接

a. 材料 接管(锻件)，筒体(钢板)。 b．焊接位置 平焊。

c．焊接方法 埋弧自动焊+焊条电弧焊。

d．焊材材料 焊丝US-521S(日本神钢) Φ。焊剂：PF-200(日本神钢)。焊条：CMA-106N(日本神钢) Φ4mm，Φ5mm。

e．焊接工序 焊接坡口100％干磁粉(MT)检测→预热(预热温度≥200℃) →装配、点焊→外坡口埋弧自动焊(层间温度200 ~ 250℃，焊至外坡口1/3处)→内坡口碳弧气刨并打磨至露出金属光泽→内坡口清根部位100％干磁粉(MT)检测→内坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃) → 外坡口埋弧自动焊(层间温度200 ~ 250℃) →后热(200 ~ 300℃×2h) →24 h后无损检测(100％MT+100％UT+100％RT)。 f．焊接参数

焊条电弧焊 电流IΦ4=170 ~ 190A；电流IΦ5=190 ~ 210A，；电压UΦ4、Φ5=22 ~ 26V；焊接速度vΦ4=130 ~ 150mm/min；焊接速度vΦ5=140 ~ 160mm/min。

埋弧自动焊 焊接电流I=300 ~ 380A； 焊接电压U=28 ~ 32V； 焊接速度v=360 ~ 400mm/min。 ② 小接管法兰与筒体焊接

a. 材料 接管(锻件)，筒体(钢板)。 b．焊接位置 平焊。

c．焊接方法 双面焊条电弧焊。

d．焊材材料 CMA-106N(日本神钢) Φ3.2mm，Φ4mm，Φ5mm。

e．焊接工序 焊接坡口100％干磁粉(MT)检测→预热(预热温度≥200℃) →装配、点焊→外坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃，先用Φ3.2mm焊条打1 ~ 2层底，再用Φ4mm焊条焊两层，然后用Φ5mm焊条施焊)焊至外坡口1/3处→内坡口碳弧气刨并打磨至露出金属光泽

→内坡口清根部位100％干磁粉(MT)检测→内坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃) →外坡口焊条电弧焊(层间温度200 ~ 250℃) →后热(200 ~ 300℃×2h) →24 h后无损检测(100％MT+100％UT+100％RT)。

f．焊接参数 电流IΦ=90 ~ 120A；电流IΦ4=170 ~ 190A；电流IΦ5=190 ~ 210A，电压UΦ=20 ~ 24V；电压UΦ4、Φ5=22 ~ 26V；焊接速度vΦ=100 ~ 120mm/min；焊接速度vΦ4=130 ~ 150mm/min；焊接速度vΦ5=140 ~ 160mm/min。 5. 90°弯管间环缝焊接 a. 材料 (锻件)。 b．焊接位置 水平转动。

c．焊接方法 手工钨极氩弧焊+焊条电弧焊。 d．焊材材料 见表10-9

表10-9 90°弯管间环缝焊材

焊接层 牌号 基层 焊丝 TGS-2CM 焊条 CMA-106N 焊材 规格/mm Φ Φ4 Φ5 过渡层 面层 焊接层 牌号 焊条E309L 焊条E347L 焊材 规格/mm Φ4 Φ4 e．焊接工序 焊接坡口100％干磁粉(MT)检测→预热(预热温度≥200℃) →装配、点焊→手工钨极氩弧焊打底(两层、层间温度200 ~ 250℃)→焊条电弧焊盖面→后热(200 ~ 300℃×2h) →24 h后无损检测(100％MT+100％UT+100％RT)。 f．焊接参数

手工钨极氩弧焊 焊接电流I=160 ~ 180A； 焊接电压U=15 ~ 17V； 焊接速度v=80mm/min；氩气流量16 ~ 18L／min；钨极直径D=2.4mm。

焊条电弧焊 电流IΦ4=170 ~ 190A；电流IΦ5=190 ~ 210A，；电压UΦ4、Φ5=22 ~ 26V；焊接速度vΦ4=130 ~ 150mm/min；焊接速度vΦ5=140 ~ 160mm/min。 6. 内壁耐蚀层堆焊 ① 封头内壁堆焊

a. 堆焊位置 平焊(堆焊时将封头放置于变位机上，堆焊时保证堆焊位置始终处于平焊状态)。

b. 堆焊方法 埋弧带极堆焊 c. 堆焊材料 见表10-10

表10-10 封头内壁耐蚀层堆焊焊材

堆焊层 过渡层 面层 焊带牌号 309L 347L 规格/mm 50× 50× 焊带产地 进口 进口 焊剂牌号 HJ107 HJ107Nb 焊剂产地 国产 国产 注意因封头是曲面，采用HJ107、HJ107Nb焊剂与同类型进口焊剂相比，其熔深大，使堆焊层结合面不容易产生夹渣，堆焊质量好。

d. 堆焊工序 预热封头(预热温度≥150℃) →埋弧带极堆焊过渡层→后热(250 ~ 300℃×2h) →堆焊层表面着色检查(PT) →埋弧带极堆焊面层→堆焊层表面着色检查(PT) →结合面无损检测(UT)。

e. 焊接参数 干伸长：15mm。焊道搭接量：6mm。过渡层：电流I=700 ~ 800A，电压U=30 ~ 32V，焊接速度v=175mm/min。盖面层：电流I=700 ~ 800A，电压U=30 ~ 32V，焊接速度v=165mm /min。

② 筒体内壁堆焊 a. 堆焊位置 平焊。

b. 堆焊方法 埋弧带极堆焊(也可采用电渣堆焊)。 c. 堆焊材料 见表10-11

表10-11 筒体内壁耐蚀层堆焊焊材

堆焊层 过渡层 面层 焊带牌号 309L 347L 规格/mm 75× 75× 焊带产地 进口 进口 焊剂牌号 PFB-1 PFB-1FK 焊剂产地 日本神钢 日本神钢 d. 堆焊工序 预热筒体(预热温度≥150℃) →埋弧带极堆焊过渡层→后热(250 ~ 300℃×2h) →堆焊层表面着色检查(PT) →埋弧带极堆焊面层(温度≤100℃)→堆焊层表面着色检查(PT) →结合面无损检测(UT)。

e. 焊接参数 干伸长：15mm。焊道搭接量：5 ~ 10mm。过渡层：电流I=950 ~ 1050A，电压U=26 ~ 28V，焊接速度v=175mm/min。盖面层：电流I=950 ~ 1050A，电压U=26 ~ 28V，焊接速度v=165m m/min。 ③ 小接管内壁堆焊 a. 材料 (锻件)。 b. 堆焊位置 平焊

c．焊接方法 自动钨极氩弧堆焊。

d．焊材材料 见表10-12

表10-12 小接管内壁堆焊材料

堆焊层 过渡层 面层 焊丝牌号 309L 347L 规格/mm Φ Φ 焊丝产地 进口 进口 钨极直径/mm Φ Φ 保护气体 Ar Ar e. 堆焊工序 预热接管(预热温度≥150℃) →自动钨极氩弧堆焊过渡层→后热(250 ~ 300℃×2h) →过渡层可探部位表面着色检查(PT) →自动钨极氩弧堆焊面层→面层表面可探部位着色检查(PT)。 f. 堆焊参数 见表10-13

表10-13 小接管内壁堆焊参数

焊接 电流 焊 摆 幅 /mm 氩气流量L/min 基值 峰值 基值 峰值 基值 峰值 I/A 焊接电压 U/V 送丝速度 mm/min 预气时间 /s 电流上升时间 /s 延时堆焊时间 /s 电流衰减时间 /s 氩气滞后时间 /s 焊外侧停留时间 /s 6 12 80 180 145 185 焊内侧停留时间 /s 78 焊移动时间 /s 脉冲 频率 -1脉冲幅比 /s /% 注1.过渡层零件旋转速度：n=v焊/πd(r/min)，其中v焊=100mm/min，d为工作半径，mm。 2. 盖面层焊接时，零件转速比过渡层慢 = ~ r/min。

④ 90°弯管内壁堆焊 a. 材料 (锻件)。 b. 堆焊位置 平焊

c．焊接方法 自动钨极氩弧堆焊。 d．焊材材料 见表10-14

表10-14 90°弯管内壁堆焊焊材

堆焊层 过渡层 面层 焊丝牌号 309L 347L 规格/mm Φ Φ 焊丝产地 进口 进口 钨极直径/mm Φ Φ 保护气体 Ar Ar e. 堆焊工序 将90°弯管均分割为3段→预热30°弯管 (预热温度≥150℃) →自动钨极氩弧堆焊过渡层→后热(250 ~ 300℃×2h) →堆焊层表面着色检查(PT) →自动钨极氩弧堆焊面层→堆焊层表面着色检查(PT) →结合面无损检测(UT)。

f. 堆焊参数 见表10-15

表10-15 小接管内壁堆焊参数

焊接 电流 I/A 焊 摆幅 /mm 氩气流量L/min 基值 峰值 基值 峰值 基值 峰值 焊接电压 U/V 送丝速度 mm/min 预气时间 /s 焊电流上升时间 /s 延时堆焊时间 /s 电流衰减时间 /s 氩气滞后时间 /s 外侧停留时间 /s 6~12 12 85 180 145 185 焊内侧停留时间 /s 78 焊移动时间 /s 脉冲 频率 -1脉冲幅比 /s /% ⑤ 直管内壁堆焊 a. 材料 (锻件)。 b. 堆焊位置 平焊

c．焊接方法 自动药芯焊丝CO2气体保护堆焊。 d．焊材材料 见表10-16

表10-16 直管内壁堆焊焊材

堆焊层 过渡层 面层 焊丝牌号 WELFCW309L WELFCW347L 规格/mm Φ Φ 焊丝产地 进口 进口 保护气体 CO CO 22e. 堆焊工序 预热直管(预热温度≥150℃) →自动药芯焊丝CO2气体保护堆焊过渡层→后热(250 ~ 300℃×2h) →堆焊层表面着色检查(PT) →自动药芯焊丝CO2气体保护堆焊面层(温度≤100℃)温度→堆焊层表面着色检查(PT) →结合面无损检测(UT)。

f. 焊接参数 电流I=220 ~ 230A，电压U=32 ~ 33V，焊接速度v=230mm/min。干伸长：16mm。保护气体：纯CO2。气体流量：15-18L/min。 ⑥ 焊条电弧焊堆焊

加氢反应器内壁某些部位（如总装环缝内壁、弯管环缝内壁等）不能采用自动堆焊，可采用焊条电弧焊进行堆焊。

堆焊工序：预热堆焊部件(预热温度≥150℃) →焊条电弧焊堆焊过渡层→后热(250 ~ 300℃×2h) →堆焊层表面着色检查(PT) →焊条电弧焊堆焊面层→堆焊层表面着色检查(PT) →结合面无损检测(UT)。堆焊材料及焊接参数见表10-17

表10-17 焊条电弧焊堆焊材料及焊接参数

堆焊层 焊条牌号 规格/mm 焊接电流/A 焊接电压/V 焊接速度 (mm/min) 过渡层 面层 309L 347L Φ4 Φ4 130-150 130-150 22-28 22-28 150-180 150-180 第八节 球罐的焊接制造

球形储罐(以下简称球罐)的现场组装是球罐建造工程中的关键，特别是近年我国球罐大型化发展迅猛，进口材料繁多，现场组焊焊接难度增大，施工机具增多，质量要求不断增高。因此选择合理的施工方案，减少组装应力和焊接应力，确保工程质量，是业主、施工单位、监理机构追求的目标。 一、球罐的组装

随着国内球罐建造水平的不断提高，特别是8000m液化石油气球罐的国产化，推动了球罐向大型化发展的步伐。但大型化的球罐无法作焊后整体消除应力热处理，所以最大限度的减少球壳板压制和安装现场的组焊应力，已经引起广大用户的关注，在招投标中往往成为中标的重要条件。球壳板在不影响运输的条件下，尺寸越来越大，其目的就是为了减少球壳的焊缝总长度，从根本上提高球罐的安全运行，这样就减少了安装现场的工程量，特别是减少了罐内施焊对焊工身体的危害。 球罐组装方案多种多样，有散装法，大片装法，带装法等。安装现场用施工设备和机具、工夹具繁多。组装工艺、脚手架的搭板也不尽一致。本节就普遍采用的散装法作一介绍。 1. 上下段支柱、定位块、吊耳的安装 a. 上、下段支柱的组对

大型球罐的支柱一般分两段，支柱上段与赤道板的组焊已在制造单位完成，所以安装现场需将支柱上、下段在平台上组对焊接。组对前，先把赤道板放平垫实，然后分别画出赤道板和支柱上段中心线，赤道板中心点为O，在赤道板中心线上找出两点A和A’，使OA=0A’=a。对准上段支柱与下段支柱中心线，在下部支柱定一个B点，找正支柱左右偏差，使AB=A’B=b。为检查支柱上、下段同轴度，可通过赤道板上下口中心拉一细钢丝，使下段与钢丝平行，即C=C’，然后进行焊接与检测，见图10-10。 b. 定位块的安装

为调整球壳之间的间隙、错边等，需在球壳板周边焊一些临时定位块，其纵向间距为 ~ 1.3m，环向间隙为 ~ 0.8m，定位块距球壳边缘距离应根据夹具的结构而定。定位块和吊耳的焊接应和球壳的焊接采用同样的焊接工艺，拆除时须采用碳弧气刨或气割切除，砂轮打磨，严禁用锤打掉。 定位块一般是赤道板及以上装在外侧，下温带板及以下装在内侧；但对有腐蚀介质的球罐定位块宜全部装在外侧，因球罐的腐蚀主要在焊缝和焊迹处。定位块的装焊位置见图10-11。 c. 吊耳的安装

3

赤道板和上温带板以及上极边板、侧板、中板的吊耳装一般是焊在外侧，下温带、下极带的边板、侧板、中板上的吊耳装焊在内侧。 2. 组装方法

球罐常用的组装方法有散装法、分带组装法、半球组装法和大片装法等。但近几年球罐向大型化发展较快，更多业主已认识到球罐组装应力给使用造成的危害，所以散装法是一种先进的、组装应力比较低的方法。

以赤道带为基准的散装法，施工工艺简便，所需起吊能力较小，使用起重机时间较少，是当前使用最普遍的方法。组装顺序是先组装赤道带，将赤道带调整合格后，再组装其他各带。赤道带的组装顺序见图10-12，各带的组装顺序见图10-13。

图10-13 球罐组焊顺序

以上工艺流程可按现场条件和球形储罐材料、规格的不同，做出相应的变动。 3. 支柱的安装

a. 支柱用垫铁找正后，每组垫铁高度不应小于25mm，且不宜多于3块。斜垫铁应成对使用，接触紧密。找正完毕后，点焊应牢固。

b. 支柱安装找正后，应在球罐径向和周向两个方向检查支柱的垂直度。当支柱设计小于或等于8m时，垂直度允许偏差为12mm；当支柱高度大于8m时，垂直度允许偏差为支柱高度的 %，且不应大于15mm。

二、球罐的现场焊接顺序和焊工布置

1. 球罐采用焊条电弧焊时，焊接顺序和焊工布置应符合下列要求：

a. 球罐采用分带组装时，宜在组装平台上焊接各带的纵、环缝，无损检测合格后，再组装成整体，

然后进行各带之间的焊接。

b. 球罐采用分片组装时，应按先纵缝后环缝的原则安排焊接顺序。 2. 为防止球罐变形，焊工的布置应均匀，并同步焊接。

3. 焊条电弧焊双面对接焊缝，单侧焊接后应进行背面清根。当采用碳弧气刨清根时，清根后应采用砂轮修整刨槽和磨除渗碳层，并应采用VT、MT或PT检测方法进行检查。 焊缝清根时应清除定位焊的焊缝金属，清根后的坡口形状应一致。 4. 药芯焊丝自动焊和半自动焊时，球罐焊接顺序应符合下列要求： a. 球罐组装完毕后，应按先纵缝后环缝的原则安排焊接顺序。 b. 纵缝焊接时，焊机布置应对称均匀，并同步焊接。 c. 环缝焊接时，焊机布置应对称，并按统一旋转方向焊接。

5. 焊接时起弧端应采用后退起弧法，收弧端应将弧坑填满，多层焊的层间接头应错开。 6. 在距离球罐焊缝50mm处的制定部位，应打上焊工钢印，并作记录。对不允许打钢印的球罐应采用排版图记录。

打钢印的球罐应采用排版图记录。

三、球罐焊缝返修及球壳板表面损伤修补

1. 焊缝表面缺陷应采用砂轮磨除，缺陷磨除后的焊缝表面若低于母材，则应进行焊接修补。焊缝表面缺陷当只需打磨时，应打磨平滑或加工成具有3：1及以下坡度的斜坡。

2. 焊缝两侧的咬边和焊趾裂纹必须采用砂轮磨除，并打磨平滑或加工成具有3：1及以下坡度的斜坡和焊趾裂纹的磨除深度不得大于0.5mm，且磨除后球壳的实际板厚不得小于设计厚度，当不符合要求时应进行焊接修补。

3. 焊缝咬边和焊趾裂纹等表面缺陷进行焊接修补时，应采用砂轮将缺陷磨除，并修整成便于焊接的凹槽，再进行焊接。补焊长度不得小于50mm。材料标准抗拉强度大于或等于0MPa的球罐在修补焊道上应加焊一道凸起的回火焊道，焊后再磨去多余的焊缝金属。

4. 焊接修补时如需预热，应以修补处为中心，在半径为150mm的范围内预热，预热温度应取上限。焊接线能量应在规定的范围内；焊接短焊缝时线能量不应取下限值。焊缝修补后，有后热处理要求的应立即进行。

5. 焊缝内部缺陷的修补应符合下列要求。

a．应根据产生缺陷的原因，选用适用的焊接方法，并制订修补工艺。 b．修补前宜采用超声检测确定缺陷的位置和深度，确定修补侧。

c．当内部缺陷的清除采用碳弧气刨时，应采用砂轮清除渗碳层，打磨成圆滑过渡，并经渗透检测或磁粉检测合格后方可进行焊接修补。气刨深度不应超过板厚的2/3，当缺陷仍未清除时，应焊接修补后，从另一侧气刨。 d．修补长度不得小于50mm。

e．焊缝修补时，如需预热，预热温度应取要求值的上限，有后热处理要求时，焊后应立即进行后热处理；线能量应控制在规定范围内，焊短焊缝时，线能量不应取下限值。

f．同一部位(焊缝内、外侧各作为一个部位)修补不宜超过两次，对经过两次修补仍不合格的焊缝，应采取可靠的技术措施，并经单位技术总负责人批准后方可修补。 g．焊接修补的部位、次数和检测结果应做记录。

h．各种缺陷清除和焊接修补后均应进行MT或PT检测。当表面缺陷焊接修补深度超过3mm时(从球壳表面算起)应进行RT检测。

i．焊缝内部缺陷修补后，应进行RT检测或UT检测，选用的方法应与修磨前发现缺陷 的方法相同。

6. 球罐在制造、运输和施工中所产生的各种不合格缺陷都应进行修补。 7. 球壳板母材表面缺陷的修补应符合下列要求。

a．球壳表面缺陷及工卡具焊迹应采用砂轮清除。修磨后的实际厚度不应小于设计厚度，磨除深度应小于球壳板名义厚度的5％，且不应超过2mm。当超过时，应进行焊接修磨。

b．球壳板表面缺陷进行焊接修补时，每处修补面积应在50cm以内；当在两处或两处以上修补时，任何两处的边缘距离应大于50mm，且每块球壳表面修补面积总和应小于该球壳面积的5％。 当划伤及成形加工产生的表面伤痕等缺陷的形状比较平缓时，可直接进行焊接修补。当直接堆焊可能导致裂纹产生时，应采用砂轮将缺陷清除后再进行焊接修补。表面缺陷焊接修补后焊缝表面应打磨平缓或加工成具有3：1及以下坡度的平缓凸面，且高度应小于1.5mm。

第九节 压力容器的现场组焊

压力容器外形尺寸超过运输极限，必须分片或分段运至施工现场进行组装和焊接。由于环境气候、施工条件的制约，容器的压力和操作温度不同，制造压力容器的材料和壳体厚度不同，特别是需焊后消除应力热处理的容器，现场施工条件差，技术条件要求高，施工设备和机具多，施工管理困难。 由于压力容器的参数千差万别，规格、材料和技术要求差别大，所以给现场组焊的准备工作带来很大难度。除吊装用机具外，所需的焊接设备、预热、后热器、无损检测设备、热处理工装、压力试验设备等都要具备，并要运行可靠，有的现场作业面积狭小，加上施工季节不同，南北方气候差别大，所以施工难度显而易见。

现以大直径塔器为例介绍压力容器的现场组焊。 二 、大直径塔器的现场组焊

大直径塔器的现场组焊是指由于运输、现场施工条件、起重等原因在工厂加工成半成品而在施工现场组焊完成的塔器安装过程。 1. 一般规定

① 现场组焊的塔器应按要求对半成品及零部件验收合格后方可组装。

② 塔器的组装，应按设计图样，排版图和施工方案要求进行。各工序应有自检和工序交接记录，各控制点应有质量体系有关人员签字确认。

③ 塔器现场组焊应采用以下程序：在钢平台上组焊上、下封头→单节筒体组焊→单节与封头组焊→单节之间组焊→裙座与下封头段组焊→组焊成大段→将各大段按序组焊成整体，见图9-4。

图9-4 塔器现场组焊施工程序示意图

2

在施工条件允许的情况下，尽可能在工厂组焊成半成品，减少现场组焊工作量。

④ 复合钢板的筒节组装时，以复层为基准，防止错边超标，影响复层焊接质量。定位板与组对卡具应焊在基层侧，防止损伤基层。

⑤ 塔器的分段或整体吊装应符合有关规定。 2. 筒体、封头的组装 ① 球形封头应按下列程序组装

a. 在钢平台上划出组装基准圆，封头基准圆直径DB可按下式确定： DB=Di+n×G/π

式中G — 对口间隙，一般取2mm；n — 封头分瓣数 。

b. 将基准圆按照封头的分瓣数n等分，在距等分线100mm处点焊定位板，每块瓣片的定位板不少于2块。

c. 在组装基准圆内，设置封头组装胎具，以定位板和组装胎具为基准，用工具卡使瓣片紧靠定位板和胎具，并调整对口间隙和错边量。

② 球瓣在钢平台组对成封头后，应对每条焊缝装配情况进行检验，并做好记录。要对对口间隙、对口错边量、棱角度、圆度等进行检查。封头全部组对完毕，经检验符合要求并做好记录后，根据封头拼缝的长度和板厚情况，每条纵缝上可适当加2~4块圆弧加固板以减少焊接变形，经复验后，办理工序交工手续，交下一工序进行焊接。

③ 封头焊接并检验合格后，按排版图定出0°、90°、180°、270°四条方位母线并做上标记，按开孔方位图组焊接管。

④ 单节筒体组对时，应根据每圈板片数n和封头端部实际周长在钢平台上划出筒体基准圆。在基准圆的每侧500mm左右焊一块定位块。

⑤ 单节筒体组对时，按照排版图将同一圈的板片按顺序逐块吊至钢平台上的基准圆处进行组对，使用专用工具对口。

⑥ 单节筒体在钢平台上组对完后，对焊缝装配情况进行检查，并做好记录。要对对口间隙、对口错边量、对口后在环向形成的棱角度、圆度、相邻两筒体外圆周长差、端面不平度、高度进行检查。 ⑦ 单节筒体复验合格后，办理工序交接手续，交下一工序进行焊接。

⑧ 对于直径较大，刚性较差的筒体和封头，应根据具体情况采取“十”字或“米”字形临时加固措施，加固件应支撑在圆弧加强板上。

⑨ 单节筒体焊接完毕，焊缝经无损检测合格后，应进行焊接后的外形检查，检测后做好记录，作为单节组焊的原始记录。 3. 筒体、封头的焊接

① 焊接施工应严格按照焊接工艺规程进行。

② 容器焊接应采用如下的程序 在平台上焊接上、下封头焊缝大坡口侧→清根后焊小坡口侧→无

损检测→在滚轮架上焊接单节筒体纵焊缝大坡口侧→清根后焊小坡口侧→无损检测→焊接上、下封头与单节筒体环焊缝大坡口侧→清根后焊小坡口侧→无损检测→焊接带下封头筒体与裙座角焊缝→焊缝外观检查→焊接大段环焊缝大坡口侧→清根后焊小坡口侧→无损检测→焊接接管→焊接容器内固定件及外部加固圈→焊接分段处固定口环焊缝大坡口侧→清根后焊小坡口侧→无损检测。 ③ 焊接复合钢板容器时，应先焊接基层一侧坡口，清根后焊接复层一侧。 ④ 为减少焊接变形和残余应力，对长焊缝的底层焊道，宜采取分段退焊法。

⑤ 引弧应在坡口内，引弧宜采用回焊法，熄弧时应填满弧坑，多层焊道的层间接头应错开。 ⑥ 对于双面对接焊缝，单侧焊接后应进行背面清根，焊缝清根可使用碳弧气刨、砂轮或其他机械磨削方法。碳弧气刨清根后，应用砂轮修整刨槽，磨除渗碳层、铜斑等，焊缝清根时应将定位焊的熔敷金属清除，清根后的坡口形状，应宽窄一致。对接焊缝背面采用软垫时，则不要求清根。