壓力容器的焊接技術(shù)

隨著工程焊接技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代壓力容器也己發(fā)展成典型的全焊結(jié)構(gòu)。壓力容器的焊接

成為壓力容器制造過程中最重要最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，焊接質(zhì)量直接影響壓力容器的質(zhì)量。

第一節(jié)碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼壓力容器的焊接

一、壓力容器用碳鋼的焊接

碳鋼以鐵為基礎(chǔ)，以碳為合金元素，含量一般不超過1.0%。此外，含鎰量不超過1.2%,含

硅量不超過0.5%,Si、Mn皆不作為合金元素。而其他元素，如Ni、Cr、Cu等，控制在殘余量

限度內(nèi)，更不是合金元素。S、P、0、N等作為雜質(zhì)元素，根據(jù)鋼材品種和等級(jí)，也都有嚴(yán)格限

制。

碳鋼根據(jù)含碳量的不同，分為低碳鋼(CW0.30%)、中碳鋼(C=0.30%?0.60%)、高碳鋼(C》

0.60%)。壓力容器主要受壓元件用碳鋼，主要限于低碳鋼。在《容規(guī)》中規(guī)定：“用于焊接結(jié)構(gòu)

壓力容器主要受壓元件的碳素鋼和低合金鋼，其含碳量不應(yīng)大于0.25%o在特殊條件下，如選

用含碳量超過0.25%的鋼材，應(yīng)限定碳當(dāng)量不大于0.45%,由制造單位征得用戶同意，并經(jīng)制

造單位壓力容器技術(shù)總負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)，并按相關(guān)規(guī)定辦理批準(zhǔn)手續(xù)”。

常用的壓力容器用碳鋼牌號(hào)有Q235-B、Q235-C、10、20、20R等。

(-)低碳鋼焊接特點(diǎn)

低碳鋼含碳量低，缽、硅含量少，在通常情況下不會(huì)因焊接而引起嚴(yán)重組織硬化或出現(xiàn)淬火

組織。這種鋼的塑性和沖擊韌性優(yōu)良，其焊接接頭的塑性、韌性也極其良好。焊接時(shí)一般不需預(yù)

熱和后熱，不需采取特殊的工藝措施，即可獲得質(zhì)量滿意的焊接接頭，故低碳鋼鋼具有優(yōu)良的焊

接性能，是所有鋼材中焊接性能最好的鋼種。

(-)低碳鋼焊接要點(diǎn)

(1)埋弧焊時(shí)若焊接線能量過大，會(huì)使熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒過于粗大，甚至?xí)a(chǎn)生魏氏

組織，從而使該區(qū)的沖擊韌性和彎曲性能降低，導(dǎo)致沖擊韌性和彎曲性能不合格。故在使用埋弧

焊焊接，尤其是焊接厚板時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按經(jīng)焊接工藝評(píng)定合格的焊接線能量施焊。

(2)在現(xiàn)場(chǎng)低溫條件下焊接、焊接厚度或剛性較大的焊縫時(shí)，山于焊接接頭冷卻速度較快,

冷裂紋的傾向增大。為避免焊接裂紋，應(yīng)采取焊前預(yù)熱等措施。

二、壓力容器用低合金高強(qiáng)鋼及其焊接特點(diǎn)

在鋼中除碳外少量加入一種或多種合金元素(合金元素總量在5%以下)，以提高鋼的力學(xué)性

能，使其屈服強(qiáng)度在275MPa以上，并具有良好的綜合性能，這類鋼稱之為低合金高強(qiáng)鋼，其主

要特點(diǎn)是強(qiáng)度高、塑性和韌性也較好。按鋼的屈服強(qiáng)度級(jí)別及熱處理狀態(tài)，壓力容器用低合金高

強(qiáng)鋼可分為二類。

①熱軋、正火鋼屈服強(qiáng)度在294Mpa?490MPa之間，其使用狀態(tài)為熱軋、正火或控軋狀

態(tài)，屬于非熱處理強(qiáng)化鋼，這類鋼應(yīng)用最為廣泛。

②低碳調(diào)質(zhì)鋼屈服強(qiáng)度在490Mpa?980Mpa之間，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用，屬于熱處理強(qiáng)化

鋼。其特點(diǎn)是既有高的強(qiáng)度，且塑性和韌性也較好，可以直接在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接。近年來，這類

低碳調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用日益廣泛。

目前應(yīng)用于壓力容器的低合金高強(qiáng)鋼。鋼板牌號(hào)有：16MnR、15MnVR、13MnNiMoNbR、

18MnMoNbR等。鍛件牌號(hào)有16Mn、15MnV、20MnMo、20MnMoNb等。

低合金高強(qiáng)鋼的含碳量一般不超過0.20%,合金元素總量一般不超過5%。正是由于低合金

高強(qiáng)鋼含有一定量的合金元素，使其焊接性能與碳鋼有一定差別，其焊接特點(diǎn)表現(xiàn)在：

(-)焊接接頭的焊接裂紋

(1)冷裂紋低合金高強(qiáng)鋼由于含使鋼材強(qiáng)化的C、Mn、V、Nb等元素，在焊接時(shí)易淬

硬，這些硬化組織很敏感，因此，在剛性較大或拘束應(yīng)力高的情況下，若焊接工藝不當(dāng)，很容易

產(chǎn)生冷裂紋。而且這類裂紋有一定的延遲性，其危害極大。

(2)再熱(SR)裂紋再熱裂紋是焊接接頭在焊后消除應(yīng)力熱處理過程或長(zhǎng)期處于高溫運(yùn)

行中發(fā)生在靠近熔合線粗晶區(qū)的沿晶開裂。一般認(rèn)為，其產(chǎn)生是由于焊接高溫使HAZ附近的V、

Nb、Cr、M。等碳化物固溶于奧氏體中，焊后冷卻時(shí)來不及析出，而在PWHT時(shí)呈彌散析出，從

而強(qiáng)化了晶內(nèi)，使應(yīng)力松弛時(shí)的蠕變變形集中于晶界。

低合金高強(qiáng)鋼焊接接頭一般不易產(chǎn)生再熱裂紋，如16MnR、15MnVR等。但對(duì)于Mn-Mo-Nb

和Mn-Mo-V系低合金高強(qiáng)鋼，如07MnCrMoVR,由于Nb、V、Mo是促使再熱裂紋敏感性較

強(qiáng)的元素，因此這?類鋼在焊后熱處理時(shí)應(yīng)注意避開再熱裂紋的敏感溫度區(qū)，防止再熱裂紋的發(fā)

生。

(二)焊接接頭的脆化和軟化

(1)應(yīng)變時(shí)效脆化焊接接頭在焊接前需經(jīng)受各種冷加工(下料剪切、筒體卷圓等)，鋼材會(huì)

產(chǎn)生塑性變形，如果該區(qū)再經(jīng)200?450℃的熱作用就會(huì)引起應(yīng)變時(shí)效。應(yīng)變時(shí)效脆化會(huì)使鋼材

塑性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度提高，從而導(dǎo)致設(shè)備脆斷。

PWHT可消除焊接結(jié)構(gòu)這類應(yīng)變時(shí)效，使韌性恢復(fù)。GB150-1998《鋼制壓力容器》作出規(guī)

定，圓筒鋼材厚度3s符合以下條件：碳素鋼、16MnR的厚度不小于圓筒內(nèi)徑Di的3%；其他低

合金鋼的厚度不不小于圓筒內(nèi)徑Di的2.5%。且為冷成形或中溫成形的受壓元件，應(yīng)于成形后進(jìn)

行熱處理。

(2)焊縫和熱影響區(qū)脆化焊接是不均勻的加熱和冷卻過程，從而形成不均勻組織。焊縫

(WM)和熱影響區(qū)(HAZ)的脆性轉(zhuǎn)變溫度比母材高，是接頭中的薄弱環(huán)節(jié)。焊接線能量對(duì)低合金

高強(qiáng)鋼WM和HAZ性能有重要影響，低合金高強(qiáng)鋼易淬硬，線能量過小，HAZ會(huì)出現(xiàn)馬氏體引

起裂紋；線能量過大，WM和HAZ的晶粒粗大會(huì)造成接頭脆化。低碳調(diào)質(zhì)鋼與熱軋、正火鋼相

比，對(duì)線能量過大而引起的HAZ脆化傾向更嚴(yán)重。所以焊接時(shí)，應(yīng)將線能量限制在一定范圍。

(3)焊接接頭的熱影響區(qū)軟化由于焊接熱作用，低碳調(diào)質(zhì)鋼的熱影響區(qū)(HAZ)外側(cè)加熱

到回火溫度以上特別是Ac,附近的區(qū)域，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)度下降的軟化帶。HAZ區(qū)的組織軟化隨著焊

接線能量的增加和預(yù)熱溫度的提高而加重，但一般其軟化區(qū)的抗拉強(qiáng)度仍高于母材標(biāo)準(zhǔn)值的下限

要求，所以這類鋼的熱影響區(qū)軟化問題只要工藝得當(dāng)，不致影響其接頭的使用性能。

三、壓力容器用低合金高強(qiáng)鋼焊材選用

(1)根據(jù)鋼材不同的強(qiáng)度級(jí)別選擇與母材強(qiáng)度相當(dāng)?shù)暮缚p金屬是這類鋼焊材選用的基本原

則，當(dāng)然，與此同時(shí)還要根據(jù)產(chǎn)品的使用條件、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和板材厚度等因素，綜合考慮焊縫金屬

的韌性、塑性和焊接接頭的抗裂性。只要焊縫強(qiáng)度不低于或略高于母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度的下限值即

可。若選擇的焊材焊縫金屬強(qiáng)度過高，將會(huì)導(dǎo)致接頭的韌性、塑性及抗裂性降低，接頭的彎曲性

能不易合格。

(2)由于這類鋼都具有不同程度的冷裂紋傾向，所以，在等強(qiáng)度原則的前提下，嚴(yán)格控制

焊材中的氫含量是非常重要的，應(yīng)盡量選用低氫型的焊材。對(duì)于強(qiáng)度較高的低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時(shí),

更是如此，甚至要選擇超低氫型的焊材，并嚴(yán)格控制焊材的存放和使用。

(3)考慮焊后加工工藝的影響。對(duì)焊后需經(jīng)熱處理、熱卷(熱彎)的焊件，應(yīng)考慮焊縫金

屬經(jīng)受高溫處理作用對(duì)其力學(xué)性能的影響，應(yīng)保證焊縫金屬經(jīng)熱處理后仍具有要求的強(qiáng)度、塑性

和韌性等。例如，對(duì)于壓力容器常見的16MnR鋼的埋弧焊，一般情況下選用H10Mn2焊絲+HJ431

焊劑即可。但對(duì)于焊后需經(jīng)正火溫度下沖壓的封頭拼板焊縫，其焊材選用應(yīng)適當(dāng)提高一檔，使用

H08MnMo焊絲+HJ431焊劑，可彌補(bǔ)其強(qiáng)度損失。

四、壓力容器用低合金高強(qiáng)鋼焊接要點(diǎn)

(1)選用低氫或超低氫高韌性的焊材，且重視烘干、保存以及坡口的清理，以減少焊縫中

的擴(kuò)散氫。

(2)為了避免熱影響區(qū)粗晶區(qū)的脆化，一般應(yīng)注意不要使用過大的線能量。對(duì)于含碳量偏

下限的16MnR鋼焊接時(shí);焊接線能量沒有嚴(yán)格的限制，因?yàn)檫@種鋼焊接熱影響區(qū)脆化傾向較小，

但對(duì)于含鈕、鋁、鈦等微合金化元素的鋼，則應(yīng)選用較小的焊接線能量。

(3)對(duì)于碳及合金元素含量較高、屈服強(qiáng)度也較高的低合金高強(qiáng)鋼，如18MnMoNbR,由

于這種鋼淬硬傾向較大，又要考慮其熱影響區(qū)的過熱傾向，則在選用較小線能量的同時(shí)，還要增

加焊前預(yù)熱、焊后及時(shí)后熱等措施。

(4)焊接低碳調(diào)質(zhì)鋼時(shí)，為了使熱影響區(qū)保持良好的韌性，同時(shí)使焊縫金屬既有較高的強(qiáng)

度又有良好的韌性，這就要求焊縫金屬得到針狀鐵素體組織，而這種組織只有在較快的冷卻條件

下才能獲得，為此要嚴(yán)格控制焊接線能量，不推薦采用大直徑的焊條和焊絲，且要采用多道多層

的窄焊道焊，盡量不作橫向擺動(dòng)的運(yùn)條方式。為防止冷裂紋的產(chǎn)生，焊前需要預(yù)熱，但應(yīng)嚴(yán)格控

制預(yù)熱溫度，預(yù)熱溫度過高，會(huì)使熱影響區(qū)冷卻速度過于緩慢，從而在該區(qū)內(nèi)產(chǎn)生馬氏體+奧氏

體混合組織和粗大的貝氏體，使強(qiáng)度下降，韌性變壞。一般要求最高預(yù)熱溫度不得高于推薦的最

低預(yù)熱溫度加50℃。采用低溫預(yù)熱加后熱的方法既可防止低碳調(diào)質(zhì)鋼產(chǎn)生冷裂紋，又可減輕或

消除預(yù)熱溫度過高帶來的不利影響。

(5)加強(qiáng)對(duì)焊接接頭的無損檢測(cè)，對(duì)再熱裂紋敏感的鋼種，應(yīng)在PWHT前后都要做射線或

超聲檢測(cè)。

五、低合金高強(qiáng)鋼壓力容器焊接實(shí)例

直徑為2000mm,壁厚為32mm的緩沖罐(圖10-1),殼體材質(zhì)為16MnR,其主要承壓焊縫

的焊接工藝見表10-1。

表10-1緩沖罐焊接工藝

說

焊縫編號(hào)焊縫位置焊接方法焊接材料

明

H08MnMo+H

O1AK02A1封頭拼縫雙面SAW①

J431

1AK2A1、Bl、H10Mn2+HJ4

殼體縱、環(huán)縫雙面SAW②

B331

J507

內(nèi)SMAW

B2殼體環(huán)縫（大合攏）H10Mn2+HJ4③

外SAW

31

B4人孔接管與對(duì)應(yīng)法蘭環(huán)縫雙面

J507④

D1-D3人孔、小接管與殼體角焊縫SMAW

GTAW打

底TIG-50

B5、B6小接管與對(duì)接法蘭環(huán)縫⑤

SMAW蓋J507

面

GMAW

El鞍座與殼體焊接角焊縫TWE-711⑥

g焊）

說明:

①封頭拼縫在平板狀態(tài)下焊接完成后，需再經(jīng)過950?1000℃的加熱后進(jìn)行沖壓成形，故

拼縫要經(jīng)過AC3以上溫度的加熱，焊縫的力學(xué)性能不僅取決于化學(xué)成分，而且和焊縫的組織狀態(tài)

有很大關(guān)系。雖然焊縫的含碳量要比母材低很多，但由于焊接是一個(gè)局部加熱過程，冷卻速度很

大，因此焊縫呈現(xiàn)為一種柱狀晶的特殊的過飽和鑄造組織，其中少量的馬氏體主要靠碳的固溶強(qiáng)

化存在，而低碳馬氏體的亞結(jié)構(gòu)存在許多位錯(cuò)，過飽和的固溶的碳就聚集在位錯(cuò)周圍，起著釘扎

位錯(cuò)的作用，使位錯(cuò)難于運(yùn)動(dòng)，馬氏體便不易變形而呈現(xiàn)強(qiáng)化焊縫的作用。經(jīng)過AC3以上的溫度

加熱后，焊縫組織從柱狀晶變成了等軸晶，打破了原來的亞結(jié)構(gòu)狀態(tài)，使過飽和程度降低，其碳

的固溶強(qiáng)化作用也隨之降低了，所以勢(shì)必焊縫強(qiáng)度降低。為了彌補(bǔ)上述情況造成的焊縫強(qiáng)度降低,

只有調(diào)整焊縫的化學(xué)成分，使用合金元素更多一些的、強(qiáng)度高一檔的焊絲來焊接熱壓封頭拼縫。

②殼體縱、環(huán)縫焊接條件好，考慮到板厚因素，從提高效率、保證焊接質(zhì)量出發(fā)，選用雙

血埋弧焊，焊絲啊等強(qiáng)度原則選用。

③設(shè)備大合攏焊縫，考慮到設(shè)備因素，內(nèi)焊縫采用埋弧焊較困難，故內(nèi)側(cè)采用焊條電弧焊、

外側(cè)采用碳弧氣刨清根后再進(jìn)行外環(huán)縫埋弧焊。B2焊縫據(jù)人孔較近，故將其為大合攏焊縫。

④人孔接管與人孔法蘭環(huán)縫，由于人孔直徑較大，故采用焊條電弧焊進(jìn)行雙面焊。對(duì)于人

孔、小接管與殼體角焊縫，鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊進(jìn)行雙面焊。

⑤對(duì)于小直徑接管環(huán)縫，由于只能單面焊，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。TIG-50為焊材牌號(hào)，其焊材型號(hào)為ER70S-G(AWSA5.18)。

⑥鞍座與殼體焊接角焊縫屬非承壓焊縫，采用熔化極氣體保護(hù)焊(保護(hù)氣體為純CO",效率

高，焊縫成形好。TWE-711為焊材牌號(hào)，其焊材型號(hào)為E71T-l(AWSA5.20)。

第二節(jié)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(qiáng)度和持久強(qiáng)度，就形成了低合金耐

熱鋼，對(duì)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12Cr2MolR。

壓力容器上使用的低合金耐熱鋼主要是以加入銘和鉗元素或輔以加入少量的鈕、鈦等元素來

提高鋼的蠕變強(qiáng)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?類鋼在耐高溫的同時(shí)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lCr5Mo、lCr9Mol,和合金大于13%的高合金耐熱鋼，如1CH7。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(zhǎng)期安全的運(yùn)行，其焊接接頭性

能應(yīng)滿足下列幾點(diǎn)要求。

①接頭的等強(qiáng)性耐熱鋼接頭不僅應(yīng)具有與母材基本相等的室溫和高溫短時(shí)強(qiáng)度，而且更

重要的是應(yīng)具有與母材相近的高溫持久強(qiáng)度。

②接頭的抗氫性和抗氧化性耐熱鋼接頭應(yīng)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(yīng)與母材基本一致。

③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(zhǎng)時(shí)間多次

熱處理，在運(yùn)行過程中將長(zhǎng)期受高溫高壓的作用，接頭各區(qū)不應(yīng)產(chǎn)生明顯的組織變化及由此引起

的脆變或軟化。

④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(dāng)壓力容器和管道制

造完工后將在常溫下進(jìn)行設(shè)計(jì)壓力1.25倍壓力的水壓試驗(yàn)。在安裝檢修完后，要經(jīng)歷水壓試驗(yàn)

及冷啟動(dòng)過程。因此，耐熱鋼焊接接頭亦應(yīng)具有一定的抗脆斷性。

⑤接頭的物理均一性耐熱鋼焊接接頭應(yīng)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(dǎo)率應(yīng)基本一致，這樣就可避免接頭在高溫運(yùn)行過程中的熱應(yīng)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(qiáng)鋼都具有?些相同的焊接特點(diǎn)，

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(dú)特的焊接特點(diǎn)。

(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

M。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(zhuǎn)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12Cr2MolR焊接時(shí)，如果焊接線

能量較小，鋼板厚度較大且不預(yù)熱焊接時(shí)就有可能發(fā)生100%的馬氏體轉(zhuǎn)變。

(2)冷裂紋由于Cr-M。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(kuò)散氫濃度

和一定的焊接殘余應(yīng)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(xiǎn)。

(3)消除應(yīng)力裂紋因?yàn)檫@類裂紋是在消除應(yīng)力熱處理時(shí)，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-M。鋼是再熱裂紋敏感性鋼種，敏感的溫度范圍??般在500?700℃

之間。

大量試驗(yàn)結(jié)果表明，鋼中Cr、Mo、V、Nb、Ti等強(qiáng)碳化物形成元素對(duì)再熱裂紋形成有很大

影響。通常以裂紋指數(shù)PSR粗略地評(píng)價(jià)鋼的消除應(yīng)力裂紋敏感性。PSR按下式計(jì)算：

PsR=Cr%+Cu%+2Mo%+10V%+7Nb%+5Ti%-2

當(dāng)PSR'O時(shí)，就有可能產(chǎn)生消除應(yīng)力裂紋。但對(duì)于碳含量低于01％的鋼種，上式不適用。

(4)熱裂紋對(duì)低合金耐熱鋼，人們往往注重冷裂紋的防止。實(shí)際上，當(dāng)焊道的成形系數(shù)

(熔寬與熔深比)小于1.2?1.3時(shí)，焊道中心易形成熱裂紋。這是因?yàn)檎畹睦嫘魏傅?，低?/p>

點(diǎn)共晶聚集于焊道中心，在焊接應(yīng)力作用下，導(dǎo)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(huì)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(zhǎng)期運(yùn)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(tái)2.25Cr-lMo鋼制壓力容器在332~432℃運(yùn)行30000h后，鋼

的40J脆性轉(zhuǎn)變溫度從-37℃提高到了+60℃,并最終導(dǎo)致災(zāi)難性的脆性斷裂事故。

Cr-M。鋼及其焊接接頭的回火脆性敏感性有兩種評(píng)價(jià)方式：

①X系數(shù)和J系數(shù)

X=（10P+5Sb+4Sn+As）X10"（式中元素以ppm含量代入，如0.01%應(yīng)以lOOppm代入）

J=（Si+Mn）（P+Sn）X104（式中元素以百分?jǐn)?shù)含量代入，如0.15%應(yīng)以0.15代入）

這兩個(gè)系數(shù)的界定是隨著工業(yè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步一步步提高的，最早要求XW25ppm,JW

200,后來達(dá)到XW20ppm,JW150,直至目前又提高了要求，要求XW15ppm,JW100。

②分步冷卻試驗(yàn)法（步冷）

分步冷卻試驗(yàn)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(jí)，保溫更長(zhǎng)時(shí)間,

如圖10-2。步冷處理目的是在200~300h內(nèi)使鋼產(chǎn)生最大的回火脆性，與350~500℃溫度區(qū)間

設(shè)備經(jīng)過2000-5000h才能產(chǎn)生的效果相同。

?

AVTr54一試驗(yàn)溫度/C

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(duì)步冷試驗(yàn)前后的鋼材進(jìn)行系列沖擊,

繪制出步冷試驗(yàn)前、后回火脆化程度的曲線（圖10-3）,確定延脆性轉(zhuǎn)變溫度VT9（試樣經(jīng)Min.

PWHT處理后的夏比沖擊功為54J時(shí)相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度）的變量AVTr54（試樣經(jīng)Min.PWHT+步冷

處理后的夏比沖擊功為54J時(shí)相應(yīng)的轉(zhuǎn)變溫度增量），按下式進(jìn)行計(jì)算：

美國雪弗龍公司早期提出的指標(biāo)：

VTr54+1.5AVTr54W38℃(100°F)

20世紀(jì)90年代普遍采用的指標(biāo)：

VT64+2-5AVfr54W38C

隨著對(duì)設(shè)備安全性要求的提高及鋼材、焊材性能的提高，對(duì)該指標(biāo)的要求越來越高，2006

年某工程公司為寧波和邦化學(xué)有限公司設(shè)計(jì)的兩臺(tái)加氫反應(yīng)器提出的指標(biāo)是：

VTr54+3AV力54010℃

二、壓力容器用耐熱鋼焊材選用

(1)與低合金高強(qiáng)鋼相同，焊縫金屬和母材等強(qiáng)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(shí)不但要考慮焊縫金屬與母材的常溫強(qiáng)度等強(qiáng)，同時(shí)也要使其高溫強(qiáng)度不低于母

材標(biāo)準(zhǔn)值的卜限要求。

(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銘、任I含量不得

低于母材標(biāo)準(zhǔn)值的下限。

(3)為保證焊縫金屬有同樣小的回火脆性，應(yīng)嚴(yán)格限制焊材中的氧、硅、磷、睇、錫、神

等微量元素的含量。

(4)為提高焊縫金屬的抗裂性，應(yīng)控制焊材中的含碳量低于母材的碳含量，但應(yīng)注意，含

碳量過低時(shí)，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的焊后熱處理會(huì)促使鐵素體形成，從而導(dǎo)致韌性下降，因此，對(duì)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(huì)使焊縫金屬具有較高的沖

擊韌性和與母材相當(dāng)?shù)母邷厝渥儚?qiáng)度。

三、壓力容器用耐熱鋼焊接要點(diǎn)

(1)預(yù)熱與層間溫度在Cr-M。鋼的焊接特點(diǎn)中提到的冷裂紋、熱裂紋及消除應(yīng)力裂紋，

都與預(yù)熱及層間溫度相關(guān)。一般來說，在條件許可下應(yīng)適當(dāng)提高預(yù)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(duì)各種低合金耐熱鋼推薦選用的預(yù)熱溫度和層間溫度，但在設(shè)備制

造過程中還要結(jié)合實(shí)際選用.

表10-2推薦選用的低合金耐熱鋼預(yù)熱及層間溫度

鋼種預(yù)熱溫度/℃層間溫度/匕

15CrMoR2150150-250

12CrlMoV2200250左右

12Cr2MolR200?250200?300

在Cr-Mo鋼上堆焊不銹鋼2100

對(duì)于預(yù)熱和層間溫度，應(yīng)注意以下兒點(diǎn):

①整個(gè)焊接過程中的層間溫度不應(yīng)低于預(yù)熱溫度。

②要保證焊件內(nèi)外表面均達(dá)到規(guī)定的預(yù)熱溫度。

③對(duì)于厚壁容器，必須注意焊前、焊接過程和焊接結(jié)束時(shí)的預(yù)熱溫度基本保持一致并將實(shí)

測(cè)預(yù)熱溫度做好記錄。

④若容器焊前進(jìn)行整體預(yù)熱不僅費(fèi)時(shí)而且耗能。實(shí)際上，作局部預(yù)熱可以取得與整體預(yù)熱

相近的效果，但必須保證預(yù)熱區(qū)寬度大于所焊厚度的4倍，且至少不小于150mm。

⑤預(yù)熱與層間溫度必須低于母材的Mf點(diǎn)(馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束點(diǎn))，否則當(dāng)焊件經(jīng)SR處理后，

殘留奧氏體可能發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，其中過飽和的氫逸出會(huì)促使鋼材開裂，如對(duì)■12Cr2MolR的預(yù)

熱和最高層間溫度應(yīng)低于300℃。

@鋼材下料進(jìn)行熱切割時(shí)，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(shí)的裂源。因此，也應(yīng)適當(dāng)預(yù)熱。

(2)焊后熱處理對(duì)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(yīng)力，而且

更重要的是改善組織提高接頭的綜合力學(xué)性能，包括提高接頭的高溫蠕變強(qiáng)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(jìn)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(shí)，應(yīng)綜合考慮下列冶金和工藝特點(diǎn)。

①焊后熱處理應(yīng)保證近縫區(qū)組織的改善。

②加熱溫度應(yīng)保證焊接接頭的焊接應(yīng)力降到盡可能低的水平。

③焊后熱處理不應(yīng)使母材及焊接接頭各項(xiàng)力學(xué)性能降低到設(shè)計(jì)規(guī)定的最低限度以卜。這一

點(diǎn)往往要通過對(duì)母材及焊接接頭進(jìn)行最大和最小模擬焊后熱處理(Max.PWHT及Min.PWHT)后

的各項(xiàng)力學(xué)性能檢測(cè)來確定。

④由于耐熱鋼的回火脆性及再熱裂紋傾向，焊后熱處理應(yīng)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(jìn)行。應(yīng)規(guī)定在危險(xiǎn)溫度范圍內(nèi)要有較快的加熱速

度。

綜合考慮以上4個(gè)特點(diǎn)，需要制定一個(gè)合適的耐熱鋼焊后熱處理規(guī)范，經(jīng)過大量的試驗(yàn)、研

究，引出了一個(gè)指導(dǎo)性參數(shù)，即納爾遜米勒(Rarson—Miller)參數(shù)Tp,也稱回火參數(shù)。

3

Tp=T(20+logt)X10-

式中：

T—熱處理絕對(duì)溫度，K

t-熱處理保溫時(shí)間，h

從式中可以看出，熱處理的溫度和保溫時(shí)間決定了Tp值的高低，也就影響了Cr-M。鋼焊接

接頭的強(qiáng)度和韌性。Tp值過低，接頭的強(qiáng)度和硬度會(huì)過高而韌性較低，若Tp值太高，則強(qiáng)度和

硬度會(huì)明顯下降，同忖由于碳化物的沉淀和聚集也會(huì)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(xué)性能。當(dāng)然，對(duì)于每一種Cr-M。鋼都有一個(gè)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(duì)于2.25Cr-lMo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(dǎo)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-M。鋼容器的壁厚、剛性大、制造

周期長(zhǎng)，焊后不能很快進(jìn)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(jìn)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(jié)構(gòu)、制造單位的經(jīng)驗(yàn)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(yù)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(yù)熱和層間溫度，就會(huì)使接頭各區(qū)

的晶粒粗大，強(qiáng)度和韌性都會(huì)降低。對(duì)于低合金耐熱鋼而言，對(duì)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(dāng)線能量過大時(shí)，才會(huì)對(duì)強(qiáng)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(shí)線能量不要過小。

四、耐熱鋼鋼壓力容器焊接實(shí)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(jiǎn)圖

表10-3加熱器焊接工藝

說

焊縫編號(hào)焊縫位置焊接方法焊接材料

明

GTAW打

3A1、4A1、B6管程筒體縱、環(huán)縫

底H13CrMoA

B2-B5>B7殼程、管程筒體與管板環(huán)縫①

SMAW蓋R307

B8、B9接管與對(duì)接法蘭環(huán)縫

面

1A1、2A1、Bl、管程簡(jiǎn)體縱縫

SMAWR307②

B4管程筒體與法蘭環(huán)縫

接管、整體法蘭與法蘭蓋、管

D1-D6SMAWR307③

板、殼體角焊縫

GTAW（自

D7換熱管與管板角焊縫H08CrMoA④

動(dòng)）

GMAW

El耳座與殼體角焊縫TWE-811B2⑤

（CO2焊）

說明:

①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(cè)施焊。

同樣，由于該設(shè)備結(jié)構(gòu)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(cè)進(jìn)行。至于

接管與對(duì)接法蘭環(huán)縫，本設(shè)備中接管規(guī)格為6273X12,亦無法從內(nèi)側(cè)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(duì)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。

②盡管管程筒體直徑較小，但其長(zhǎng)度很短，管程筒體縱縫、管程筒體與法蘭環(huán)縫具備內(nèi)側(cè)

焊條電弧焊的條件，故采用焊條電弧焊進(jìn)行雙面焊。

③接管、整體法蘭與法蘭蓋、管板、殼體的角焊縫設(shè)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。

④換熱管-管板焊接是熱交換設(shè)備的重要焊縫，其焊接方法有焊條電弧焊、手工鴿極氮弧焊、

全位置自動(dòng)氨弧焊。焊條電弧焊是最早使用的焊接方法，其特點(diǎn)是效率高，但是質(zhì)量對(duì)比于其他

兩種方法來說要差很多，現(xiàn)在基本上已被淘汰。但是在某些特殊場(chǎng)合，如絲堵式空冷器，其管子

-管板焊接必須通過管板前的絲堵板進(jìn)行焊接，這時(shí)只能用采用焊條電弧焊的方法，用小直徑焊

條焊接，這對(duì)焊工操作技術(shù)要求很高，一般在焊前需要對(duì)焊工進(jìn)行專門培訓(xùn)。

目前使用最廣泛，質(zhì)量最好的焊接方法為自動(dòng)量弧焊。本設(shè)備中換熱管-管板焊接采用全位

置自動(dòng)量弧焊，焊接接頭形式為角焊縫（圖10-50）。焊絲直徑為1mm,填絲焊兩道。

圖10-5加熱器換熱管-管板接頭形式

⑤耳座與殼體焊接角焊縫屬非承壓焊縫，采用熔化極氣體保護(hù)焊（保護(hù)氣體為純CO2），效率

高，焊縫成形好。TWE-811B2為焊材牌號(hào)，其焊材型號(hào)為E81T1-B2（AWSA5.29）。

第三節(jié)低溫鋼壓力容器的焊接

一、壓力容器用低溫鋼及其焊接特點(diǎn)

GB150-1998《鋼制壓力容器》附錄C規(guī)定，設(shè)計(jì)溫度低于或等于-20℃的鋼制壓力容器為

低溫容器。

眾所周知，鋼材在低溫條件下工作時(shí)具有冷脆性。衡量低溫鋼性能的主要指標(biāo)是低溫韌性，

即低溫下的沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)變溫度，鋼的低溫沖擊韌性越高，脆性轉(zhuǎn)變溫度越低，則該鋼低溫

韌性越好。鋼的成分和組織對(duì)低溫性能都有顯著影響，磷、碳、硅使鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，其

中尤以磷、碳最為顯著，而鎰和銀會(huì)使脆性轉(zhuǎn)變溫度降低，對(duì)低溫韌性有利。鋼中含鍥量增高時(shí),

可以使其在更低的溫度下保持相當(dāng)高的沖擊韌性。一般來說，具有面心立方晶格的金屬，其韌性

隨溫度的變化極小，18-8型奧氏體不銹鋼就是由于具有面心立方晶格，故在很低的溫度下仍具有

較高的沖擊韌性。此外，鋼的晶粒越細(xì)，低溫沖擊韌性越好。

低溫鋼就是通過嚴(yán)格控制鋼材中的碳、硫、磷含量或加入一些鈕、鋁、鈦利銀等合金元素，

達(dá)到固溶強(qiáng)化、晶粒細(xì)化之目的，并通過正火或正火+回火處理來細(xì)化晶粒，使組織均勻化或使

鋼具有面心立方晶格，從而使鋼在低溫下具有足夠的低溫韌性及抵抗脆性破壞的能力，以保證設(shè)

備在低溫條件下能安全運(yùn)行。

低溫鋼一般可分為無銀和含銀兩大類。無模鋼的最低使用溫度為-50℃,含銀鋼最低使用溫

度根據(jù)含銀量的多少范圍在-60℃?-196℃之間，-196℃以下則使用奧氏體不銹鋼，有關(guān)奧氏體不

銹鋼的焊接在介紹不銹鋼焊接時(shí)再作詳細(xì)敘述，表10-4為部分典型的低溫鋼的低溫沖擊韌性指

標(biāo)。

表10-4部分典型的低溫鋼的低溫沖擊韌性

厚度最低沖擊試驗(yàn)溫

鋼材牌號(hào)使用狀態(tài)AKV〃

/mm度/℃

6?36-40

16MnDR正火>224

-30

36?100

正火，正火十回

15MnNiDR6?60-45■27

火

正火，正火+回

09MnNiDR6?60-70227

火

W50-101

3.5Ni鋼

正火>50220

（SA203B級(jí)）-87

?75

對(duì)不含銀的低溫鋼而言，由于其含碳量低，其他合金元素含量也較少，故其淬硬傾向和冷裂

傾向都小，因而具有良好的焊接性能，i般可不預(yù)熱或用較低的預(yù)熱溫度來進(jìn)行焊接，當(dāng)板厚較

厚或低溫環(huán)境下焊接時(shí)，才需要一定的預(yù)熱溫度。所以，這一類鋼焊接時(shí)，只要選擇相匹配的焊

材和合適的工藝，保證焊縫及熱影響區(qū)的低溫韌性是不成問題的。

含銀低溫鋼由于添加了保，雖然對(duì)冷裂紋傾向影響不顯著，但卻增大了熱裂紋的傾向，必須

嚴(yán)格控制鋼及焊材中的碳、硫、磷含量，同時(shí)采用合適的焊接規(guī)范，使焊縫有較大的焊縫成形系

數(shù)，即避免形成窄而深的焊道成形截面，就可以有效地避免熱裂紋的產(chǎn)生。

總之，低溫鋼焊接的重點(diǎn)是保證焊縫及熱影響區(qū)獲得足夠的低溫沖擊韌性。

二、壓力容器用低溫鋼焊材選用

(1)所選用的焊材必須保證焊縫含有最少的有害雜質(zhì)(S、P、0、N等)，對(duì)于含銀低溫鋼

尤其要嚴(yán)格控制。

(2)選用的焊材應(yīng)保證焊縫金屬的低溫韌性。對(duì)于含銀低溫鋼，選用的焊材的含鍥量應(yīng)與

母材相當(dāng)或稍高。

三、壓力容器用低溫鋼焊接要點(diǎn)

(1)采用小的焊接線能量為避免焊縫及熱影響區(qū)形成粗大組織而使其沖擊韌性嚴(yán)重降

低，焊接時(shí)必須采用較小的焊接線能量，具體要求是，焊接電流不宜過大，焊條電弧焊時(shí)，焊條

盡量不擺動(dòng)，采用窄焊道、多道多層焊和快速多道焊以減小焊道過熱，并通過多層焊的重復(fù)加熱

作用細(xì)化晶粒。多層焊時(shí)要嚴(yán)格控制層間溫度。

(2)選擇適當(dāng)?shù)暮附铀俣葘?duì)于含銀低溫鋼進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊時(shí)，切不可以提高焊接速度來

獲得較低的焊接線能量。這是因?yàn)楫?dāng)焊接速度較高時(shí)，由于熔池形成典型的雨滴狀，且焊道成形

變成窄而深的截面形狀，此時(shí)就易產(chǎn)生焊道中心的熱裂紋。所以，這類鋼焊接時(shí)，焊接速度要特

別選擇適當(dāng)，不可過小，也不可過大。

(3)避免咬邊缺陷低溫鋼焊接時(shí)應(yīng)注意避免弧坑、未焊透及咬邊等缺陷，這些缺陷在低

溫條件下，在應(yīng)力作用時(shí)，都會(huì)造成較大的應(yīng)力集中而引起脆性破壞。所以對(duì)于低溫壓力容器而

言，不允許有任何尺寸的咬邊缺陷存在。

四、低溫鋼壓力容器焊接實(shí)例

直徑4400mm,長(zhǎng)90m,壁厚為34mm的乙烯精硫塔(圖10-6),設(shè)計(jì)溫度為-45℃。因設(shè)備

上管口、內(nèi)件眾多，簡(jiǎn)圖中只畫出部分。殼體材質(zhì)為09MnNiDR,其主要承壓焊縫的焊接工藝見

圖10-6丙烯精微塔簡(jiǎn)圖

表10-5丙烯精偏塔焊接工藝

焊縫位置焊接方法焊接材料說明

封頭拼縫UNIONS3Si

SAW?

殼體縱、環(huán)縫UV-418TT

現(xiàn)場(chǎng)合攏焊縫SMAWW707②

接管、人孔與殼體角焊縫

人孔簡(jiǎn)體拼縫、人孔簡(jiǎn)體與對(duì)接法蘭SMAWR307③

環(huán)縫

UNIONI1.2

接管與法蘭環(huán)縫GTAW④

Ni

THYSENTG

GMAW

內(nèi)件與殼體內(nèi)壁角焊縫50Ni⑤

（CO2焊）

E81T1-Nil

說明:

①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(cè)施焊。

同樣，山于該設(shè)備結(jié)構(gòu)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(cè)進(jìn)行。至于

接管與對(duì)接法蘭環(huán)縫，本設(shè)備中接管規(guī)格為“273X12,亦無法從內(nèi)側(cè)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(duì)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。

②盡管管程筒體直徑較小，但其長(zhǎng)度很短，管程筒體縱縫、管程筒體與法蘭環(huán)縫具備內(nèi)側(cè)

焊條電弧焊的條件，故采用焊條電弧焊進(jìn)行雙面焊。

③接管、整體法蘭與法蘭蓋、管板、殼體的角焊縫設(shè)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。

④換熱管-管板焊接是熱交換設(shè)備的重要焊縫，其焊接方法有焊條電弧焊、手工鴇極量弧焊、

全位置自動(dòng)氮弧焊。焊條電弧焊是最早使用的焊接方法，其特點(diǎn)是效率高，但是質(zhì)量對(duì)比于其他

兩種方法來說要差很多，現(xiàn)在基本上已被淘汰。但是在某些特殊場(chǎng)合，如絲堵式空冷器，其管子

-管板焊接必須通過管板前的絲堵板進(jìn)行焊接，這時(shí)只能用采用焊條電弧焊的方法，用小直徑焊

條焊接，這對(duì)焊工操作技術(shù)要求很高，一般在焊前需要對(duì)焊工進(jìn)行專門培訓(xùn)。

目前使用最廣泛，質(zhì)量最好的焊接方法為自動(dòng)筑弧焊。本設(shè)備中換熱管-管板焊接采用全位

置自動(dòng)量弧焊，焊接接頭形式為角焊縫（圖10-50）。焊絲直徑為1mm,填絲焊兩道。

⑤內(nèi)壁與殼體內(nèi)壁角焊縫，鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊。

第四節(jié)不銹鋼壓力容器的焊接

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銘元素后，使鋼處于鈍化狀態(tài)，具有不生銹的特性。為

達(dá)到此目的，其銘含量必須在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

化的銀、鋁等元素。一般所指的不銹鋼實(shí)際上是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。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，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Crl8-Ni8型、Cr25-Ni20型、Cr25-Ni35型。奧氏體不銹鋼有以下焊接特點(diǎn)：

①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)晶過程中，若硫、磷、

錫、睇、銀等雜質(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)元素和使銘銀奧氏體不銹鋼中含有4%?

12%的鐵素體組織。

②晶間腐蝕根據(jù)貧銘理論，在晶間上析出碳化鋁，造成晶界貧銘是產(chǎn)生晶間腐蝕的主要

原因。為此，選擇超低碳焊材或含有鋸、鈦等穩(wěn)定化元素的焊材是防止晶間腐蝕的主要措施。

③應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂通常表現(xiàn)為脆性破壞，且發(fā)生破壞的過程時(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)力腐蝕開裂的原因。

④焊接接頭的◎相脆化。相是??種脆硬的金屬間化合物，主要析集于柱狀晶的晶界。丫相

和3相都可發(fā)生0相轉(zhuǎn)變。比如對(duì)于Cr25Ni20型焊縫在800℃?900℃加熱時(shí)，就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的

Y-S轉(zhuǎn)變。對(duì)于銘裸型奧氏體不銹鋼，特別是銘銀鋁型不銹鋼，易發(fā)生3一。相轉(zhuǎn)變，這主要是

由于鋁、車目元素具有明顯的?；饔茫?dāng)焊縫中3鐵素體含量超過12%時(shí)，5一。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加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊層將3鐵素體含量控

制在3%~10%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，其中普通鐵素體不銹鋼有

CH2?Crl4型，如00Crl2、0Crl3Al；Crl6?Crl8型,如lCrl7Mo；Cr25?30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，?般控制在0.035%~

0.045%、0.030%、0.010%?0.015%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，超純高倍鐵素體不銹鋼具有很好的耐均勻腐蝕、

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)：

①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。

②鐵素體鋼本身含銘量較高，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。

③在400℃?600℃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550℃

?820℃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Crl3型馬氏體不銹鋼、低碳馬氏體不銹鋼和超級(jí)馬氏體不銹鋼。Crl3

型具有一般抗腐蝕性能，從Crl2為基的馬氏體不銹鋼，因加入銀、鋁、鋁、鋼等合金元素，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)：Crl3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

奧氏體不銹鋼焊材的選擇原則是在無裂紋的前提下，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5%。讀者可根據(jù)Schaeffler圖，按焊縫金屬中的銘當(dāng)量和

銀當(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一有三類：1）成分基本與母材匹配的焊材；2）奧氏體焊材：3）銀基合

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型倍保奧氏體焊材。對(duì)于

Crl7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處理來調(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，山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，山于熱膨脹系數(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Crl3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Crl3