第九章化工設(shè)備的焊接（4學(xué)時(shí)）

9.1化工設(shè)備焊接技術(shù)的一般考慮

9.2焊接方法的選定9.3設(shè)備制造常用材料的焊接特點(diǎn)

9.4設(shè)備的焊后熱處理方法

第一節(jié)化工設(shè)備焊接技術(shù)的一般考慮由于石油化工設(shè)備所用的金屬材料種類繁多，而且焊縫和熱影響區(qū)對設(shè)備的整體質(zhì)量和安全有著重大影響，因此石油化工設(shè)備的焊接對焊接試驗(yàn)、焊接工藝，焊接工藝規(guī)程以及焊后熱處理等，都提出了許多有別于其它鋼結(jié)構(gòu)焊接的特殊要求。一.鋼材焊接性及焊接工藝規(guī)程鋼材焊接性：

是指材料在一定的焊接工藝條件下〔包括焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式等)，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度和該焊接接頭能否在使用條件下可靠運(yùn)行。

工藝焊接性：指在一定焊接工藝條件下能否獲得組織、性能均勻一致無缺陷的焊接接頭的能力，即復(fù)雜的焊縫冶金反應(yīng)對焊縫性能和產(chǎn)生缺陷的影響程度。使用焊接性：指焊接接頭或整體結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)條件所規(guī)定的各種使用性能的程度。包括常規(guī)的力學(xué)性能及特定條件下的性能，如抗脆性斷裂性能，蠕變、疲勞性能，持久強(qiáng)度，耐腐蝕性能等。使用條件下的性能較為復(fù)雜、嚴(yán)格，焊接接頭在必須具有良好的工藝焊接性同時(shí)，也必須具有使用條件下的使用性能。鋼材焊接性的評定：

評定金屬材料的焊接性，需要通過一系列的試驗(yàn)和理論分析、計(jì)算，來進(jìn)行綜合判斷。無論是工藝焊接性還是使用焊接性，其評定判斷方法有三種：實(shí)際焊接法、模似焊接法和理論估算法。工藝焊接性的試驗(yàn)方法：。碳當(dāng)量法：影響焊接性的因素很多，碳當(dāng)量法就是把鋼材化學(xué)成分中的碳和其他合金元素的含量多少對焊后淬硬、冷裂及脆化等的影響折合成碳的相當(dāng)含量，并據(jù)此含量的多少來判斷材料的工藝焊接性和裂紋的敏感性。碳當(dāng)量的計(jì)算公式：冷裂紋敏感指數(shù)：碳當(dāng)量指標(biāo)只能反應(yīng)熱影響區(qū)的硬度大小，也就是只考慮了鋼材化學(xué)成分，而未考慮板厚和含氫量等重要因素，不可能直接判定是否發(fā)生冷裂紋。為此日本人對二百多種鋼材進(jìn)行試驗(yàn)，求出鋼材焊接冷裂紋敏感指數(shù)，還可以確定防止冷裂所需的預(yù)熱溫度。使用焊接性的試驗(yàn)方法：常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)焊接接頭抗脆斷性能試驗(yàn)

焊接工藝評定：生產(chǎn)單位對于新材料，新的焊接方法和新的焊接工藝，必須進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。通過焊接工藝試驗(yàn)進(jìn)一步判斷材料在具體條件下的可焊性，從而選定合理的焊接方法，確定適當(dāng)?shù)暮附硬牧虾凸に噮?shù)。第二節(jié)焊接方法的選定一.按工件形狀選擇焊接方法石油化工設(shè)備中，筒體的環(huán)縫和縱縫的焊接工作量約占整個(gè)焊接工作量的85﹪以上。由于其幾何形狀為同一形狀的旋轉(zhuǎn)殼體，即各條環(huán)焊縫、縱焊縫均相同，要保證各條焊縫有穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，選擇埋弧自動(dòng)焊是最為恰當(dāng)?shù)?。埋弧自?dòng)焊雖然調(diào)節(jié)時(shí)間較長，但單位時(shí)間熔敷效率高，其質(zhì)量很少受人為因素的影響，容易達(dá)到穩(wěn)定的焊接質(zhì)量要求。因此，在石油化工設(shè)備制造中，拼板及設(shè)備筒體的焊接(包括與封頭連接的環(huán)焊縫的焊接)，一般均采用埋弧自動(dòng)焊或手工焊打底的埋弧自動(dòng)焊。必要時(shí)，制造一些夾具和胎具以擴(kuò)大埋弧自動(dòng)焊的應(yīng)用范圍。此外，隨焊接板厚和焊縫長度的不同，焊接方法的適應(yīng)性亦有所不同。二.按材質(zhì)選擇焊接方法各種焊接方法采用的焊接電流是不相同的，即線能量不同。一般低碳鋼和含碳量很低的普通低合金鋼如，16MnR，對于線能量沒有嚴(yán)格的限制，可以選擇各種焊接方法；奧氏體不銹鋼由于導(dǎo)熱系數(shù)小，在同樣電流下有較大的熔深，尤其是“過熱”問題突出，故當(dāng)選擇高線能量的焊接方法時(shí)，焊縫及熱影響區(qū)將產(chǎn)生晶界腐蝕和引起熱裂紋，奧氏體不銹鋼的焊接一般多采用線能量較小的手工電弧焊和氫弧焊；鋁和鈦都不能用普通的焊接方法進(jìn)行焊接，必須采用(純度很高的)氬弧焊。三.按接頭形式選擇焊接方法

一般說來接頭形式取決于焊接方法，但在某些條件下，例如現(xiàn)場安裝和設(shè)備維修等，又必須根據(jù)接頭形式來選定合適的焊接方法。不開坡口對接接頭：內(nèi)部手工電弧焊，再外部挑焊根的埋弧自動(dòng)焊；大厚度可用電渣焊。V型坡口接頭：除電渣焊外的各種焊接方法。T型坡口接頭：采用手工電弧焊或氣體保護(hù)焊。第三節(jié)設(shè)備制造常用材料的焊接特點(diǎn)石油化工設(shè)備因工藝過程要求，選用金屬材料的種類很多。除碳素結(jié)構(gòu)鋼外，由于抗腐蝕的需要，使用較廣泛的還有奧氏體不銹鋼、鋁、鈦等金屬材料。因物理和化學(xué)性質(zhì)的不同，其可焊性亦有不同，所以在焊接方法和焊接工藝上，有著各自的特點(diǎn)。一.碳鋼的焊接低碳鋼的焊接性優(yōu)良。因低碳鋼含碳量低，錳、硅含量又少，所以一般情況不會(huì)因焊接而引起嚴(yán)重硬化組織或淬火組織。這種鋼的塑性和沖擊韌性優(yōu)良，焊后的焊接接頭塑性和沖擊韌性也很好。焊接時(shí)一般不需要預(yù)熱和后熱，不需要特殊注意層間溫度，焊后也不必采用熱處理改善組織和性能。整個(gè)焊接過程中不需要特殊的工藝措施。低碳鋼焊接時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。①被焊材料和焊接材料的質(zhì)量是否合格。②焊接線能量不宜過大，特別是埋弧焊時(shí)。③剛性大的焊接結(jié)構(gòu)在溫度較低的情況下焊接時(shí)，可能產(chǎn)生裂紋，可以適當(dāng)考慮預(yù)熱。總之，低碳鋼是最容易焊接的鋼種，可以采用常用的所有焊接方法焊接。低碳鋼的焊接

當(dāng)含碳量在0.25%左右且含錳量不高時(shí)，焊接性良好。隨看含碳的增加，焊接性逐漸變差。當(dāng)含碳量達(dá)0.50%左右而仍按焊接低碳鋼工藝施焊時(shí)，則熱影響區(qū)可能產(chǎn)生硬脆的馬氏體組織，易于開裂。中碳鋼焊接時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：大多數(shù)情況下需要預(yù)熱和控制層間溫度，以降低冷卻速度，防止產(chǎn)生馬氏體組織。焊后最好立即進(jìn)行消除殘余應(yīng)力熱處理，特別是在厚大件、剛性大的結(jié)構(gòu)或工作。如果不可能立即消除殘余應(yīng)力，也應(yīng)采用后熱工藝，以便使擴(kuò)散氫逸出。焊接沸騰鋼時(shí)注意向焊縫過渡錳、硅、鋁等脫氧劑元素，以防止減少氣孔的產(chǎn)生。應(yīng)選低氫焊接材料。

中碳鋼的焊接

由于其含碳高，更容易產(chǎn)生硬脆的高碳馬氏體，淬硬傾向和裂紋敏感傾向更大，從而焊接性更差。這類鋼不用于制造焊接結(jié)構(gòu)，主要用于制造高硬度耐磨零部件，高碳鋼的焊接的補(bǔ)焊修理為主。為了獲得高硬度和耐磨性，高碳鋼零件一般都經(jīng)過熱處理，焊接前應(yīng)退火，以減少裂紋傾向，焊后再經(jīng)熱處理，以達(dá)到高硬度和耐磨的要求。高碳鋼焊接時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：焊接前應(yīng)先進(jìn)行退火。焊接材料通常不用高碳鋼。采用結(jié)構(gòu)鋼焊接時(shí)必須預(yù)熱，一般預(yù)熱溫度為250～350℃以上。焊接過程中需要保持與預(yù)熱溫度一樣的層間溫度。焊后工件應(yīng)立即送入650℃的爐中保溫，進(jìn)行消除殘余應(yīng)力的熱處理。

高碳鋼的焊接二.低合金鋼的焊接1.16Mn的焊接在低溫和剛性大，厚壁結(jié)構(gòu)的焊接時(shí)，需要考慮采取預(yù)熱措施，預(yù)防冷裂紋產(chǎn)生。2.18MnMnNb的焊接除電渣焊外，應(yīng)采取預(yù)熱措施，預(yù)熱溫度一般為180～180℃

，對于拘束度較大的接頭，預(yù)熱溫度應(yīng)提高到，焊后或中斷焊接時(shí)，應(yīng)后熱處理。焊接材料：為保證焊接接頭的性能和質(zhì)量，焊接線能量適當(dāng)大些，否則易出現(xiàn)淬硬組織而降低韌性，同時(shí)注意多層焊時(shí)層間溫度控制在預(yù)熱溫度和300℃之間。焊后要進(jìn)行熱處理。電渣焊接頭進(jìn)行正火＋回火處理，如遇鋼材性能偏低或要充分發(fā)揮鋼材性能潛力時(shí)，可采用調(diào)質(zhì)處理；在手工電弧焊或埋弧自動(dòng)焊后，進(jìn)行回火或消除殘余應(yīng)力熱處理。

高強(qiáng)鋼的焊接

低溫用鋼的焊接：含碳量低，其淬硬傾向和冷裂傾向小，具有良好的焊接性，但應(yīng)關(guān)注焊縫和粗晶區(qū)的低溫脆性。為了避免焊縫金屬和熱影響區(qū)形成粗晶組織而降低低溫韌性，要求采用小的焊接線能量。焊接電流不宜過大，宜用快速多道焊的方法以減輕過熱，并通過多層焊的重?zé)嶙饔眉?xì)化晶粒，多焊道時(shí)要控制層間溫度。應(yīng)注意避免產(chǎn)生缺陷(弧坑、未焊透及焊縫成形不良等)，并注意及時(shí)修補(bǔ)產(chǎn)生的缺陷，否則裝備在低溫運(yùn)行時(shí)，因鋼材對缺陷和應(yīng)力集中的敏感性大，而增大裝備的低溫脆性破壞傾向。焊后消除應(yīng)力處理可以降低低合金低溫用鋼焊接裝備的脆斷傾向。

低溫用鋼的焊接耐蝕鋼雖含有銅、磷等合金元素，但含量較低，所以焊接時(shí)不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋，冷脆傾向也不大，焊接性仍較好。耐蝕鋼的焊接工藝與強(qiáng)度級別較低的熱軋鋼相同。

耐蝕鋼的焊接

耐熱鋼的焊接.珠光體耐熱鋼的焊接：厚板的Cr-Mo耐熱鋼，在加工焊接坡口時(shí)，可以采用火焰切割，但要預(yù)熱，并做磁粉檢測表面是否產(chǎn)生裂紋。焊接材料的選擇要注意保證焊后Cr和Mo等重要合金元素的含量，控制碳的含量。焊前預(yù)熱是防止低合金耐熱鋼焊接冷裂紋和消除應(yīng)力裂紋的有效措施之一。焊后熱處理既可以消除焊接殘余應(yīng)力，又可以改善組織、提高接頭的綜合力學(xué)性，包括提高高溫蠕變強(qiáng)度和組織穩(wěn)定性、降低焊縫及熱影響區(qū)的硬度等。三.奧氏體不銹鋼的焊接在實(shí)際焊接生產(chǎn)中，這類鋼易產(chǎn)生的問題是晶間腐蝕和熱裂紋。預(yù)防晶間腐蝕的措施：控制焊縫的化學(xué)成分：控制焊縫的含碳量；添加穩(wěn)定化元素在被焊母材和焊接材料中；雙相組織法從焊接工藝著手：以快焊快冷為原則，盡量采用大的焊接速度，短弧焊，不橫向擺動(dòng)。多層焊時(shí)，層間要完全冷卻后再焊接下一層，允許采用焊后快冷的方法，如用水激冷焊縫；采用小電流、直流反接為宜；不要在焊接接頭附近引弧，不要敲打工件；與腐蝕介質(zhì)接觸側(cè)焊縫盡量安排在最后焊接，以免其受另一側(cè)焊縫熱源影響而增大晶間腐蝕傾向；當(dāng)存在有晶間腐蝕傾向時(shí)，可采用焊后熱處理工藝。穩(wěn)定化退火：加熱到850℃保溫2h后空冷，使碳化物充分析出，鉻得到充分?jǐn)U散補(bǔ)充貧鉻區(qū)的鉻，減少晶間腐蝕的產(chǎn)生。這樣處理后，即使再度加熱到敏化溫度區(qū)也不會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕。固溶處理：預(yù)防焊接熱裂紋的措施：嚴(yán)格限制焊縫中的硫、磷等有害元素的含量，控制焊縫成分，使其形成由奧氏體與鐵素體組成的雙相組織，選用堿性焊接材料，低線能量，快焊快冷，防止過熱，盡量減少焊接殘余應(yīng)力，注意正確的焊接結(jié)構(gòu)，選擇減少焊縫金屬充填量的坡口形式。四.異種鋼的焊接異種金屬的焊接是指將兩種(或兩種以上)不同的金屬材料通過焊接手段使它們形成焊接接頭的過程。由于異種材料焊接的種類繁多，性能差別可能很大等，使得異種金屬的焊接問題很復(fù)雜。熔合比、稀釋率異種金屬焊接時(shí)，通常以熔敷的焊接材料的化學(xué)成分作為焊縫金屬的基本成分，而將熔人的母材引起焊縫中合金元素所占比例的變化視為“稀釋”。稀釋的程度取決于焊縫金屬的熔合比。

熔合比即母材金屬在焊縫金屬中所占的百分比。熔合比高時(shí)，稀釋的程度大，反之則稀釋的程度小。異種金屬的焊接特點(diǎn)異種金屬焊接時(shí)，焊縫金屬與母材熱影響區(qū)金屬之間沒有明顯的界線，而是形成了一個(gè)化學(xué)成分即不同于焊縫金屬又不同于母材的過渡層。當(dāng)焊縫金屬與母材金屬化學(xué)成分差別很大時(shí)，過渡層不易充分混合，過渡層明顯，其各部位的性能將對焊接接頭的整體性能有重要影響熔合比或稀釋率高時(shí)，過渡層更明顯。第四節(jié)設(shè)備的焊后熱處理方法一.預(yù)熱、后熱與焊后熱處理機(jī)理預(yù)熱及其選定條件預(yù)熱的目就是在焊接前對焊接區(qū)域預(yù)先加熱到一定溫度。這樣使焊件有一個(gè)較高的基礎(chǔ)溫度，從而可以減慢焊縫的冷卻速度，防止焊縫特別是熱影響區(qū)的淬硬，有利于擴(kuò)散氫的逸出，據(jù)實(shí)際測定，300℃條件下鋼中氫的擴(kuò)散速度是常溫下的數(shù)百倍，即使是150℃左右氫的擴(kuò)散速度也比常溫下快得多。因此，預(yù)熱可以防止鋼結(jié)構(gòu)冷裂紋的發(fā)生。預(yù)熱還可促使結(jié)構(gòu)熱變形平衡，減少焊接殘余應(yīng)力和焊接變形。此外，預(yù)熱亦有對焊接區(qū)去潮、清除污物和保證良好導(dǎo)熱性(如銅等)焊件的焊透作用，以提高接頭焊接的可靠性。選定預(yù)熱工藝條件

一般地說，預(yù)熱對于提高焊接質(zhì)量是有利的，但是否需要選用預(yù)熱工藝必須根據(jù)材料種類，厚度和焊接結(jié)構(gòu)的拘束度具體決定：奧氏體不銹鋼不預(yù)熱；碳鋼在環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，焊接板厚大于20mm的結(jié)構(gòu)鋼才選用預(yù)熱工藝；強(qiáng)度級別較高的鋼時(shí)，因合金在許多情況下也要預(yù)熱。當(dāng)必須進(jìn)行焊前預(yù)熱時(shí)，其最低預(yù)熱溫度還可按下式進(jìn)行估算：T——最低預(yù)熱溫度，℃Pc——冷裂紋敏感指數(shù)。3.后熱及其選定條件后熱又常稱焊后保溫。主要是通過焊接以后的繼續(xù)保溫，降低冷卻速度防止淬火而有利于氫的擴(kuò)散，所以后熱又稱為去氫處理。它也是防止焊接冷裂紋的一種重要工藝措施。后熱對淬硬性較高的鋼種和厚壁設(shè)備尤其適用，它可以較有效地防止高淬硬鋼熱影響區(qū)冷裂紋的發(fā)生，對于厚截面焊縫，氫有一個(gè)擴(kuò)散過程；對于多層焊焊縫，隨著焊接層數(shù)的增加，擴(kuò)散氫含量也逐漸增加并向外擴(kuò)散和聚集。當(dāng)外界溫度較低，氫擴(kuò)散到距離表面20rnm處發(fā)生聚集，而使該區(qū)域成為氫密集區(qū)，即冷裂紋的敏感區(qū)。因此，焊接后應(yīng)立即進(jìn)行保溫處理。后熱的溫度和保溫時(shí)間應(yīng)視結(jié)構(gòu)的鋼種和厚度而定，一般后熱為300～350C，保溫2～3h。4.焊后熱處理機(jī)理對于石油化工設(shè)備和壓力容器的焊后熱處理(PWHT)，實(shí)際上是指消除應(yīng)力回火方面的內(nèi)容。目前各國規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的焊后熱處理，稱為消除應(yīng)力退火處理。實(shí)際上，消除應(yīng)力退火處理不僅可以消除大部分焊接殘余應(yīng)力，而且在該工藝條件下，對去氫和軟化組織、提高塑性韌性和防止焊接裂紋等均具有良好的效果。焊后熱處理可以廣義地認(rèn)為包括了金屬熱處理的各項(xiàng)內(nèi)容(正火，回火，淬火等）。焊后熱處理消除殘余應(yīng)力的機(jī)理：將焊接結(jié)構(gòu)加熱到足夠高的溫度范圍，構(gòu)件材料的屈服強(qiáng)度明顯降低，此時(shí)構(gòu)件殘余應(yīng)力相對高于屈服強(qiáng)度而使材料發(fā)生塑性變形，殘余應(yīng)力亦松弛到該溫度材料屈服強(qiáng)度以下，因而降低了殘余應(yīng)力數(shù)值。此外，鋼材在加熱過程中，特別是保溫期間，還伴隨其蠕變作用繼續(xù)發(fā)生相應(yīng)的塑性變形，因而使應(yīng)力得到進(jìn)一步的緩解。焊后熱處理對母材組織與性能的影響：實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，對于熱軋或正火狀態(tài)的碳鋼焊接結(jié)構(gòu)，若加熱溫度和時(shí)間選擇適當(dāng)，則機(jī)械性能變化不大。但是如果加熱溫度過高或時(shí)間過長，會(huì)使強(qiáng)度和缺口韌性有所降低。因此正確選定碳鋼的熱處理規(guī)范是十分重要的。焊后熱處理對低合金鋼的組織及性能的影響：與所加入的合金元素有關(guān)。當(dāng)加入少量名Ni、Gr、等合金元素時(shí)，其影響與低碳鋼相同；當(dāng)加入V，Nb

，Ti等合金元素，由于這些元素的碳化物在晶界析出，將使鋼的缺口韌性和塑性降低。所以對含有VNbTi合金元素的低合金鋼，采用焊后熱處理必須慎重。焊后熱處理對焊接接頭組織與性能的影響：焊縫和熱影響區(qū)的淬火硬化組織通過焊后熱處理，使其回火而恢復(fù)其塑性。另一方面，鋼的冷裂紋不僅因殘余應(yīng)力的消除和擴(kuò)散氫的逸出而避免，而且由于氫的消除，使焊縫組織中那些高硬度的脆性的不連續(xù)氫聚集區(qū)解除，從而提高了塑性和韌性。二.實(shí)施焊后熱處理的必要條件要求焊后熱處理的鋼材種類必須進(jìn)行焊后熱處理的材料應(yīng)包括鋼材種類和鋼板厚板條件。按目前我國有關(guān)規(guī)定要求，凡符合以下條件之一的鋼材設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)，必須進(jìn)行焊后熱處理：1）碳素鋼2）16MnR3)15MnVR4)12CrMo5)除上述鋼外任意厚度的其它低合金鋼化工設(shè)備制造中必須要求熱處理的條件1)調(diào)整機(jī)械性能：調(diào)質(zhì)處理2）消除殘余應(yīng)力：消除應(yīng)力的退火處理；穩(wěn)定尺寸的焊后熱處理；焊后熱處理工藝及其方法1）焊后熱處理的溫度與時(shí)間：加熱溫度和保溫時(shí)間是兩個(gè)焊后熱處理的主導(dǎo)因素，它