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壓力容器用焊接材料的選擇與采購技術條件
來源於:鞏義市AG亞遊正規平台材料有限公司 發布時間:[2012/12/19] 瀏覽:2623

討論了壓力容器用焊接材料選擇的原則:焊縫金屬的性能應高於或等於母材性能。介紹了焊接材料采購技術條件的編製要求。 
[關鍵詞] 焊接材料;焊縫金屬;力學性能;化學成分;采購技術條件
1 引 言
焊接材料(以下簡稱焊材)的選擇和使用一直是壓力容器和焊接行業非常關注的問題。2000年版《壓力容器焊接工藝評定》(JB4708-2000)和《壓力容器焊接工藝規程》(JB/T4709-2000)標準(以下簡稱“新標準”)已正式頒布實施。“新標準”對焊材的選擇使用提出了新的要求。本文結合我廠實踐,討論在壓力容器設計製造中,如何貫徹“新標準”、選擇合適的焊材以及如何編製焊材采購技術條件。
2 焊材選用原則
“新標準”規定的焊材選擇原則是:焊縫金屬的性能應高於或等於母材性能。壓力容器應用廣泛,服役條件複雜,故此“性能”應為根據設備實際工況所要求的力學性能、化學成分、耐腐蝕性能以及其它特殊要求等的綜合。
2 1 焊接接頭的力學性能
壓力容器產品焊接的基礎質量是焊接接頭的使用性能和焊接缺陷。焊接接頭的力學性能(拉伸、彎曲和衝擊)是壓力容器設計製造的基礎,是最基本的力學性能。因此焊材選擇的主要依據是保證其焊接接頭的力學性能,包括焊接接頭在實際工況下的高溫/低溫力學性能、抗動載荷、疲勞載荷等性能。
2 1 1 焊接接頭抗拉強度[1]焊縫金屬與母材強度匹配是壓力容器行業和焊接行業的熱點問題之一,爭論頗多。對於強度型低合金鋼按等強原則選用焊材,能保證焊接接頭具有足夠的韌性儲備,適當超強有利於提高接頭的抗脆斷性能。對於強度級別為700~800MPa的高強鋼,焊縫金屬超強或過分低強,均易促進脆性斷裂,接近等強的接頭最為理想。焊縫低強在工藝上可以降低預熱溫度,減少冷裂紋敏感性。因此ASME規範、GB150在堅持等強匹配的同時,也允許低匹配或高匹配在一定場合的實施應用。從文字表麵上看,JB/T4709對焊材的選用要求完全依照等強原則。實際上,標準起草人在“標準釋義”中說明:通常是按照熔敷金屬名義值來選用焊材,而“熔敷金屬實際強度往往超出名義值很多,再考慮冶金因素或熔化比的作用,實際焊縫的強度水平將遠遠超出焊材熔敷金屬的名義值”。可見,該標準並不排斥高強匹配,同時也同意低強匹配。JB/T4709的規定,主要是基於我國尚未有壓力容器用焊材專業標準,國家焊材標準及產品樣本未規定拉伸強度上限,國內市場上焊材拉伸強度普遍偏高的現狀。至於標準中推薦的焊材均是按等強匹配給出的這一問題,如何理解和處理呢?JB/T4709所列焊材為標準推薦,其目的是提供導向性建議,以減少在焊材選擇上的盲目性和製造廠工藝試驗工作量,僅供使用者參考。因此標準中不可能將實際可能使用的所有焊材均列入,隻要按JB4708進行工藝評定,通過規定的拉伸、彎曲、衝擊及其他試驗的焊材,均可以應用於壓力容器產品的焊接,並不要求是否為該標準推薦焊材。
2 1 2 焊接接頭塑性“新標準”在對彎曲試驗機理的認識上有了突破:彎曲試驗的目的是考核材料或焊接接頭的塑性特征和致密程度,從而解決了壓力容器界一個長期爭論的問題。彎曲直徑對彎曲變形的影響很大,AG亞遊正規平台選擇不同的n(彎曲直徑/試樣厚度)值,將試樣彎至180°,觀察其變形情況並測定外表麵彎曲變形率,結果如圖1。  從圖1可見,當n=4時,整個接頭(包括焊縫區、熔合區和熱影響區)都在彎曲範圍內,彎曲變形

圖1 各種n值冷彎試樣彎到180°的縱向變形均勻,變形率在20%左右[2]。
絕大多數壓力容器用鋼板纖維伸長率的下限值均在20%。

因此“新標準”參照ASME規範等國外先進標準,以鋼材纖維伸長率20%為界,規定彎曲直徑取4倍試樣厚度,彎曲角度180°,不再以鋼材類別、單麵焊、雙麵焊的不同規定彎曲直徑和彎曲角度。“新標準”對鋼材纖維伸長率低於20%,又未通過上述彎曲,規定可以根據實際纖維伸長率決定彎曲直徑。“新標準”這些規定充分體現了焊縫金屬與母材等塑性原則。GB4334 5《不鏽鋼硫酸—硫酸銅腐蝕試驗方法》中對焊接接頭彎曲試驗的規定沒有體現焊縫金屬與母材等塑性原則,也同JB4708-2000相衝突,行業內對修訂GB4334 5標準的呼聲很高。
2 1 3 焊接接頭韌性我國在韌性失效破壞方麵積累的數據和經驗不足,所以焊接接頭衝擊試驗一直是懸而未決的問題。ASME規範提供的衝擊試驗豁免曲線(根據材料種類和厚度、最低設計金屬壁溫,決定是否作衝擊試驗或其它測定韌性的方法),是在大量試驗和失效破壞的基礎上做出的。我國因材料體係等諸方麵因素同美國不同,不能照搬。“新標準”修改了衝擊試驗驗收指標,但何情況下應作衝擊試驗方能體現焊縫金屬與母材等韌性原則,“新標準”及GB150仍未回答,尚待進一步研究。
2 2 焊接接頭的化學成分
焊縫金屬化學成分是保證焊縫使用性能(包括機械性能)的基礎。JB/T4709-2000規定,耐熱型合金鋼的焊縫金屬,在保證力學性能的前提下,還應保證化學成分或耐磨蝕性能,即對鉻鉬鋼要保證化學成分,高合金鋼要保證耐腐蝕性能。進行耐蝕層堆焊時,堆焊層的化學成分是保證耐腐蝕性能的基礎。我廠為南化大化肥製造的臨氫設備、300kt/a合成氨氣化爐,主體材料為耐熱型鉻鉬鋼SA387Gr12C12。為保證焊縫金屬有良好的綜合性能,特別是良好的抗回火脆性,在保證焊縫力學性能的前提下,對其化學成分應提出要求,尤其是微量元素,必須嚴格控製,即X=10P+5Sb+4Sn+As,在一定範圍內。我廠與山東濰坊登峰焊務公司共同研製的焊材,其化學成分和機械性能見表1。從表1可見,化學成分範圍不一定與母材相同。焊材鉻含量高於母材,對提高耐熱性能有利[3]。AG亞遊正規平台知道,焊縫金屬為鑄造組織,鋼板為鍛造或軋製狀態,當它們化學成分相同時,力學性能不一定相同,反過來也是如此。因此不可在要求焊縫的力學性能符合母材的同時,規定焊縫的化學成分範圍同母材相同。
表1 Cr-Mo鋼母材及焊材熔敷金屬化學成分、機械性能

  對於高合金焊縫,規定其化學成分是為保證其耐腐蝕性能。其中Cr、Ni含量的提高對提高耐腐蝕性能有利,所有可適當提高焊材Cr、Ni含量。我廠使用的尿素級設備母材為2RE69(25-22-2型),焊材為BM310MoL,化學成分見表2。另外,4 0%~5 5%的Mn與N作用,焊縫金屬可獲得良好的抗熱裂性,在役設備檢修中經常發現,雖然鋼板腐蝕了,而焊縫完好無損。
表2 母材及焊材熔敷金屬化學成分(%)

  對於超級雙相不鏽鋼,如果焊縫金屬與母材化學成分相同,在焊後冷卻時,由於鐵素體向奧氏體發生的轉變不完全,其室溫組織必然是鐵素體含量過高。鐵素體固N能力差,易析出化合物,加上鐵素體晶粒粗大,導致力學性能和抗腐蝕性能下降。因此填充金屬,即焊材應含有較多的奧氏體形成元素,如Ni等[4]。
2 3 其它因素
不同鋼號母材相焊接,由於該兩種材料化學成分、物理性能和力學性能的差異,在選用焊材時應注意。兩種強度級別不同的母材相焊,焊材應與強度級別較低的母材相匹配。奧氏體鋼與珠光體鋼相焊,則應考慮焊縫金屬的稀釋、碳遷移形成擴散層以及接頭殘餘應力等因素,適當提高焊材的Ni含量。我廠為南通醋酸纖維公司製造的銅冷凝器,有銅合金與碳鋼的焊接。因碳鋼與銅合金的熱傳導係數、線膨脹係數等物理性能差別很大,故選用的焊材該兩項性能應介於銅合金與碳鋼之間,以提高可焊性,降低接頭殘餘應力[5]。工程中對焊材的選擇還要綜合考慮:母材焊接性,工件的複雜程度、剛性、焊接部位及坡口,焊接環境及條件,施工效率以及經濟效益。
 

3 焊材采購技術條件的編製
我國尚未出台壓力容器用焊材專業技術標準,用於壓力容器的焊材通常遵循國家標準和產品樣本,該標準和樣本適用於各種行業,其技術指標遠遠低於壓力容器規範及相關標準和法規。因此製造廠在采購壓力容器用焊材時,必須提出附加技術條件,作為國家標準的補充。
3 1 熔敷金屬化學成分和硫磷含量硫磷等元素對焊接質量的影響很大,是關鍵的有害元素。將國家焊材標準和產品樣本與壓力容器用鋼材標準(如GB6654-1996、GB3531-1996等)進行比較,可以看出,與壓力容器用鋼材匹配的焊材,其國家標準和樣本規定的硫磷含量普遍高於鋼材標準;對於少數強度型低合金鋼和幾乎所有低溫壓力容器用低合金鋼板、低溫壓力容器用碳素鋼和低合金鋼鍛件,相匹配的焊材國家標準和樣本均未規定硫磷含量。根據JB/T4709的規定,采購技術條件應明確焊材(以熔敷金屬)硫磷含量,其含量應低於GB6654-1996、GB3531-1996等標準規定。
3 2 熔敷金屬力學性能
3 2 1 拉伸強度上限值和下限值GB150中所列碳素鋼和低合金均規定了拉伸強度上限值和下限值,而焊材國家標準和產品樣本隻規定了熔敷金屬拉伸強度的下限值。焊材熔敷金屬強度過高,會造成焊縫與母材的強度、塑性和韌性不匹配,影響焊接接頭性能。
3 2 2 彎曲試驗焊材國家標準和產品樣本均未規定進行熔敷金屬的彎曲試驗。上述分析可知,對焊材熔敷金屬進行彎曲試驗是必要的,我國壓力容器相關標準、法規對彎曲試驗也有明確要求。因此采購技術條件應規定熔敷金屬的彎曲試驗,其合格指標不低於壓力容器標準中相應規定。
3 2 3 焊縫的衝擊試驗焊材國家標準和產品樣本中力學性能試板熱處理規範與產品焊後熱處理不完全相同,與不少鋼材相差甚遠。因此應根據焊材的力學性能試板熱處理規範、焊件焊後熱處理、焊接返修和鋼材特點,選用相應的焊材,規定合適的焊縫金屬夏比V型缺口衝擊功驗收指標,滿足JB/T4709要求。
3 3 焊接性焊材的焊接性,指通過焊接,被焊件得到充分連接,以及焊接接頭滿足結構使用要求的程度,也即焊材焊接時產生氣孔、凹痕、裂紋或焊接不良等焊接缺陷的程度。采購技術條件應根據壓力容器有關標準法規,對焊材使用性能及熔敷金屬焊接缺陷的檢測方法及合格指標增加規定,如偏心度、藥皮強度、焊縫成形及外觀、焊縫射線檢測、擴散氫含量等[6]。另外,對焊材的包裝、運輸和儲存等。應規定嚴於國家標準、符合壓力容器法規的要求。
4 結 論
(1)焊材的選用原則是:焊縫金屬的性能應高於或等於母材性能。
(2)焊材化學成分是保證焊縫性能的重要因素,確定焊材化學成分還應考慮材料的焊接性。
(3)采購用於壓力容器的焊材,應根據壓力容器標準法規、設備製造工藝、鋼材特點以及設備股役條件,編製嚴於國家標準的技術條件。技術條件應包括主要技術指標及其檢測方法和驗收標準。

 

 

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