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1、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 0.2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 2.5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
2、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。 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
3、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。 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。 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。 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 1.25 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。 接
4、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 等都能显著提高钢的淬硬性。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
5、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
6、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。P SR 按下式计算：PSR=Cr + Cu + 2Mo + 10V + 7Nb + 5Ti - 2当 PSR0 时，就有可能产生消除应力裂纹。但对于碳含量低于 0.1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 1.2 1.3 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
7、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 2.25Cr-1Mo 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：X 系数和 J 系数X=（10P+5Sb+4Sn+As）10-2（式中元素以 ppm 含量代入，如 0.01应以 100ppm 代入）J=（Si+Mn）（P+Sn）104 （式中元素以百分数含量代入，如 0.15应以 0.15 代入）
8、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 X25ppm，J200，后来达到 X20ppm，J150，直至目前又提高了要求，要求 X15ppm，J100。 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
9、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 VTr54 (试样经Min. PWHT 处理后的夏比冲击功为 54J 时相应的转变 温度) 的变量 VTr54 (试样经 Min. PWHT + 步冷 处理后的夏比冲 击功为 54J 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：VTr54 +1.5VTr54 38(100)20 世纪 90 年代普遍采用的指标：VTr54 +2.5VTr54 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
10、加氢反应器提出的指标是：VTr54 +3VTr54 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，应严格限制焊材中的氧、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，
11、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 0.08 0.12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 预热温度/ 层间温度/15CrMoR 150 150 250
12、12Cr1MoV 200 250 左右12Cr2Mo1R 200 250 200 300在 Cr-Mo 钢上堆焊不锈钢 100对于预热和层间温度，应注意以下几点： 整个焊接 过程中的层间 温度不应低于预热温度。 要保证焊 件内外表面均达到 规定的预热温度。 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。 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。 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 S
13、R 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。 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。 焊后热处 理应保证近 缝区组
14、织的改善。 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。 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。 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（RarsonMille
15、r ）参数 Tp，也称回火参数。Tp= T ( 20+log t )10-3式中：T 热处理绝对温度，Kt 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。T p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 18.2 21.4 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 1.25Cr-0.5Mo 钢焊缝金属的最佳 Tp值为 20.0 20.6 之间，对于 2.25
16、Cr-1Mo 钢而言，其最佳的 Tp值在 20.2 20.6 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(620 640)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
