1、焊接結構生產課程設計指導書材料成型及控制工程系南華大學機械工程學院目      錄 前言2一課程設計的性質和目的3二課程設計的基本任務3三課程設計的基本要求3四課程設計的基本步驟4五課程設計說明書要求4六課程設計參考資料4七附錄43前 言課程設計是焊接課程教學的最后一個環節，是對學生進行全面系統的訓練。課程設計可以讓學生將學過的零碎知識系統化，真正地把學過的知識落到實處，進一步激發學生學習的熱情，因此課程設計是必不少的，是非常必要的。但是，在教學實踐中，一方面，我們感到學生掌握的理論知識和實踐知識有限；另一方面課程設計的時間有限（一般

2、不多于三周）。要想學生在規定時間內，運用自己有限的知識去獨立完成某一焊接結構的全部設計是不現實的。因此，在三兩周的課程設計時間內，除了讓每個學生清楚地了解焊接結構的整個設計、裝配過程外（弱化計算過程），更應該注重焊接結構設計的某一細節，完全弄懂、弄透，能夠達到舉一反三的目的，從而培養學生設計焊接結構的初步能力。基于以上認識，作者編寫了焊接結構生產課程設計指導書。 編者一、 課程設計的性質、目的焊接結構生產課程設計是在完成焊接結構生產理論教學課程后，進行的綜合運用所學基本知識和技能的一個非常重要的教學環節。通過課程設計，可以培養學生解決焊接生產實際問題的能力，檢驗學生對所學基本知識的綜合運用能力

3、；使學生進一步了解典型焊接結構（壓力容器）的基本知識及相關焊接工藝，掌握焊接結構的整體設計、焊接工藝規程、焊接工藝卡的編制要領；最終使學生具有根據生產實際獨立制定焊接結構焊接工藝的能力。二、課程設計的主要內容和基本任務了解焊接結構（壓力容器）、工況環境、制造過程的特點，掌握焊接結構的整體設計、焊接工藝規程、焊接工藝卡的編制要領。最終能根據實際需要獨立研究設計相應的焊接結構，制定相關的焊接工藝。三、課程設計的基本要求熟悉焊接結構（壓力容器）的結構特點，了解焊接結構（壓力容器）各部分的運行狀態、結構特點以及影響制造工藝的因素并能按實際情況具體制定相應的工藝流程卡和工藝卡（具體要求見附錄）。具體要求

4、：1) 要充分認識課程設計對培養自己的重要性，認真做好設計前的各項準備工作；2) 既要虛心接受老師的指導，又要充分發揮主觀能動性。結合課題，獨立思考,努力鉆研，勤于實踐，勇于創新；3）獨立按時完成規定的工作任務，不得弄虛作假，不準抄襲他人內容，否則成績以不及格計；4）無論在校外、校內，都要嚴格遵守學校和所在單位的學習和勞動紀律、規章制度，學生有事離校必須請假。課程設計期間，無故缺席按曠課處理；缺席時間達四分之一以上者，其成績按不及格處理；5） 在設計過程中，要嚴格要求自己，樹立嚴肅、嚴密、嚴謹的科學態度；6） 認真閱讀設計任務書，保質保量地完成任務書的規定的工作。7） 焊接結構裝配圖用A1紙繪

5、制或打印，必須符合國家有關標準的規定。8） 小組成員之間，分工明確，但要保持聯系暢通，密切合作，培養良好的互相幫助和團隊協作精神；9） 每組合作完成一套焊接結構（壓力容器）的整體裝配圖，將壓力容器根據結構劃分成筒 體、封頭、接管三部分，每個同學獨立完成其中的一部分，并根據自己的課題設計相應的焊接工藝規程和焊接工藝卡；10）編寫課程設計說明書，說明書要求文字通順，簡煉。不少于5000字。四、課程設計的基本步驟1） 選題與搜集資料：根據分組，選擇課題，在小組內進行分工，進行系統調查，搜集資料；2） 分析設計、畫裝配圖：根據搜集的資料，進行分析，了解焊接結構（壓力容器）的基本構造和工作原理，并繪制壓

6、力容器裝配圖；3） 制定焊接工藝：制定相關部件的制造工藝流程，并對其中的焊接部件編寫相應的焊接工藝規程卡和焊接工藝卡。4） 驗收與評分：指導教師對每個小組選定的課題（焊接結構），及每個成員設計的焊接工藝及工藝規程，結合課程設計說明書，根據課程設計成績的評定方法，評出成績。五、課程設計說明書要求1） 寫出課程設計的基本步驟及方案；2） 簡單說明焊接結構（壓力容器）的基本構造和工作原理，并繪制相應的裝配圖（用A3紙單獨畫出）；3） 設計相關部件的焊接工藝流程，并編寫相應的焊接工藝規程和焊接工藝卡； 4） 設計者的心得體會。六、課程設計參考資料壓力容器的焊接技術隨著工程焊接技術的迅速發展，現代壓力容

7、器也已發展成典型的全焊結構。壓力容器的焊接成為壓力容器制造過程中最重要最關鍵的一個環節，焊接質量直接影響壓力容器的質量。第一節 碳鋼、低合金高強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，以碳為合金元素，含量一般不超過1.0。此外，含錳量不超過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，更不是合金元素。S、P、O、N等作為雜質元素，根據鋼材品種和等級，也都有嚴格限制。碳鋼根據含碳量的不同，分為低碳鋼(C0.30)、中碳鋼(C= 0.30 0.60)、高碳鋼(C0.60)。壓力容器主要受壓元件用碳鋼，主要限于低碳鋼。

8、在容規中規定：“用于焊接結構壓力容器主要受壓元件的碳素鋼和低合金鋼，其含碳量不應大于 0.25。在特殊條件下，如選用含碳量超過 0.25的鋼材，應限定碳當量不大于 0.45，由制造單位征得用戶同意，并經制造單位壓力容器技術總負責人批準，并按相關規定辦理批準手續”。常用的壓力容器用碳鋼牌號有Q235-B、Q235-C、10、20、20R等。（一）低碳鋼焊接特點低碳鋼含碳量低，錳、硅含量少，在通常情況下不會因焊接而引起嚴重組織硬化或出現淬火組織。這種鋼的塑性和沖擊韌性優良，其焊接接頭的塑性、韌性也極其良好。焊接時一般不需預熱和后熱，不需采取特殊的工藝措施，即可獲得質量滿意的焊接接頭，故低碳鋼鋼具有

9、優良的焊接性能，是所有鋼材中焊接性能最好的鋼種。（二）低碳鋼焊接要點（1）埋弧焊時若焊接線能量過大，會使熱影響區粗晶區的晶粒過于粗大，甚至會產生魏氏組織，從而使該區的沖擊韌性和彎曲性能降低，導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，應嚴格按經焊接工藝評定合格的焊接線能量施焊。（2）在現場低溫條件下焊接、焊接厚度或剛性較大的焊縫時，由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，應采取焊前預熱等措施。二、 壓力容器用低合金高強鋼及其焊接特點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)，以提高鋼的力學性能，使其屈服強度在275 MPa以上，并

10、具有良好的綜合性能，這類鋼稱之為低合金高強鋼，其主要特點是強度高、塑性和韌性也較好。按鋼的屈服強度級別及熱處理狀態，壓力容器用低合金高強鋼可分為二類。 熱軋、正火鋼 屈服強度在294Mpa 490MPa之間，其使用狀態為熱軋、正火或控軋狀態，屬于非熱處理強化鋼，這類鋼應用最為廣泛。 低碳調質鋼 屈服強度在490Mpa 980Mpa之間，在調質狀態下使用，屬于熱處理強化鋼。其特點是既有高的強度，且塑性和韌性也較好，可以直接在調質狀態下焊接。近年來，這類低碳調質鋼應用日益廣泛。目前應用于壓力容器的低合金高強鋼。鋼板牌號有：16MnR、15MnVR、13MnNiMoNbR、18MnMoNbR等。鍛件

11、牌號有16Mn、15MnV、20MnMo、20MnMoNb等。低合金高強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，其焊接特點表現在：（一）焊接接頭的焊接裂紋（1）冷裂紋 低合金高強鋼由于含使鋼材強化的C、Mn、V、Nb等元素，在焊接時易淬硬，這些硬化組織很敏感，因此，在剛性較大或拘束應力高的情況下，若焊接工藝不當，很容易產生冷裂紋。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力熱處理過程或長期處于高溫運行中發生在靠近熔合線粗晶區的沿晶開裂。一般認為，其產生是由

12、于焊接高溫使HAZ附近的V、Nb、Cr、Mo等碳化物固溶于奧氏體中，焊后冷卻時來不及析出，而在PWHT時呈彌散析出，從而強化了晶內，使應力松弛時的蠕變變形集中于晶界。低合金高強鋼焊接接頭一般不易產生再熱裂紋，如16MnR、15MnVR等。但對于Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金高強鋼，如07MnCrMoVR，由于Nb、V 、Mo是促使再熱裂紋敏感性較強的元素，因此這一類鋼在焊后熱處理時應注意避開再熱裂紋的敏感溫度區，防止再熱裂紋的發生。（二）焊接接頭的脆化和軟化 （1）應變時效脆化 焊接接頭在焊接前需經受各種冷加工(下料剪切、筒體卷圓等)，鋼材會產生塑性變形，如果該區再經200 450的

13、熱作用就會引起應變時效。應變時效脆化會使鋼材塑性降低，脆性轉變溫度提高，從而導致設備脆斷。PWHT可消除焊接結構這類應變時效，使韌性恢復。GB150-1998鋼制壓力容器作出規定，圓筒鋼材厚度s符合以下條件：碳素鋼、16MnR的厚度不小于圓筒內徑Di的3；其他低合金鋼的厚度不不小于圓筒內徑Di的2.5。且為冷成形或中溫成形的受壓元件，應于成形后進行熱處理。（2）焊縫和熱影響區脆化 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(HAZ)的脆性轉變溫度比母材高，是接頭中的薄弱環節。焊接線能量對低合金高強鋼WM和HAZ性能有重要影響，低合金高強鋼易淬硬，線能量過小，HAZ

14、會出現馬氏體引起裂紋；線能量過大，WM和HAZ的晶粒粗大會造成接頭脆化。低碳調質鋼與熱軋、正火鋼相比，對線能量過大而引起的HAZ脆化傾向更嚴重。所以焊接時，應將線能量限制在一定范圍。（3）焊接接頭的熱影響區軟化 由于焊接熱作用，低碳調質鋼的熱影響區(HAZ)外側加熱到回火溫度以上特別是Ac1附近的區域，會產生強度下降的軟化帶。HAZ區的組織軟化隨著焊接線能量的增加和預熱溫度的提高而加重，但一般其軟化區的抗拉強度仍高于母材標準值的下限要求，所以這類鋼的熱影響區軟化問題只要工藝得當，不致影響其接頭的使用性能。三、 壓力容器用低合金高強鋼焊材選用（1）根據鋼材不同的強度級別選擇與母材強度相當的焊縫金

15、屬是這類鋼焊材選用的基本原則，當然，與此同時還要根據產品的使用條件、產品結構和板材厚度等因素，綜合考慮焊縫金屬的韌性、塑性和焊接接頭的抗裂性。只要焊縫強度不低于或略高于母材標準抗拉強度的下限值即可。若選擇的焊材焊縫金屬強度過高，將會導致接頭的韌性、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，在等強度原則的前提下，嚴格控制焊材中的氫含量是非常重要的，應盡量選用低氫型的焊材。對于強度較高的低碳調質鋼焊接時，更是如此，甚至要選擇超低氫型的焊材，并嚴格控制焊材的存放和使用。（3）考慮焊后加工工藝的影響。對焊后需經熱處理、熱卷（熱彎）的焊件，應考慮焊縫金屬

16、經受高溫處理作用對其力學性能的影響，應保證焊縫金屬經熱處理后仍具有要求的強度、塑性和韌性等。例如，對于壓力容器常見的16MnR鋼的埋弧焊，一般情況下選用H10Mn2焊絲+HJ431焊劑即可。但對于焊后需經正火溫度下沖壓的封頭拼板焊縫，其焊材選用應適當提高一檔，使用H08MnMo焊絲+HJ431焊劑，可彌補其強度損失。四、 壓力容器用低合金高強鋼焊接要點（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，以減少焊縫中的擴散氫。（2）為了避免熱影響區粗晶區的脆化，一般應注意不要使用過大的線能量。對于含碳量偏下限的16MnR鋼焊接時，焊接線能量沒有嚴格的限制，因為這種鋼焊接熱影響區脆

17、化傾向較小，但對于含釩、鈮、鈦等微合金化元素的鋼，則應選用較小的焊接線能量。（3）對于碳及合金元素含量較高、屈服強度也較高的低合金高強鋼，如18MnMoNbR，由于這種鋼淬硬傾向較大，又要考慮其熱影響區的過熱傾向，則在選用較小線能量的同時，還要增加焊前預熱、焊后及時后熱等措施。（4）焊接低碳調質鋼時，為了使熱影響區保持良好的韌性，同時使焊縫金屬既有較高的強度又有良好的韌性，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，盡量不作橫向擺動的運條方式。為防止冷裂紋的產生，焊前需要預熱，

18、但應嚴格控制預熱溫度，預熱溫度過高，會使熱影響區冷卻速度過于緩慢，從而在該區內產生馬氏體+奧氏體混合組織和粗大的貝氏體，使強度下降，韌性變壞。一般要求最高預熱溫度不得高于推薦的最低預熱溫度加50。采用低溫預熱加后熱的方法既可防止低碳調質鋼產生冷裂紋，又可減輕或消除預熱溫度過高帶來的不利影響。（5）加強對焊接接頭的無損檢測，對再熱裂紋敏感的鋼種，應在PWHT前后都要做射線或超聲檢測。五、 低合金高強鋼壓力容器焊接實例直徑為2000mm，壁厚為32mm的緩沖罐（圖1-1），殼體材質為16MnR，其主要承壓焊縫的焊接工藝見表11-1。圖1-1 緩沖罐簡圖表 1-1 緩沖罐焊接工藝焊縫編號焊縫位置焊接

19、方法焊接材料說明O1A1、O2A1封頭拼縫雙面SAWH08MnMo+HJ4311A1、2A1、B1、B3殼體縱、環縫雙面SAWH10Mn2+HJ431B2殼體環縫(大合攏)內SMAW外SAWJ507H10Mn2+HJ431B4D1-D3人孔接管與對應法蘭環縫人孔、小接管與殼體角焊縫雙面SMAWJ507B5、B6小接管與對接法蘭環縫GTAW打底SMAW蓋面TIG-50J507E1鞍座與殼體焊接角焊縫GMAW(CO2焊)TWE-711說明： 封頭拼縫在平板狀態下焊接完成后，需再經過950 1000的加熱后進行沖壓成形，故拼縫要經過Ac3以上溫度的加熱，焊縫的力學性能不僅取決于化學成分，而且和焊縫的

20、組織狀態有很大關系。雖然焊縫的含碳量要比母材低很多，但由于焊接是一個局部加熱過程，冷卻速度很大，因此焊縫呈現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化存在，而低碳馬氏體的亞結構存在許多位錯，過飽和的固溶的碳就聚集在位錯周圍，起著釘扎位錯的作用，使位錯難于運動，馬氏體便不易變形而呈現強化焊縫的作用。經過Ac3以上的溫度加熱后，焊縫組織從柱狀晶變成了等軸晶，打破了原來的亞結構狀態，使過飽和程度降低，其碳的固溶強化作用也隨之降低了，所以勢必焊縫強度降低。為了彌補上述情況造成的焊縫強度降低，只有調整焊縫的化學成分，使用合金元素更多一些的、強度高一檔的焊絲來焊接熱壓封頭拼縫。

21、 殼體縱、環縫焊接條件好，考慮到板厚因素，從提高效率、保證焊接質量出發，選用雙面埋弧焊，焊絲啊等強度原則選用。 設備大合攏焊縫，考慮到設備因素，內焊縫采用埋弧焊較困難，故內側采用焊條電弧焊、外側采用碳弧氣刨清根后再進行外環縫埋弧焊。B2焊縫據人孔較近，故將其為大合攏焊縫。 人孔接管與人孔法蘭環縫，由于人孔直徑較大，故采用焊條電弧焊進行雙面焊。 對于人孔、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行雙面焊。 對于小直徑接管環縫，由于只能單面焊，又要保證質量，選用TIG焊打底是保證焊縫質量最有效的方法。TIG-50為焊材牌號，其焊材型號為ER70S-G (AWS A5.

22、18)。 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焊(保護氣體為純CO2)，效率高，焊縫成形好。TWE-711為焊材牌號，其焊材型號為E71T-1(AWS A5.20)。第二節 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，以提高鋼的高溫強度和持久強度，就形成了低合金耐熱鋼，對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或正火+回火狀態交貨。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為貝氏體

23、+鐵素體組織，故也稱為貝氏體耐熱鋼，如12Cr2Mo1R。壓力容器上使用的低合金耐熱鋼主要是以加入鉻和鉬元素或輔以加入少量的釩、鈦等元素來提高鋼的蠕變強度和組織穩定性，所以也經常稱之為Cr-Mo耐熱鋼或Cr-Mo-V系耐熱鋼。也正由于這一類鋼在耐高溫的同時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1Cr5Mo、1Cr9Mo1，和合金大于13的高合金耐熱鋼，如1Cr17。由于在壓力容器中這兩類耐熱鋼并不多見，本節以敘述低合金耐熱鋼為主。為保證耐熱鋼焊接接頭在

24、高溫、高壓和各種腐蝕介質條件下長期安全的運行，其焊接接頭性能應滿足下列幾點要求。 接頭的等強性 耐熱鋼接頭不僅應具有與母材基本相等的室溫和高溫短時強度，而且更重要的是應具有與母材相近的高溫持久強度。 接頭的抗氫性和抗氧化性 耐熱鋼接頭應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與母材基本一致。 接頭的組織穩定性 耐熱鋼焊接接頭在制造過程中，特別是厚壁接頭將經受長時間多次熱處理，在運行過程中將長期受高溫高壓的作用，接頭各區不應產生明顯的組織變化及由此引起的脆變或軟化。 接頭的抗脆斷性 雖然耐熱鋼壓力容器大多數是在高溫下工作，但當壓力容器和管道制造完工后將在常溫下進

25、行設計壓力1.25倍壓力的水壓試驗。在安裝檢修完后，要經歷水壓試驗及冷啟動過程。因此，耐熱鋼焊接接頭亦應具有一定的抗脆斷性。 接頭的物理均一性 耐熱鋼焊接接頭應具有與母材基本相同的物理性能。焊縫金屬的熱膨脹系數和熱導率應基本一致，這樣就可避免接頭在高溫運行過程中的熱應力。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鋼都具有一些相同的焊接特點，而又由于其含有一些特殊的微量元素及其不同的介質工作環境，所以也有其獨特的焊接特點。（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Mo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變，提高了過冷奧氏體的

26、穩定性，從而在較高的冷卻速度下可能形成全馬氏體組織，比如12Cr2Mo1R焊接時，如果焊接線能量較小，鋼板厚度較大且不預熱焊接時就有可能發生100的馬氏體轉變。（2）冷裂紋 由于Cr-Mo鋼極易產生淬硬的顯微組織，再加上焊縫區足夠高的擴散氫濃度和一定的焊接殘余應力共同作用，焊接接頭易產生氫致延遲裂紋。這種裂紋在熱影響區和焊縫金屬中都易發生。在熱影響區大多是表面裂紋，在焊縫金屬中通常表現為垂直于焊縫的的橫向裂紋，也可能發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。（3）消除應力裂紋 因為這類裂紋是在消除應力熱處理時，接頭再次處于高溫下所產生的裂紋，故又稱為再熱裂紋。C

27、r-Mo鋼是再熱裂紋敏感性鋼種，敏感的溫度范圍一般在500 700之間。大量試驗結果表明，鋼中Cr、Mo、V、Nb、Ti等強碳化物形成元素對再熱裂紋形成有很大影響。通常以裂紋指數PSR粗略地評價鋼的消除應力裂紋敏感性。PSR按下式計算：PSR=Cr + Cu + 2Mo + 10V + 7Nb + 5Ti - 2當PSR0時，就有可能產生消除應力裂紋。但對于碳含量低于0.1的鋼種，上式不適用。（4）熱裂紋 對低合金耐熱鋼，人們往往注重冷裂紋的防止。實際上，當焊道的成形系數（熔寬與熔深比）小于1.2 1.3時，焊道中心易形成熱裂紋。這是因為窄而深的梨形焊道，低熔點共晶聚集于焊道中心，在焊接應力作

28、用下，導致焊道中心出現熱裂紋。一切影響焊道成形系數的因素都會影響熱裂紋的發生。（5）回火脆性 Cr-Mo鋼及其焊接接頭在350 500溫度區間長期運行過程中發生脆變的現象稱為回火脆性。例如某廠一臺2.25Cr-1Mo鋼制壓力容器在332 432運行30000h后，鋼的40J脆性轉變溫度從-37提高到了+60，并最終導致災難性的脆性斷裂事故。Cr-Mo鋼及其焊接接頭的回火脆性敏感性有兩種評價方式：X系數和J系數X=（10P+5Sb+4Sn+As）×10-2（式中元素以ppm含量代入，如0.01應以100ppm代入）J=（Si+Mn）（P+Sn）×104 （式中元素以百分數含量

29、代入，如0.15應以0.15代入）這兩個系數的界定是隨著工業的不斷發展和進步一步步提高的，最早要求X25ppm，J200，后來達到X20ppm，J150，直至目前又提高了要求，要求X15ppm，J100。 分步冷卻試驗法(步冷) 分步冷卻試驗法是將試件加熱到規定的最高溫度后分步冷卻，溫度每降一級，保溫更長時間，如圖2-1。步冷處理目的是在200 300 h內使鋼產生最大的回火脆性，與350 500溫度區間設備經過2000 5000 h才能產生的效果相同。圖2-1 測定回火脆性敏感性的步冷處理程序圖2-2 回火脆化程度的曲線按圖2-2曲線加熱，使鋼材發生快速回火脆化。分別對步冷試驗前后的鋼材進行

30、系列沖擊，繪制出步冷試驗前 、后回火脆化程度的曲線，確定延脆性轉變溫度VTr54 (試樣經Min. PWHT處理后的夏比沖擊功為54J時相應的轉變溫度)的變量VTr54 (試樣經Min. PWHT + 步冷處理后的夏比沖擊功為54J時相應的轉變溫度增量)，按下式進行計算：美國雪弗龍公司早期提出的指標：VTr54 +1.5VTr54 38(100)20世紀90年代普遍采用的指標：VTr54 +2.5VTr54 38隨著對設備安全性要求的提高及鋼材、焊材性能的提高，對該指標的要求越來越高，2006年某工程公司為寧波和邦化學有限公司設計的兩臺加氫反應器提出的指標是：VTr54 +3VTr54 10二

31、、 壓力容器用耐熱鋼焊材選用（1）與低合金高強鋼相同，焊縫金屬和母材等強度原則仍是低合金耐熱鋼焊材選用的基本原則，只不過此時不但要考慮焊縫金屬與母材的常溫強度等強，同時也要使其高溫強度不低于母材標準值的下限要求。（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鉻、鉬含量不得低于母材標準值的下限。（3）為保證焊縫金屬有同樣小的回火脆性，應嚴格限制焊材中的氧、硅、磷、銻、錫、砷等微量元素的含量。（4）為提高焊縫金屬的抗裂性，應控制焊材中的含碳量低于母材的碳含量，但應注意，含碳量過低時，經長時間的焊后熱處理會促使鐵素體形成，從而導致韌性下降，因此，對于低合金耐熱鋼的焊縫金屬含碳量最

32、好控制在0.08 0.12范圍內，這樣才會使焊縫金屬具有較高的沖擊韌性和與母材相當的高溫蠕變強度。三、 壓力容器用耐熱鋼焊接要點（1）預熱與層間溫度 在Cr-Mo鋼的焊接特點中提到的冷裂紋、熱裂紋及消除應力裂紋，都與預熱及層間溫度相關。一般來說，在條件許可下應適當提高預熱及層間溫度來避免冷裂紋和再熱裂紋的產生。表2-1為對各種低合金耐熱鋼推薦選用的預熱溫度和層間溫度，但在設備制造過程中還要結合實際選用。表2-1 推薦選用的低合金耐熱鋼預熱及層間溫度鋼種預熱溫度/層間溫度/15CrMoR150150 25012Cr1MoV200250左右12Cr2Mo1R200 250200 300在Cr-Mo

33、鋼上堆焊不銹鋼100對于預熱和層間溫度，應注意以下幾點： 整個焊接過程中的層間溫度不應低于預熱溫度。 要保證焊件內外表面均達到規定的預熱溫度。 對于厚壁容器，必須注意焊前、焊接過程和焊接結束時的預熱溫度基本保持一致并將實測預熱溫度做好記錄。 若容器焊前進行整體預熱不僅費時而且耗能。實際上，作局部預熱可以取得與整體預熱相近的效果，但必須保證預熱區寬度大于所焊厚度的4倍，且至少不小于150mm。 預熱與層間溫度必須低于母材的Mf點(馬氏體轉變結束點)，否則當焊件經SR處理后，殘留奧氏體可能發生馬氏體轉變，其中過飽和的氫逸出會促使鋼材開裂，如對12Cr2Mo1R的預熱和最高層間溫度應低于300。 鋼

34、材下料進行熱切割時，類似焊接熱影響區的熱循環，切割邊緣的淬硬層可能成為鋼材卷制或沖壓時的裂源。因此，也應適當預熱。（2）焊后熱處理 對于低合金耐熱鋼，焊后熱處理的目的不僅是消除焊接殘余應力，而且更重要的是改善組織提高接頭的綜合力學性能，包括提高接頭的高溫蠕變強度和組織穩定性，降低焊縫及熱影響區硬度，還有就是使氫進一步逸出以避免產生冷裂紋。因此，在擬定低合金耐熱鋼焊接接頭的焊后熱處理規范時，應綜合考慮下列冶金和工藝特點。 焊后熱處理應保證近縫區組織的改善。 加熱溫度應保證焊接接頭的焊接應力降到盡可能低的水平。 焊后熱處理不應使母材及焊接接頭各項力學性能降低到設計規定的最低限度以下。這一點往往要通

35、過對母材及焊接接頭進行最大和最小模擬焊后熱處理(Max. PWHT及Min. PWHT)后的各項力學性能檢測來確定。 由于耐熱鋼的回火脆性及再熱裂紋傾向，焊后熱處理應盡量避免在所處理鋼材回火脆性敏感區及再熱裂紋傾向敏感區的溫度范圍內進行。應規定在危險溫度范圍內要有較快的加熱速度。綜合考慮以上4個特點，需要制定一個合適的耐熱鋼焊后熱處理規范，經過大量的試驗、研究，引出了一個指導性參數，即納爾遜米勒（RarsonMiller）參數 Tp，也稱回火參數。Tp= T ( 20+log t )×10-3式中：T 熱處理絕對溫度，Kt 熱處理保溫時間，h從式中可以看出，熱處理的溫度和保溫時間決定

36、了Tp值的高低，也就影響了Cr-Mo鋼焊接接頭的強度和韌性。Tp值過低，接頭的強度和硬度會過高而韌性較低，若Tp值太高，則強度和硬度會明顯下降，同時由于碳化物的沉淀和聚集也會使韌性下降，因此，Tp值在18.2 21.4可以使接頭具有較好的綜合力學性能。當然，對于每一種Cr-Mo鋼都有一個最佳的回火參數范圍，如1.25Cr-0.5Mo鋼焊縫金屬的最佳Tp值為20.0 20.6之間，對于2.25Cr-1Mo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，導致生產裂紋的影響因素中，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

37、o鋼容器的壁厚、剛性大、制造周期長，焊后不能很快進行熱處理，為防裂并穩定焊件尺寸，在主焊縫(或主焊縫和殼體接管焊縫)完成后進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，也有少數制造單位取350 400的。中間熱處理規范隨鋼種、結構、制造單位的經驗而異，一般中間熱處理溫度為(620 640)±15。（4）焊接規范的選擇 焊接線能量、預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，加之伴有較高的預熱和層間溫度，就會使接頭各區的晶粒粗大，強度和韌性都會降低。對于低合金耐熱鋼而言，對焊接線能量在一定范圍內變化并不敏感，也就是

38、說，允許的焊接線能量范圍較寬，只有當線能量過大時，才會對強度和韌性有明顯的影響，所以為了防止冷裂紋的產生，希望焊接時線能量不要過小。四、 耐熱鋼鋼壓力容器焊接實例直徑為500mm，殼程壁厚為30mm，管程壁厚為16mm的加熱器（圖2-3），殼體材質為15CrMoR，其主要承壓焊縫的焊接工藝見表2-2。圖2-3 加熱器簡圖表 2-2 加熱器焊接工藝焊縫編號焊縫位置焊接方法焊接材料說明3A1、4A1、B6B2-B5、B7B8、B9管程筒體縱、環縫殼程、管程筒體與管板環縫接管與對接法蘭環縫GTAW打底SMAW蓋面H13CrMoAR3071A1、2A1、B1、B4管程筒體縱縫管程筒體與法蘭環縫SMAW

39、R307D1-D6接管、整體法蘭與法蘭蓋、管板、殼體角焊縫SMAWR307D7換熱管與管板角焊縫GTAW（自動）H08CrMoAE1耳座與殼體角焊縫GMAW(CO2焊)TWE-811B2說明： 殼程筒體直徑較小，焊工無法鉆入筒體內焊接，故殼程筒體縱、環縫只能從外側施焊。同樣，由于該設備結構方面的原因，殼程、管程筒體與管板的環縫焊接也只能從外側進行。至于接管與對接法蘭環縫，本設備中接管規格為273×12，亦無法從內側施焊。以上焊縫需要單面焊，但又要保證質量，選用TIG焊打底是保證焊縫質量最有效的方法。對于殼程筒體環縫，也可采用GTAW打底，SMAW再焊兩道，然后SAW焊剩余層的方法。

40、盡管管程筒體直徑較小，但其長度很短，管程筒體縱縫、管程筒體與法蘭環縫具備內側焊條電弧焊的條件，故采用焊條電弧焊進行雙面焊。 接管、整體法蘭與法蘭蓋、管板、殼體的角焊縫設備大合攏焊縫，鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊。 換熱管-管板焊接是熱交換設備的重要焊縫，其焊接方法有焊條電弧焊、手工鎢極氬弧焊、全位置自動氬弧焊。焊條電弧焊是最早使用的焊接方法，其特點是效率高，但是質量對比于其他兩種方法來說要差很多，現在基本上已被淘汰。但是在某些特殊場合，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行焊接，這時只能用采用焊條電弧焊的方法，用小直徑焊條焊接，這對焊工操作技術要求很高，

41、一般在焊前需要對焊工進行專門培訓。目前使用最廣泛，質量最好的焊接方法為自動氬弧焊。本設備中換熱管-管板焊接采用全位置自動氬弧焊，焊接接頭形式為角焊縫（圖2-4）。焊絲直徑為1mm，填絲焊兩道。圖2-4 加熱器換熱管-管板接頭形式 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焊(保護氣體為純CO2)，效率高，焊縫成形好。TWE-811B2為焊材牌號，其焊材型號為E81T1-B2(AWS A5.29)。第三節 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GB150-1998鋼制壓力容器附錄C規定，設計溫度低于或等于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具有

42、冷脆性。衡量低溫鋼性能的主要指標是低溫韌性，即低溫下的沖擊韌性和脆性轉變溫度，鋼的低溫沖擊韌性越高，脆性轉變溫度越低，則該鋼低溫韌性越好。鋼的成分和組織對低溫性能都有顯著影響，磷、碳、硅使鋼的脆性轉變溫度升高，其中尤以磷、碳最為顯著，而錳和鎳會使脆性轉變溫度降低，對低溫韌性有利。鋼中含鎳量增高時，可以使其在更低的溫度下保持相當高的沖擊韌性。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，低溫沖擊韌性越好。低溫鋼就是通過嚴格控制鋼材中的碳、硫、磷含量或加入一些釩、鋁、鈦和鎳等合金元

43、素，達到固溶強化、晶粒細化之目的，并通過正火或正火+回火處理來細化晶粒，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，以保證設備在低溫條件下能安全運行。低溫鋼一般可分為無鎳和含鎳兩大類。無鎳鋼的最低使用溫度為-50，含鎳鋼最低使用溫度根據含鎳量的多少范圍在-60-196之間，-196以下則使用奧氏體不銹鋼，有關奧氏體不銹鋼的焊接在介紹不銹鋼焊接時再作詳細敘述，表3-1為部分典型的低溫鋼的低溫沖擊韌性指標。表3-1 部分典型的低溫鋼的低溫沖擊韌性鋼材牌號使用狀態厚度/mm最低沖擊試驗溫度/AKV/J16MnDR正火6 36-4024> 3610

44、0-3015MnNiDR正火，正火+回火6 60-452709MnNiDR正火，正火+回火6 60-70273.5Ni鋼(SA203B級)正火50-10120> 50 75-87對不含鎳的低溫鋼而言，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，一般可不預熱或用較低的預熱溫度來進行焊接，當板厚較厚或低溫環境下焊接時，才需要一定的預熱溫度。所以，這一類鋼焊接時，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的低溫韌性是不成問題的。含鎳低溫鋼由于添加了鎳，雖然對冷裂紋傾向影響不顯著，但卻增大了熱裂紋的傾向，必須嚴格控制鋼及焊材中的碳、硫、磷

45、含量，同時采用合適的焊接規范，使焊縫有較大的焊縫成形系數，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生。 總之，低溫鋼焊接的重點是保證焊縫及熱影響區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（S、P、O、N等），對于含鎳低溫鋼尤其要嚴格控制。（2）選用的焊材應保證焊縫金屬的低溫韌性。對于含鎳低溫鋼，選用的焊材的含鎳量應與母材相當或稍高。三、 壓力容器用低溫鋼焊接要點（1）采用小的焊接線能量 為避免焊縫及熱影響區形成粗大組織而使其沖擊韌性嚴重降低，焊接時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

46、，焊條盡量不擺動，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加熱作用細化晶粒。多層焊時要嚴格控制層間溫度。（2）選擇適當的焊接速度 對于含鎳低溫鋼進行埋弧自動焊時，切不可以提高焊接速度來獲得較低的焊接線能量。這是因為當焊接速度較高時，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，此時就易產生焊道中心的熱裂紋。所以，這類鋼焊接時，焊接速度要特別選擇適當，不可過小，也不可過大。 （3）避免咬邊缺陷 低溫鋼焊接時應注意避免弧坑、未焊透及咬邊等缺陷，這些缺陷在低溫條件下，在應力作用時，都會造成較大的應力集中而引起脆性破壞。所以對于低溫壓力容器而言，不允許有任何尺寸

47、的咬邊缺陷存在。四、 低溫鋼壓力容器焊接實例直徑4400mm，長90m，壁厚為34mm的乙烯精硫塔（圖3-1），設計溫度為-45。因設備上管口、內件眾多，簡圖中只畫出部分。殼體材質為09MnNiDR，其主要承壓焊縫的焊接工藝見表3-2。圖3-1 丙烯精餾塔簡圖表 3-2 丙烯精餾塔焊接工藝焊縫位置焊接方法焊接材料說明封頭拼縫殼體縱、環縫SAWUNION S3 SiUV-418TT現場合攏焊縫SMAWW707接管、人孔與殼體角焊縫人孔筒體拼縫、人孔筒體與對接法蘭環縫SMAWR307接管與法蘭環縫GTAWUNION I 1.2 Ni內件與殼體內壁角焊縫GMAW(CO2焊)THYSEN TG 50N

48、iE81T1-Ni1說明： 殼程筒體直徑較小，焊工無法鉆入筒體內焊接，故殼程筒體縱、環縫只能從外側施焊。同樣，由于該設備結構方面的原因，殼程、管程筒體與管板的環縫焊接也只能從外側進行。至于接管與對接法蘭環縫，本設備中接管規格為273×12，亦無法從內側施焊。以上焊縫需要單面焊，但又要保證質量，選用TIG焊打底是保證焊縫質量最有效的方法。對于殼程筒體環縫，也可采用GTAW打底，SMAW再焊兩道，然后SAW焊剩余層的方法。 盡管管程筒體直徑較小，但其長度很短，管程筒體縱縫、管程筒體與法蘭環縫具備內側焊條電弧焊的條件，故采用焊條電弧焊進行雙面焊。 接管、整體法蘭與法蘭蓋、管板、殼體的角焊縫

49、設備大合攏焊縫，鑒于此部位焊縫形狀和焊接條件，一般選用焊條電弧焊。 換熱管-管板焊接是熱交換設備的重要焊縫，其焊接方法有焊條電弧焊、手工鎢極氬弧焊、全位置自動氬弧焊。焊條電弧焊是最早使用的焊接方法，其特點是效率高，但是質量對比于其他兩種方法來說要差很多，現在基本上已被淘汰。但是在某些特殊場合，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行焊接，這時只能用采用焊條電弧焊的方法，用小直徑焊條焊接，這對焊工操作技術要求很高，一般在焊前需要對焊工進行專門培訓。目前使用最廣泛，質量最好的焊接方法為自動氬弧焊。本設備中換熱管-管板焊接采用全位置自動氬弧焊，焊接接頭形式為角焊縫。焊絲直徑為1mm

50、，填絲焊兩道。 內壁與殼體內壁角焊縫，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 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所謂不銹鋼是指在鋼中加入一定量的鉻元素后，使鋼處于鈍化狀態，具有不生銹的特性。為達到此目的，其鉻含量必須在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鎳、鉬等元素。一般所指的不銹鋼實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、奧氏體一鐵素體雙相不銹鋼。1. 奧氏體不銹鋼及其焊接特點奧氏體不銹鋼是應用最廣泛的不銹鋼，以

51、高Cr-Ni型最為普遍。目前奧氏體不銹鋼大致可分為Cr18-Ni8型、Cr25-Ni20型、Cr25-Ni35型。奧氏體不銹鋼有以下焊接特點： 焊接熱裂紋 奧氏體不銹鋼由于其熱傳導率小，線膨脹系數大，因此在焊接過程中，焊接接頭部位的高溫停留時間較長，焊縫易形成粗大的柱狀晶組織，在凝固結晶過程中，若硫、磷、錫、銻、鈮等雜質元素含量較高，就會在晶間形成低熔點共晶，在焊接接頭承受較高的拉應力時，就易在焊縫中形成凝固裂紋，在熱影響區形成液化裂紋，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生低熔點共晶的雜質元素和使鉻鎳奧氏體不銹鋼中含有4 12的鐵素體組織。 晶間腐蝕 根據貧鉻理論，

52、在晶間上析出碳化鉻，造成晶界貧鉻是產生晶間腐蝕的主要原因。為此，選擇超低碳焊材或含有鈮、鈦等穩定化元素的焊材是防止晶間腐蝕的主要措施。 應力腐蝕開裂 應力腐蝕開裂通常表現為脆性破壞，且發生破壞的過程時間短，因此危害嚴重。造成奧氏體不銹鋼應力腐蝕開裂的主要原因是焊接殘余應力。焊接接頭的組織變化或應力集中的存在，局部腐蝕介質濃縮也是影響應力腐蝕開裂的原因。 焊接接頭的相脆化 相是一種脆硬的金屬間化合物，主要析集于柱狀晶的晶界。相和相都可發生相轉變。比如對于Cr25Ni20型焊縫在800 900加熱時，就會發生強烈的轉變。對于鉻鎳型奧氏體不銹鋼，特別是鉻鎳鉬型不銹鋼，易發生相轉變，這主要是由于鉻、鉬

53、元素具有明顯的化作用，當焊縫中鐵素體含量超過12時，的轉變非常顯著，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器內壁堆焊層將鐵素體含量控制在310的原因。2. 鐵素體不銹鋼及其焊接特點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Cr12 Cr14型，如00Cr12、0Cr13Al；Cr16 Cr18型，如1Cr17Mo；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格控制了鋼中的碳和氮總量，一般控制在0.035 0.045、0.030、0.010 0.015

54、三個層次，同時還加入必要的合金元素以進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，超純高鉻鐵素體不銹鋼具有很好的耐均勻腐蝕、點蝕及應力腐蝕性能，較多的應用于石化設備中。鐵素體不銹鋼有以下焊接特點： 焊接高溫作用下，在加熱溫度達到1000以上的熱影響區特別在近縫區的晶粒會急劇長大，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。 鐵素體鋼本身含鉻量較高，有害元素碳、氮、氧等也較多，脆性轉變溫度較高，缺口敏感性較強。因此，焊后脆化現象較為嚴重。 在400 600長時間加熱緩冷時，會出現475脆化，使常溫韌性嚴重下降。在550 820長時間加熱后，則容易從

55、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馬氏體不銹鋼可分為Cr13型馬氏體不銹鋼、低碳馬氏體不銹鋼和超級馬氏體不銹鋼。Cr13型具有一般抗腐蝕性能，從Cr12為基的馬氏體不銹鋼，因加入鎳、鉬、鎢、釩等合金元素，除具有一定的耐腐蝕性能，還具有較高的高溫強度及抗高溫氧化性能。馬氏體不銹鋼的焊接特點：Cr13型馬氏體不銹鋼焊縫和熱影響區的淬硬傾向特別大，焊接接頭在空冷條件下便可得到硬脆的馬氏體，在焊接拘束應力和擴散氫的作用下，很容易出現焊接冷裂紋。當冷卻速度較小時，近縫區及焊縫金屬會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。低碳及超級馬氏體不銹鋼的焊縫和熱影響區冷卻后，雖然全部轉變為低碳馬氏體，但沒有明顯的淬硬現象，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性能與母材基本相當，或高于母材，一般要求其合金成分大致與母材成分匹配。對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。但在某些特殊介質中，如尿素設備的焊縫金屬是不允許有鐵素體