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    各類(lèi)不銹鋼壓力容器的焊接工藝要點(diǎn)

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    各類(lèi)不銹鋼壓力容器的焊接工藝要點(diǎn)

    發(fā)布日期:2022-03-18 作者: 點(diǎn)擊:

    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進(jìn)一定量的鉻元素后,使鋼處于鈍化狀態(tài),具有不生銹的特性。為達到此目的,其鉻含量必須在12%以上。為進(jìn)步鋼的鈍化性,不銹鋼中還往往需加進(jìn)能使鋼鈍化的鎳、鉬等元素。一般所指的不銹鋼實(shí)際上是不銹鋼和耐酸鋼的總稱(chēng)。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(lèi),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。

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    1. 奧氏體不銹鋼及其焊接特點(diǎn)

    奧氏體不銹鋼是應用最廣泛的不銹鋼,以高Cr-Ni型最為普遍。目前奧氏體不銹鋼大致可分為Cr18-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,氏體不銹鋼由于其熱傳導率小,線(xiàn)膨脹系數大,因此在焊接過(guò)程中,焊接接頭部位的高溫停留時(shí)間較長(cháng),焊縫易形成粗大的柱狀晶組織,在凝固結晶過(guò)程中,若硫、磷、錫、銻、鈮等雜質(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力時(shí),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(chǎn)生低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)元素和使鉻鎳奧氏體不銹鋼中含有4% ~ 12%的鐵素體組織。

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    ② 晶間腐蝕,根據貧鉻理論,在晶間上析出碳化鉻,造成晶界貧鉻是產(chǎn)生晶間腐蝕的主要原因。為此,選擇超低碳焊材或含有鈮、鈦等穩定化元素的焊材是防止晶間腐蝕的主要措施。

    ③ 應力腐蝕開(kāi)裂,應力腐蝕開(kāi)裂通常表現為脆性破壞,且發(fā)生破壞的過(guò)程時(shí)間短,因此危害嚴重。造成奧氏體不銹鋼應力腐蝕開(kāi)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(zhì)濃縮也是影響應力腐蝕開(kāi)裂的原因。

    ④ 焊接接頭的σ相脆化,σ相是一種脆硬的金屬間化合物,主要析集于柱狀晶的晶界。γ相和δ相都可發(fā)生σ相轉變。比如對于Cr25Ni20型焊縫在800℃ ~ 900℃加熱時(shí),就會(huì )發(fā)生強烈的γ→δ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(fā)生δ→σ相轉變,這主要是由于鉻、鉬元素具有明顯的σ化作用,當焊縫中δ鐵素體含量超過(guò)12%時(shí),δ→σ的轉變非常明顯,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δ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(lèi),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%三個(gè)層次,同時(shí)還加進(jìn)必要的合金元素以進(jìn)一步進(jìn)步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(diǎn)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(diǎn):

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    ① 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(huì )急劇長(cháng)大,焊后即使快速冷卻,也無(wú)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。

    ③ 在400℃ ~ 600℃長(cháng)時(shí)間加熱緩冷時(shí),會(huì )出現475℃脆化,使常溫韌性嚴重下降。在550℃ ~ 820℃長(cháng)時(shí)間加熱后,則輕易從鐵素體中析出σ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,因加進(jìn)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(diǎn):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,很輕易出現焊接冷裂紋。當冷卻速度較小時(shí),近縫區及焊縫金屬會(huì )形成粗大鐵素體及沿晶析出碳化物,使接頭的塑、韌性明顯降低。

    低碳及超級馬氏體不銹鋼的焊縫和熱影響區冷卻后,固然全部轉變?yōu)榈吞捡R氏體,但沒(méi)有明顯的淬硬現象,具有良好的焊接性能。

    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(wú)裂紋的條件下,保證焊縫金屬的耐蝕性能及力學(xué)性能與母材基本相當,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??春欢康蔫F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,如尿素設備的焊縫金屬是不答應有鐵素體存在的,否則就會(huì )降低其耐蝕性。對耐熱用奧氏體鋼,應考慮對焊縫金屬內鐵素體含量的控制。對于長(cháng)期在高溫運行的奧氏體鋼焊件,焊縫金屬內鐵素體含量不應超過(guò)5%。讀者可根據Schaeffler圖,按焊縫金屬中的鉻當量和鎳當量估計出相應的鐵素體含量。

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    2. 鐵素體不銹鋼焊材選用

    鐵素體不銹鋼焊材基本上有三類(lèi):1)成分基本與母材匹配的焊材;2)奧氏體焊材;3)鎳基合金焊材,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的材料,但在拘束度大時(shí),很輕易產(chǎn)生裂紋,焊后可采用熱處理,恢復耐蝕性能,并改善接頭塑性。采用奧氏體焊材可免除預熱和焊后熱處理,但對于不含穩定元素的各種鋼,熱影響區的敏化仍然存在,常用309型和310型鉻鎳奧氏體焊材。對于Cr17鋼,也可用308型焊材,合金含量高的焊材有利于進(jìn)步焊接接頭塑性。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,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)要留意。

    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(lái)調整性能的,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),焊縫和熱影響區將會(huì )同時(shí)硬化變脆,同時(shí)在熱影響區中出現回火軟化區。為了防止冷裂,厚度3mm以上的構件往往要進(jìn)行預熱,焊后也往往需要進(jìn)行熱處理,以進(jìn)步接頭性能,由于焊縫金屬與母材的熱膨脹系數基本一致,經(jīng)熱處理后有可能完全消除焊接應力。

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    當工件不答應進(jìn)行預熱或熱處理時(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,由于熱膨脹系數不同,在循環(huán)溫度的工作環(huán)境下,在熔合區可能產(chǎn)生剪應力,而導致接頭破壞。

    對于簡(jiǎn)單的Cr13型馬氏體鋼,不采用奧氏體組織的焊縫時(shí),焊縫成分的調整余地未幾,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Cr13型馬氏體鋼焊縫中可促使形成粗大的馬氏體。降低含C量,有利于減小淬硬性,焊縫中存在少量Ti、N或Al等元素,也可細化晶粒并降低淬硬性。

    對于多組元合金化的Cr12基馬氏體熱強鋼,主要用途是耐熱,通常不用奧氏體焊材,焊縫成分??唇咏覆?。在調整成分時(shí),必須保證焊縫不致出現一次鐵素體相,因它對性能十分有害,由于Cr13基馬氏體熱強鋼的主要成分多為鐵素體元素(如Mo、Nb、W、V等),為保證全部組織為均一的馬氏體,必須用奧氏體元素加以平衡,也就是要有適當的C、Ni、Mn、N等元素。

    馬氏體不銹鋼具有相當高的冷裂傾向,因此必須嚴格保持低氫,甚至超低氫,在選擇焊材時(shí),必須要留意這一點(diǎn)。



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