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。

① 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。

② 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。

③ 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。

④ 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。

⑤ 接头的物理均一性 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。PSR按下式计算：

PSR=Cr％ + Cu％ + 2Mo％ + 10V％ + 7Nb％ + 5Ti％ – 2

当PSR≥0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：

①X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）

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X≤25ppm，J≤200，后来达到X≤20ppm，J≤150，直至目前又提高了要求，要求X≤15ppm，J≤100。 nextpage

② 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。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。

加热后，使钢材发生快速回火脆化。分别对步冷试验前后的钢材进行系列冲击，绘制出步冷试验前 、后回火脆化程度的曲线，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ΔVTr54 (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 +1.5ΔVTr54 ≤ 38℃(100℉)

20世纪90年代普遍采用的指标：

VTr54 +2.5ΔVTr54 ≤ 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加氢反应器提出的指标是：

VTr54 +3ΔVTr54 ≤ 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，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。下表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。

推荐选用的低合金耐热钢预热及层间温度表

对于预热和层间温度，应注意以下几点：

① 整个焊接过程中的层间温度不应低于预热温度。

② 要保证焊件内外表面均达到规定的预热温度。

③ 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。

④ 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。

⑤ 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SR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℃。

⑥ 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。

① 焊后热处理应保证近缝区组织的改善。

② 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。

③ 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。

④ 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。 nextpage

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（Rarson—Miller）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，K
t — 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。Tp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2.25Cr-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，冷却速度越慢，加之伴有较高的预热和层间温度，就会使接头各区的晶粒粗大，强度和韧性都会降低。对于低合金耐热钢而言，对焊接线能量在一定范围内变化并不敏感，也就是说，允许的焊接线能量范围较宽，只有当线能量过大时，才会对强度和韧性有明显的影响，所以为了防止冷裂纹的产生，希望焊接时线能量不要过小。

四、耐热钢钢压力容器焊接实例

直径为500mm，壳程壁厚为30mm，管程壁厚为16mm的加热器，壳体材质为15CrMoR，其主要承压焊缝的焊接工艺见下表。

<DIV align=center>缝编号</DIV><DIV align=center>焊缝位置</DIV>

加热器焊接工艺表

<DIV align=center>焊接方法</DIV><DIV align=center>焊接材料</DIV><DIV align=center>说明</DIV><DIV align=center>3A1、4A1、B6</DIV><DIV align=center>B2-B5、B7</DIV><DIV align=center>B8、B9</DIV><DIV align=center>管程筒体纵、环缝</DIV><DIV align=center>壳程、管程筒体与管板环缝</DIV><DIV align=center>接管与对接法兰环缝</DIV><DIV align=center>GTAW打底</DIV><DIV align=center>SMAW盖面</DIV><DIV align=center>H13CrMoA</DIV><DIV align=center>R307</DIV><DIV align=center>①</DIV><DIV align=center>1A1、2A1、B1、B4</DIV><DIV align=center>管程筒体纵缝</DIV><DIV align=center>管程筒体与法兰环缝</DIV><DIV align=center>SMAW</DIV><DIV align=center>R307</DIV><DIV align=center>②</DIV><DIV align=center>D1-D6</DIV><DIV align=center>接管、整体法兰与法兰盖、管板、壳体角焊缝</DIV><DIV align=center>SMAW</DIV><DIV align=center>R307</DIV><DIV align=center>③</DIV><DIV align=center>D7</DIV><DIV align=center>换热管与管板角焊缝</DIV><DIV align=center>GTAW（自动）</DIV><DIV align=center>H08CrMoA</DIV><DIV align=center>④</DIV><DIV align=center>E1</DIV><DIV align=center>耳座与壳体角焊缝</DIV><DIV align=center>GMAW</DIV><DIV align=center>(CO
_{2焊)</DIV><DIV align=center>TWE-811B2</DIV><DIV align=center>⑤</DIV>}

说明：

① 壳程筒体直径较小，焊工无法钻入筒体内焊接，故壳程筒体纵、环缝只能从外侧施焊。同样，由于该设备结构方面的原因，壳程、管程筒体与管板的环缝焊接也只能从外侧进行。至于接管与对接法兰环缝，本设备中接管规格为φ273×12，亦无法从内侧施焊。以上焊缝需要单面焊，但又要保证质量，选用TIG焊打底是保证焊缝质量最有效的方法。对于壳程筒体环缝，也可采用GTAW打底，SMAW再焊两道，然后SAW焊剩余层的方法。

② 尽管管程筒体直径较小，但其长度很短，管程筒体纵缝、管程筒体与法兰环缝具备内侧焊条电弧焊的条件，故采用焊条电弧焊进行双面焊。

③ 接管、整体法兰与法兰盖、管板、壳体的角焊缝设备大合拢焊缝，鉴于此部位焊缝形状和焊接条件，一般选用焊条电弧焊。

④ 换热管-管板焊接是热交换设备的重要焊缝，其焊接方法有焊条电弧焊、手工钨极氩弧焊、全位置自动氩弧焊。焊条电弧焊是最早使用的焊接方法，其特点是效率高，但是质量对比于其他两种方法来说要差很多，现在基本上已被淘汰。但是在某些特殊场合，如丝堵式空冷器，其管子-管板焊接必须通过管板前的丝堵板进行焊接，这时只能用采用焊条电弧焊的方法，用小直径焊条焊接，这对焊工操作技术要求很高，一般在焊前需要对焊工进行专门培训。

目前使用最广泛，质量最好的焊接方法为自动氩弧焊。本设备中换热管-管板焊接采用全位置自动氩弧焊，焊接接头形式为角焊缝。焊丝直径为1mm，填丝焊两道。

⑤ 耳座与壳体焊接角焊缝属非承压焊缝，采用熔化极气体保护焊(保护气体为纯CO_{2)，效率高，焊缝成形好。TWE-811B2为焊材牌号，其焊材型号为E81T1-B2(AWS A5.29)。}