钢制压力容器焊接工艺及焊后热处理方法分析

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　　摘  要：焊接是钢制压力容器制造和安装中重要的工序，焊接质量直接关系到钢制压力容器在使用过程中的安全性和稳定性，并且对压力容器的工作性能和使用寿命具有决定性的影响。所以在焊接之前，应该对焊件的材质、化学成分、结构类型以及焊接性能等进行全面的分析，然后制定出科学合理的焊接工艺，并且做好焊后热处理工作，确保钢制压力容器的焊接质量。文章主要对钢制压力容器（不锈钢复合钢板）的焊接工艺以及焊后热处理方法进行分析，为进一步提升钢制压力容器的焊接质量提供参考。
　　关键词：钢制;压力容器;焊接工艺;焊后熱处理
　　中图分类号：TG457 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）06-0118-02
　　Abstract： Welding is an important process in the manufacture and installation of steel pressure vessels. Welding quality is directly related to the safety and stability of steel pressure vessels in use， and has a decisive impact on the working performance and service life of pressure vessels. Therefore， before welding， the material， chemical composition， structure type and welding performance of the weldment should be comprehensively analyzed， and then a scientific and reasonable welding process should be worked out， and the post-welding heat treatment should be done well. Ensure the welding quality of steel pressure vessels. This paper mainly analyzes the welding technology and post-welding heat treatment method of steel pressure vessel （stainless steel composite steel plate）， in order to provide reference for further improving the welding quality of steel pressure vessel.
　　Keywords： steel; pressure vessel; welding process; post-weld heat treatment
　　压力容器主要是指盛装气体或者液体且需要承载一定压力的密闭设备，对安全性有较高的要求。其应用范围较广，主要应用于化学工业和石油化学工业中。焊接作为钢制压力容器制造和安装中的重要工序，焊接技术会对压力容器的安全性有直接的影响。在焊接的过程中，不同的焊接方法有不同的焊接工艺，同时，焊件的材质、焊接环境、焊件结构等都会影响到焊接质量。焊接是一个局部迅速加热和冷却的过程，这种在短时间内经历较大温差变化的情况下，容易在焊件中产生应力和变形，从而影响到焊接接头的强度、塑性和韧性。为了消除这种应力，避免焊接变形现象的发生，应该采取焊后热处理工艺，减缓焊接后的冷却速度，提高焊接质量。
　　1 钢制压力容器焊接工艺
　　1.1 焊接方法
　　钢制压力容器的使用范围比较广泛，所以焊接方法也相对比较成熟，比较适应的焊接方法有气焊、焊条电弧焊、埋弧焊、等离子焊等。对于不锈钢复合钢板的焊接方法，焊条电弧焊、钨极氩弧焊、埋弧焊是比较常用的方法。在实际焊接过程中，还应该根据工件的结构形式、形状以及焊接位置等条件来选择适宜的焊接方法。比如有些换热器中的管箱和浮头盖基本都是复合材料，且焊接空间有限，直焊缝不长，就可以采取双面焊的形式。使用焊条电弧焊的焊接方法，操作比较简单，受焊件形状与焊接位置的影响较小，焊接成本低且焊接品质高。所以焊接方法的确定比较灵活，要根据实际情况具体分析采用哪种焊接方法更适合，从经济性、可行性、简便性等方面综合考虑，但是最基本的要素是保证焊接质量。
　　1.2 焊接材料的选择
　　因为钢制压力容器的材料比较复杂，所以在选择焊接材料时应该根据母材的性能以及焊接方法而决定。不锈复合钢板是由不锈钢和碳钢或者低合金钢组成的，不锈钢主要承担抗腐蚀性能，碳钢或者低合金钢板主要承担结构所需要的强度和刚度，所以不锈复合钢板在物理性能和化学成分方面存在很大的差异性。对于不锈复合钢板而言，在选择焊接材料时可以遵循基层等强度和复层保证耐蚀性的原则。在对耐热型低合金钢相同钢号相焊时，在焊接完成后焊缝金属中的Cr、Mo的含量应该与母材规定相当，或者是与设计文件中规定的技术要求相符合;在高合金钢相同钢号相焊时，通常情况下需要考虑焊接材料的耐腐蚀性;不同钢号的钢材相焊时，因为两侧母材的抗拉强度不同，所以对焊接完成后焊缝金属的抗拉强度值有一定的要求，要介于抗拉强度较低母材的下限值与抗拉强度较高母材的上限值之间，以确保焊接接头的强度;如果使用能够生成奥氏体焊缝金属的焊接材料与非奥氏体母材进行焊接时，因为母材与焊缝金属之间的膨胀系数不同，所以应该充分考虑到焊接时产生的应力作用;在奥氏体高合金钢与碳素钢、低合金钢相焊时，应该充分考虑焊缝金属的抗裂性能和力学性能。以上是对钢制压力容器焊接时选择焊接材料可能遇到的不同情况进行的简要分析，在实际选择时考虑的问题会更加全面。 　　1.3 焊接坡口制备、形式与接头组对
　　钢制压力容器在进行焊接坡口制备时，对于碳素钢和标准抗拉强度下限值低于540MPa的强度型低合金钢，冷加工或者热加工都比较适用;对于耐热型低合金钢、高合金钢和标准抗拉强度下限值大于540MPa的强度型低合金钢，冷加工方法比较适用。焊接前，将坡口表面的油污、锈迹和灰尘等清除干净，可在不锈钢坡口两侧采取一定的防护措施。坡口的形式一般有V形、X形、V和U联合形，在具体选择坡口形式时应该充分考虑到焊接过渡层的特点。X形坡口比较常见，可以采用雙面焊的形式，焊接顺序为先焊基层、再焊过渡层，最后焊复层。在实际焊接过程中，为了提高复层焊缝的耐腐蚀性能，降低复层表面的铲磨工作量，避免复层焊缝多次受热，应该尽量减少复层焊接的工作量。复层是焊件组对的参考基准，所以应该严格控制复层错边量的误差，避免因为错边量过大而降低复层的焊缝质量。
　　1.4 焊接设备与环境
　　对于不锈钢复合板焊接可以采用焊条电弧焊的方法，直流焊机在基层、过渡层和复层三种焊缝中都可适用，可选择逆变焊接电源。
　　焊接环境是焊接工艺中需要控制的内容之一，因为焊接环境的温度、湿度、风速等会影响焊缝的焊接质量。所以在焊接施工开始前，应该对环境中的温湿度以及风速进行测量，一般在不锈钢复合板表面0.5～1m的范围内进行测量。一般情况下，温度在0℃以上，且风速低于2m/s的环境下，可以进行焊接。如果在雨雪天气，焊接温度在0℃～-20℃之间时，应该在焊点100mm范围内进行预热，在温度达到15℃以上时再进行焊接。不同的焊接方法对风速有不同的要求，如果风速超过要求范围时，应该采取相应的防风措施。
　　2 钢制压力容器焊后热处理
　　2.1 焊后热处理的作用
　　因为焊接施工是对焊件的局部区域进行加热与冷却的过程，在较短的时间内施焊区域会受到高温热源和局部约束应力的共同作用，所以焊接接头的各个位置在经受不均匀的热冷变化后，在焊接接头中会存在焊接残余应力，焊缝区和热影响区内的金属在化学成分和金相组织都会发生很大的改变。为了改善焊接接头的组织、性能和稳定性，就需要采用焊后热处理的方式，可以消除焊接接头内的残余应力，提高焊缝的耐腐蚀性能、冲击韧性、强度和抗蠕变性能。
　　2.2 焊后热处理的保温温度和保温时间
　　 保温温度和保温时间是焊后热处理工艺的重要参数，直接影响到焊后热处理的效果。保温温度的确定首先要高于行业规定的最低温度值，然后要判断钢材的屈服强度，确保在适宜的温度下能够使焊接接头金属产生一定的塑性变形，从而消除接头中的残余应力。保温温度的控制还要考虑到钢材中的氢能够处于活跃状态，使氢从钢材中溢出，降低氢含量，防止焊缝出现冷裂纹。为了使钢材的强度、硬度、塑性和韧性都能够得到恢复，一般会将温度控制在450℃以上，此时晶粒会再结晶，钢材性能得以恢复。由于焊件的厚度、结构不同，所以焊后热处理的保温时间会有所不同，在焊件较厚，结构比较复杂的情况下，为了减少温差应力的发生，应该适当延长保温时间，以确保焊件内外的温度能够达到均匀的状态。对于碳钢、低合金钢来讲，当焊件加热到某一温度值后，组织转变会经历孕育、转变和转变结束三个时间段，为了获得较为理想的组织和性能，在确定保温温度后就要确定最短保温时间为实现组织转变提供充足的时间。
　　我国在对钢制焊件焊后热处理中，对于最低保温温度和最短保温时间有明确的规定，但是对于最高保温温度以及最长保温时间却没有明确的规定，所以在焊后热处理的实际操作中，工艺人员应该充分发挥自己的专业性和实践经验，在综合各项要素的基础上合理确定热处理规程。
　　2.3 焊后热处理方法
　　2.3.1 整体热处理
　　整体热处理常用于现场返修的直径与容积都不大的压力容器中，一般会采用烧嘴加热或者电加热的方式。如果采用烧嘴加热，一般会在容器开口的位置放置一个或者多个燃油、燃气烧嘴，以强制对流的方式均匀的加热容器的壳体。为了能够使壳体保持在一定的温度范围内，一般会在容器外表面铺设一层保温层以减少温度的流失。
　　2.3.2 局部热处理
　　对于很多大型的钢制压力容器，在运输时会受到体积的制约而无法进行整体运输，所以需要在现场进行筒体、管道的焊接安装，对于这类焊缝以及需要对焊接区进行局部修理的焊缝，都可以采用局部热处理的方式。因为局部加热会产生较大的热应力，所以应该在筒体、接管的焊区采用焊后热处理。局部热处理一般会采用电加热的方式，操作简单，容易控制，具体的操作规范可以参照国内压力容器制造标准。
　　3 结束语
　　压力容器作为焊接成型设备，焊接质量对压力容器使用的安全性至关重要。而不同的材料所采用的焊接方法和焊接工艺也不相同，针对钢制压力容器的焊接工艺，应该根据钢制压力容器在材质、性能等方面的特点，选择适宜的焊接方法，然后制定相应的焊接工艺。在制定焊接工艺时，对于焊接方法的确定，焊材的选用，焊接工艺参数的确定等都应该严格按照国家和行业的工艺标准操作，并且做好各个环节的质量控制。焊后热处理是焊接工艺中最为重要的步骤，是消除焊接应力的重要手段，所以要选择适宜的焊后热处理方法，并且做好质量控制工作。
　　参考文献：
　　[1]任建均.不锈钢复合钢板的焊接[J].冶金管理，2019（15）：2-3.
　　[2]蒋金芳.螺纹锁紧环换热器铬钼钢与镍基材料焊接工艺分析[J].炼油与化工，2019，30（03）：16-18.
　　[3]李永欣，张德光，谢坚鎏.钢制压力容器焊接变形的控制[J].特种设备安全技术，2016（03）：15-16.
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