(合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031)

0 引言

我國(guó)壓力容器向大型化、高參數(shù)化方向發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)輕量化，容器的壁厚必須減薄。最常用的是選擇強(qiáng)度級(jí)別更高的材料，同時(shí)采用分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造[1]。分析設(shè)計(jì)安全系數(shù)為2.4，低于常規(guī)設(shè)計(jì)的2.7，對(duì)材料而言,需適當(dāng)提高韌性等指標(biāo)。近十年來(lái)，我國(guó)鋼廠冶煉、軋制等水平大幅提升，微合金化+TMCP技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[2]。雖然，壓力容器用鋼板的韌性明顯提高，但起連接作用的焊接材料用量較少，未得到應(yīng)有的重視，其發(fā)展水平已嚴(yán)重滯后于鋼板。

我國(guó)GB/T 150,JB 4732—95等標(biāo)準(zhǔn)材料篇只提及鋼板、鋼管、鋼鍛件及鋼棒，未提及焊接材料，從而降低了人們對(duì)焊接材料的重視程度。

在對(duì)GB/T ×××××—201×《壓力容器——分析設(shè)計(jì)》(代替原JB 4732—95)材料篇修訂時(shí)，筆者呼吁應(yīng)將焊接材料作為重點(diǎn)內(nèi)容納入到該篇中，為此，得到了全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)及合肥通用機(jī)械研究院有限公司的有關(guān)專(zhuān)家的認(rèn)可和支持。本文結(jié)合我國(guó)壓力容器制造特點(diǎn)，提出采用分析設(shè)計(jì)時(shí)，如何合理地規(guī)定焊接材料試驗(yàn)內(nèi)容及質(zhì)量合格指標(biāo)，并闡述壓力容器高端焊接材料選用的注意事項(xiàng)，與同行商榷，以期能促進(jìn)焊接材料的發(fā)展，并提升我國(guó)壓力容器制造水平。

1 焊接材料屬于壓力容器用材料最薄弱環(huán)節(jié)

焊接材料在壓力容器中以焊縫形式體現(xiàn)。焊接接頭的組織形態(tài)見(jiàn)圖1[3]，焊縫金屬與母材性能等比較見(jiàn)表1。

Ⅰ-過(guò)熱區(qū);Ⅱ-重結(jié)晶區(qū);Ⅲ-不完全重結(jié)晶區(qū);Ⅳ-再結(jié)晶區(qū);Ⅴ-母材圖1 焊接接頭組織形態(tài)示意

表1 07MnNiMoDR鋼焊縫金屬與母材性能等比較

由圖1及表1可以看出，焊縫金屬屬鑄造組織，性能遠(yuǎn)低于軋制并經(jīng)熱處理的母材。焊接時(shí)由于不均勻加熱，產(chǎn)生殘余應(yīng)力，并隨板厚或拘束度的增加而增大，從而加劇焊縫中出現(xiàn)隱患的可能性。近幾年來(lái)，多項(xiàng)在役壓力容器開(kāi)罐檢查表明：裂紋等缺陷較多出現(xiàn)在焊縫上(見(jiàn)圖2,3)。

圖2 某加氫反應(yīng)器開(kāi)罐檢查發(fā)現(xiàn)的裂紋

圖3 某吸收塔開(kāi)罐檢查發(fā)現(xiàn)的裂紋

2 焊接材料選取應(yīng)按熔敷金屬的力學(xué)性能

為提高高端焊材熔敷金屬性能與母材相匹配的強(qiáng)度或韌性，通常在焊接材料中滲入比母材含量高的合金和微合金。但焊縫是由熔敷金屬與母材熔合形成[4]，其熔合比與焊接方法、坡口形式等有關(guān)。熔敷金屬中合金和微合金會(huì)被母材稀釋(見(jiàn)圖4)，造成焊縫金屬韌性低于熔敷金屬。此外，焊縫金屬的韌性與焊接工藝即熱輸入相關(guān)，隨后者的增大呈下降趨勢(shì)。

焊縫金屬韌性雖與熔合比、焊接熱輸入等有關(guān)，但主要取決于熔敷金屬，因此，分析設(shè)計(jì)選用焊材原則上應(yīng)依據(jù)熔敷金屬的力學(xué)性能。本文認(rèn)為某標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)焊縫金屬力學(xué)性能選用焊材不恰當(dāng)，因在焊材質(zhì)量證明書(shū)上并不體現(xiàn)焊縫金屬?gòu)?qiáng)度及韌性，在焊接工藝評(píng)定或產(chǎn)品焊接試件上也無(wú)焊縫金屬?gòu)?qiáng)度合格指標(biāo)。

圖4 焊材合金元素和微合金被母材稀釋

2.1 熔敷金屬?zèng)_擊吸收能量應(yīng)不低于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值

表2列出壓力容器常用鋼材與配套焊材熔敷金屬的沖擊吸收能量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限值的對(duì)比，可以看出：后者基本不低于前者。因此，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：“焊接材料熔敷金屬?zèng)_擊吸收能量不宜低于母材規(guī)定的下限值”。但對(duì)球型儲(chǔ)罐類(lèi)而言，即使焊材滿(mǎn)足該規(guī)定，仍應(yīng)慎重選材，因焊材質(zhì)量證明書(shū)中的數(shù)值是在最佳條件下測(cè)定的。如中石化某企業(yè)采用日本N-TUF490鋼板制作2 000 m3乙烯球罐，配套日本新日鐵的L-60LT焊條，其熔敷金屬-50 ℃KV2平均值實(shí)物水平達(dá)到127 J(高于母材規(guī)定的下限值80 J)，但立焊產(chǎn)品焊接試件的焊縫金屬-50 ℃KV2平均值只有26 J[5]。這是產(chǎn)品試件不合格遭曝光的極少數(shù)案例之一；2015年，中海油某項(xiàng)目采用L-60LT焊條出現(xiàn)同樣問(wèn)題，均為后續(xù)工程帶來(lái)困擾。

表2 壓力容器常用鋼材與配套焊條熔敷金屬標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的沖擊吸收能量對(duì)比

注：括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)為某些球罐設(shè)計(jì)時(shí)的規(guī)定值

2.2 熔敷金屬?zèng)_擊吸收能量低于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值的處理

當(dāng)焊材熔敷金屬低溫沖擊吸收能量低于母材規(guī)定的下限值，但不低于NB/T 47018規(guī)定值時(shí)，本標(biāo)準(zhǔn)“允許參照NB/T 47014制作焊接試件，其焊縫金屬?zèng)_擊吸收能量須滿(mǎn)足本標(biāo)準(zhǔn)表1的規(guī)定”。制作該焊接試件關(guān)鍵是焊接熱輸入，因采用的焊材直徑、焊接位置以及熱輸入(尤其立焊時(shí))不同，試驗(yàn)結(jié)果就有差異。因此，試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)采取制造廠最大熱輸入來(lái)考核該批焊材，在制造時(shí)只允許使用考核合格的該批號(hào)焊材。

分析設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用對(duì)焊接熱輸入敏感程度低的焊材。即使同型號(hào)(或牌號(hào))的焊材，生產(chǎn)廠采用不同的微合金化體系，對(duì)焊接熱輸入敏感程度不同，前面提及的L-60LT焊條對(duì)焊接熱輸入敏感程度較高。如筆者與昆山京群焊材公司開(kāi)發(fā)的07MnNiMoDR鋼制-50 ℃低溫球罐用E6215-N5M1(GER-N27M)焊條，基于Mn-2.5%Ni-Mo合金體系，采用了微合金化先進(jìn)技術(shù)，焊縫金屬的低溫沖擊吸收能量雖隨焊接熱輸入增大而下降，但幅度不大(見(jiàn)圖5)。

圖5 焊接熱輸入對(duì)GER-N27M焊縫金屬?zèng)_擊吸收能量的影響

由圖5可以看出，即使在立焊位置50 kJ/cm的焊接熱輸入下，焊縫金屬-50 ℃KV2仍達(dá)到約70 J(高于設(shè)計(jì)要求值47 J)。這在提高焊接效率的同時(shí)，擴(kuò)大了該焊條對(duì)焊接工藝的適用性，有利于現(xiàn)場(chǎng)施焊。

3 對(duì)焊接材料熔敷金屬焊后熱處理規(guī)范的規(guī)定

焊后熱處理的主要目的:一是降低焊接接頭的殘余應(yīng)力;二是為了改善焊縫金屬的性能。熱處理溫度通常在600 ℃左右，然后保溫一定時(shí)間，可降低焊接接頭殘余應(yīng)力約60%～70%[6]。但改善焊縫金屬的韌性要依鋼種而異，如2.25Cr-1Mo-0.25V埋弧焊焊縫金屬焊態(tài)下-30 ℃KV2平均值只有10 J左右，經(jīng)705 ℃×8 h的處理，低溫韌性明顯提高(見(jiàn)圖6[7])。在本標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)有人提出將“改善材料力學(xué)性能的熱處理”刪除，筆者認(rèn)為這不合適，在即將出版的《壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程》(第二版)中，列舉了Cr-Mo鋼、高于Ac3線(xiàn)以上的熱卷筒體(熱壓帶拼縫的封頭)、電渣焊等焊縫金屬必須通過(guò)焊后熱處理來(lái)改善性能，因此，建議本標(biāo)準(zhǔn)中不能刪除這部分內(nèi)容，目前已被采納。

關(guān)于焊后熱處理溫度的選取，焊接材料標(biāo)準(zhǔn)與壓力容器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)差異較大(見(jiàn)表3)。熱強(qiáng)鋼焊材標(biāo)準(zhǔn)是從優(yōu)化熔敷金屬性能出發(fā)，充分回火，焊后熱處理溫度相對(duì)較高。而壓力容器用鋼通常是正火+回火或調(diào)質(zhì)狀態(tài)，其焊后熱處理溫度要低于焊材標(biāo)準(zhǔn)的溫度，以防損傷母材。例如：2018年在中石化某施工現(xiàn)場(chǎng)，有一批P91管子回火溫度約為760～770 ℃，而現(xiàn)場(chǎng)焊后熱處理按設(shè)計(jì)(即焊材標(biāo)準(zhǔn))760±10 ℃進(jìn)行處理，造成焊接接頭硬度值低于設(shè)計(jì)要求(不小于180HB)的規(guī)定，最終造成約400萬(wàn)元P91管報(bào)廢。其實(shí)完全可通過(guò)降低焊后熱處理溫度、延長(zhǎng)保溫時(shí)間來(lái)解決。因此，筆者認(rèn)為：焊接材料熔敷金屬熱處理溫度不應(yīng)按焊材標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)與產(chǎn)品一致，且不高于母材的回火溫度；其保溫時(shí)間參照NB/T 47014的規(guī)定(不小于產(chǎn)品在制造過(guò)程中累計(jì)保溫時(shí)間的80%)。

圖6 焊后熱處理規(guī)范對(duì)2.25Cr-1Mo-0.25V焊縫金屬低溫韌性的影響

表3 熱強(qiáng)鋼焊材標(biāo)準(zhǔn)與壓力容器標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于焊后熱處理溫度規(guī)定

4 對(duì)焊接材料熔敷金屬雜質(zhì)元素含量的限制

NB/T 47018中熔敷金屬S,P含量低于相關(guān)焊接材料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但考慮分析設(shè)計(jì)對(duì)焊材性能要求更高，因此規(guī)定：對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值大于540 MPa的鋼制或設(shè)計(jì)溫度低于-40 ℃壓力容器用焊接材料，規(guī)定其熔敷金屬P≤0.020%，S≤0.010%。

5 對(duì)熔敷金屬擴(kuò)散氫含量及NDTT的規(guī)定

對(duì)于厚度大于36 mm的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值大于540 MPa的高強(qiáng)鋼，焊接接頭拘束度較大，焊縫金屬中產(chǎn)生冷裂紋幾率較高。因此，用于此類(lèi)產(chǎn)品的焊接材料熔敷金屬擴(kuò)散氫含量規(guī)定不大于5 mL/100 g。另外，對(duì)此類(lèi)設(shè)備或設(shè)計(jì)溫度低于-40 ℃壓力容器用焊材，考慮焊縫金屬的止裂性能，熔敷金屬需附加落錘試驗(yàn)，測(cè)定無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度，其合格指標(biāo)由設(shè)計(jì)文件規(guī)定。

6 對(duì)雙相不銹鋼用焊接材料的規(guī)定

廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、化工等領(lǐng)域的相比例為40FN～60FN的雙相不銹鋼，具有高強(qiáng)度、高韌性、抗疲勞強(qiáng)度、耐孔蝕性及對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋不敏感等綜合性能[8]?？紤]到焊縫冷卻速度較快，在焊接這類(lèi)鋼材時(shí)，選用熔敷金屬中Ni含量高于母材的焊材(以提高焊縫中奧氏體的穩(wěn)定性)。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：“熔敷金屬奧氏體-鐵素體相比例宜控制在40FN～60FN”。但焊縫中的相比例不僅與熔敷金屬成分有關(guān)，還與冷卻速度有關(guān)，即與預(yù)熱溫度、層間溫度及焊接熱輸入等有關(guān)。當(dāng)焊接量較大時(shí)，需控制好焊接熱輸入，還應(yīng)合理地安排焊接順序，以保證層間有足夠的時(shí)間冷卻，從而保證兩相比例[9]。此外，焊接工藝評(píng)定與產(chǎn)品的尺寸差異較大，難以預(yù)測(cè)產(chǎn)品在焊接過(guò)程中冷卻速度降低的程度，因此，焊接工藝評(píng)定上的相比例只供參考。

7 對(duì)Fe-5A,Fe-5C類(lèi)別鋼制壓力容器用焊接材料的規(guī)定

Fe-5A,Fe-5C類(lèi)別鋼用焊接材料基本參照了目前“2.25Cr-1Mo(0.25V)鋼制加氫反應(yīng)器技術(shù)條件”制訂。這兩類(lèi)鋼焊接接頭均具有475 ℃脆化現(xiàn)象[10]，因此當(dāng)設(shè)計(jì)溫度高于350 ℃，對(duì)其使用的焊材的熔敷金屬需進(jìn)行回火脆化評(píng)定。設(shè)計(jì)溫度高于440 ℃，對(duì)這兩類(lèi)別鋼制容器A類(lèi)焊接接頭用埋弧焊焊材，應(yīng)按批考察高溫下焊縫金屬(平行于焊縫取樣)和焊接接頭(垂直于焊縫取樣)持久強(qiáng)度，不加V的焊材在510 ℃、加V的焊材在540 ℃下進(jìn)行應(yīng)力斷裂試驗(yàn)，本標(biāo)準(zhǔn)中給出了施加210 MPa應(yīng)力下、試樣不發(fā)生斷裂的時(shí)間。

由于Fe-5C類(lèi)別材料焊縫金屬具有再熱裂紋傾向，主要是由焊劑中雜質(zhì)元素引起的[11]，每批次焊劑中雜質(zhì)元素含量不同，因此，應(yīng)按批進(jìn)行再熱裂紋敏感性評(píng)定。

8 焊接用氣體

氣體保護(hù)焊效率高于焊條電弧焊，屬于綠色高效焊接。隨著脈沖弧焊電源及焊絲水平的提高，在某些領(lǐng)域氣保焊逐漸取代焊條電弧焊。目前有單一氣體，也有二元、三元及四元混合氣體[12]，常用的是Ar,CO2或兩者混合氣體。焊接保護(hù)氣體在較大程度上影響著焊縫外觀及內(nèi)在質(zhì)量。因此，在本標(biāo)準(zhǔn)中引用了部分焊接氣體國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，目的是提高人們對(duì)其關(guān)注。

9 結(jié)論

(1)焊接材料屬于壓力容器材料中的重點(diǎn)之一，由焊材形成的焊接接頭是壓力容器中最薄弱環(huán)節(jié)。將焊材納入修訂的GB/T ×××××—201×《壓力容器——分析設(shè)計(jì)》材料篇中，以加強(qiáng)人們對(duì)焊接材料的重視。

(2)分析設(shè)計(jì)對(duì)材料要求較高，其焊接材料熔敷金屬需增加更多的試驗(yàn)內(nèi)容，并提出相應(yīng)的合格指標(biāo)。

(3)設(shè)計(jì)或制造廠選用立焊位置焊材時(shí)，不可僅參照焊接材料質(zhì)量證明書(shū)，應(yīng)盡可能選擇對(duì)熱輸入敏感性較低的焊材。

(4)焊接材料熔敷金屬焊后熱處理溫度不能按焊材標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)與壓力容器產(chǎn)品相一致，且不高于母材的回火溫度。

(5)Fe-5A，F(xiàn)e-5C類(lèi)別鋼制壓力容器用焊接材料熔敷金屬應(yīng)進(jìn)行相關(guān)的高溫性能試驗(yàn)，后者埋弧焊熔敷金屬還需進(jìn)行再熱裂紋敏感性試驗(yàn)。

(6)雙相鋼焊接材料熔敷金屬相比例宜控制在40FN～60FN，焊接工藝評(píng)定上的相比例只供參考。

(7)焊接用保護(hù)氣體屬于焊接材料，應(yīng)予以重視。