低温压力容器的焊接制造

【摘要】在-20℃工况下工作的压力容器，设备，是否可以安全使用，对制造容器材料及焊材有很高要求，尤其是对焊接接头低温冲击韧性有特殊要求。本文通过对国家09MnNiDR低温材料焊接试验及生产应用，总结了低温钢焊接特点及焊接易出现的问题，明确了焊接时应注意的事项。

【关键词】低温钢；焊接材料；焊接工艺评定；线能量；低温冲击韧性

低温钢主要用于制造-20℃～-253℃低温下工作的压力容器管道等。

低温用钢的主要特点是在低温条件下具有足够韧性，并且钢的的脆性转变温度低于最低设计温度。低温钢主要为了适应石油化工生产需要发展起来的专业钢，低温钢主要分含Ni或不含Ni两大类。

低温钢中N i 、Mn等元素，能抑制脆性转变温度的提高为有益元素。而C 、P 、Si 、O会提高脆性转变温度是有害元素，其中C 、P的影响尤其为显著。低温钢回火温度过高，沿晶界会有碳化物析出分布长大，影响钢的低温冲击韧性。我们以板厚16mm 09MnNiDR 低温压力容器的焊接来论述低温钢焊接应注意的要点。

一、焊接工艺评定

低温钢通过调质处理后，有很细的晶粒度，焊接接头组织同样也要有细的晶粒度，才能保证有较大的晶界面积。影响焊缝的强度及低温冲击韧性的因素，主要是焊接线能量、焊接材料及操作方法。

E=η IU/V

η――电弧有效功率系数

焊条电弧焊取0.8

E――焊接线能量（KJ、cm） I――焊接电流（A）

U――电弧电压（V） V――焊接速度（cm/s）

由此公式可以看出；焊接电流、电弧电压增大，焊接速度减小，会使焊接线能量增大。线能量增大，焊缝冷却凝固缓慢使焊缝厚度、宽度增加，焊缝结晶组织晶粒粗大晶界面积减小，焊缝晶粒间会出现连续的碳化物析出分布，使低温冲击韧性显著下降。同时新焊道对上一层焊道有回火作用，正常线能量的回火作用会使焊缝性能提高，而大的线能量会造成回火温度过高会降低低温冲击性指标，相关资料介绍，焊条电弧焊时线能量最大不能超过20KJ/cm。

低温钢焊接目前多数采用焊条电弧焊，前文以加以论证。正确选用焊接材料电焊条牌号。是保证焊接接头具有低温下使用性能的重要因素，而合金系统的选择和化学成分的确定，主要应保证低温性能为依据，因此，低温钢焊接时要选用良好低温韧性的特定合金系统和成分的焊条。目前，为了提高韧性，低温钢焊条多采用低氧氢型药皮，而且还要向熔敷金属中加入一定数量Ni元素。选用低温钢焊条时，按照使用性能（强度、塑性、韧性、耐腐蚀和抗氧化性等），应考虑如下因素；低温钢的化学成分、性能和焊接特点；焊接结构设计要求和工作条件；焊接方法和工艺特点。我们选用W707Ni；低温钢焊条。

W707Ni化学成分

由上可知W707Ni焊条无论是化学成分还是熔敷金属的力学性能都能满足09MnNiDR的焊接要求。选择直流焊机，反极性接法。

从以上分析可能看出；低温钢焊接时必须正确选择焊接材料及控制线能量，控制线能量尤为关键。因此我们对焊接工艺评定试板采用小的线能量多层多道焊，保持较低层间温度（提高过冷度），以获得较好的力学性能。试验试板的焊接必须由本单位有相应技能证书技术熟练焊工进行超作，严格遵守工艺操作规程。因为试板的焊接接头质量代表着所制造设备的焊接接头质量。试板坡口形式选择必须符合低温钢焊接要求。低温钢焊接时，在满足焊接根部焊透的状况下，坡口角度及间隙不应过大，应尽量减少焊缝金属的填充量，从而避免由于焊接应力较大而引起裂纹。但也不宜过小，过小的坡口尺寸会在焊缝中产生未熔合未焊透缺陷。正确选择坡口形式和尺寸，将获得焊接热影响区较小而力学性能较好的焊接接头。试验试件采取V型坡口60°±3°焊前清理必须彻底，坡口两端20mm之内用角向打磨机打磨漏出金属光泽，清理掉修蚀、氧化物薄膜及油污，避免焊接时产生气孔、未熔合、夹渣等现象。装配固定焊错边量要小于1mm反变形角度3°～4°，只有这样才能保证焊件的整体尺寸符合要求。整个焊接操作过程要严格遵守工艺要求，从引弧-运条-接头-收狐要无一疏漏。焊接工艺评定试板焊后经消应力处理，对试板进行力学性能试验取得较理想数据，说明制定的焊接工艺规范参数可以满足焊接要求。各项数据如下：

试板材料厚度焊接方法层数焊条牌号焊条规格焊接焊接A电弧电压V焊接速度cm/min线能量KJ/cm焊后热处理

09MnNiDR16SMAW166W707NiΦ3.2Φ4.080～110140～16022～2414～199～16消应力

焊接工艺评定力学性能

二、焊接生产操作

根据焊接工艺评定结果，编制焊接工艺规程。并对车间焊工进行培训及考核，取得相映资格证书。在焊接过程中必须按工艺规程去做，焊接工艺参数都是根据合格焊接试件评定数据而定的，不是工艺人员凭空设计出来的。如果不能完全贯彻工艺，偏离了这些规范参数，就会使焊缝性能出现偏差。采用较小的线能量所得焊缝薄而窄，而采用较大的线能量焊出的焊缝宽而厚，晶粒粗大，性能变差。焊条在使用时要按照工艺规定烘干保温随用随取。

这里重点提出的是，焊接试板的力学性能代表了设备所具有性能，试板力学性能不合格，代表设备焊接接头不合格。补做试件或重新调整设备热处理状态，既耽误工期又增加费用，甚至是设备无法通过检验而出厂，给企业带来损失。所以如何焊好试板就是整个设备制造中重要的环节之一。焊接操作过程中还应注意以下事项：

⑴、焊条的使用必须按照工艺要求烘干350℃-400℃保温一小时利用保温桶随用随取。

⑵、在焊接过程中必须满足的焊接条件下取较小的焊接电流，电弧电压和较快的焊接速度以保证得到较小的线能量。

⑶、采取多层道焊，每层焊到厚度低于3mm，层间温度在100℃～200℃左右，焊条坐直运动，不摆动，有利于控制焊道间回火温度，提高焊缝缝力学性能。

⑷、按正确焊接工艺顺序进行焊接，减小设备焊后不必要的应力产生。

⑸、尽可能减少焊接缺陷，提高焊缝金属密度和抗裂能力。

⑹、焊件装配间隙不能过大、过大会使焊接速度减慢，保护效果变差，使焊接线能量增大，影响焊缝力学性能。

三、结论

本文所示数据和分析可以看出焊接试板的力学性能代表着设备的具有性能。试板的力学性能不合格，代表设备焊接接头不合格，所以如何焊好试板是整个设备制造中重要的环节之一。低温钢焊接的好坏会直接影响压力容器在低温工况下正常运行，因此我们在焊接过程中在思想上要重视，加强理论知识学习，对图纸、工艺要求充分理解。正确选用焊接材料及焊接工艺参数，实际操作中严格执行工艺，重视试板的焊接及检验，确保焊接试板力学性能试验一次通过。

参考文献

[1] 中国机械工程学会编 ，焊接手册第一卷《焊接方法与设备》，北京机械工业出版社2001年

[2] 中国机械工程学会编，焊接手册第二卷《金属材料的焊接》，第二版北京机械工业出版社2001年

[3] 英若采，《熔化焊基础》，机械工业出版社2000年

[4] 刘云龙，《焊工技师手册》，机械工业出版社1998年7月

[5] 《钢制低温压力容器技术规定》HG20585-1998