Q345R钢在压力容器制造上的应用分析

乔振云

【摘 要】本文在对Q345R成分要求的基础上，列举了Q345R在容器制造上的要求，并进行了理论分析，提出了质量应用的一些具体措施。

【关键词】压力容器；Q345R设计；焊接缺欠

一、引言

Q345R是由GB713-1997中的16Mng、19Mng和GB6654-1996中的16MnR等合并而成，屈服强度为265-345MPa，具有髙强度、高韧性、良好的冷成型和焊接性能、低的冷脆转变温度和良好的耐蚀性等综合力学性能和工艺性能。相较于普通低合金高强度钢（16Mn），硫（S）磷（P）含量略低，在保证冲击韧性的前提下，抗拉强度和延伸率都有所提高，近年来，广泛应用于塔器、换热器、加氢装置等压力容器，是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。

二、Q345R钢在设计方面的应用

依据GB150.2-2011压力容器总则，选择压力容器受压元件用钢时，应考虑容器的使用条件（如设计压力、设计温度、介质特性和操作特点等）、材料性能（力学性能、工艺性能、化学性能和物理性能）、容器的制造工艺以及经济合理性。选用Q345R容器板时应注意：

2.1所需钢板厚度小于8mm时，在碳钢与低合金高强度钢之间，应尽量采用碳钢板（多层容器除外）。

2.2在刚度或结构设计为主的场合，应尽量选用普通碳素钢。在强度设计为主的场合，应根据压力、温度、介质等使用限制，依次选用Q235B、Q245R（20R、20g）、Q345R等。

2.3 Q345R一般供货状态为：热轧、控轧或正火，但在下列情况下，应在正火状态下使用：

2.3.1 用于多层容器内筒；

2.3.2 用于壳体的厚度大于36mm；

2.3.3 用于其他受压元件（法兰、管板、平盖等）的厚度大于50mm。

三、Q345R材料性能特点

3.1 依据GB713-2014《锅炉和压力容器用钢板》Q345R化学成分和GB/T1591-2008《低合金高强度钢》Q345化学成分要求，可以看出，低合金钢Q345R主要组成元素比例与Q345基本相同，所不同的是硫、磷杂质分别从0.03和0.035降到了0.025和0.010，减少了偏析现象，降低了回火脆性，提高了钢的塑性和韧性。

3.2 Q345R与Q245R相比，Si、Mn量增加，其它元素比例上限相同，因此由于Si、Mn的固溶作用，硬度强度提高，同时Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，消除减弱了钢的热脆性，改善了钢的热加工性能。

四、Q345R的焊接质量分析

4.1 裂纹

Q345R由于其碳含量及合金元素含量均较低，因此其焊接性总体较好，其中以热轧钢的焊接性更优。但由于这类钢中含有一定量的合金元素和微合金元素，焊接过程中如果工艺不当，也存在着焊接热影响区脆化、热应变脆化及产生焊接裂纹（氢致裂纹、热裂纹、再热裂纹）的危险。

4.1.1 氢致裂纹

焊接氢致裂纹（也称冷裂纹或延迟裂纹），是低合金钢焊接时最容易产生，而且是危害最为严重的工艺缺陷，它常常是焊接结构失效破坏的主要原因。

根据GB713-2014《锅炉和压力容器用钢板》Q345R化学成分，计算出Q345R的碳当量CE=0.526%，亦就是说Q345R碳当量最高不超过0.526%。CE应用相当普遍，CE≤0.4%时无淬硬倾向，CE在0.4～0.6%淬硬倾向增加，属于有淬硬倾向的钢。

焊接时产生的氢致裂纹主要发生在焊接热影响区，为防止氢致裂纹的产生，焊接热影响区硬度应控制在350HV以下。实践中，Q345R由于含有少量的合金元素少，钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，常温下焊接Q345R时，焊接热影响区一般不出现淬硬组织，最高硬度通常在300HBS（约315HV）以下，出现冷裂纹情况不大，但如果焊接时冷却速度过高，可能出现淬硬的马氏体组织，冷裂倾向增大，因此焊接大厚度钢板时，应采取防止冷裂纹产生的措施，如当钢板特厚时且在低温环境下焊接作业时，需要采取控制焊接熱输入、预热和及时后热等。具体参见如下不同温度下焊接Q345R焊接预热温度规定，以供参考。

①板厚16mm以下，环境温度大于等于-10℃，不预热，小于-10℃时，预热；②板厚16～24，环境温度大于等于-5℃，不预热，小于-5℃时，预热；③板厚25～40，环境温度大于等于0℃，不预热，小于-0℃时，预热；④板厚40以上，均预热。

以上预热温度皆为80～150℃

其次，除以上冷却速度、淬硬组织外，氢和接头的拘束度也是不可忽视的因素。焊缝中的氢主要来源于焊接材料和焊接区的水分，可采用低氢型焊接材料、或提高焊接材料烘干温度，减少保护气体含水量、降低焊接区湿度，如采用低氢型焊条，严格烘干，采用保温桶，保持温度350～400℃，焊后增加消氢处理等。

对于拘束度，焊接应力的影响，焊接时，采用合理的焊接顺序，合理的装配顺序，合理的焊接区刚性固定措施，降低焊接应力，从而降低氢致裂纹的敏感性。

4.1.2 热裂纹

Q345R因含Mn较高，S、P含量低，Mn/S比值达到防止结晶裂纹的要求，具有较好的抗热裂纹的能力，因此在母材化学成分正常、焊接材料和焊接参数选择正确的情况下，一般不会产生热裂纹。

4.1.3 再热裂纹

焊接接头再热裂纹亦称为消除应力裂纹，出现在焊后消除应力热处理过程中，一般为改善接头热影响区和焊缝组织，但Q345R属固溶强化类低合金钢，无再热裂纹倾向。

4.2 孔穴

孔穴（气孔）是焊接中经常遇到的一种缺欠，它不仅削弱了焊缝的有效工作面积，同时也带来了应力集中，从而降低了焊接金属的强度和韧性。焊接Q345R时，形成的气孔主要有H2和CO，析出型氢气孔主要出现在焊缝的表面，但当焊材中含有较多的结晶水时，有时也会出现在焊缝的内部。反应型CO气孔与焊渣的氧化还原性有关。实践中，可以从以下措施防止形成气孔：

①焊前采用砂轮打磨、钢丝刷等机械方法仔细清理焊件及焊丝表面的氧化膜或铁锈以及油污等；②各种焊接材料均应防潮包装与存放；③焊条在烘干箱内进行350～400℃，2小时烘干，烘干后装入保温桶内随用随取；④焊前将焊剂进行250℃，1～2小时烘干，并严格筛选后使用；⑤对于CO反应型气体而言，应着眼于创造有利的气体排出条件，适当增大熔池在液态的存在时间，及适当增大热输入和预热，找出不同环境条件下的焊接参数最佳值。

4.3 其它焊接缺欠

Q345R焊接缺欠除裂纹、孔穴外，主要还有未焊透、未熔合、未焊满、夹渣、形状和尺寸不良等，因Q345R焊接性能良好，其原因机理不再赘述，为消除或减少其缺欠，应采取如下措施：

①进行合理的焊接结构设计：合理安排焊缝位置，尽量避免焊缝过于集中，合理选择坡口形式，尽可能减少焊缝截面尺寸，使焊接结构设计更趋合理。②合理的装配工艺措施：综合运用预留收缩余量法、反变性法、刚性固定法、分节制造等，减少焊接变形，形状尺寸符合要求。③正确选择焊接顺序，依照收缩量大的先焊，再收缩量小的；采取对称施焊，使焊缝相互制约，整体结构不产生变形。④严格焊接工艺评定，严格执行焊接工艺规程。

五、结语

Q345R具有良好的综合力学性能和工艺性能，设计中应注重材料的供货状态，以期达到产品的技术要求；制造过程中，尤其在焊接方面，做好材料的焊接工艺评定，严格按照焊接工艺规程作业，加强预防氢致裂纹、孔穴、焊接变形等焊接缺欠。

【参考文献】

[1]、GB150-2011 压力容器

[2]、GB/T1591-2008 低合金高强度钢

[3]、GB/T6417-2005 金属熔化焊接头缺欠分类及说明

[4]、GB713-2014 锅炉和压力容器用钢板

[5]、焊接手册 中国机械工程学会焊接学会编 机械工业出版社第3版（修订本）