钢制压力容器焊接工艺及焊后热处理方法分析

范鑫　姚菲

摘要：通过实验室模拟方式，系统分析了焊后热处理（PWHT）工艺对345MPa级压力容器用钢板组织性能的影响，发现：在所涉PWHT工艺范围内，试验钢组织类型、晶粒度未发生明显变化;组织中珠光体内渗碳体片层球化、铁素体中亚结构形成以及第二相弥散析出于钢板性能影响均具有两面性，其耦合作用下产生了试验钢性能小幅度变化。但需注意，随着熱处理温度和保温时间的进一步升高与增长，组织中第二相的聚集长大势必弱化其析出强化效果，晶界的严重弱化将导致钢板塑性与冲击韧性更大程度的降低。故相关钢板产品研发与具体工程焊后热处理方案制定，均应结合并充分考虑多周期PWHT对钢铁材料的实际影响，并科学确定其合理性能裕度。

关键词：压力容器用钢;焊后热处理;组织性能;保温时间

前言

随着石化工业飞速发展，钢制压力容器被广泛应用于化工、石化等行业，并向着大型化、复杂化、专用化、高参数、严工况发展，其所用材料亦日趋高强化和壁厚化。作为焊接成型设备，由于焊接工艺短时间内局部骤热骤冷的特点，导致焊接结构中存在较大残余应力乃至产生变形，严重影响钢制压力容器在使用过程中的安全与稳定，尤其结构复杂的大型压力容器。焊后热处理是焊制压力容器制造安装过程中最后阶段的关键工艺。通过合理的焊后热处理，一方面改善焊接接头组织，达到降低硬度、提高塑性和韧性的目的，进而防止焊缝裂纹产生;另一方面消除整体结构组装与焊接时产生的残余应力，稳定设备几何尺寸，提高其安全裕度与使用寿命。

1钢制压力容器焊接工艺

1.1焊接方法

钢制压力容器应用广泛，焊接方法相对成熟，适用的焊接方法有气焊、电弧焊、埋弧焊、等离子焊等。不锈钢复合板的焊接方法一般有电弧焊、钨极氩弧焊和埋弧焊。在实际焊接过程中，应根据工件的结构、形状和焊接位置选择合适的焊接方法。例如，在一些换热器中，管箱和浮头罩基本上是复合材料，焊接空间有限，直缝不长，可以采用双面焊。采用电弧焊的焊接方法，操作相对简单，焊件形状和焊接位置的影响小，焊接成本低，焊接质量高。具体应用时，焊接方法的确定较为灵活，需根据实际情况分析哪种焊接方法更合适，从经济性、可行性、简便性等方面综合考虑，但最基本的是要保证焊接质量。

1.2焊接材料的选择

由于钢制压力容器材料复杂，焊接材料的选择应根据母材性能和焊接方法来确定。不锈钢复合板由不锈钢和碳钢或低合金钢组成，不锈钢耐腐蚀，碳钢或低合金钢板可承受结构所需的强度和刚度，因此不锈钢复合板的物理性能和化学成分存在很大差异。对于不锈钢复合板，在选择焊接材料时，可遵循基体等强度和涂层保证耐腐蚀的原则。耐热低合金钢采用同一钢种焊接时，焊后焊缝金属中铬、钼的含量应与母材中规定的含量相当，或符合设计文件规定的技术要求;高合金钢与同一钢种焊接时，一般应考虑焊接材料的耐腐蚀性;当焊接不同钢种时，由于两侧母材的抗拉强度不同，对焊接后焊缝金属的抗拉强度值有一定的要求，其值应介于抗拉强度较低的母材的下限值和抗拉强度较高的母材的上限值之间，以保证焊接接头的强度;如果使用能产生奥氏体焊缝金属和非奥氏体母材的焊接材料进行焊接，由于母材与焊缝金属膨胀系数不同，应充分考虑焊接过程中产生的应力效应;奥氏体高合金钢与碳钢、低合金钢焊接时，应充分考虑焊缝金属的抗裂性和力学性能。以上是对钢制压力容器焊接材料选择时可能遇到的不同情况的简要分析，实际选择中考虑的问题需更加全面。

1.3焊接设备与环境

不锈钢复合板的焊接可采用电弧焊的方法。直流焊机可用于基层、过渡层和熔覆层三种焊缝，并可选用逆变焊接电源。焊接环境是焊接过程中需要控制的内容之一，因为焊接环境的温度、湿度和风速都会影响焊接质量。因此，在焊接施工前，应测量环境中的温度、湿度和风速。在不锈钢复合板表面0.5～1m范围内，可在0℃以上、风速2m/s以下的环境下进行焊接;雨雪天气焊接温度在0～20℃时，应在距焊点100mm范围内进行预热，焊接应在15℃以上进行。不同的焊接方法对风速有不同的要求，风速超过规定范围时，应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。

3结束语

压力容器作为一种焊接成形设备，其焊接质量对其使用安全至关重要。不同的材料采用不同的焊接方法和焊接工艺。根据钢制压力容器的焊接工艺，应根据钢制压力容器在材料和性能上的特点，选择合适的焊接方法，然后制定相应的焊接工艺。在制定焊接工艺时，焊接方法的确定、焊接材料的选择和焊接工艺参数的确定，应严格按照国家和行业工艺标准，做好各环节的质量控制。焊后热处理是焊接过程中最重要的一步，也是消除焊接应力的重要手段，因此有必要选择合适的焊后热处理方法，做好质量控制。

参考文献

[1]周艳.低温钢制压力容器焊接工艺综述[J].现代制造技术与装备，2017（4）：77-78.