刘凤强

(大庆市特种设备检验研究所，黑龙江 大庆 163311)

0 引 言

压力容器的焊接是压力容器质量保证的重要因素。由于受到介质、载荷、温度等因素的作用，要求其焊接接头具有与母材基本相等的化学成分、物理与力学等各方面性能［1－2］。焊接压力容器需要良好的焊接设备，成熟的焊接工艺，优秀的焊工操作，还有一个重要因素就是焊接材料的选择，虽然很多标准(包括NB47015)均提出了选择焊接材料的基本原则。但是除了满足一般性原则外，对制造厂来讲，面对众多的焊材制造厂，杂乱繁多的各种牌号，如何选择最佳的焊接材料，是压力容器生产过程质量保证的重要环节［3－4］。

随着科技的发展，焊接领域也相应出现了新材料、新技术、新工艺。压力容器制造行业也不断出现各种新的复杂材料、复杂结构和新的特殊要求，归纳起来常见的主要有以下四个类别，第一类为普通低合金钢压力容器如Q245R Q345R等;第二类为低合金耐热钢压力容器15CrMoR 13MnNiMoR等;第三类为不锈钢压力容器06Cr19Ni10 022Cr17Ni12Mo2等;第四类为复合钢压力容器Q345R+2507 14Cr1MoR+316L等。因此，本文就近年来生产过程中经常接触的焊接材料的选择使用谈点体会。

1 选择最佳的焊接材料首先要遵循等强度的原则

所谓等强度原则一般应理解为焊接接头强度性能不低于母材标准规定的下限值。这里的强度应该定义为产品工作时的强度包括低温、常温和高温时的强度。具体材料不同强度原则也不同。

1.1 普通低合金钢相同钢号

选用焊接材料应保证焊缝金属的力学性能高于或等于母材规定的限值。具体常用见表1。

表1 常用普通结构钢焊接方法选材选用推荐表

2.2 低合金耐热钢相同钢号

选用焊接材料应保证焊缝金属的力学性能高于或等于母材规定的限值且焊缝金属中的Cr、Mo含量与母材规定相当。这里的强度指标应该是最高工作温度下暂时的高温抗拉强度即可。同时还要根据钢材的焊接性，综合考虑焊接结构尺寸、形状、坡口及母材成分过渡等影响因素。尤其应当充分考虑热处理的合金元素的损失，选择适当高的合金元素含量。常用的选择见表2。

表2 常用低合金耐热钢焊接方法选材选用推荐表

1.3 常用不锈钢相同钢号

为避免重复加热碳化物(C6Cr23)的析出，应尽量考虑选择含Cr量较高的焊接材料。如果是铬不锈钢，还应考虑热处理等因素。常见的选择见表3。

表3 常用不锈钢钢焊接方法选材选用推荐表

1.4 不锈复合钢相焊

基层相焊考虑低合金钢相焊的选用原则，复层相焊考虑不锈钢相焊的选用原则，过渡层相焊应保证焊缝金属的抗裂性能和力学性能。常用举例见表4。

表4 常用不锈钢复合钢焊接方法选材选用推荐表

以上两种不锈钢复合材料容器，是近年来应 用复合材料制造压力容器比较典型的两种。

2 选择最佳的焊接材料还要遵循等塑性和等韧性的原则

压力容器焊接接头等塑性和等韧性是指塑性和韧性不低于母材标准规定的塑性和韧性指标的下限值，或不低于容器制造技术条件的规定值。实践证明，如果焊缝强度超过母材过多，接头冷弯时，塑性变形不均匀，因而造成冷弯角小，甚至出现横向裂纹。这样，一般在选择焊接材料主要在保证等强度前提下，重点考虑焊缝金属冲击韧性的要求。

2.1 焊条电弧焊

低合金钢材的材料焊接中，焊条使用是最常见的。由于压力容器制造焊缝内在质量要求高，而低氢型焊条其药皮具有扩散氢含量低，熔敷金属中S、P等杂质及含氧量和含氢量低，焊缝具有较高的塑性、韧性和抗裂性(如图1所示)，因此多数情况下应选用碱性低氢型焊条，在缺少直流电的情况下，也应选用交直流两用低氢型焊条。

图1 熔敷金属中的含氢量示意图

2.2 埋弧焊

埋弧焊时由于是焊丝与焊剂的不同组合，可获得不同性能和不同成分的熔敷金属。在低碳钢埋弧焊时，由于焊缝中合金成分较少，故可采用焊丝渗合金，也可采用焊剂渗合金。无论怎样渗合金都是为了改善焊缝的韧性和抗裂纹能力，尤其是烧结焊剂不但电弧燃烧稳定，脱渣容易，焊缝成型美观，而且具备环保、节能的优点，使焊缝获得较高的冲击(或低温冲击)韧性和焊缝质量。因此，选用合理的适用的烧结焊剂是非常恰当的。

在选择低合金钢埋弧焊焊丝时，要首先考虑焊丝中锰、硅及其他合金元素的含量，为了避免焊缝产生纵向裂纹和减少气孔数量，应选用含锰量较高的焊丝。其次要与焊剂一起根据容器的厚度考虑单道焊还是多道焊，多道焊要防止合金烧损，单道焊要防止母材的稀释。而这都是影响母材和焊缝性能的主要因素，得进一步通过焊接工艺评定来解决。

2.3 气体保护焊

压力容器用的气体保护焊时，焊缝金属的性能不但与焊丝的化学成分有关，还与采用的保护气体成分十分密切。根据目前工厂的情况大致分为三种，首先是钨极氩弧焊(TIG)，由于是惰性气体保护，没有化学反应，因此选用的填充焊丝只要与母材成分一致即可;当然，不用焊丝仅用发热的钨极燃烧母材也可达到焊接的目的。缺点是熔深低、熔速慢、效率低，只适用于小的配件接管或接管与法兰的打底焊接。其次是CO2气保焊，该焊接方法由于具有操作简单、效率高及成本较低的优点而被广泛接受。但由于CO2是较强的氧化性气体，飞溅大、熔渣多、焊缝成型差，更容易造成焊缝金属合金烧损和气孔的生成。因此，一般要求焊接压力容器中非受压的附属配件比如裙座等。最后是熔化极气保焊，也可以称作混合气体保护焊，在配比器的作用下，将多数氩气(70% ～85%)与少量CO2(15% ～30%)气体混合进行焊接，这种方式具有焊接效率高、焊缝成型良好、焊道飞溅少的优点，目前已越来越多被广泛应用。国外推行的高效全数字化焊机(比如福尼斯的TIME5000型)是国内应用最成功的一例。

对于不锈钢来讲，一般情况下，对于铁素体奥氏体不锈钢由于焊缝金属具有一定量的铁素体，具有良好的塑性和韧性，焊材选用时，除从工艺角度考虑外大都选用药皮类型为16或17的焊材(如 A102)。

埋弧焊和气保焊用不锈钢焊丝与母材的化学成分相近，但应配用无锰中硅中氟或无锰低硅高氟熔炼焊剂最好是碱性烧结焊剂。

3 选择最佳的焊接材料还要遵循等耐蚀性的原则

压力容器焊接接头的等耐蚀性应为耐蚀性、抗氢性和抗氧化性均不低于母材标准的规定指标或产品制造技术条件规定的相应值。考虑焊接热过程对接头的耐蚀性可能产生的不利影响，应选择主要合金成分高于母材，而碳含量低于母材的焊接材料。

3.1 低合金钢的考虑

近年来，随着石油行业的深度开采，原油的含硫量越来越高，使得更多压力容器处于湿硫化氢(H2S)环境中，此时因腐蚀而生成的原子氢很容易渗入钢中，并在局部聚集，致使在钢材内部产生沿轧制方向扩展的裂纹，而相邻裂纹相互连接又会形成横截于厚度方向、形似阶梯状的裂纹，这种现象称为氢致开裂，简称HIC。硫化物应力腐蚀开裂(SSCC)则是金属材料在硫化物腐蚀环境中的腐蚀和拉伸应力的联合作用下，所发生的延迟脆性断裂现象。针对这种情况，国内钢材厂家制造了超低 S(S≤0.005%)、低 P(P≤0.015%)的抗H2S等腐蚀的HIC材料。目前常用的有Q245R(HIC)及Q345R(HIC)两种材料。同样焊接材料也就相继产生，比如哈尔滨焊接研究所威尔公司的“SHA”系列焊材，其使用选择原则除按照低合金钢的焊材选用原则外，必须首先保证其具备S、P的含量达到规定数值，然后焊接接头经过720小时的SSCC试验方可进行使用。具体选择牌号见表5。

表5 低合金钢HIC耐蚀钢容器焊接方法选材选用表

近年来应用以上焊接材料焊接国内外HIC类材料的压力容器近百余台，效果良好，为国内压力容器制造行业赢得了信誉。说明我国焊材生产水平在一定程度上达到了国际先进水平。

3.2 不锈钢的考虑

由于不锈钢本身具有很强的耐蚀性和抗氧化性，所以焊材的选用可参照母材的材质牌号，选用与母材成分相同或相近的焊材。由于碳含量对不锈钢的耐蚀性能有很大影响，因此应选用熔敷金属含碳量不高于母材的焊材。也就是说，尽可能保证其合金成分大致与母材成分一致或相近，在不影响耐蚀性的情况下，含一定量的铁素体，这样既能保证良好的抗裂性能，又有良好的耐蚀性能。

3.3 异种钢的考虑

在压力容器制造过程中，经常出现不锈钢与碳钢或低合金钢焊接的情况。在这种情况下，通常焊材的选用原则是“就高不就低”，选用耐蚀合金成分高的不锈钢焊材，来解决由于焊接过程中焊缝金属成分的“渗碳”和显微组织的一些变化。因为碳钢或低合金钢在于不锈钢接触时不锈钢中铬元素会“非常活跃”与碳元素形成不可逆转的叫碳化铬的组织(C6Cr23)，该组织游离于焊缝中或不锈钢组织里，本身不具备任何抗蚀能力，使本来很好的、抗蚀性很强的不锈钢组织造成了“贫铬”现象，从而使材料形成点蚀或锈蚀，严重时，还可能导致裂纹的形成。因此，在压力容器制造中通常为碳钢或低合金钢与奥氏体不锈钢相焊时要本着以下情况进行考虑。

(1)焊缝金属的成分稀释。

(2)熔合区的塑性:在焊缝金属靠近低合金钢一侧，熔合区附近存在宽为0.2～0.6 mm的低塑带，该区域中存在马氏体组织，会明显降低接头的塑性韧性和耐蚀性。

(3)碳的扩散迁移能造成接头在熔合区发生脆性断裂。

(4)热应力及其影响。

总之，无论任何一种碳钢或低合金钢与不锈钢相焊时，必须选用不锈钢焊材。否则，将难以满足其组织抗蚀性要求。常见异种钢焊材使用见表6。

表6 常用碳钢低合金钢与不锈钢焊接材料表

4 选择最佳的焊接材料还要遵循适用性的原则

压力容器是一种典型的全焊接结构，它的运行条件非常苛刻，制造工艺复杂，但是几乎所有的目前国内的压力容器都是采用熔焊方法焊制而成的。因此，压力容器的制造的好坏绝大多数取决于产品的焊接水平。但是对于某些情况下，在考虑到产品材料的最佳匹配而保证产品质量的前提下，还有很多因素制约着焊接材料的选用。归纳起来，必须从以下条件进行适当选择。

4.1 要充分考虑工件的复杂程度、坡口制备以及适当的焊接部位

由于工件的结构复杂厚度较大，其冷却速度快而产生内应力大，容易出现裂纹的情况，就应选择抗裂性好的焊材;如受条件限制使某些焊接部位难以清理时，就应考虑选用氧化性强的、对锈蚀或油污等不敏感的酸性焊材。

4.2 要充分考虑焊工的身体健康

鉴于碱性焊条对操作技术和施工准备要求较高，且产生的焊接烟尘有害影响较大，故在酸性和碱性焊材都允许得情况下优先选用酸性焊条。

4.3 要充分考虑焊材使用的经济性

在保证使用性能满足压力容器要求的前提下，适当选用合适的不同价位的焊材，主体焊缝按照要求可以使用精炼水准高的焊材，对一些辅助配件，比如容器的裙座、垫板等可以适当考虑使用价格低的普通焊材，不要片面追求焊材的全面性能，只要满足需要即可。

结语综合起来看，压力容器焊接材料选用需要考虑的因素是多方面的，需要从合理性、高效性、经济性等各个方面统筹进行考虑，才能在保证压力容器制造质量的前提下，实现各项利益的最大化。

［1］林尚扬，于 丹，于静伟.压力容器焊接新技术及其应用［J］.压力容器，2009(11):1－6.

［2］宋敏霞，胡贤飞.压力容器焊接自动化技术的现状与发展［J］.科技创新导报，2010(31):54+56.

［3］李文超，于建国，李敏.双面W板安全护栏结构设计和静力仿真分析［J］.森林工程，2012(6):42－46+53.

［4］陈 强，王 蒸，孟阳君.钢筒套箍内灌浆加固立柱试验研究［J］.森林工程，2013(2):86－89.