15CrMo压力容器储槽焊接工艺设计

摘 要：本文以15CrMo压力容器储槽焊接工艺设计为例,依据材料成分及力学性能、焊接性、焊缝类型分析入手,根据具体情况和经济技术性分析确定焊接方法、制定焊接工艺参数、确定焊接工艺措施.

关 键 词：焊接性；焊接方法；工艺参数；工艺措施

【分类号】：TQ114.15

焊接工艺主要根据被焊工件的材质、牌号、化学成分,焊件结构类型,焊接性能要求来确定.首先要确定焊接方法,如手弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等,焊接方法的种类非常多,只能根据具体情况选择.确定焊接方法后,再制定焊接工艺参数,焊接工艺参数的种类各不相同,如手弧焊主要包括：焊条型号、直径、电流、电压、焊接电源种类、极性接法、焊接层数、道数、检验方法等.本文通过15CrMo压力容器储槽焊接工艺设计为例,详细介绍金属材料焊接工艺设计和方案确定的过程.

1.金属材料焊接性分析

15CrMo系珠光体耐热钢Cr-Mo合金体系,Cr的主要作用是提高耐蚀性,Cr的氧化物比较致密,不易分解,能有效地起到保护膜作用.Cr溶于Fe3C后,可使碳化物具有很大的热稳定性,组织碳化物的分解和减缓C在铁素体中的扩散,能有效地防止石墨化.Mo是钢中主要强化元素,Mo优先进入固溶体使其强化,提高钢的热强性.Mo还能降低热脆敏感性.V是强碳化物元素,所形成的VC呈弥散状,提高钢的高温强度.此外,加入微量元素B、Ti、Re等能吸附于晶界,延长合金元素沿晶界扩散,从而强化晶界,增加钢的热强性.15CrMo钢中w（Me）<5%～7%,属低、中合金钢,其焊接性与低碳调制钢相近似.焊接的主要问题是冷裂纹、再热裂纹和回火脆性.

（1）冷裂纹珠光体耐热钢中的主要合金元素Cr和Mo都能显著提高钢的淬透性,Mo的作用比Cr大50倍.它们和C共同作用,使钢的临界冷却速度降低,奥氏体稳定性增大,冷却到较低温度时才发生马氏体转变,产生脆硬组织,使接头变脆.合金元素和C的含量越高,脆硬倾向就越大.当焊接拘束度大,冷却速度快的厚板结构时,若又有氢的有害作用,就是导致冷裂纹.

（2）再热裂纹珠光体耐热钢属于再热裂纹敏感的钢种,与钢中含的合金元素Cr、Mo、V有关,其敏感温度区间为500～700℃,在焊后热处理或长期高温工作中,在热影响区融合线附近的粗晶区内有时会发生这种裂纹.

（3）回火脆性珠光体耐热钢焊接接头在371～593℃范围内工作,会发生脆化并导致焊接构件破坏.这与钢中的P、Sb、Sn、As等杂质和合金元素含量有关.一般认为,由于这些杂质在晶界上偏聚,从而降低晶界的断裂强度.Cr促使这些杂质的偏聚,而自身也发生偏聚.

2.焊缝类型及焊缝接头坡口设计

压力容器储槽一般由筒体、封头、人孔、管接口、支撑座等各个部分拼装焊接而成.接头类型主要有对接接头、T形接头、角接接头、搭接接头等.焊接接头坡口设计依据容器承压能力及焊缝类型.

如图所示“1”为容器圆筒部分的纵向接头,属A类焊缝接头,是压力容器中受力最大的接头,一般要求采用双面焊或保证全焊透的单面焊缝.“2”为壳体部分的环向焊缝接头,属B类焊缝接头,工作应力一般为A类的一半,采用双面焊的对接焊缝以外,也可采用带衬垫的单面焊.“3”为法兰与壳接管连接的接头,属C类焊缝接头,角焊缝连接接,对于高压容器,盛有剧毒介质的容器和低温容器应采用全焊透的接头.“4”为补强圈与壳体连接的接头.受力条件较差,且存在较高的应力集中.在厚壁容器中这种焊缝的拘束度相当大,残余应力亦较大,易产生裂纹等缺陷.因此在这种容器中D类焊缝应采取全焊透的焊接接头.对于低压容器可采用局部焊透的单面或双面角焊.

依据容器压力等级及焊缝接头类型,选择带钝边的单V型坡口,坡口角度60°,对接缝隙3mm,钝边高度2mm,A、B类焊接接头采用双面焊,以保证其焊透.

3.焊接方法选择

目前,在珠光体耐热钢焊接结构生产中实际应用的焊接方法有：焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、电渣焊、无极氩弧焊、电阻焊、感应加热压焊等.焊接方法的选择依据焊接结构现场施焊条件、经济技术性分析等综合考虑.

储槽的板厚12mm,属于中厚的钢板,因此采用焊接熔深大的埋弧焊,而且埋弧焊的焊接质量好,效率高,焊接成本低,劳动力好.对于储槽可以采用一台链式工件翻转机来旋转储槽以保证焊剂对焊缝区的覆盖和防止熔池金属的漏淌.针对15CrMo卧式压力储槽先预热,开坡口,针对A、B类焊缝可用手工电弧焊打底焊、背部清根、再使用埋弧焊进行填充、盖面的双面焊焊接.

4.确定焊接工艺参数

5.焊接工艺措施

15CrMo压力容器储槽的焊前准备工作包括坡口的制备和清理、焊材的烘干、工件的预热、焊接设备的准备、组对定位等工作,焊前准备是否充分,直接影响到压力容器的焊接质量.

5.1焊前准备

（1）在链式工件翻转台上将工件摆放好,用等离子弧切割开出坡口.焊接坡口加工完成后应进行检验,对影响焊接质量的局部缺陷应予修整,发现有裂纹、分层、夹渣等缺陷的应清除干净.

（2）将装配点固定,然后时定位焊.组对时,坡口间隙、错边量、棱角度等应符合规定.点固焊应避免强行组装,减少焊接裂纹,焊接残余应力和焊后变形.焊前进行点固焊时必须使用与产品焊缝相同牌号的焊条和相应的工艺参数进行施焊,以保证质量.点固焊要求狭而细长的焊道,既能保证点焊强度,又要能被焊接时的焊道所覆盖,保证焊缝成型美观.点焊长度一般为20～30mm,间距200～300mm.管状接头可按对称、均布的原则进行点固.点固焊应在焊接坡内引燃电弧,严禁乱打弧,避免工件表面损伤和应力集中,必要时可用引弧板起弧.自动埋弧焊在纵焊缝的两端应点装引弧板、熄弧板,并保证强度.

（3）将焊接区表面两侧各20mm和坡口内的水、油、锈、污物、氧化皮等清除干净.

（4）焊丝需作去油、除锈处理,保护气体应保持干燥,焊条和焊剂按规定进行烘干和保温,焊剂除按技术要求烘干外还需作粗细二道筛子筛去过大过细的焊渣及焊屑后方能使用,碱性焊条领用必须用保温筒.

5.2焊接过程

（1）采用焊条电弧焊封底：选择4mm直径,E4315碱性焊条,小电流,170A打底.

（2）环缝埋弧焊：焊前先采用火焰将工件加热,采用红外线测温仪进行测温,预热温度为200-250℃,用玻璃棉布包裹保温.恒温1-2h.再采用埋弧焊进行焊接.

5.3焊后热处理及检测

（1）焊件焊后应及时进行热处理,否则应在焊后立即加热至300～350℃,加热范围和热处理要求相同,然后保温缓冷,热处理过程中要用保温棉包住保温棉长度要超过加热片,管子两端要用保温棉塞住,以防穿堂风,保证内外壁温度均匀.

（2）焊后检测采用X射线检测.