焊接结构论文

对“压力容器焊接规程”标准的思考
摘要：对“压力容器焊接规程”标准中的焊接材料选用原则、焊接材料的焊接性、药芯焊丝电焊、异种钢焊接、焊接工艺指导书与焊接工艺规程、焊后热处理与消除应力热处理、焊后热处理后的返修焊缝还是否要重新进行热处理及焊接位置等重大技术问题提出作者独到见解与读者商榷。

关键词：焊接规程；压力容器
Thought on“Welding Code for Pressure Vessel”Abstract：The opinions of author on certain technical problems about preferred principle of welding materialsand its weldability，flux cored arc welding，dissimilar steel welding，welding procedure guidebook and weldingprocedure specification，postweld heat treatment an d stress—relief heat treatment，repair weld after postweldheat treatment being heat treating or not and its welding position of“welding code for pressure vessel”were putforward to discuss with readers in this article．
Key words：welding code；pressure vessel.
当压力容器设计图样确定以后，如何制造出符合图样设计要求的产品则成为首要任务。

而焊接则是压力容器制造过程中的关键工艺。

焊接是一门实践性极强的学科，虽然可以借助于公式或定理说明些现象，但必须有试验作基础，试验与实践才是真正可靠的依据，由于各个单位及焊接人员的实践与经验各有不同，因此不可能制订出一份通用的焊接工艺规程，供大家使用。

但根据国内外大量的实践经验与教训，完全可以制定出焊接压力容器时的技术条款。

对在标准中没有规定的内容，则由焊接人员根据经验，结合必要的试验确定。

JB／T 4709--2000{钢制压力容器焊接规程》实施6年来压力容器焊接发展很快，也给压力容器焊接规程提出一系列新的课题，需要认真加以思考总结，将成熟的内容，补充进新修订的标准中。

1 焊接材料
1．1 焊接材料选用原则
选用焊接材料因素有很多，但最重要、最基本的原则只有一条：即是使焊缝金属性能不低于母材，或符合图样规定的技术条件。

有一个问题容易忽视，即焊接材料基本上只能确定焊缝金属性能，对于压力容器来讲，是要求焊接接头性能不低于母材，或图样规定的技术条件，焊接材料基本上不能影响热影响区性能。

因此，当选用正确的焊接材料后，还需要合理的焊接工艺(如线能量、预热、后热、焊后热处理等)相配合，才能得到满意的焊接接头。

1．2 焊接材料标准
长期以来，压力容器行业用焊材都是执行国家标准。

因为国家标准是适用于所有行业焊接的起码、基本的要求，并不全都符合压力容器法规、标准的要求。

而我国焊接材料国家标准，绝大多数是等效采用了美国国家标准，美国钢材、焊材合金体系与我国不完全相同，在低合金高强钢与低温钢中尤为突出。

从我国钢材与压力容器实际情况出发，原全国压力容器标准化技术委员会组织制订了JB／T4747-2002((压力容器用钢焊条订货技术条件》，协调了焊条国家标准与压力容器法规、标准之间的技术差异。

从对全国承压设备质量监督抽查情况来看，全国约有2／3以上单位没有按JB／T4747要求订购焊条，认为JB／T 4747是推荐性标准，不一定采用，这是不对的。

国家标准化管理委员会曾于2004年1月16日下达了“关于批准GB 15
1998《钢制压力容器》国家标准第2号修改单的函”明确指出“压力容器用钢焊条应符合JB ／T 4747”。

国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局对承压设备用焊接材料非常重视，早已将承压设备用焊接材料列入监检目录中，全国锅炉压力容器标准化技术委员会正在组织制订《承压设备用焊接材料技术条件》行业标准，其中包括焊条、焊丝、焊剂、堆焊钢带与焊剂、铝焊丝和钛焊丝。

不少用户反映，按GB／T 10858-1989(铝及铝合金焊丝》标准供应的焊丝，施焊的焊缝对气孔敏感，甚至在x射线透视时都不能通过；焊接接头弯曲试验时焊缝区开裂缺陷容易超标；焊丝表面发暗不光亮、气孔、凹坑、冶金夹杂不时可见。

笔者认为这些问题都是由于GB／T 10858中焊丝化学成分不合理，铝锭冶金缺陷造成的，焊丝表面质量也极大影响了焊缝质量。

笔者建议等效采用AWS A5一lO(铝及铝合金焊丝和填充丝》编制我国《承压设备用铝及铝合金焊丝技术条件》标准。

国内已有两个工厂按照AWS A5—10生产铝焊丝，经施焊证明，焊缝质量大有改进，基本满足承压设备标准要求。

铝焊丝表面气孔、夹杂等缺陷是铝锭内部质量的反映。

焊缝表面光洁度也对生成焊缝气孔有重大影响，在承压设备用铝焊丝技术条件中，应提高焊丝表面质量要求，并且建议焊丝表面进行抛光处理。

焊丝与填充丝是两个概念。

焊丝与填充丝虽然都在熔化后与部分母材一道形成焊缝，但施焊时，焊丝是通过焊接电流，并作为电极来使用，而填充丝并不通过焊接电流，也不作为电极使用，只是在电弧或其它热源中熔化而已。

区分焊丝与填充丝这两个概念，有利于规定不同的技术要求与检验要求。

1．3 药芯焊丝
药芯焊丝电弧焊，以其效率高、焊接工艺性能好、焊缝成形美观、易于实现机械化，自动化，而迅速在造船、钢结构行业推广。

从2002年开始原中国石化三公司，开始使用药芯焊丝电弧焊组焊了数十台球罐、18套石化设备。

他们的经验总结是“国产药芯焊丝质量还不稳定，时常有药粉料填充不均匀或断粉，焊丝粗细不均，致使焊接过程时常出现气孔缺陷”、“焊缝冲击吸收功不定”。

国内锅炉压力容器厂基本上都没有在主焊缝上采用药芯焊丝施焊。

笔者经过近两年来的调研，也认为在目前情况下，采用药芯焊丝焊制压力容器有不妥之处，首先是没有成熟的适用于锅炉压力容器药芯焊丝的渣系；其次对保证药粉料均匀性、熔敷金属力学性能的稳定性都没有有效的手段、措施和有说服力的数据积累。

有关药芯焊丝焊接性试验没有被重视，已历经34年实际使用的药芯焊丝施焊的球罐及石化设备使用实践尚未有正式报告，也没有各行业专家的认证结论。

因此，笔者认为药芯焊丝电孤焊的优越性不能作为在压力容器主焊缝上使用的理由；已经使用34年的药芯焊丝焊制的压力容器，也不能成为压力容器焊接规程”标准推荐采用药芯焊丝的主要依据。

药芯焊丝电弧焊作为一种焊接方法，可以在标准中留有一个位置，因为药芯焊丝还要发展，金属粉型和无缝药芯焊丝要比一般焊丝优秀，在压力容器行业完全否定药芯焊丝电弧焊的做法不可取。

1．4 焊接材料的焊接性
焊接性是指材料在限定的施工条件下，焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力，焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响。

焊接性是材料的特性，母材有焊接性，焊接材料也有焊接性，焊接材料的焊接性问题还没有引起足够的重视，甚至还考虑不到焊接材料还有焊接性的问题，如在研制新焊接材料试验报告中很少看到有焊接性试验内容。

不掌握焊接材料的焊接l生是十分危险的，某工地组焊CF 一62钢制球罐经焊后热处理后，在所有上支柱与球壳板相焊的焊缝中都发现了裂纹，经分析为再热裂纹，造成巨大损失；某长输管线源头的低温设备在温度与压力都远远没有达到额定负荷时，使用两个多小时，就发生粉碎性、脆性爆炸，死伤多人。

事故现场取样分析表明焊缝中存在着大量制造过程中的冷裂纹。

焊接材料的焊接性值得重视。

因此建议在修订后的压力容器焊接规程中要加上“焊接材料应有焊接性能试验的基础”规定。

焊接性并不仅指抗裂性，抗裂性属于工艺焊接性，焊接性还有一半为使用焊接性，这个理念值得重视。

比如，当前微合金化控冷控轧钢具有很大优越性，各厂在应用中，发现气电立焊热影响区冲击韧性不稳定，难以投产使用，究其原因是焊接人员将微合金化控冷控轧钢，当作一般低合金高强度钢来对待，进行焊接性评价时，注重进行碳当量、冷裂纹敏感系试验，忽视了热影响区组织而带来的韧性变化这个使用焊接性问题。

在焊接材料标准中，没有规定进行焊接性试验，但不能理解成焊接材料不要求进行焊接I生试验。

焊接I生试验特别是抗裂性试验是一种条件性试验，在特定条件下试验才有意义。

焊接材料标准中不可能规定出某种抗裂性试验方法试验后，可以确保在任何条件下都不产生裂纹，只有当压力容器的设计要求、施工条件和服役要求都确定后，才能选用相适应的焊接性试验方法进行试验，这才是可靠的。

常用工艺焊接性的焊接裂纹试验方法适用范围见表1。

从表1可见，既有评价母材热影响区裂纹敏感性试验方法，也有适用于评价焊接材料裂纹敏感性的试验方法。

1．5 异种钢焊接
严格来讲，不同钢号相焊即为异种钢相焊，当铁素体钢与奥氏体不锈钢焊接最为典型，由于铁素体钢与奥氏体不锈钢膨胀系数不同，在选择焊接材料时，应当考虑温度应力作用，按设计温度高低分段选择不同焊缝金属组织的焊接材料是合理的，但定量表示在各种标准、资料中还有较大的差异，举例如表2。

从表2可见，在承压设备范围内，碳钢、低合金钢与奥氏体不锈钢相焊，当设计温度≤370 oC时，选用309型奥氏体不锈钢焊材是合适的，当设计温度>370 oC时，则选用镍基合金焊接材料。

2 焊接工艺评定报告与焊接工艺规程
JB 4708-2000(钢制压力容器焊接工艺评定》中的“焊接工艺指导书”就是美国机械工程学会《锅炉(翻译为焊接工艺规程不妥，翻译为焊接工艺指导较妥)，而WPS与GB／T 3375—94《焊接术语》中的“焊接工艺规程”的英文完全相同，即Welding ProcedureSpecification，“焊接工艺指导书(wPs)”与“焊接工艺规程”是有联系的两个概念，千万不能混淆。

焊接工艺评定中的焊接工艺指导书(WlX5)是“为验证性试验所拟定的，经评定合格、用于指导产品施焊的焊接工艺文件”，应当强调的是对施焊产品起“指导”作用，而按照GB／T 3375中规定，焊接工艺规程则是指“制造焊件的有关加工和实践要求的细则文件，可保证由熟练焊工或操作工操作时质量的再现性”。

对于对接焊缝与角焊缝评定合格的焊接工艺指导书，只能保证施焊产品焊接接头的力学性能(限于拉伸、弯曲冲击韧性)符合要求，而焊接工艺指导书适用于多个产品，并不考虑每个具体产品的焊缝产生内外缺陷、劳动保护、方便生产、劳动生产率和降低成本等问题，这类问题只有依靠有实际生产经验，又有一定专业知识的工艺人员，依据评定合格的焊接工艺指导书，按照图样的设计要求，从本厂实际生产工艺、焊工技能和设备条件出发，编制出一份合格的焊接工艺规程，除保证焊接接头各项性能(如力学性能、耐腐蚀性能、低温性能、疲劳性能等)外，还要求安全、经济、合理、便捷。

3 .焊后热处理与消除应力热处理
按GB／T 3375规定，焊后热处理是指“焊后，为改善焊接接头组织和性能，或消除残余应力而进行的热处理”。

焊后热处理的温度范围分为：低于下转变温度、高于上转变温度、先在高于上转变温度后在低于下转变温度、在上下转变温度之间。

美国ASME(锅炉压力容器规范》第九卷焊接与钎焊评定中，焊后热处理则指“焊件在焊后的任何热处理”，对于锅炉压力容器产品，绝大多数的焊后热处理是“为改善焊接区的性能，消除焊接残余应力等有害影响，将焊接区或其中一部分在金属相变点以下加热到足够高的温度，并保持一定时间，尔后均匀冷却的热处理”，将此类热处理俗称“退火”或“回火”均不妥当，这与“退火”、“回火”的标准术语违背，而定义为“消除应力热处理”为好。

焊件在制造过程中经常受到不同程度的加热，如热卷筒体、加热校圆、消氢、中间热处理等，究竟加热到多少温度才当作焊后热处理，国内标准未作规定，笔者建议按ASME(锅炉压力容器规范》中规定，对于碳钢、低合金钢的焊件不低于490℃，不锈钢的焊件不低于315 oC 的热过程，都认为是焊后热处理。

4 焊后热处理中的若干问题
4．1 消除应力热处理温度
消除应力热处理的基本原理是当钢材加热到一定温度后，发生蠕变作用，而抵消焊接残余应力。

各国标准、欧盟、ISO都对消除应力热处理规定了最低温度，大致分为两个类型：≥6OO℃和≥550 qC。

某具体钢号的焊后热处理温度，还要考虑钢材的冶金与焊接特点：如再热裂纹敏感性，含钒钢中碳化钒析出以及热处理的目的等。

笔者认为两种类型的消除应力热处理的温度都是根据实践得出的，应根据不同情况选用。

一般来说，消除应力热处理温度≥600qC，对消除残余应力更有利；而消除应力处理温度≥550 qC，则对焊接接头综合力学性能更有利。

在JB／T 4709-'-2000中推荐了某钢号消除热应力热处理的温度。

如16MnR消除应力热处理的温度为600～640 qC，其含义是热处理温度为620±20qC。

在同一类别钢中，其蠕变温度接近，但由于微量元素差异，导致焊接不同，因此在修改标准中也只规定某类别钢消除应力热处理温度的下限值，而某钢号的消除应力热处理的温度则按其冶金与焊接特点，根据试验与实践由工艺人员确定。

4．2 几个值得重视的问题
笔者从实践中感到压力容器消除应力热处理，特别是现场热处理是当前压力容器制造过程中的薄弱环节，其质量令人担忧。

(1)温度测量不准确，不少工厂炉内消除应力热处理时，测温计放错了位置，测量了炉内温度，而不是焊件本体温度；只测量焊件中间加热段温度，未i贝0定炉门、烟道附近、设备截面突变处的温度。

(2)温度记录粗糙，在长纸记录仪上的温度点密密麻麻如一条黑龙，分不清是哪一点温度。

(3)现场热处理设备落后，粗略估计，目前国内球罐消除应力热处理，差不多还有一半在使用霍克喷咀燃烧器，这种方法对球罐加热结果是上、下温度不均，且不能调整。

5 焊后热处理的焊接返修
已进行过消除应力热处理的压力容器，如要焊接返修，是否要再做热处理，一直是压力容器行业十分关心的问题。

在ASME(锅炉压力容器规范》与JISB8270(压力容器(基础标准)》中都规定在一定条件下，可以不再进行热处理，其中最重要的条件是焊接返修的厚度，这个厚度是指返修焊缝厚度而不是钢板厚度。

对于ASME第九篇中P—Nol类1、2、3组钢材返修焊缝厚度要求不大38 lqlln，而对于P—No3类1、2、3组则不大于16 lqlln，仔细研究这两个厚度范围，与ASMEⅧ一1中规定成品压力容器初次进行焊后热处理的厚度界限规定一样，也就是说压力容器初次是否要进行焊后热处理的厚度界限与进行过焊后热处理的压力容器，如要焊接返修，是否要再做热处理的厚度界限规定是相同的。

焊后热处理的核心是焊接返修厚度，这个厚度不是钢板厚度，也不是壳体厚度而是返修焊缝厚度，笔者认为对成品压力容器初次焊后热处理的厚度界限也只能是焊缝厚。

美国ASME(锅炉压力容器规范》规定，除有应力腐蚀容器、盛装致死介质容器外，下列压力容器及其零部件，对经过消除应力热处理的压力容器进行焊接返修，当满足下列规定时，可以不再进行消除应力热处理。

(1)压力容器材料限定为P—Nol类1、2、3组和P—No3类1、2、3组钢材。

(2)焊接返修应得到业主认可，并在产品质量证明书上注明焊接返修长度及部位。

(3)对于P—Nol类1、2、3组钢，焊接返修焊缝厚度≤38 Hlm；对于P—No3类1、2、3组钢焊接返修焊缝厚度≤16 lqlln。

(4)消除缺陷后，应对表面进行磁粉或表面无损检测。

(5)焊接返修工艺要点：1)按规定进行焊接工艺评定；2)按使用低氢型药皮焊条，最大焊道宽度不超过焊芯直径的4倍；3)预热温度；P—Nol类1、2、3组钢≥100 qC；P—No3类l、2、3组钢≥180℃，最大层间温度为240 qC；4)对P—No3类1、2、3组钢采取半焊道和回火焊道技术，后温度200～250 qC。

(6)焊接返修完成后，应进行无损检测，当返修
焊缝厚度>10 lqlln，应进行射线透照。

(7)焊接返修后进行压力试验。

6 焊缝位置与焊接位置
熔焊时，焊件焊缝所处的空间位置称为焊缝位置，焊缝位置分为平焊缝、立焊缝、横焊缝和仰焊缝。

而焊接位置则是焊接相应焊缝的位置，焊接位置分为：平焊、立焊、横焊和仰焊。

焊接位置是对完成焊缝的焊工或操作工而言。

在长输管道行业中，经常出现“下向焊”一词，下向焊不是焊接位置的标准术语，从图1可见，甲、乙、丙三位焊工在三个焊件上都在“下向焊”，下向焊只是从高向低处焊，而焊接位置可以是平焊、立仰、仰焊。

试(焊)件位置与焊缝位置是有联系而又有区别的两个概念，千万不能混淆，试(焊)件位置是指试(焊)件所处空间位置，但试件位置不一定是焊接位置，图2所示为管状试件水平固定位置，但所施焊的焊缝位置却为平焊缝、立焊缝和仰焊缝三种。

GB／T 3375—94《焊接术语》中，已经对焊接位置作出规定与解释，焊接位置实际上是焊接焊缝的位置，由焊缝位置决定了焊接位置。

GB／T 3375只规定了四种典型焊缝位置(平、横、立、仰)。

焊件上的焊缝大多为空间曲线，如球罐上纵焊缝，人孔接管马鞍形焊缝，列管式换热器当水平放置时，管子与管板焊缝，都是多位置焊缝，因此对焊接位置的定义，不能只是界定的四种典型位置，而是每种焊接位置都应是一个范围，在此范围内具有相同的熔敷焊缝的特I生，ASME((锅炉压力容器规范》第九章作了具体、科学的规定。

简叙如下：如图3，4所示，对接焊缝和角焊缝定置于水平参考面上。

将对接焊缝或角焊缝的轴线(OP)与水平面的夹角称为焊缝倾角，当焊缝轴线与水平面重合时焊缝倾角为0︒。

，焊缝轴线与垂直面重合时，焊缝倾角为90︒。

焊缝面转角就是焊缝中心线(焊根与盖面层中心连线即图3，4中的带箭头垂直于OP线的短直线)与通过多条焊缝轴线的垂直面之间夹角。

当面对P点时，在6点钟位置焊缝面转角为0︒。

，焊缝中心线顺时针方向旋转又回到6点钟位置时，焊缝面转角为360︒。

对接焊缝位置规定范围见表3，角焊缝位置规定范围见表4。