1、压力容器焊接技术培训压力容器焊接技术培训主讲人：XXX压力容器焊接技术培训一、前言一、前言 焊接技术，又称连接工程，是一种重要的材料加工工艺，它广焊接技术，又称连接工程，是一种重要的材料加工工艺，它广泛地应用于石油化工、电力、航天航空、海洋工程、微电子技泛地应用于石油化工、电力、航天航空、海洋工程、微电子技术，桥梁、船舶、潜艇，以及各种金属结构等工业部门。凡是术，桥梁、船舶、潜艇，以及各种金属结构等工业部门。凡是用焊缝连接的构件都可称为焊接结构。用焊缝连接的构件都可称为焊接结构。压力容器是一种焊接结构，压力容器设计就是焊接结构的设计，压力容器是一种焊接结构，压力容器设计就是焊接结构的设计，因此
2、压力容器设计人员了解和掌握一些焊接基本知识，不仅有因此压力容器设计人员了解和掌握一些焊接基本知识，不仅有利于压力容器的优化设计、而且也有利于压力容器的安全运行。利于压力容器的优化设计、而且也有利于压力容器的安全运行。今天主要介绍压力容器设计过程中常用焊接基本概念、焊接方今天主要介绍压力容器设计过程中常用焊接基本概念、焊接方法、焊接坡口、法、焊接坡口、WPS、PQR、常用材料易产生的焊接缺陷及其、常用材料易产生的焊接缺陷及其设计方面的预防措施及目前压力容器焊接新技术。设计方面的预防措施及目前压力容器焊接新技术。二、焊接基本知识二、焊接基本知识 2.1 焊接焊接压力容器焊接技术培训 概念：通过加热
3、或加压或两者并用，使被焊材料达到原子间概念：通过加热或加压或两者并用，使被焊材料达到原子间的结合，从而形成永久性连接的工艺。的结合，从而形成永久性连接的工艺。包括三方面的含义：包括三方面的含义：是焊接的途径，即加热或加压或二者并用；是焊接的途径，即加热或加压或二者并用；是焊接的本质，即微观上达到原子间的结合；是焊接的本质，即微观上达到原子间的结合；是焊接的结果，即宏观上形成永久性连接。是焊接的结果，即宏观上形成永久性连接。实现焊接的途径：实现焊接的途径：加压或加热加压二者并用：压力焊；加压或加热加压二者并用：压力焊；加热：熔化焊（重点介绍）。加热：熔化焊（重点介绍）。2.2 焊接接头焊接接头
4、焊接接头：被焊材料经焊接之后发生组织和性能变化的区域；焊接接头：被焊材料经焊接之后发生组织和性能变化的区域；组成：焊缝、热影响区、熔合区；组成：焊缝、热影响区、熔合区；焊缝：由熔化的被焊材料和填加材料经凝固以后所形成的；焊缝：由熔化的被焊材料和填加材料经凝固以后所形成的；压力容器焊接技术培训 热影响区：是被焊材料受焊接热影响发生组织和性能改变的热影响区：是被焊材料受焊接热影响发生组织和性能改变的母材区域；母材区域；熔合区：是介于焊缝和热影响区之间的狭小的过渡区，由部熔合区：是介于焊缝和热影响区之间的狭小的过渡区，由部分熔化的母材和部分未熔化的母材组成；分熔化的母材和部分未熔化的母材组成；焊接接
5、头的形成过程：焊接接头的形成过程：焊接热过程焊接热过程 固固-液状态演变过程液状态演变过程 焊接化学冶金过程焊接化学冶金过程 固态相变过程固态相变过程 2.3 焊接应力与变形焊接应力与变形 残余应力：不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服极残余应力：不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服极 限，局部产生了塑性变形。温度恢复原始的均匀状态后，就限，局部产生了塑性变形。温度恢复原始的均匀状态后，就 产生的内应力。这种内应力是温度均匀后残存在物体中。相产生的内应力。这种内应力是温度均匀后残存在物体中。相 变应力也是残余应力的一种。是三维的，是拉伸应力。变应力也是残余应力的一种。是三维的，是拉伸应
6、力。压力容器焊接技术培训 焊缝与载荷平行的侧面角焊缝。焊缝与载荷平行的侧面角焊缝。焊缝与载荷倾斜的斜向角焊缝。焊缝与载荷倾斜的斜向角焊缝。接头的基本形式有四种：接头的基本形式有四种：对接，搭接，丁字，角接；对接，搭接，丁字，角接；对接接头是较理想的接头形式；对接接头是较理想的接头形式；2.5 焊接材料的选用原则：焊接材料的选用原则：根据母材的化学成分、力学性能、可焊性，并结合压力容器根据母材的化学成分、力学性能、可焊性，并结合压力容器 的结构特点、使用条件及焊接方法综合考虑选用焊接材料。的结构特点、使用条件及焊接方法综合考虑选用焊接材料。必要时可通过试验确定。必要时可通过试验确定。总体要求应该
7、保证焊缝金属的性能应高于或等于相应母材标总体要求应该保证焊缝金属的性能应高于或等于相应母材标 准规定值的下限，或满足图样规定的技术条件要求。准规定值的下限，或满足图样规定的技术条件要求。碳素钢、低合金钢的焊缝金属应保证力学性能，且其抗拉强碳素钢、低合金钢的焊缝金属应保证力学性能，且其抗拉强 度不应超过母材标准规定的上限加度不应超过母材标准规定的上限加30MPa。压力容器焊接技术培训 耐热型低合金钢焊缝金属在保证力学性能外，还应保证化学耐热型低合金钢焊缝金属在保证力学性能外，还应保证化学 成分。成分。高合金钢的焊缝金属应保证力学性能和耐腐蚀性能。高合金钢的焊缝金属应保证力学性能和耐腐蚀性能。不锈
8、钢复合钢：不锈钢复合钢：基层的焊缝金属应保证力学性能。基层的焊缝金属应保证力学性能。复层的焊缝金属应保证耐腐蚀性能，当有力学性能要求时复层的焊缝金属应保证耐腐蚀性能，当有力学性能要求时 还应保证力学性能。还应保证力学性能。复层焊缝与基层焊缝以及复层焊缝与基层钢板的交界处宜复层焊缝与基层焊缝以及复层焊缝与基层钢板的交界处宜 采用过渡焊缝。采用过渡焊缝。不同强度钢号的碳素钢、低合金钢之间的异种钢焊缝金属应不同强度钢号的碳素钢、低合金钢之间的异种钢焊缝金属应 保证力学性能且其抗拉强度不应超过强度较高母材标准规定保证力学性能且其抗拉强度不应超过强度较高母材标准规定 的上限值。的上限值。压力容器焊接技术
9、培训 奥氏体不锈钢与碳素钢、低合金钢之间的异种钢焊缝金属应奥氏体不锈钢与碳素钢、低合金钢之间的异种钢焊缝金属应 保证抗裂性能和力学性能。宜采用铬镍含量较高的奥氏体不保证抗裂性能和力学性能。宜采用铬镍含量较高的奥氏体不 锈钢焊材。锈钢焊材。三、常用焊接方法及其适用的坡口形式三、常用焊接方法及其适用的坡口形式 3.1 焊条电弧焊：设备较为简单，便携带，不适于焊接活性材焊条电弧焊：设备较为简单，便携带，不适于焊接活性材料，由于焊条长度和药皮过热脱落的限制，降低了焊接生产率。料，由于焊条长度和药皮过热脱落的限制，降低了焊接生产率。3.2 埋弧焊：消除飞溅，焊缝洁净，熔敷效率率高埋弧焊：消除飞溅，焊缝洁
10、净，熔敷效率率高,仅限于平焊；仅限于平焊；3.3 等离子弧焊：电弧挺直，对弧长变化不敏感，焊接速度快，等离子弧焊：电弧挺直，对弧长变化不敏感，焊接速度快，缺点设备费用高；缺点设备费用高；3.4 CO2气体保护焊：它具有相当高的熔敷率。缺点是受焊枪气体保护焊：它具有相当高的熔敷率。缺点是受焊枪尺寸的限制，难于达到狭小的区域或角落，飞溅大，氧气性大；尺寸的限制，难于达到狭小的区域或角落，飞溅大，氧气性大；3.5 钨极气体保护焊：适用于焊接薄板，焊接活性材料，其缺钨极气体保护焊：适用于焊接薄板，焊接活性材料，其缺点是熔敷效率低，过大的焊接电流易造成焊缝夹钨。点是熔敷效率低，过大的焊接电流易造成焊缝夹
11、钨。压力容器焊接技术培训 3.6 焊接坡口焊接坡口 开坡口的根本目的：是为了确保接头的质量及其经济性，坡口开坡口的根本目的：是为了确保接头的质量及其经济性，坡口型式必须考虑一下问题：型式必须考虑一下问题：焊材的消耗量；焊材的消耗量；可焊到性；可焊到性；坡口加工的难易程度；坡口加工的难易程度；焊接变形；焊接变形；四、四、WPS及及PQR 4.1 WPS：焊接工艺规程（焊接工艺规程（welding procedure specification）;为验证为验证性试验所拟定的、经评定合格的、用于指导产品施焊的焊接工性试验所拟定的、经评定合格的、用于指导产品施焊的焊接工艺评定文件。艺评定文件。焊接工艺
12、规程是压力容器制造单位必须自行编制的重要工艺焊接工艺规程是压力容器制造单位必须自行编制的重要工艺 文件。文件。压力容器焊接技术培训 工艺规程必须已经过焊接工艺评定验证其正确性和合理性。工艺规程必须已经过焊接工艺评定验证其正确性和合理性。编制焊接工艺规程的主要依据是相对应的焊接工艺评定报告。编制焊接工艺规程的主要依据是相对应的焊接工艺评定报告。焊接工艺评定的定义：是指为验证所拟定的焊件焊接工艺的焊接工艺评定的定义：是指为验证所拟定的焊件焊接工艺的正确性而进行的试验过程及结果评价。正确性而进行的试验过程及结果评价。4.2 WPQ：焊接工艺评定（焊接工艺评定（welding procedure qu
13、alification）；为）；为使焊接接头符合标准要求，对所拟定的焊接工艺进行验证性试使焊接接头符合标准要求，对所拟定的焊接工艺进行验证性试验及结果评价过程。验及结果评价过程。4.3 PQR：焊接工艺评定报告（焊接工艺评定报告（procedure qualification record）；记）；记载验证性试验结果，对拟定焊接工艺进行评价的报告。载验证性试验结果，对拟定焊接工艺进行评价的报告。压力容器焊接技术培训 五、常用材料易产生的焊接缺陷及其设计方面的预防措施五、常用材料易产生的焊接缺陷及其设计方面的预防措施 珠光体耐热钢的焊接珠光体耐热钢的焊接冷裂纹，再热裂纹冷裂纹，再热裂纹 奥氏体不
14、锈钢的焊接奥氏体不锈钢的焊接热裂纹热裂纹 复合板结构焊接复合板结构焊接 5.1 珠光体耐热钢的焊接珠光体耐热钢的焊接 以以Cr-Mo为基加入少量为基加入少量V W Nb Ti 的低中合金钢，具有很好的低中合金钢，具有很好的抗氧化性和热强性。的抗氧化性和热强性。主要问题是主要问题是HAZ的硬化、冷裂纹以及再热裂纹和回火脆化现的硬化、冷裂纹以及再热裂纹和回火脆化现象。象。常用的焊接方法有手弧焊、窄间隙埋弧焊等。焊接材料常用的焊接方法有手弧焊、窄间隙埋弧焊等。焊接材料US521-PF200,CMA-106N;H08Cr2.25-Mo1A+SJ602SJ603，R407B压力容器焊接技术培训 正确选择
15、预热温度和焊后退火温度以防止冷裂和消除近缝区正确选择预热温度和焊后退火温度以防止冷裂和消除近缝区硬化。硬化。冷裂纹：是焊后冷至较低温度产生的，对于低合金高强钢，冷裂纹：是焊后冷至较低温度产生的，对于低合金高强钢，大约在大约在Ms附近，由于应力、淬硬组织和氢的共同作用产生。主附近，由于应力、淬硬组织和氢的共同作用产生。主要发生在中碳钢、高碳钢及合金结构钢的焊接接头，特别易于要发生在中碳钢、高碳钢及合金结构钢的焊接接头，特别易于出现在焊接热影响区。出现在焊接热影响区。冷裂纹有三种：冷裂纹有三种：延迟裂纹：不在焊后立即出现，有一定的孕育期、具有延迟现延迟裂纹：不在焊后立即出现，有一定的孕育期、具有延
16、迟现象。主要决定于钢种的淬硬、倾向、接头应力状态、熔敷金属象。主要决定于钢种的淬硬、倾向、接头应力状态、熔敷金属中扩散氢含量。中扩散氢含量。淬硬脆化裂纹：一些淬硬倾向很大的钢种，即没有氢的诱发，淬硬脆化裂纹：一些淬硬倾向很大的钢种，即没有氢的诱发，仅在拘束应力的作用下也能开裂。完全由冷却时仅在拘束应力的作用下也能开裂。完全由冷却时M相变产生脆相变产生脆性造成，没有延迟现象，可在焊缝也可在热影响区。性造成，没有延迟现象，可在焊缝也可在热影响区。压力容器焊接技术培训 低塑性脆化裂纹：某些塑性较低的材料，焊接后冷却至低温时，低塑性脆化裂纹：某些塑性较低的材料，焊接后冷却至低温时，由于收缩力而引起的应
17、变超过了材质本身所具有的塑性的储备由于收缩力而引起的应变超过了材质本身所具有的塑性的储备或材质变脆而产生裂纹。铸铁补焊、硬质合金堆焊、高或材质变脆而产生裂纹。铸铁补焊、硬质合金堆焊、高Cr合金合金的焊接。无延迟现象。的焊接。无延迟现象。加氢设备设计制造中避免延迟裂纹应注意的焊接问题。加氢设备设计制造中避免延迟裂纹应注意的焊接问题。机理：内部缺陷提供了潜在裂源，在应力的作用下缺陷的前机理：内部缺陷提供了潜在裂源，在应力的作用下缺陷的前沿形成了三向应力区，氢向该区扩散并积聚，达到一定浓度时，沿形成了三向应力区，氢向该区扩散并积聚，达到一定浓度时，产生较大应力阻碍位错移动，所以变脆形成裂纹；产生较大
18、应力阻碍位错移动，所以变脆形成裂纹；低合金高强钢易产生：低合金高强钢易产生：防止措施：防止措施：（1）冶金措施）冶金措施 1）改进母材的化学成分）改进母材的化学成分 2）严格控制氢的来源）严格控制氢的来源压力容器焊接技术培训 3）适当提高焊缝韧性）适当提高焊缝韧性 4）选用低氢焊材和焊接方法）选用低氢焊材和焊接方法（2）工艺措施）工艺措施 1）适当预热）适当预热 2）严格控制焊接热输入）严格控制焊接热输入 3）焊后低温热处理）焊后低温热处理 4）采用多层焊）采用多层焊 5）合理安排焊缝及焊接次序）合理安排焊缝及焊接次序 主体焊缝的焊接主体焊缝的焊接 纵缝的焊接（错边）纵缝的焊接（错边）环缝的焊
19、接（错边，环缝的位置）环缝的焊接（错边，环缝的位置）封头拼版的焊接（成型方法，拼缝的位置，后热的性能）封头拼版的焊接（成型方法，拼缝的位置，后热的性能）压力容器焊接技术培训 主体焊缝可能是多种焊接方法焊接（反应器的两个封头焊缝，主体焊缝可能是多种焊接方法焊接（反应器的两个封头焊缝，裙座焊缝）裙座焊缝）三热：预热、后热、最终热三热：预热、后热、最终热 阶冷试验阶冷试验 不同部位用不同焊接方法进行耐热层堆焊不同部位用不同焊接方法进行耐热层堆焊 充氢试验装置充氢试验装置 5.2 奥氏体不锈钢的焊接奥氏体不锈钢的焊接热裂纹热裂纹 热裂纹是在较高温度下产生的；热裂纹是在较高温度下产生的；热裂纹有三种热裂
20、纹有三种 结晶裂纹：焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的结晶裂纹：焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足而不能及时填充，在拉应力作用下发收缩，残余液体金属不足而不能及时填充，在拉应力作用下发生沿晶开裂。断面有氧化色，含杂质较多的合金和单相生沿晶开裂。断面有氧化色，含杂质较多的合金和单相A、镍、镍基合金、铝合金。基合金、铝合金。压力容器焊接技术培训 高温液化裂纹：在熔合线附近的热影响区或多层焊的层间部位，高温液化裂纹：在熔合线附近的热影响区或多层焊的层间部位，在焊接热循环峰值温度的作用下，低熔共晶被重新熔化，在拉在焊接热循环峰值温度的作用下，低熔共晶被重新熔化
21、，在拉应力的作用下沿应力的作用下沿A晶界发生开裂。主要发生在含有晶界发生开裂。主要发生在含有CrNi的高强的高强钢、钢、A钢、钢、Ni基合金的热影响区或多层焊的层间。基合金的热影响区或多层焊的层间。SPSiC偏高偏高时，裂纹倾向高。时，裂纹倾向高。多边化裂纹：焊接时，当焊缝或熔合区温度处于固相线稍下的多边化裂纹：焊接时，当焊缝或熔合区温度处于固相线稍下的高温区间时，刚凝固的金属存在很多缺陷，在一定的温度和应高温区间时，刚凝固的金属存在很多缺陷，在一定的温度和应力作用下，这些晶格缺陷发生迁移和聚集，形成了二次边界力作用下，这些晶格缺陷发生迁移和聚集，形成了二次边界多边化边界，轻微的拉伸应力就会沿
22、多边化的边界开裂。主多边化边界，轻微的拉伸应力就会沿多边化的边界开裂。主要发生在纯金属或单相要发生在纯金属或单相A合金的焊缝或热影响区。合金的焊缝或热影响区。应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹：金属在某种特定的腐蚀介质与相应的水平：金属在某种特定的腐蚀介质与相应的水平的拉伸应力的共同作用下产生的裂纹。的拉伸应力的共同作用下产生的裂纹。应力腐蚀裂纹的防止措施：应力腐蚀裂纹的防止措施：采用双相不锈钢代替奥氏体不锈钢；采用双相不锈钢代替奥氏体不锈钢；压力容器焊接技术培训 控制焊接残余应力的生产，可以防止应力腐蚀裂纹。控制焊接残余应力的生产，可以防止应力腐蚀裂纹。5.3 复合板结构焊接的设计复合板结构焊接的设计
23、 保证错边量保证错边量1.5mm 先焊基板一侧先焊基板一侧 接近复层的过渡部分选用过渡层焊材接近复层的过渡部分选用过渡层焊材 过渡层焊后热处理过渡层焊后热处理 最后焊不锈钢层最后焊不锈钢层 基层焊后基层焊后RT、堆焊层、堆焊层PT 6 目前压力容器焊接新技术目前压力容器焊接新技术 双相不锈钢的焊接双相不锈钢的焊接双相组织比例双相组织比例 镍基合金的焊接镍基合金的焊接热裂纹热裂纹 钛合金的焊接钛合金的焊接焊接保护焊接保护 换热器管与管板焊接结构的新型设计换热器管与管板焊接结构的新型设计压力容器焊接技术培训 6.1 钛材复合板结构焊接的设计钛材复合板结构焊接的设计 钛密度小（钛密度小（4.5g/c
24、m3），在海水及大多数酸、碱、盐介质），在海水及大多数酸、碱、盐介质中具有优良的抗腐蚀性能，良好的低温冲击性能；我国钛资源中具有优良的抗腐蚀性能，良好的低温冲击性能；我国钛资源丰富，得以广泛应用；丰富，得以广泛应用；钛和任何金属液态不能互溶，因此不能实现熔化焊；钛和任何金属液态不能互溶，因此不能实现熔化焊；钛从钛从250开始吸收氢，从开始吸收氢，从400开始吸收氧，从开始吸收氧，从600开始开始吸收氮，所以焊接时，不仅要保护熔池，还要保护高温固态金吸收氮，所以焊接时，不仅要保护熔池，还要保护高温固态金属及背保护；属及背保护；每条焊缝应设计检查孔；每条焊缝应设计检查孔；压力容器焊接技术培训压力容
25、器焊接技术培训 6.2 双相不锈钢的焊接双相不锈钢的焊接双相组织比例双相组织比例 点腐蚀试验条件点腐蚀试验条件 焊接规范：焊接规范：I=60A U=14V V=90mm/min 试验温度：试验温度：501 试验试剂：试验试剂：6%三氯化铁溶液三氯化铁溶液 试验时间：试验时间：24小时小时 双相不锈钢焊接应注意的问题双相不锈钢焊接应注意的问题 材料国产和进口的问题（钢锭进口国内轧制）材料国产和进口的问题（钢锭进口国内轧制）焊接时控制冷却速度焊接时控制冷却速度 加入适量的氮气可以促进加入适量的氮气可以促进A化化 严格控制相比例严格控制相比例压力容器焊接技术培训 6.3 换热器管与管板焊接结构的设计换热器管与管板焊接结构的设计 管头焊接质量影响管束寿命管头焊接质量影响管束寿命细节决定成败细节决定成败 芯头材质会影响焊缝质量芯头材质会影响焊缝质量 坡口质量的影响坡口质量的影响 尺寸公差的影响尺寸公差的影响 尺寸公差的检测尺寸公差的检测 打底焊缝的影响打底焊缝的影响 焊缝表面质量的影响焊缝表面质量的影响 检测精度决定焊缝质量检测精度决定焊缝质量
