浅谈钢制、铝制和钛制压力容器焊接规程的特征及意义

李晓玲　王　欣

（沈阳特种设备检测研究院，辽宁 沈阳 110035）

【摘　要】焊接是压力容器制造行业最为重要的工艺过程，选定何种焊接方法，如何确定焊接参数，如何控制焊接接头力学性能，这些对焊接质量的控制都需要适宜的焊接规程来指导。本文分别对钢制压力容器、铝制压力容器和钛制压力容器的焊制过程进行了对比分析，从不同角度解读了这三种压力容器焊接规程编制时需要注意的特征及意义。

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关键词 压力容器；焊接规程；特征

作者简介：李晓玲（1966—），女，汉族，硕士，高级工程师。

承压设备的焊接质量是焊接相关方面综合作用的结果，而焊接又是一门实践性极强的学科。由于承压设备的结构和材料各不相同，焊接技术要求也有很大差异，各制造、安装单位和焊接人员的实践与经验也各不相同，所以不可能制订出一份通用的承压设备焊接工艺规程[1]。

焊接工艺规程是根据合格的焊接工艺评定报告编制的、用于产品施焊的焊接工艺文件，是工艺指导性文件，直接决定产品的焊接质量。全国锅炉压力容器标准化技术委员会焊接标准工作组接受相关行业代表的建议，确定承压设备按照不同的产品种类各自制定相应的焊接规程，但对焊接材料、焊接工艺评定、焊接试验等方面，目前相关标准过于复杂，所以统一承压设备焊接材料、焊接工艺评定和产品焊接试件的力学性能检验标准，是国家的重要技术管理决策，它对实现承压设备生产与国际接轨，加强承压设备的安全监察，提高承压设备的安全可靠性，确保承压设备的制造（安装）焊接质量将起到重要作用。

本文从焊接方法、焊接材料、坡口制备、焊接与焊后热处理等多个方面对比分析了钢制压力容器、铝制压力容器和钛制压力容器焊接规程的特征及意义，旨在帮助专业技术人员更好的熟悉三种容器的特征，制订更为合理的焊接规程。

1　焊接方法

钢制压力容器最为普遍，其适用的焊接方法包括气焊、焊条电弧焊、埋弧焊、钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊、气电立焊和螺柱焊。

由于铝材在低温下无脆性转变的特性，被大量用于制造空气分离设备（深冷设备）中的容器及管道。适用的焊接方法包括气焊、钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊。为保证焊接质量，铝合金通常选用氩弧焊焊接。因为氩弧焊的热量集中，保护效果好，焊缝质量好，成型美观[2]。

随着压力容器对耐蚀性、可靠性、安全性和使用寿命的要求不断提高，耐蚀性能极佳的钛制压力容器也用得越来越多。我国钛材产量的四分之三都用于制造压力容器。尽管一次投资较高，但钛容器的应用可以获得长远的经济效益。压力容器用钛并不追求过高的强度，主要要求良好的塑性、韧性、成形性与焊接性，以使容器在制造中顺利成形与焊接，在使用中具有尽量高的塑性储备，因而在钛和钛合金中容器用钛一般只采用工业纯钛和耐蚀低合金钛。适用的焊接方法包括钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊。

2　焊接材料

钢制压力容器所用材料较为复杂，所以焊接材料的选用也分为多种情况，例如耐热型低合金钢相同钢号相焊时，焊缝金属中的Cr、Mo含量要与母材规定相当或符合设计文件规定的技术条件；高合金钢相同钢号相焊，有些情况下要考虑焊接材料的耐腐蚀性能；不同钢号钢材相焊时，选用的焊接材料应保证焊缝金属的抗拉强度值要介于强度较低一侧母材抗拉强度下限值与强度较高一侧母材抗拉强度上限值之间；用生成奥氏体焊缝金属的焊接材料焊接非奥氏体母材时，应慎重考虑母材与焊缝金属膨胀系数不同而产生的应力作用；奥氏体高合金钢与碳素钢、低合金钢相焊时，应考虑焊缝金属的抗裂性能和力学性能[3]。在选用焊接材料时，这些都是必须要考虑的。

除特殊情况外，钢制压力容器用各类钢材的焊接材料选用应遵循一条通用原则：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，或符合设计文件规定的技术条件。

对于铝制压力容器，焊接材料的选用较为简单。首先需要满足的是选用的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（如有需要，其耐蚀性能不应低于母材相应要求），或满足设计文件规定的技术条件。另外，为了保证焊缝金属的耐蚀性，当母材为纯铝时，应采用纯度不低于母材的焊丝；当母材为铝镁合金或铝锰合金时，应采用含镁量或含锰量不低于母材的焊丝。

值得注意的是，当使用钨极气体保护焊制造铝制压力容器时，推荐选用铈钨极作为电极，也可选用纯钨极、钍钨极等作为电极。纯钨极应用最早，适用于交流焊接，但综合性能欠佳，逐渐被钍钨极与铈钨极所替代；钍钨极的综合性能较好，但有放射性；铈钨极在低电流下有优良的起弧性能，维弧电流较小，放射性剂量极低，在直流小电流焊接时，是钍钨极的首选替代品。

钛制压力容器焊接材料的选用原则同铝制压力容器的选用原则相近。选用的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（如有需要，其耐蚀性能不应低于母材相应要求），或满足设计文件规定的技术条件。其特殊之处在于如下三点：1）不同牌号的钛材相焊时，按耐蚀性能较好和强度级别较低的母材选择焊丝和填充丝；2）焊丝中的氮、氧、碳、氢、铁等杂质元素的标准规定上限值应低于母材中杂质元素的标准规定上限值；3）当使用钨极气体保护焊时，推荐选用铈钨极作为电极。

3　坡口制备

钢制压力容器制备坡口时，应遵循如下规则：对于碳素钢和标准抗拉强度下限值不大于540MPa的强度型低合金钢，采用冷加工或热加工方法制备坡口均可；对于耐热型低合金钢、高合金钢和标准抗拉强度下限值大于540MPa的强度型低合金钢，宜采用冷加工方法。如采用热加工方法，应采用冷加工方法去除影响焊接质量的表面层；应将坡口表面及附近（以离坡口边缘的距离计，焊条电弧焊每侧约10mm，埋弧焊、等离子弧焊、气体保护焊每侧约20mm）的水、锈、油污、积渣和其他有害杂质清理干净；对于不锈钢应在坡口两侧作必要的防护。

铝制压力容器制备坡口时，应遵循如下规则：制造应有专用场地，不能与黑色金属产品混杂生产，并要保证工作场所的清洁、干燥；可采用冷加工方法或等离子弧方法制备坡口，但焊前要去除坡口的氧化物，直至露出金属光泽并打磨平整；应对坡口表面及两侧50mm范围内的水分、尘土、金属屑、油污、漆、氧化膜、含氢物质及所有附着物使用机械法或化学法进行彻底的表面清理（不能使用砂轮或砂布，可使用不锈钢钢刷）；因铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝易导致焊缝中出现夹渣、未熔合、未焊透等缺陷，所以清理好坡口后应立即施焊。

钛材极易氧化，因此钛制压力容器制备坡口时，同样要注意氧化的危害，遵循如下规则：应尽量采用冷加工方法制备坡口，如使用热加工方法，一定要去除坡口及两侧表面的氧化层和浮渣，直至呈现出银白色金属光泽；应去除坡口表面及两侧25mm内的油污、氧化物、氮化物、水分和有机杂质等有害物质；除了使用机械法和（下转第169页）（上接第74页）化学法，钛制压力容器还可使用脱脂的方法进行表面清理，但不能使用氧化物溶剂和甲醇溶剂；机械法清理时可使用不锈钢钢刷或碳化硅砂轮。

4　焊接与焊后热处理

钢制压力容器焊接时，对于多种类别的钢材都需要进行预热，而且两种不同类别的钢材相焊时，预热温度要按要求高的钢材选用。此外，需要注意的是钢材的预热温度也不是越高越好，如碳钢和低合金钢的最高预热温度和道间温度就不宜大于300℃，而奥氏体不锈钢的最高道间温度不宜大于150℃。

焊制钢材后，对于冷裂纹敏感性较大的低合金钢和拘束度较大的焊件应采取后热措施，并应在焊后立即进行。后热温度通常为200~300℃，保温时间通常不少于30min。焊接后立即进行热处理时可不进行后热。

钢制压力容器的焊后热处理尤为重要，《压力容器焊接规程》中对整个热处理的过程和要求有详尽的规定，包括焊后热处理厚度的确定、焊后热处理方式、温度的确定、工艺的制定等各方面内容。另外，下述几点内容笔者认为也同样是焊后热处理的重点，需要特别注意：

1）对于低合金钢和碳素钢来说，低于490℃的热过程不作为焊后热处理对待；对于高合金钢，低于315℃的热过程也不作为焊后热处理对待。

2）非受压元件与受压元件相焊时，应按受压元件的焊后热处理规范执行。

3）对于有再热裂纹倾向的钢号，在焊后热处理时应防止产生再热裂纹。

4）奥氏体高合金钢制压力容器及其零部件一般不推荐进行焊后热处理。

5）焊后热处理应在压力试验之前进行。

6）对于有应力腐蚀的，盛装介质毒性为极度、高度危害的，或低温的压力容器，在焊接返修后必须重新进行焊后热处理。

铝制压力容器焊接过程中，在钨极氩弧焊时焊件厚度大于10mm、熔化极氩弧焊时焊件厚度大于15mm、钨极或熔化极氦弧焊时焊件厚度大于25mm的情况下，焊前应进行预热。未强化的铝及铝合金预热温度一般为100~150℃之间；强化的铝合金或镁含量在4~5%的铝镁合金，预热温度不应超过100℃。施焊时，要控制道间温度不超过150℃，且每焊完一道时，要用机械方法去除氧化膜。一般不要求进行后热和焊后热处理。

钛制压力容器一般不进行预热。多层焊时，层间温度要控制在120℃以下。注意钛制压力容器控制的是层间温度，而铝制压力容器控制的是道间温度。施焊时，对温度在400℃以上的焊缝和热影响区的正面、背面，均应进行保护，防止氧化。钛制承压设备一般情况下也同样不需要进行焊后热处理。如果设计图纸规定进行焊后热处理时，应同时注明热处理方法、热处理温度和保温时间。焊后热处理应在真空或充氩环境下进行。

5　结束语

NB/T 47015-2011《压力容器焊接规程》是一个实践性非常强的标准。焊制压力容器的建造单位从设计技术要求、制造安装条件和压力容器服役要求出发各有不同焊接作业细则，都能得到合格产品，因此制造工艺及焊接工艺过程没有必要也不可能统一。但根据国内五十余年来建造压力容器的实践结果，可以总结出若干有用的规律，用标准形成固定下来作为今后使用的依据，完全是有必要的。本版本标准针对当前压力容器行业中存在的普遍问题提出了更为贴合实际的理论基础，例如焊接材料的选用原则，焊缝的空间位置范围等内容。本文解读的只是其中的一部分，希望能为从事压力容器制造业的技术人员提供帮助。

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参考文献

［１］戈兆文,高驰.对压力容器焊接规程标准的思考[J].压力容器,2006,23(8):1-6.

［２］徐志烽.铝制压力容器的质量控制[J].压力容器,1999(1):51-54.

［３］NB/T 47015-2011. 压力容器焊接规程[S].

［责任编辑：汤静］