低溫壓力容器制造用鋼及其焊接特點和檢測要求

張 超

（西南石油大學材料院，四川 成都 610500）

隨著煉油、化工工業的快速發展，這些工業中所需的設備在制造過程中均需要大量的低溫用鋼，而且因為工業生產對設備的要求越來越高，設備對低溫用鋼的要求也越來越高。低溫用鋼主要是用于低溫條件下工作的一些工業設備、管道以及鋼結構的制造。在壓力容器的生產中，低溫壓力容器主要是指設計溫度低于或是等于－20℃的壓力容器，而低溫用鋼則是指用于制造低溫設備的鋼，簡稱低溫鋼。

1 用于制造壓力容器的低溫鋼

低溫鋼主要是指鎳鉻合金與碳錳合金。在低溫鋼的分類中，其分類依據主要是環境的溫度、合金的含量與組織、合金中鎳、鉻元素的含量等。將低溫鋼按溫度等級一般可以分為以下四類：①－40℃～－20℃；②－80℃～－50℃；③－100℃～110℃；④－296℃～－196℃。根據合金元素與組織的不同可以將低溫鋼分為低合金鐵素體鋼、中合金低碳馬氏體鋼與高合金奧氏體鋼。根據合金中鎳、鉻元素的含量可以將低溫鋼分為無鎳、鉻低溫鋼與含鎳、鉻低溫鋼。鋼中的合金元素主要是起到固溶強化、細晶強化的作用，而且其在經過正火、回火之后，鋼組織中的晶粒將會更加的細化，從而提高鋼材的低溫韌性，延長鋼材的使用壽命。目前，使用最多的低溫鋼中均含有鎳元素，相同規格的鋼材料中所含的鎳元素越高，在相同的韌性條件下所能適應的溫度就越低。

我們知道，鋼材在低溫環境中工作時具有冷脆性，低溫壓力容器的制造用鋼則克服了鋼材的這一缺點，其生產出的低溫鋼能夠在低于或是等于－20℃的環境下工作。在對低溫鋼性能的衡量過程中主要采用的指標則是低溫韌性，即低溫條件下低溫鋼的沖擊韌性與脆性轉變溫度，鋼材所具有的低溫沖擊韌性越高，而其脆性轉變溫度越低的話，則其具有越好的低溫韌性。

鋼材的成分與組織會對其所具有的低溫性能有很大的影響，鋼材中所含的磷、碳、硅等元素會使鋼的脆性轉變溫度升高，其中磷與碳對其的影響最為明顯，而鋼材中所含的錳、鎳元素會降低鋼的脆性轉變溫度，使鋼材具有更好的低溫韌性。通常，對于具有面心立方晶體的金屬而言，在溫度的變化過程中其韌性的變化是極小的，仍然會有較高的沖擊韌性。另外，鋼材中所含晶粒越細，其所具有的低溫沖擊韌性也就越好。目前，無鎳低溫鋼的最低使用溫度為－50℃，含鎳低溫鋼的最低使用溫度則是根據所含鎳元素的量來決定的，其使用溫度的范圍一般為－196℃～－60℃，奧氏體不銹鋼的使用溫度一般在－196℃以下。

2 焊接

2.1低溫鋼所用焊材的選擇

低溫鋼焊接過程中選擇焊接材料的規則如下：①所選擇的焊材必須確保其焊縫所含的有害雜質要少，特別是含鎳的低溫鋼更應該嚴格地控制。②所選擇的焊接材料需要注意其焊縫金屬的低溫韌性。③對于含鎳的低溫鋼，焊接中所選用的焊接材料的含鎳量應和母材接近或稍高。

2.2低溫鋼在焊接中的特點

不含鎳的低溫鋼在焊接時一般不用進行預熱或是利用較低的預熱溫度進行預熱，若是板板較厚或是在低溫的環境下進行焊接時才需要進行預熱。在對不含鎳的鋼材進行焊接時只要選用與其相匹配的焊材與工藝即可，在焊接過程中只要保證焊縫與熱影響區的低溫韌性達到標準即可。

含鎳低溫鋼中因為添加了鎳元素，因此其對冷裂紋傾向的影響不顯著，但是卻增加了其對熱裂紋傾向的影響，所以在焊接過程必須對鋼與焊材中的碳、硫、磷元素的含量進行嚴格地控制。在焊接的過程中，必須按焊接規范使用，以避免出現窄而深的焊道，從而有效地避免出現熱裂紋。

2.3壓力容器的制造用鋼的焊接要點

2.3.1 焊接熱輸入量應較小

采用較小的焊接熱輸入量主要是為了避免焊縫與熱影響區形成粗大組織，從而避免沖擊韌性出現嚴重降低的情況。采用較小的焊接熱輸入量的具體操作方法是采用的焊接電流不宜過大，電弧焊過程中焊條應盡量不要擺動，通常采用窄焊道、多道多層焊與快速多道焊進行焊接，以避免焊道出現過熱的情況，同時還可以通過多層焊進行重復加熱的作用來細化晶粒。另外，多層焊時還需要對層間的溫度進行嚴格的控制。

2.3.2 焊接速度應適當

在含鎳低溫鋼進行埋弧自動焊的過程中，切忌采用高速焊接來獲得較低的焊接線能量。因為在焊接速度較快的時候，熔池會形成典型的雨滴狀，而且焊道成形也會變成窄而深的截面形狀，這樣焊道中心就容易出現熱裂紋。因此，含鎳低溫鋼在焊接中要選擇適當的速度進行焊接，不可過快，也不可過慢。

2.3.3 避免咬邊時出現缺陷

低溫鋼在焊接時應避免弧坑、未焊透與咬邊的情況出現，因為在低溫條件下，應力作用于這些缺陷上時，應力將會被集中起來，從而造成脆性破壞。因此，低溫壓力容器在焊接中不能有任何的咬邊缺陷出現。

3 檢測

采用低溫鋼制造而成的壓力容器，除了要保證材料及制造質量外，確保檢測質量也是保證低溫壓力容器能夠安全運行的一個重要環節。下面我們將對材料以及蛤蚧接頭的檢測進行分析。

3.1材料檢測

3.1.1 鋼材檢測

低溫壓力容器制造用鋼的超聲檢測（UT）與磁粉檢測（MT）除了需要遵守常規材料的檢測要求之外，對鋼板厚度大于20mm的鋼材還需要采用超聲波對每一張鋼板都進行檢測。

3.1.2 焊接材料的檢測

低溫壓力容器制造中對其焊接材料除了要按照相應標準的規定進行檢驗之外，還需要成批次的進行藥皮含水或是熔敷金屬擴散氮含量的復試。

3.2焊接接頭的檢測

低溫壓力容器對接接頭（A、B類接頭）進行100%射線（RT）或是超聲（UT）的情況主要包括以下幾個方面：①壓力容器的設計溫度為－40℃以下；②壓力容器的設計溫度等于或是高于－40℃，但對接接頭的厚度為25mm以上；③該壓力容器為進行氣壓試驗的容器；④低溫壓力容器的圖樣上已經注明該容器用于盛裝毒性為極度危害或是高度危害介質的容器。對于符合這些要求的低溫壓力容器而言，它們除了需要進行100%RT或是UT監測之外，其T型接頭、對接焊縫以及角焊縫均要進行100%磁粉（MT）或是滲透（PT）檢測，其中還包括對受壓元件和非受壓元件的連接焊接進行檢測。除了這些規定之外，低溫壓力容器焊接接頭還允許局部無損檢測。在對壓力容器對接接頭的檢測時還需要注意所檢測的接頭長度不能長于各類焊接接頭長度的50%，同時也不能短于2500mm。

4 結束語

由于低溫壓力容器的工作環境特別，因此其制造用鋼以及制造中的工藝措施等均需要進行嚴格地控制。在該過程中，不僅需要選用合適的焊接材料、焊接工藝，還需要注意焊接中的各項要求，以確保焊接的質量。筆者主要是對壓力容器的制造用鋼（即低溫鋼）、焊接特點、焊接中的要點以及檢測的一些要求進行了分析，希望對相關人士有所幫助。

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