Q345R鋼在壓力容器制造上的應(yīng)用分析

喬振云

【摘 要】本文在對(duì)Q345R成分要求的基礎(chǔ)上，列舉了Q345R在容器制造上的要求，并進(jìn)行了理論分析，提出了質(zhì)量應(yīng)用的一些具體措施。

【關(guān)鍵詞】壓力容器；Q345R設(shè)計(jì)；焊接缺欠

一、引言

Q345R是由GB713-1997中的16Mng、19Mng和GB6654-1996中的16MnR等合并而成，屈服強(qiáng)度為265-345MPa，具有髙強(qiáng)度、高韌性、良好的冷成型和焊接性能、低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度和良好的耐蝕性等綜合力學(xué)性能和工藝性能。相較于普通低合金高強(qiáng)度鋼（16Mn），硫（S）磷（P）含量略低，在保證沖擊韌性的前提下，抗拉強(qiáng)度和延伸率都有所提高，近年來，廣泛應(yīng)用于塔器、換熱器、加氫裝置等壓力容器，是目前我國用途最廣、用量最大的壓力容器專用鋼板。

二、Q345R鋼在設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用

依據(jù)GB150.2-2011壓力容器總則，選擇壓力容器受壓元件用鋼時(shí)，應(yīng)考慮容器的使用條件（如設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、介質(zhì)特性和操作特點(diǎn)等）、材料性能（力學(xué)性能、工藝性能、化學(xué)性能和物理性能）、容器的制造工藝以及經(jīng)濟(jì)合理性。選用Q345R容器板時(shí)應(yīng)注意：

2.1所需鋼板厚度小于8mm時(shí)，在碳鋼與低合金高強(qiáng)度鋼之間，應(yīng)盡量采用碳鋼板（多層容器除外）。

2.2在剛度或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主的場合，應(yīng)盡量選用普通碳素鋼。在強(qiáng)度設(shè)計(jì)為主的場合，應(yīng)根據(jù)壓力、溫度、介質(zhì)等使用限制，依次選用Q235B、Q245R（20R、20g）、Q345R等。

2.3 Q345R一般供貨狀態(tài)為：熱軋、控軋或正火，但在下列情況下，應(yīng)在正火狀態(tài)下使用：

2.3.1 用于多層容器內(nèi)筒；

2.3.2 用于殼體的厚度大于36mm；

2.3.3 用于其他受壓元件（法蘭、管板、平蓋等）的厚度大于50mm。

三、Q345R材料性能特點(diǎn)

3.1 依據(jù)GB713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》Q345R化學(xué)成分和GB/T1591-2008《低合金高強(qiáng)度鋼》Q345化學(xué)成分要求，可以看出，低合金鋼Q345R主要組成元素比例與Q345基本相同，所不同的是硫、磷雜質(zhì)分別從0.03和0.035降到了0.025和0.010，減少了偏析現(xiàn)象，降低了回火脆性，提高了鋼的塑性和韌性。

3.2 Q345R與Q245R相比，Si、Mn量增加，其它元素比例上限相同，因此由于Si、Mn的固溶作用，硬度強(qiáng)度提高，同時(shí)Mn是良好的脫氧劑和脫硫劑，消除減弱了鋼的熱脆性，改善了鋼的熱加工性能。

四、Q345R的焊接質(zhì)量分析

4.1 裂紋

Q345R由于其碳含量及合金元素含量均較低，因此其焊接性總體較好，其中以熱軋鋼的焊接性更優(yōu)。但由于這類鋼中含有一定量的合金元素和微合金元素，焊接過程中如果工藝不當(dāng)，也存在著焊接熱影響區(qū)脆化、熱應(yīng)變脆化及產(chǎn)生焊接裂紋（氫致裂紋、熱裂紋、再熱裂紋）的危險(xiǎn)。

4.1.1 氫致裂紋

焊接氫致裂紋（也稱冷裂紋或延遲裂紋），是低合金鋼焊接時(shí)最容易產(chǎn)生，而且是危害最為嚴(yán)重的工藝缺陷，它常常是焊接結(jié)構(gòu)失效破壞的主要原因。

根據(jù)GB713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》Q345R化學(xué)成分，計(jì)算出Q345R的碳當(dāng)量CE=0.526%，亦就是說Q345R碳當(dāng)量最高不超過0.526%。CE應(yīng)用相當(dāng)普遍，CE≤0.4%時(shí)無淬硬傾向，CE在0.4～0.6%淬硬傾向增加，屬于有淬硬傾向的鋼。

焊接時(shí)產(chǎn)生的氫致裂紋主要發(fā)生在焊接熱影響區(qū)，為防止氫致裂紋的產(chǎn)生，焊接熱影響區(qū)硬度應(yīng)控制在350HV以下。實(shí)踐中，Q345R由于含有少量的合金元素少，鋼的淬硬傾向比低碳鋼稍大，常溫下焊接Q345R時(shí)，焊接熱影響區(qū)一般不出現(xiàn)淬硬組織，最高硬度通常在300HBS（約315HV）以下，出現(xiàn)冷裂紋情況不大，但如果焊接時(shí)冷卻速度過高，可能出現(xiàn)淬硬的馬氏體組織，冷裂傾向增大，因此焊接大厚度鋼板時(shí)，應(yīng)采取防止冷裂紋產(chǎn)生的措施，如當(dāng)鋼板特厚時(shí)且在低溫環(huán)境下焊接作業(yè)時(shí)，需要采取控制焊接熱輸入、預(yù)熱和及時(shí)后熱等。具體參見如下不同溫度下焊接Q345R焊接預(yù)熱溫度規(guī)定，以供參考。

①板厚16mm以下，環(huán)境溫度大于等于-10℃，不預(yù)熱，小于-10℃時(shí)，預(yù)熱；②板厚16～24，環(huán)境溫度大于等于-5℃，不預(yù)熱，小于-5℃時(shí)，預(yù)熱；③板厚25～40，環(huán)境溫度大于等于0℃，不預(yù)熱，小于-0℃時(shí)，預(yù)熱；④板厚40以上，均預(yù)熱。

以上預(yù)熱溫度皆為80～150℃

其次，除以上冷卻速度、淬硬組織外，氫和接頭的拘束度也是不可忽視的因素。焊縫中的氫主要來源于焊接材料和焊接區(qū)的水分，可采用低氫型焊接材料、或提高焊接材料烘干溫度，減少保護(hù)氣體含水量、降低焊接區(qū)濕度，如采用低氫型焊條，嚴(yán)格烘干，采用保溫桶，保持溫度350～400℃，焊后增加消氫處理等。

對(duì)于拘束度，焊接應(yīng)力的影響，焊接時(shí)，采用合理的焊接順序，合理的裝配順序，合理的焊接區(qū)剛性固定措施，降低焊接應(yīng)力，從而降低氫致裂紋的敏感性。

4.1.2 熱裂紋

Q345R因含Mn較高，S、P含量低，Mn/S比值達(dá)到防止結(jié)晶裂紋的要求，具有較好的抗熱裂紋的能力，因此在母材化學(xué)成分正常、焊接材料和焊接參數(shù)選擇正確的情況下，一般不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋。

4.1.3 再熱裂紋

焊接接頭再熱裂紋亦稱為消除應(yīng)力裂紋，出現(xiàn)在焊后消除應(yīng)力熱處理過程中，一般為改善接頭熱影響區(qū)和焊縫組織，但Q345R屬固溶強(qiáng)化類低合金鋼，無再熱裂紋傾向。

4.2 孔穴

孔穴（氣孔）是焊接中經(jīng)常遇到的一種缺欠，它不僅削弱了焊縫的有效工作面積，同時(shí)也帶來了應(yīng)力集中，從而降低了焊接金屬的強(qiáng)度和韌性。焊接Q345R時(shí)，形成的氣孔主要有H2和CO，析出型氫氣孔主要出現(xiàn)在焊縫的表面，但當(dāng)焊材中含有較多的結(jié)晶水時(shí)，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)在焊縫的內(nèi)部。反應(yīng)型CO氣孔與焊渣的氧化還原性有關(guān)。實(shí)踐中，可以從以下措施防止形成氣孔：

①焊前采用砂輪打磨、鋼絲刷等機(jī)械方法仔細(xì)清理焊件及焊絲表面的氧化膜或鐵銹以及油污等；②各種焊接材料均應(yīng)防潮包裝與存放；③焊條在烘干箱內(nèi)進(jìn)行350～400℃，2小時(shí)烘干，烘干后裝入保溫桶內(nèi)隨用隨取；④焊前將焊劑進(jìn)行250℃，1～2小時(shí)烘干，并嚴(yán)格篩選后使用；⑤對(duì)于CO反應(yīng)型氣體而言，應(yīng)著眼于創(chuàng)造有利的氣體排出條件，適當(dāng)增大熔池在液態(tài)的存在時(shí)間，及適當(dāng)增大熱輸入和預(yù)熱，找出不同環(huán)境條件下的焊接參數(shù)最佳值。

4.3 其它焊接缺欠

Q345R焊接缺欠除裂紋、孔穴外，主要還有未焊透、未熔合、未焊滿、夾渣、形狀和尺寸不良等，因Q345R焊接性能良好，其原因機(jī)理不再贅述，為消除或減少其缺欠，應(yīng)采取如下措施：

①進(jìn)行合理的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：合理安排焊縫位置，盡量避免焊縫過于集中，合理選擇坡口形式，盡可能減少焊縫截面尺寸，使焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更趨合理。②合理的裝配工藝措施：綜合運(yùn)用預(yù)留收縮余量法、反變性法、剛性固定法、分節(jié)制造等，減少焊接變形，形狀尺寸符合要求。③正確選擇焊接順序，依照收縮量大的先焊，再收縮量小的；采取對(duì)稱施焊，使焊縫相互制約，整體結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生變形。④嚴(yán)格焊接工藝評(píng)定，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程。

五、結(jié)語

Q345R具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能，設(shè)計(jì)中應(yīng)注重材料的供貨狀態(tài)，以期達(dá)到產(chǎn)品的技術(shù)要求；制造過程中，尤其在焊接方面，做好材料的焊接工藝評(píng)定，嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程作業(yè)，加強(qiáng)預(yù)防氫致裂紋、孔穴、焊接變形等焊接缺欠。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]、GB/T1591-2008 低合金高強(qiáng)度鋼

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[5]、焊接手冊(cè) 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編 機(jī)械工業(yè)出版社第3版（修訂本）