Q345R鋼在壓力容器制造上的應用分析

喬振云

【摘 要】本文在對Q345R成分要求的基礎上，列舉了Q345R在容器制造上的要求，并進行了理論分析，提出了質量應用的一些具體措施。

【關鍵詞】壓力容器；Q345R設計；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，屈服強度為265-345MPa，具有髙強度、高韌性、良好的冷成型和焊接性能、低的冷脆轉變溫度和良好的耐蝕性等綜合力學性能和工藝性能。相較于普通低合金高強度鋼（16Mn），硫（S）磷（P）含量略低，在保證沖擊韌性的前提下，抗拉強度和延伸率都有所提高，近年來，廣泛應用于塔器、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鋼在設計方面的應用

依據GB150.2-2011壓力容器總則，選擇壓力容器受壓元件用鋼時，應考慮容器的使用條件（如設計壓力、設計溫度、介質特性和操作特點等）、材料性能（力學性能、工藝性能、化學性能和物理性能）、容器的制造工藝以及經濟合理性。選用Q345R容器板時應注意：

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

2.2在剛度或結構設計為主的場合，應盡量選用普通碳素鋼。在強度設計為主的場合，應根據壓力、溫度、介質等使用限制，依次選用Q235B、Q245R（20R、20g）、Q345R等。

2.3 Q345R一般供貨狀態為：熱軋、控軋或正火，但在下列情況下，應在正火狀態下使用：

2.3.1 用于多層容器內筒；

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

3.1 依據GB713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》Q345R化學成分和GB/T1591-2008《低合金高強度鋼》Q345化學成分要求，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、磷雜質分別從0.03和0.035降到了0.025和0.010，減少了偏析現象，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，硬度強度提高，同時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。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，也存在著焊接熱影響區脆化、熱應變脆化及產生焊接裂紋（氫致裂紋、熱裂紋、再熱裂紋）的危險。

4.1.1 氫致裂紋

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

根據GB713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》Q345R化學成分，計算出Q345R的碳當量CE=0.526%，亦就是說Q345R碳當量最高不超過0.526%。CE應用相當普遍，CE≤0.4%時無淬硬傾向，CE在0.4～0.6%淬硬傾向增加，屬于有淬硬傾向的鋼。

焊接時產生的氫致裂紋主要發生在焊接熱影響區，為防止氫致裂紋的產生，焊接熱影響區硬度應控制在350HV以下。實踐中，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，焊接熱影響區一般不出現淬硬組織，最高硬度通常在300HBS（約315HV）以下，出現冷裂紋情況不大，但如果焊接時冷卻速度過高，可能出現淬硬的馬氏體組織，冷裂傾向增大，因此焊接大厚度鋼板時，應采取防止冷裂紋產生的措施，如當鋼板特厚時且在低溫環境下焊接作業時，需要采取控制焊接熱輸入、預熱和及時后熱等。具體參見如下不同溫度下焊接Q345R焊接預熱溫度規定，以供參考。

①板厚16mm以下，環境溫度大于等于-10℃，不預熱，小于-10℃時，預熱；②板厚16～24，環境溫度大于等于-5℃，不預熱，小于-5℃時，預熱；③板厚25～40，環境溫度大于等于0℃，不預熱，小于-0℃時，預熱；④板厚40以上，均預熱。

以上預熱溫度皆為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，減少保護氣體含水量、降低焊接區濕度，如采用低氫型焊條，嚴格烘干，采用保溫桶，保持溫度350～400℃，焊后增加消氫處理等。

對于拘束度，焊接應力的影響，焊接時，采用合理的焊接順序，合理的裝配順序，合理的焊接區剛性固定措施，降低焊接應力，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比值達到防止結晶裂紋的要求，具有較好的抗熱裂紋的能力，因此在母材化學成分正常、焊接材料和焊接參數選擇正確的情況下，一般不會產生熱裂紋。

4.1.3 再熱裂紋

焊接接頭再熱裂紋亦稱為消除應力裂紋，出現在焊后消除應力熱處理過程中，一般為改善接頭熱影響區和焊縫組織，但Q345R屬固溶強化類低合金鋼，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，同時也帶來了應力集中，從而降低了焊接金屬的強度和韌性。焊接Q345R時，形成的氣孔主要有H2和CO，析出型氫氣孔主要出現在焊縫的表面，但當焊材中含有較多的結晶水時，有時也會出現在焊縫的內部。反應型CO氣孔與焊渣的氧化還原性有關。實踐中，可以從以下措施防止形成氣孔：

①焊前采用砂輪打磨、鋼絲刷等機械方法仔細清理焊件及焊絲表面的氧化膜或鐵銹以及油污等；②各種焊接材料均應防潮包裝與存放；③焊條在烘干箱內進行350～400℃，2小時烘干，烘干后裝入保溫桶內隨用隨取；④焊前將焊劑進行250℃，1～2小時烘干，并嚴格篩選后使用；⑤對于CO反應型氣體而言，應著眼于創造有利的氣體排出條件，適當增大熔池在液態的存在時間，及適當增大熱輸入和預熱，找出不同環境條件下的焊接參數最佳值。

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，其原因機理不再贅述，為消除或減少其缺欠，應采取如下措施：

①進行合理的焊接結構設計：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，使焊接結構設計更趨合理。②合理的裝配工藝措施：綜合運用預留收縮余量法、反變性法、剛性固定法、分節制造等，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；采取對稱施焊，使焊縫相互制約，整體結構不產生變形。④嚴格焊接工藝評定，嚴格執行焊接工藝規程。

五、結語

Q345R具有良好的綜合力學性能和工藝性能，設計中應注重材料的供貨狀態，以期達到產品的技術要求；制造過程中，尤其在焊接方面，做好材料的焊接工藝評定，嚴格按照焊接工藝規程作業，加強預防氫致裂紋、孔穴、焊接變形等焊接缺欠。

【參考文獻】

[1]、GB150-2011 壓力容器

[2]、GB/T1591-2008 低合金高強度鋼

[3]、GB/T6417-2005 金屬熔化焊接頭缺欠分類及說明

[4]、GB713-2014 鍋爐和壓力容器用鋼板

[5]、焊接手冊 中國機械工程學會焊接學會編 機械工業出版社第3版（修訂本）