压力容器用低合金高强钢及其焊接特点

 压力容器用低合金高强钢及其焊接特点

在钢中除碳外少量加入一种或多种合金元素(合金元素总量在5％以下)，以提高钢的力学性能，使其屈服强度在275 MPa以上，并具有良好的综合性能，这类钢称之为低合金高强钢，其主要特点是强度高、塑性和韧性也较好。按钢的屈服强度级别及热处理状态，压力容器用低合金高强钢可分为二类。

① 热轧、正火钢  屈服强度在294Mpa ~ 490MPa之间，其使用状态为热轧、正火或控轧状态，属于非热处理强化钢，这类钢应用最为广泛。

② 低碳调质钢  屈服强度在490Mpa ~ 980Mpa之间，在调质状态下使用，属于热处理强化钢。其特点是既有高的强度，且塑性和韧性也较好，可以直接在调质状态下焊接。近年来，这类低碳调质钢应用日益广泛。

目前应用于压力容器的低合金高强钢。钢板牌号有：16MnR、15MnVR、13MnNiMoNbR、18MnMoNbR等。锻件牌号有16Mn、15MnV、20MnMo、20MnMoNb等。

低合金高强钢的含碳量一般不超过0.20％，合金元素总量一般不超过5％。正是由于低合金高强钢含有一定量的合金元素，使其焊接性能与碳钢有一定差别，其焊接特点表现在：

（一）焊接接头的焊接裂纹

 （1）冷裂纹  低合金高强钢由于含使钢材强化的C、Mn、V、Nb等元素，在焊接时易淬硬，这些硬化组织很敏感，因此，在刚性较大或拘束应力高的情况下，若焊接工艺不当，很容易产生冷裂纹。而且这类裂纹有一定的延迟性，其危害极大。

（2）再热（SR）裂纹  再热裂纹是焊接接头在焊后消除应力热处理过程或长期处于高温运行中发生在靠近熔合线粗晶区的沿晶开裂。一般认为，其产生是由于焊接高温使HAZ附近的V、Nb、Cr、Mo等碳化物固溶于奥氏体中，焊后冷却时来不及析出，而在PWHT时呈弥散析出，从而强化了晶内，使应力松弛时的蠕变变形集中于晶界。

低合金高强钢焊接接头一般不易产生再热裂纹，如16MnR、15MnVR等。但对于Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金高强钢，如07MnCrMoVR，由于Nb、V 、Mo是促使再热裂纹敏感性较强的元素，因此这一类钢在焊后热处理时应注意避开再热裂纹的敏感温度区，防止再热裂纹的发生。

（二）焊接接头的脆化和软化 

（1）应变时效脆化 焊接接头在焊接前需经受各种冷加工(下料剪切、筒体卷圆等)，钢材会产生塑性变形，如果该区再经200 ~ 450℃的热作用就会引起应变时效。应变时效脆化会使钢材塑性降低，脆性转变温度提高，从而导致设备脆断。

PWHT可消除焊接结构这类应变时效，使韧性恢复。GB150-1998《钢制压力容器》作出规定，圆筒钢材厚度δs符合以下条件：碳素钢、16MnR的厚度不小于圆筒内径Di的3％；其他低合金钢的厚度不不小于圆筒内径Di的2.5％。且为冷成形或中温成形的受压元件，应于成形后进行热处理。

（2）焊缝和热影响区脆化  焊接是不均匀的加热和冷却过程，从而形成不均匀组织。焊缝(WM)和热影响区(HAZ)的脆性转变温度比母材高，是接头中的薄弱环节。焊接线能量对低合金高强钢WM和HAZ性能有重要影响，低合金高强钢易淬硬，线能量过小，HAZ会出现马氏体引起裂纹；线能量过大，WM和HAZ的晶粒粗大会造成接头脆化。低碳调质钢与热轧、正火钢相比，对线能量过大而引起的HAZ脆化倾向更严重。所以焊接时，应将线能量限制在一定范围。

（3）焊接接头的热影响区软化  由于焊接热作用，低碳调质钢的热影响区(HAZ)外侧加热到回火温度以上特别是Ac1附近的区域，会产生强度下降的软化带。HAZ区的组织软化随着焊接线能量的增加和预热温度的提高而加重，但一般其软化区的抗拉强度仍高于母材标准值的下限要求，所以这类钢的热影响区软化问题只要工艺得当，不致影响其接头的使用性能。