低温压力容器制造用钢及其焊接特点和检测要求

张 超

（西南石油大学材料院，四川 成都 610500）

随着炼油、化工工业的快速发展，这些工业中所需的设备在制造过程中均需要大量的低温用钢，而且因为工业生产对设备的要求越来越高，设备对低温用钢的要求也越来越高。低温用钢主要是用于低温条件下工作的一些工业设备、管道以及钢结构的制造。在压力容器的生产中，低温压力容器主要是指设计温度低于或是等于－20℃的压力容器，而低温用钢则是指用于制造低温设备的钢，简称低温钢。

1 用于制造压力容器的低温钢

低温钢主要是指镍铬合金与碳锰合金。在低温钢的分类中，其分类依据主要是环境的温度、合金的含量与组织、合金中镍、铬元素的含量等。将低温钢按温度等级一般可以分为以下四类：①－40℃～－20℃；②－80℃～－50℃；③－100℃～110℃；④－296℃～－196℃。根据合金元素与组织的不同可以将低温钢分为低合金铁素体钢、中合金低碳马氏体钢与高合金奥氏体钢。根据合金中镍、铬元素的含量可以将低温钢分为无镍、铬低温钢与含镍、铬低温钢。钢中的合金元素主要是起到固溶强化、细晶强化的作用，而且其在经过正火、回火之后，钢组织中的晶粒将会更加的细化，从而提高钢材的低温韧性，延长钢材的使用寿命。目前，使用最多的低温钢中均含有镍元素，相同规格的钢材料中所含的镍元素越高，在相同的韧性条件下所能适应的温度就越低。

我们知道，钢材在低温环境中工作时具有冷脆性，低温压力容器的制造用钢则克服了钢材的这一缺点，其生产出的低温钢能够在低于或是等于－20℃的环境下工作。在对低温钢性能的衡量过程中主要采用的指标则是低温韧性，即低温条件下低温钢的冲击韧性与脆性转变温度，钢材所具有的低温冲击韧性越高，而其脆性转变温度越低的话，则其具有越好的低温韧性。

钢材的成分与组织会对其所具有的低温性能有很大的影响，钢材中所含的磷、碳、硅等元素会使钢的脆性转变温度升高，其中磷与碳对其的影响最为明显，而钢材中所含的锰、镍元素会降低钢的脆性转变温度，使钢材具有更好的低温韧性。通常，对于具有面心立方晶体的金属而言，在温度的变化过程中其韧性的变化是极小的，仍然会有较高的冲击韧性。另外，钢材中所含晶粒越细，其所具有的低温冲击韧性也就越好。目前，无镍低温钢的最低使用温度为－50℃，含镍低温钢的最低使用温度则是根据所含镍元素的量来决定的，其使用温度的范围一般为－196℃～－60℃，奥氏体不锈钢的使用温度一般在－196℃以下。

2 焊接

2.1低温钢所用焊材的选择

低温钢焊接过程中选择焊接材料的规则如下：①所选择的焊材必须确保其焊缝所含的有害杂质要少，特别是含镍的低温钢更应该严格地控制。②所选择的焊接材料需要注意其焊缝金属的低温韧性。③对于含镍的低温钢，焊接中所选用的焊接材料的含镍量应和母材接近或稍高。

2.2低温钢在焊接中的特点

不含镍的低温钢在焊接时一般不用进行预热或是利用较低的预热温度进行预热，若是板板较厚或是在低温的环境下进行焊接时才需要进行预热。在对不含镍的钢材进行焊接时只要选用与其相匹配的焊材与工艺即可，在焊接过程中只要保证焊缝与热影响区的低温韧性达到标准即可。

含镍低温钢中因为添加了镍元素，因此其对冷裂纹倾向的影响不显著，但是却增加了其对热裂纹倾向的影响，所以在焊接过程必须对钢与焊材中的碳、硫、磷元素的含量进行严格地控制。在焊接的过程中，必须按焊接规范使用，以避免出现窄而深的焊道，从而有效地避免出现热裂纹。

2.3压力容器的制造用钢的焊接要点

2.3.1 焊接热输入量应较小

采用较小的焊接热输入量主要是为了避免焊缝与热影响区形成粗大组织，从而避免冲击韧性出现严重降低的情况。采用较小的焊接热输入量的具体操作方法是采用的焊接电流不宜过大，电弧焊过程中焊条应尽量不要摆动，通常采用窄焊道、多道多层焊与快速多道焊进行焊接，以避免焊道出现过热的情况，同时还可以通过多层焊进行重复加热的作用来细化晶粒。另外，多层焊时还需要对层间的温度进行严格的控制。

2.3.2 焊接速度应适当

在含镍低温钢进行埋弧自动焊的过程中，切忌采用高速焊接来获得较低的焊接线能量。因为在焊接速度较快的时候，熔池会形成典型的雨滴状，而且焊道成形也会变成窄而深的截面形状，这样焊道中心就容易出现热裂纹。因此，含镍低温钢在焊接中要选择适当的速度进行焊接，不可过快，也不可过慢。

2.3.3 避免咬边时出现缺陷

低温钢在焊接时应避免弧坑、未焊透与咬边的情况出现，因为在低温条件下，应力作用于这些缺陷上时，应力将会被集中起来，从而造成脆性破坏。因此，低温压力容器在焊接中不能有任何的咬边缺陷出现。

3 检测

采用低温钢制造而成的压力容器，除了要保证材料及制造质量外，确保检测质量也是保证低温压力容器能够安全运行的一个重要环节。下面我们将对材料以及蛤蚧接头的检测进行分析。

3.1材料检测

3.1.1 钢材检测

低温压力容器制造用钢的超声检测（UT）与磁粉检测（MT）除了需要遵守常规材料的检测要求之外，对钢板厚度大于20mm的钢材还需要采用超声波对每一张钢板都进行检测。

3.1.2 焊接材料的检测

低温压力容器制造中对其焊接材料除了要按照相应标准的规定进行检验之外，还需要成批次的进行药皮含水或是熔敷金属扩散氮含量的复试。

3.2焊接接头的检测

低温压力容器对接接头（A、B类接头）进行100%射线（RT）或是超声（UT）的情况主要包括以下几个方面：①压力容器的设计温度为－40℃以下；②压力容器的设计温度等于或是高于－40℃，但对接接头的厚度为25mm以上；③该压力容器为进行气压试验的容器；④低温压力容器的图样上已经注明该容器用于盛装毒性为极度危害或是高度危害介质的容器。对于符合这些要求的低温压力容器而言，它们除了需要进行100%RT或是UT监测之外，其T型接头、对接焊缝以及角焊缝均要进行100%磁粉（MT）或是渗透（PT）检测，其中还包括对受压元件和非受压元件的连接焊接进行检测。除了这些规定之外，低温压力容器焊接接头还允许局部无损检测。在对压力容器对接接头的检测时还需要注意所检测的接头长度不能长于各类焊接接头长度的50%，同时也不能短于2500mm。

4 结束语

由于低温压力容器的工作环境特别，因此其制造用钢以及制造中的工艺措施等均需要进行严格地控制。在该过程中，不仅需要选用合适的焊接材料、焊接工艺，还需要注意焊接中的各项要求，以确保焊接的质量。笔者主要是对压力容器的制造用钢（即低温钢）、焊接特点、焊接中的要点以及检测的一些要求进行了分析，希望对相关人士有所帮助。

[1]郑燕.钛复合板制压力容器的制造监检[J].中国高新技术企业，2010，（17）：34-35.

[2]唐晓锋，赵院婷.低温压力容器制造质量控制[A].第三届十省区市机械工程学会科技论坛暨黑龙江省机械工程学会2007年年会论文(摘要)集[C].2007.

[3]李建宏，赵恒庆，赵立凡.碳钢焊条在低温压力容器中应用的研究[A].第五届全国压力容器学术会议论文集[C].2001.

[4]周友财.降低压力容器焊接应力的方法[J].民营科技，2011，（3）：4.

[5]刘鉴方.简述如何做好压力容器焊接自动化的技术[J].商品与质量：学术观察，2012，（3）：78-78.

[6]田学军.锅炉压力容器焊接中的常见缺陷及焊接接头返修的质量控制[A].中国建筑学会建筑热能动力分会第十二届学术交流大会论文集[C].2003.

[7]黄玉杰.浅谈锅炉、压力容器安装的焊接工艺规程(WPS)编制[J].商品与质量·学术观察，2012，（11）：133.

[8]张丰雷.压力容器焊接中常见缺陷及焊缝返修质量的控制[J].职业，2011，（32）：52-52.

[9]高军.低温压力容器用钢及其焊接与检测[J].机械研究与应用，2011，（5）：162-163.