钢制压力容器焊接工艺评定项目的优化和整合

钢制压力容器焊接工艺评定项目的优化和整合经过二十余年的努力和积累，国内压力容器制造企业对焊接工艺评定重要性的认识不断深入，焊接工艺评定工作也取得大的进展。目前，企业做了上百个甚至几百个焊接工艺评定项目的并不少见。但是由于对JB4708-2000标准认识和理解的偏差，也出现一些不可忽视的问题，如焊接工艺评定项目的选择无序，无计划，随意性大，以致焊接工艺评定覆盖范围重叠，评定项目相互重复；甚至有的企业所做评定项目数量虽不少，但却不能覆盖现有的压力容器产品。因而急需对焊接工艺评定项目进行优化和整合。在确定焊接工艺因素时，尽量扩大焊接工艺评定覆盖范围，避免和减少覆盖范围的重叠，减少焊接工艺评定数量，保证焊接工艺评定项目能覆盖全部压力容器产品。根据《压力容器安全技术监察规程》和JB4708-2000标准，按照钢制压力容器用材种类（碳钢和低合金钢、铬镍奥氏体不锈钢）、焊接方法（焊条电弧焊、埋弧焊、钨极气体保护焊）、焊后热处理类别，对各种钢制压力容器的焊接工艺评定项目进行分析和探讨。1、碳钢和低合金钢制压力容器1.1不进行焊后热处理（AsWeld）对于母材为标准抗拉强度下限值小于或等于540MPa及Ⅳ-2组以外的钢材，为了充分利用焊接工艺评定的覆盖范围，减小焊接工艺评定项目共同叠加的覆盖范围，达到减少焊接工艺评定数量的目的，在拟定焊接工艺指导书时，选择焊接工艺评定试件的厚度分别为6mm、16mm、38mm。评定合格后，则它们的焊件母材厚度覆盖范围分别为1.5－12mm、12－32mm、28.5－200mm。这样，选择的三个焊接工艺评定项目则可不间断地覆盖1.5－200mm的所有板厚，见表1。表1序号焊接方法焊后热处理类别试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mm1SMAS（或SAWGTAW）AW61.5－1221612－3233828.5－200注：AW—ASWELD，即焊态，不进行焊后热处理。从表1可以看出，对于焊条电弧焊、埋弧焊和钨极气体保护焊，每种焊接方法各有三个焊接工艺评定项目。对于中厚板和厚板，如厚度16mm和38mm的试件，可以采用二种焊接方法（钨极气体保护焊和焊条电弧焊）或三种焊接方法（钨极气体保护焊、焊条电弧焊和埋弧焊）的组合评定代替分别评定，这样一个工艺评定可以代替二个或三个评定，达到减少焊接工艺评定数量的目的。对于母材为Ⅳ-2组和标准抗拉强度下限值大于540MPa的强度型低合金钢，拟定焊接工艺指导书时，选择焊接工艺评定的试件厚度分别为6mm、16mm、32mm、64mm、128mm，评定合格后，则它们的焊件母材厚度覆盖范围分别为1.5－12mm、12－24mm、24－48mm、48－96mm、96－192mm，这样，选择的五个焊接工艺评定就可不间断地覆盖从1.5－192mm的所有板厚，而且没有发生覆盖范围的重叠，见表2。表2序号焊接方法焊后热处理类别试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mm1SMAS（或SAWGTAW）AW61.5－1221612－2433224－4846448－96512896－1921.2高于上转变温度进行焊后热处理（Normalizing）这主要针对热冲压成形的碳钢和低合金钢凸形封头的拼接焊接接头的焊接工艺评定。对于热冲压成形的碳钢和低合金钢制凸形封头，应充分考虑封头拼接焊接接头热冲压的热过程，如果认为热冲压的热加工过程不属于焊后热处理，这样的理解是不正确的。对于碳钢和低合金钢制凸形封头，热冲压过程的加热温度已达到或超过910℃（铁碳平衡图上的临界点A3），因而封头的热冲压过程类似于正火热处理过程（Normalizing），直接影响到封头拼接焊接接头的力学性能和弯曲性能，对于封头拼接焊接接头实际上也就是一次焊后热处理过程。由于热冲压加热温度超过了碳钢和低合金钢的上转变温度，因而适用于焊件的最大厚度为试件厚度的1.1倍，按JB4708-2000的表8；而适用于焊件的最小厚度按JB4708-2000中表5或表3（IV-2组和σb540MPa强度型低合金钢）。对于大多数压力容器制造企业所需焊接工艺评定的项目推荐见表3。表3从表3可以看出，在重要因素和补加因素不变的条件下，厚板评定合格的焊接工艺，其母材厚度覆盖范围将包容了较薄板。因此，此种情况下，应做较厚板的焊接工艺评定。充分利用焊接工艺评定的覆盖范围，减少工艺评定次数。序号焊接方法焊后热处理类别试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mm1SMAWN385－41.82SAWN385－41.81.3先高于上转变温度，继之在低于下转变温度进行焊后热处理（Normalizing+StressRelief）这主要针对热冲压成形的碳钢和低合金钢凸形封头的拼接焊接接头的焊接工艺评定。对于焊后需整体热处理消除应力的压力容器（如液化石油气储罐、液氯储槽等），其热冲压成形的封头的拼接焊接接头也就要与容器一起再进行一次消除应力热处理，因而这类压力容器在制造过程中封头拼接焊接接头相当于进行了两次焊后热处理，正火+消除应力热处理（N+SR）。所需焊接工艺评定项目见表4。表4序号焊接方法焊后热处理类别试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mm1SMAWN＋SR385－41.82SAWN＋SR385－41.8从表4可以看出，在重要因素和补加因素不变的条件下，厚板评定合格的焊接工艺，其母材覆盖范围包含了较薄板。因此，此种情况下应做较厚板的焊接工艺评定，充分利用焊接工艺评定的覆盖范围，减少评定的次数。1.4进行低于下转变温度的焊后热处理（StressRelief）对于需要焊后进行消除焊接应力热处理（SR）的压力容器，其焊接接头也就要进行消应处理（SR），当焊件规定进行冲击试验时，该类压力容器的焊接接头焊接工艺评定项目，推荐见表5。表5序号焊接方法焊后热处理类别试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mm1SMAS（或SAWGTAW）SR61.5－1221612－3233828.5－200JB4708-2000标准规定：“试件的焊后热处理应与焊件在制造过程中的热处理基本相同，加热温度范围不得超过相应标准或技术文件规定”。“低于下转变温度进行焊后热处理（SR）时，试件的保温时间不得少于焊件在制造过程中累计保温时间的80%”。当试件较薄时，低于下转变温度焊后热处理保温时间相应较短，但这类试件，尤其是小于或等于6mm的试件的工艺评定主要应用于覆盖压力容器接管与壳体角接头的组合焊缝（对接焊缝+角焊缝），见图1。由于接管厚度较薄（一般为≥1.5mm）。当容器进行焊后整体消除应力热处理（SR）时，接管与壳体的组合焊缝也就要与较厚的壳体焊缝一样经过保温时间较长的下转变温度热处理，充分考虑这些情况，拟定焊接工艺指导书时，就应按较厚壳体焊件选取可能遇到的较长保温时间，避免因热处理保温时间覆盖不上，而另做一个保温时间更长的焊接工艺评定。根据经验，笔者推荐，对于壁厚小于或等于6mm的工艺评定试件，低于下转变温度焊后热处理保温时间至少2小时以上。当试件较厚时，低于下转变温度焊后热处理保温时间相应较长，若有中间热处理或焊缝多次返修，热处理累积保温时间还会更长，充分考虑这些因素，拟定焊接工艺指导书时选取可能遇到的较长保温时间，就可避免因热处理保温时间覆盖不上，而又要做另一个更长保温时间的焊接工艺评定。2、铬镍奥氏体不锈钢制压力容器2.1不进行焊后热处理（AsWeld）铬镍奥氏体不锈钢制压力容器，一般不进行焊后热处理，而且对于使用温度大于或等于-196℃的铬镍奥氏体不锈钢母材可免做冲击实验。但是应考虑到用于设计温度低于-100℃时的铬镍奥氏体不锈钢制低温压力容器，按照GB150-1998的附录C1.4条，铬镍奥氏体不锈钢低温容器，当“设计温度低于-100℃时，应按JB4708进行焊缝金属的低温夏比（V型缺口）冲击试验，且符合C2.1.7的要求”。这类容器如设计温度为-196℃的液氧、液氮低温绝热容器和液化天然气（LNG）罐式集装箱等，其内容器由奥氏体不锈钢焊制而成，它们的焊接接头的焊接工艺就需要焊缝金属经-196℃低温夏比冲击试验合格的焊接工艺评定支持。因此对于铬镍奥氏体不锈钢制压力容器，其焊接接头的焊接工艺评定项目，则分为不要求焊缝金属进行冲击试验（见表6）和要求焊缝金属进行低于-100℃的低温冲击试验（见表7）两种情况。表6表6序号试件母材类别号焊接方法焊后热处理类别试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mm1P－NOⅦ（不要求焊缝金属进行冲击试验）SMAS（或SAWGTAW）AW61.5－122385－200表7序号试件母材类别号焊接方法焊后热处理类别试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mm1P－NOⅦ（要求焊缝金属进行低于－100℃低温冲击试验）SMAS（或SAWGTAW）AW61.5－1221612－3233828.5－2002.2进行焊后固溶热处理（SolutionHeatTreatment）这主要是针对热冲压成形的铬镍奥氏体不锈钢凸形封头的拼接焊接接头的焊接工艺评定。由于铬镍奥氏体不锈钢在加热过程中没有相变发生，晶粒会涨大，而且加热过程中有铁素体析出，促使奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能降低。因此对有耐腐蚀性能。要求的铬镍奥氏体不锈钢封头经热冲压成形后，要进行固溶热处理（S），目的是得到单一的、均匀的奥氏体组织，保证其具有高的耐腐蚀性能。因此，对于此类封头拼接焊接接头的焊接工艺评定项目，则分为需要固溶热处理的，按表8和表9选用；不需要进行固溶热处理的，按表6和表7选用。表8序号试件母材类别号焊接方法焊后热处理类别试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mm1P－NOⅦ（不要求焊缝金属进行冲击试验）SMAS（或SAWGTAW）S61.5－122385－200表9序号试件母材类别号焊接方法焊后热处理类别试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mm1P－NOⅦ（要求焊缝金属进行低于－100℃低温冲击试验）SMAS（或SAWGTAW）S61.5－122385－2003、钢制压力容器典型焊接工艺评定项目一览表根据《压力容器安全技术监察规程》和GB4708-2000标准，按照常用钢材组别、焊接方法、焊后热处理种类，列出钢制压力容器典型焊接工艺评定项目一览表，见表10。表10试件母材组别P－NO焊接方法焊后热处理类别试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mmWPO项次Ⅰ－ⅠSMAWAW616381.5－2003N385－41.81SR616381.5－2003N＋SR385－41.81SAWAW143810.5－2002N385－41.81SR143810.5－2002N＋SR385.41.81GTAWAW616381.5－2003N＋SR616381.5－2003试件母材组别P－NO焊接方法焊后热处理类别试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mmWPO项次Ⅱ－ⅡSMAWAW616381.5－2003N385－41.81SR616381.5－2003N＋SR385－41.81SAWAW143810.5－2002N385－41.81SR143810.5－2002N＋SR385.41.81GTAWAW616381.5－2003N＋SR616381.5－2003试件母材组别P－NO焊接方法焊后热处理类别试件母材厚度mm焊件母材厚度覆盖范围mmWPO项次Ⅶ－1SMAWAW6381.5－2002S6381.5－2002SAWAW385－2001S385－2001GTAWAW6381.5－2002S6381.5－2002Ⅶ－1SMAWAW616381.5－2003S6381.5－2002SAWAW143810.5－2002S385－2001GTAWAW616381.5－2003S6381.5－2002综上所述，不难看出：对于从事Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅰ、Ⅶ—Ⅰ组母材，采用焊条电弧焊、埋弧焊和钨极气体保护焊的压力容器制造企业，按照法规、标准，需要拥有约63个焊接工艺评定项目；从事Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅰ、Ⅶ—Ⅰ、Ⅶ—Ⅱ组母材的需要拥有约86个焊接工艺评定项目。对于上述企业如果所需封头全部由封头