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

朱海鹰 辛忠仁 辛忠智（中国化工装备协会 100120） 摘 要：本文根据《固定式压力容器安全技术监察规程》和《承压设备焊接工艺评定》标准，提出对现有和新做的钢制压力容器焊接工艺评定项目进行优化和整合，减少焊接工艺评定的数量，以及避免出现焊接工艺评定不能覆盖产品的情况等。

关键词：钢制压力容器 焊接工艺评定 优化 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。但是由于对焊接工艺评定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《固定式压力容器安全技术监察规程》和NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》标准，按照钢制压力容器常用材料种类：碳钢和低合金钢（Fe-1、Fe-3、Fe-4、Fe-5A）,铬镍奥氏体不锈钢（Fe-8）；焊接方法：焊条电弧焊（SMAW）、埋弧焊（SAW）、钨极气体保护焊（GTAW）；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（As Weld—AW）

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，在拟定预焊接工艺规程（pWPS）时，选择焊接工艺评定试件的厚度分别为4mm、8mm、38mm。评定合格后，则它们的焊件母材厚度覆盖范围分别为2~8mm、8~16mm、16~200mm。这样，选择的三个焊接工艺评定项目则可不间断地覆盖2.0~200mm的所有板厚，见表1。

表1

序号 焊接方法 热处理

类别 试件母材厚度 mm 焊件母材厚度 覆盖范围mm

1 4 2-8

2 8 8-16

3 SMAW （或SAW 、GTAW ）

AW 38 16-200

注：AW —AS WELD ，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8mm 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。

从理论上讲上述焊评的选择无疑是正确的，但还应考虑到碳钢和低合金钢厚

板与薄板焊评的重要因素和补加因素并不完全相同，厚板焊接时不仅需要预热，

保持一定层间温度，有时还需后热处理等。因此在表1中有必要增加16mm(或

18mm 、或20mm)这一档评定项目，见表2。

表2 序号 焊接方法 热处理

类别 试件母材厚度mm 焊件母材厚度 覆盖范围mm

1 4 2-8

2 8 8-16

3 16（18、20）16-32（16-36、16-40）

4 SMAW （或SAW 、GTAW ） AW 38 16-200

1.2 高于上转变温度进行焊后热处理（Normalizing —N ）

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 —N ），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NB/T47014中表10序号1确定焊件的最大厚度；而适用于焊件的最小厚度按NB/T47014中表7确定。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

序号焊接方法热处理

类别

试件母材厚度

mm

焊件母材厚度

覆盖范围mm

1 SMAW N 30 5-33

2 SAW N 30 5-33

从表3可以看出，在通用焊评因素和专用焊评因素中的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，减少焊接工艺评定次数。

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 + Stress Relief—N+SR）

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焊接应力的压力容器（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焊接应力热处理，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

序号焊接方法热处理

类别

试件母材厚度

mm

焊件母材厚度

覆盖范围mm

1 SMAW N+SR 30 5-33

2 SAW N+SR 30 5-33

从表4可以看出，在通用焊评因素和专用焊评因素中的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（Stress Relief —SR ）

钢制压力容器进行低于下转变温度的焊后热处理，通常就是指焊后消除焊接

应力热处理（SR ），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 热处理

类别 试件母材厚度 mm 焊件母材厚度 覆盖范围mm

1 4 2-8

2 8 8-16

3 16（18、20

） 16-32（16-36、

16-40）4 SMAW （或SAW 、GTAW ）

SR 38 16-200

NB/T47014的6.1.4.2条规定：“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，低于下转变温度进行焊后热处理时，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≥2.0mm ）。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，拟定焊接工艺规程时，

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2.5小时甚或更长。

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

预焊接工艺规程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（As Weld —AW ）

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GB150.4的

7.2.3条规定，当“设计温度低于-100℃且不低于-196℃的铬镍奥氏体不锈钢制容

器在相应的焊接工艺评定中，应进行焊缝金属的低温夏比（V 型缺口）冲击试验，

在不高于设计温度下的冲击吸收功（KV2）不得小于31J （当设计温度低于-192

℃时，其冲击试验温度取-192℃）”。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 序

号 试件母材 类别号 P-No

焊接方法 热处理 类别 试件母材厚度Mm 焊件母材厚度覆盖范围mm 1 6 1.5-12 2 Fe-8 (不要求焊缝金属进行冲击试验)

SMAW （或SAW 、GTAW ） AW 38 5-200 表7

序号 试件母材 类别号

P-No 焊接方法 热处理 类别 试件母材厚度mm 焊件母材厚度 覆盖范围mm

1 4 2-8

2 8 8-16 4 Fe-8 (要求焊缝金属进行低于-100℃低温冲击试验)

SMAW （或SAW 、GTAW ）

AW 38 16-200 2.2 进行固溶热处理（Solution Heat Treatment —S ）

第一种是针对符合GB150.4中8.1.1条规定冷成形的铬镍奥氏体不锈钢凸形

封头，在冷成形之后需要经固溶热处理消除冷变形残余应力恢复材料性能，其拼

接焊接接头的焊接工艺评定。

第二种是针对热冲压成形的铬镍奥氏体不锈钢凸形封头，在热成形之后需要

经固溶热处理恢复耐蚀性能，其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。

上述两种铬镍奥氏体不锈钢凸形封头其拼接焊接接头的焊接工艺评定需要

进行固溶热处理，按表8和表9选用。

表8 序

号 试件母材 类别号 P-No

焊接方法 热处理 类别 试件母材厚度mm 焊件母材厚度覆盖范围mm 1 6 1.5-12 2 Fe-8 (不要求焊缝金属进行冲击试验)

SMAW （或SAW 、

GTAW ） S 38 5-200

表9 序

号 试件母材 类别号 P-No

焊接方法 热处理 类别 试件母材厚度mm 焊件母材厚度覆盖范围mm 1 6 1.5-12 2 Fe-8 (要求焊缝金属进行低于-100℃低温冲

SMAW

（或SAW 、GTAW ） S

38 5-200

击试验)

3、钢制压力容器典型焊接工艺评定项目一览表

根据《固定式压力容器安全技术监察规程》和《承压设备焊接工艺评定》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 PWHT 试件母材厚度

mm

焊件母材厚度 覆盖范围mm WPQ 项次 AW 4 816

382~200 4 N 30 5~33 1 SR 4 816382~200 4 SMAW

N+SR 30 5~33 1 AW 8 16 38 8~200 3 N 30 5~33 1 SR 8 16 38 8~200 3 SAW

N+SR 30 5~33 1 AW 4 816382~200 4 Fe-1

GTAW

SR 4 816382~200 4 AW 4 816382~200 4 N 30 5~33 1 SR 4 816382~200 4 SMAW

N+SR 30 5~33 1 AW 8 16 38 8~200 3 N 30 5~33 1 SR 8 16 38 8~200 3 SAW

N+SR 30 5~33 1 AW 4 816382~200 4 Fe-3

GTAW

SR 4 816382~200 4 AW 6 38 1.5~200 2 SMAW S 6 38 1.5~200 2 AW 38 5~200 1 SAW S 38 5~200 1 AW 6 38 1.5~200 2 Fe-8

(不要求焊缝

金属进行冲击

试验)

GTAW S 6 38 1.5~200 2 AW 4 8 38 2~200 3 SMAW S 6 38 1.5~200 2 AW 8 38 8~200 2

Fe-8

(要求焊缝金

属进行低于

-100℃低温冲SAW S 38 5~200 1

AW 4 8 38 2~200 3

击试验) GTAW S 6 38 1.5~200 2

注：表中厚度为16mm 母材试件也可用厚度18mm 或20mm 母材试件代替。 综上所述，不难看出：对于从事Fe-1、Fe-3、Fe-8类母材，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，按照安全技术规范、标准，需要拥有大约80个焊接工艺评定项目；从事Fe-1、Fe-8类母材的需要拥有约56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制造厂供给，则需要分别拥有约66个和40个焊接工艺评定项目。

压力容器制造企业对焊接工艺评定项目进行优化和整合，可以避免焊接工艺评定覆盖范围的重叠，达到减少工艺评定数量的目的，优化工艺评定；避免因工艺评定项目不当选择，覆盖范围不同，而需要多做或漏做产品焊接试板；避免焊接工艺评定项目数量虽多，但却覆盖不了产品等问题。