壓力容器制造過程中異種鋼焊接工藝及無損檢測方法研究

姚小靜，韓偉，韓明，李俊婷，岳明

山東省特種設備檢驗研究院有限公司 （山東 濟南 250101）

《固容規》提出對異種鋼焊接進行表面無損檢測，主要是考慮異種鋼焊接后容易產生焊接缺陷。但目前安全技術規范及相應標準并未明確規定異種鋼的具體概念，雖然國家質檢總局給出了相應的解釋，但在實際工作中依然存在爭議。筆者查閱了相關的法規、標準和文獻資料，對異種鋼的概念、焊接和檢驗要求進行了研究分析，希望能對制造壓力容器有一定的指導意義。

1 異種鋼的概念及焊接注意事項

1.1 異種鋼的概念

目前沒有相關的法規標準明確給出異種鋼的概念，筆者查閱了相關的法規標準及書籍，有關異種鋼（異類別鋼、異種金屬）的有關規定見表1。從鋼材化學成分、力學性能、焊接性能對承壓設備常用材料進行類別和組別劃分，劃分類別見表2。

表1 異種金屬的有關概念

表2 常用法規標準中壓力容器常用材料類別

從表1和表2可知，制造壓力容器過程中，有關異種鋼的分類是在保證其焊接接頭性能的前提下，兼顧母材化學成分和焊接性能，因此應按照金相組織來區分是否為異種鋼。但考慮到珠光體、貝氏體和馬氏體耐熱鋼化學成分與性能和普通的珠光體鋼存在較大差異，故從工程應用角度出發認為該類焊接接頭也應參考異種鋼分類管理。

1.2 異種鋼焊接注意事項

異種鋼焊接的突出問題[1]在于焊母材成分與焊縫成分相差較大時，在母材與焊縫之間有可能發生碳的擴散遷移，并由此引起熔合線附近熱影響區的組織和性能變化，主要表現為熔合線附近金屬韌性下降。因此，異種金屬的焊接性除了必須考慮異種金屬本身固有的性質和它們之間可能發生的相互作用外，還必須結合焊接方法進行分析判斷，從而為正確選擇焊接方法、制定焊接工藝提供依據。

1.2.1 焊接方法

焊接是通過加熱或加壓，或兩者并用，并且不用填充材料，使工件達到結合的一種方法[6]。由此可知，若是兩種金屬可以無限或有限固溶，則這些異種金屬組合的焊接性通常都較好，容易適應各種焊接方法。對于制造壓力容器來說，大部分的焊接方法均可用于異種鋼的焊接，但在一般生產條件下焊條電弧焊使用最方便，因為焊條種類多，可以根據不同異種鋼的組合靈活選用，適應性較強。對于A、B類焊縫，可采用埋弧自動焊或機械化的鎢極氬弧焊?？傊?，異種鋼焊接方法應結合具體的母材種類就設備結構和工藝需要進行選擇。

1.2.2 焊接材料

金相組織接近時，焊接材料的選擇應要求焊縫金屬的力學性能（耐熱性等其他性能不低于母材中性能要求較低一側的指標），即等強匹配原則。金相組織差別較大時，充分考慮填充金屬稀釋后，焊接接頭性能仍能得到有效保障，既要考慮等強匹配，也要考慮其工藝性能（如耐蝕性、耐高溫等）。

1.2.3 坡口角度

焊接過程中坡口角度的設置除了與母材的厚度有關外，還應考慮熔合比，因為熔合比影響其化學成分和力學性能，因此應采用小熔合比，盡量減少焊縫金屬的化學成分和性能的波動，以保證熔敷金屬的性能滿足要求。

1.2.4 焊接參數

工程實踐證明，縫層數越多，熔合比越小，因此應盡量采用多層焊。同時為了減小熔深，降低焊縫稀釋，采用小電流、快速焊接，此外應根據材料種類，控制層間溫度。

1.2.5 預熱及焊后熱處理

預熱的目的主要是降低焊接接頭的淬火裂紋傾向，預熱是按照淬硬傾向較高的鋼種確定。焊后熱處理的目的主要是為了改善接頭的組織和性能，消除部分殘余應力，并促使焊縫金屬中氫逸出。因此當焊縫金相組織與其母材相同時，可以按照合金含量較高的鋼種確定熱處理工藝參數。

總之，壓力容器制造過程中，應經過焊接工藝評定，確定合理的焊接工藝參數，有利于保障其焊接接頭的力學性能和工藝性能。

2 異種鋼無損檢測方法的選擇

金相組織接近的異種鋼，其無損檢測與常規檢測并無較大差別。但組織差別較大的異種鋼焊接時，則容易在較低側熔合區產生裂紋等缺陷，如壓力容器異種鋼焊接主要為奧氏體與珠光體，其焊縫組織同為奧氏體，容易在珠光體側熔合區產生裂紋，因此檢測方法的選擇應有利于熔合區裂紋的檢出。

2.1 射線檢測

壓力容器無損檢測通常均為射線探傷，王勇剛[7]認為射線探傷對裂紋等面狀缺陷的檢出率，除了與射線透照的能量、焦距、曝光時間等參數有關，還取決于缺陷本身的深度、密度以及缺陷與射線束的夾角。周江[8]認為異種鋼焊接裂紋通常是沿著坡口發展的，因此在進行射線探傷時，應將射線探傷工藝進行改進，沿著熔合區進行兩次相距180°的探傷工藝，即沿著缺陷可能發展的方向進行探傷，同時為了使幾何清晰度達到最小，使最有可能出現裂紋的珠光體坡口側在底片側。由此可見，對于熔合區裂紋的檢測應結合設備的形狀及坡口形式，合理地選擇射線探傷工藝。

2.2 超聲檢測

由于異種鋼焊接焊縫組織為奧氏體，其晶粒粗大、組織不均勻導致各向異性和聲學性能的變化。因此NB/T 47013.3—2015《承壓設備無損檢測》[9]附錄I明確規定，對于奧氏體不銹鋼超聲檢測，應制作對比試塊，結合受檢設備的結構合理選擇探頭，通過試塊確定距離-波幅曲線，進行超聲波檢測設備的調試。

2.3 滲透檢測

由于焊縫組織為奧氏體組織，因此應對裂紋檢出率較高的溶劑去除滲透檢測，此外應選擇滲透能力強、靈敏度高的DPT-5型滲透探傷劑。同時考慮到氯離子晶間腐蝕，應控制滲透探傷劑中硫、氯、氟含量滿足要求。滲透時間應保證10 min以上，去除殘留滲透劑應采用擦拭法，注意擦拭方式，不得往復擦拭。顯像噴霧應薄而均勻，不得有水柱，現象時間不小于7 min，并及時觀察。

3 結論

1）比較分析了壓力容器用異種鋼的概念，即應以金相組織來確定是否為異種鋼，即A+P、A+M、A+B、M+P、M+B、B+P、鎳及鎳合金與其他金屬之間的焊接接頭。

2）應結合壓力容器結構，合理選擇焊接工藝，以確保焊接接頭的力學性能和工藝性能，特別是強度較低側熔合線附近的金屬韌性符合要求。

3）無損檢測工藝應有利于較低側坡口裂紋的檢出，應結合焊接接頭結構確定超聲波試塊及檢測工藝，滲透探傷應注意奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕。