承压设备用钢材制造商应对可焊性负责
葛兆文
（合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥）
摘要： 承压设备焊接接头的热影响区是最薄弱的区域。 其状态、结构和性能与母材不同。 母材标准规定的性能指标不能用来测量热影响区。 本文分析了焊接热影响区材料的软化、硬化和脆化现象，并说明了材料（母材和焊材）的可焊性问题往往会导致承压设备出现质量问题，并造成质量问题。受焊接热影响区影响。 事故原因。 母材和焊接材料制造商对其制造的产品的可焊性负责。
关键词：承压设备； 钢; 可焊性
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0 前言
焊接是承压设备施工过程中不可缺少的重要工序，焊接质量在很大程度上代表着承压设备的制造质量。 只有高度重视钢材和焊接材料的焊接性，明确责任方，才是保证承压设备焊接质量的基础和关键。
在工程实践中，经常会出现钢材按标准制造，但焊后性能却得不到保证的情况。 例如，某钢厂研制出60kg大线能量调质钢后，安装单位进行焊接工艺考核时，热影响区冲击试验不合格。 钢厂焊接测试合格的钢板被更换，再次测试，仍然不合格。 某工程采用55kg级仿德国低温钢板，采用焊条电弧焊进行焊接。 焊接工艺鉴定试件的冲击韧性经过多个单位（安装、监理、监理、第三方等）测试。 几乎每组冲击样品的冲击吸收能值都极低。 笔者认为，其中很多是由于钢材的焊接性问题造成的。 到目前为止，压力设备规范和标准中对材料可焊性的要求很少，钢材制造商的质量证书中也从未提及可焊性。 谁对所用钢材的可焊性负责？ 为什么钢材标准没有规定钢材的可焊性？ 如何解决钢材的焊接性问题？ 这些问题应该引起各方关注钢材抗拉强度试验，值得深入讨论。 2021年1月4日发布的TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》第1号修正案，对钢材的焊接性提出了要求，这表明钢材的焊接性受到了行业的关注。
承压设备的基材类型有钢、铝、钛、铜、镍、锆等及其合金； 基材类型包括板材、管材和锻件。 从广义上讲，本文用“钢”来代指“基材”。 本文中的观点适用于所有贱金属以及焊接耗材。
1 材料的焊接性
可焊性是指材料在有限的施工条件下焊接成符合设计要求并满足预定使用要求的构件的能力。 可焊性受四个因素影响：材料、焊接方法、元件类型和使用要求[1]。 可焊性是指材料对焊接加工的适应性及其在使用条件下的可靠性。 焊接性分为工艺焊接性和应用焊接性。
1.1 工艺焊接性
工艺焊接性是指材料在一定的焊接工艺条件下获得无缺陷焊接接头的能力。 工艺焊接性又分为热焊接性和冶金焊接性。
热焊接性是指焊接热过程对金属材料加热熔化的影响程度，以及对焊接热影响区和缺陷结构性能变化的影响程度[1]。
冶金焊接性是指在高温焊接条件下，熔滴、熔池等液态金属与焊接区气相、渣相发生冶金反应，以及对焊缝性能和缺陷的影响程度。 1]。
1.2 使用焊接性
使用焊接性是指焊接接头或焊接结构产品满足使用性能的程度，如力学性能、断裂韧性、疲劳性能、耐腐蚀性以及不同条件下的各种使用性能等[1]。
2 焊接热影响区性能
从焊接角度看，承压设备由母材和焊接接头组成。 焊接接头分为焊缝、熔合区和热影响区。 焊接热影响区是母材受到电弧和熔池瞬时高温作用并在短时间内迅速冷却的部分。 根据距熔合线的距离不同，它经历了不同的特殊热处理过程。 热影响区不宽（焊条电弧焊6.0mm~8.5mm、埋弧焊3.0mm~6.7mm、电渣焊25mm~30mm、CO2气体保护焊5.5mm~9.0mm）[2]但分为几个区间，每个区间的状态、金相组织，甚至化学成分不仅不同，而且与母材不同，因此性能也不同。
热影响区主要体现热焊性和服役焊性，焊缝区主要体现冶金焊性，也体现热焊性。 在多层、多道焊的情况下钢材抗拉强度试验，后续焊缝还要对正面焊缝进行特殊的热处理，形成热过程。 焊接热影响区分区图如图1所示[3]。
图1 焊接热影响区划分图
1-过热区 2-完全相变区 3-部分相变区 4-回火区
注：回火区仅存在于正火钢或淬火钢中
由图1可知，固溶强化热轧钢、正火沉淀强化钢或相变强化调质钢、正火回火钢热影响区各点达到的峰值温度Tmax是不同的。 发生不同的相变。
热影响区是焊接接头最薄弱的部分。 热影响区的性能取决于母材的焊接性。 在熔化焊接范围内改变热影响区性能的手段有限。 只有焊前预热、焊线能量和焊后热处理等，改变焊接方法和焊接材料对改变热影响区性能的影响有限。
承压设备投入使用后，在使用环境中考核焊接接头的性能，特别是焊接热影响区的性能。 钢铁制造商不保证材料的可焊性，这往往会导致承压设备出现质量问题或事故。
材料的可焊性只有经过焊接试验，甚至设备发生质量事故后进行尸检才能知道。 由于钢材标准中没有规定可焊性，因此质量问题或事故往往被归咎于“标准没有规定”。
焊接热影响区主要反映焊接性能。母材和焊材的焊接性能值得关注。 本文主要关注热影响区的硬度。
以软化、软化、脆化现象为例，说明钢材焊接性的用途。
2.1焊接热影响区的软化
对于经过冷加工或热处理强化的母材，在焊接热影响区可以看到强化效果的丧失，即软化。 最典型的软化现象是调质高强度钢的回火软化。 由于焊前热处理条件不同，软化区的温度范围和软化程度可能有很大差异，见图2[3]。
图2 合金钢焊接热影响区软化区与焊前热处理的关系
A—淬火+低温回火 B—淬火+高温回火 C—退火状态
2.2 焊接热影响区的硬化
焊接热影响区的硬度分布极不均匀。 相邻焊缝边界硬度最高，远离焊缝边界硬度逐渐降低。 正火C-Mn钢的试验结果如图3所示。从图3可以看出，焊缝边界最大硬度因焊接工艺参数的变化而发生变化，未发现低强度软化区。
图3 C-Mn钢热影响区硬度分布[3]
图3中各曲线对应的焊接条件、组织和硬度如表1所示[3]。
表1 图3各曲线对应的焊接条件、组织及硬度
样本
不
试件尺寸/mm
焊接参数
预热
余热
组织面积比
高压
长的
宽度
厚的
电流/电流
紫外线
v/cm.min-1
120
150
180
28
14.5
165℃
石棉
绝缘
100
185
120
150
180
28
14.5
10
85
228
120
150
14.4
180
28
14.5
94
227
12
120
150
16
180
28
14.5
70
29
298
17 号
120
150
16
140
30
14.5
35
65
第346章
26
120
150
16
140
30
29.3
96
第399章
2.3 焊接热影响区的脆化
焊接接头的脆化表现为在规定温度下韧性下降或塑脆转变温度升高。 C-Mn钢热影响区晶粒尺寸分布如图4所示。从图4可以看出，晶粒粗化最严重的是距焊缝边界0.5mm左右，不超过1mm[ 3]。
图4 C-Mn钢热影响区晶粒尺寸分布（实测值）
热影响区过热区脆化的主要原因如下[3]：
(1)晶粒粗化和延性破坏。 微合金化控冷控轧钢晶粒明显粗大。
(2)母材原有的V(C、N)等第二相溶解、析出。
(3)杂质在晶界的偏析会严重损害韧性。
(4)随着组织硬化成分的增加，脆化倾向增大。
(5)热影响区较低温度区发生热应变脆化。
(6)焊后再次加热时发生脆化，即再热脆化。
热影响区的软化、硬化、脆化与母材的焊接性有关。 其根本原因与母材的成分设计、原材料质量、冶炼、炉外处理、轧制方法和工艺、热处理方法和工艺等密切相关。 母材热影响区出现冷裂纹、热裂纹、再热裂纹和层间撕裂的根本原因在于母材的工艺焊接性。
3 母材焊接性的标准规范
国内压力设备用钢冶炼和轧制技术已发展到目前的微合金化、控轧、热机械轧制（TMCP）等。TMCP钢实际上是控轧和控冷技术的结合。 它依靠控制轧制，控制初冷温度、终冷温度、冷却速度，使金相组织（如铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体）发生转变，将成分比控制在一定量，以获得所需的强度和强度。韧性。
我国承压设备用钢（板、锻件）标准中增加了微合金元素，如Nb含量0.005%~0.10%、V含量0.01%~0.35%、Ti含量0.010%~0.035%、B含量≤ 0.0010%。 现行承压设备用钢标准规定了焊前力学性能和成分要求，但未提及焊后力学性能。 用户不了解钢的合金体系，也不了解微合金元素、稀土元素、原材料的来源，也不了解冶炼、轧制和热处理工艺。 怎样才能掌握钢材的焊接性能呢？
长期以来，我国锅炉压力容器规范标准中对母材焊接性的规定只有“应掌握材料的焊接性能”、“是焊接性良好的钢材”等字样。 ”。 承压设备用钢核心标准中，除GB/T9711-2017《石油和天然气工业管道输送系统用钢管》外，其他锅炉、压力容器、压力管道用钢标准均未提及焊接性要求。 2021年1月4日，国家市场监管总局发布TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规定》第1次修改，明确提出协调标准中标准抗拉强度下限值此规定大于或使用。 对于设计温度低于-40℃的低合金钢板和锻件，国内材料制造单位在首次制造时应当向材料使用单位提供材料可焊性试验报告。 本规程修改表对材料的可焊性提出了要求，说明了材料可焊性的重要性。
4钢材制造商应对焊接性负责
4.1 可焊性的意义
钢材的焊接性不能简单地理解为是否会产生裂纹的问题。 可焊性包括三个方面，见图5。
图5 可焊性的含义（）
(1)钢材(母材和焊材)的焊接适应性。 母材主要具有热焊接性和服役焊接性，焊接材料主要具有冶金焊接性。
(2)焊接制造的可行性。 包括焊接方法、焊接工艺参数、预热和焊后热处理等，这些都与冶金焊接性和操作焊接性密切相关。
(3)设计焊接可靠性。 包括结构设计、接头形状和尺寸、载荷、构件板厚和焊缝布置，这些都与可焊性的使用密切相关，也与热可焊性有关。
钢材对焊接的适应性是焊接性的基础，决定着施工的焊接可行性和设计的焊接可靠性。 焊接是一门实践性很强的学科。 设计者应根据焊接实践合理选择标准和材料中的参数。
4.2 国内外承压设备用钢标准中关于焊接性的规定
我国仅GB/T 9711-2017的PSL2钢管焊接性第9.15条规定“如达成协议，制造厂应提供相关钢种的焊接性数据，否则应进行焊接性试验。因此，订购合同应规定可焊性试验的“细节和验收限度”。 GB/—2017《长输管道压力管道规范》引用GB/T 9711标准，采用PSL2级钢管，应符合相关焊接性能规定。
美国ASME规范中的SA-20/SA-20M《压力容器用钢板的通用要求》是专门供采购和订货时使用的附件，即《补充要求》。 在其S25条款中，规定“应进行可焊性试验。试验类型和验收标准由钢厂或加工厂与买方商定”。
我国钢铁生产企业常采用按照NB/-2011《承压设备焊接工艺评价》制作的焊接工艺评价报告作为钢材可焊性检测报告。 这是对钢材焊接性的误解。
对于钢铁制造商来说，他们还没有掌握钢材的焊接性。 他们既没有具体的产品，也没有设计要求，也不了解制造过程。 基于哪种制造工艺以及制定焊接工艺的依据是什么？ 钢材制造厂提出的所谓“焊接工艺评定”实际上只是一次小型的焊接试验。 结果只能说明采用一定的焊接方法和特定的焊接工艺参数下，钢材的拉伸、弯曲和冲击性能，此外还有工艺焊接性？ 什么是裂纹敏感性？ 热焊性如何？ 冶金焊接性如何？ 如果不清楚，又如何谈这种钢的焊接性呢？
钢板制造商对钢板的可焊性负责。 锻造和管道制造商还应对自己产品的可焊性负责。 同样，焊接材料制造单位也对焊接材料的可焊性负责。
4.3 可焊性测试方法的使用
使用可焊性是指焊接接头或整体结构满足设计文件规定的使用性能的程度。 根据承压设备的不同使用条件，进行不同的焊接性试验。 一般分为五类：
(1)焊接接头力学性能试验；
(2)焊接接头抗脆性断裂性能试验；
(3)焊接接头疲劳和动载性能试验；
(4)焊接接头耐腐蚀性能试验；
(5)焊接接头高温性能试验。
如果性能问题出现在热影响区，且热影响区的宽度很小，并且由于不断的冷却结构转变和应力应变不一致，使热影响区各部分被分成更小的区间，如果对每个区间进行更深入的研究，则很难准备样本。 如果能够再现热影响区指定区间内的金相组织、应力应变过程，并放大几何尺寸以方便各种性能试验和检查，这就是焊接热应力应变模拟试验技术，国内使用。 它已经变得相对普遍。
焊接接头的性能试验与钢材的出厂试验不同，需要准备特殊的样品。 专用样品不仅可以对焊接接头的焊缝、熔合区和热影响区进行测试，而且测试环境一致，条件相同。 但检测结果不一定与基材相同，合格指标也不同。
焊接接头冲击试验合格指标符合承压设备安全技术规范和标准，见表2[4]。
表2 碳钢和低合金钢（钢板、钢管、钢锻件）冲击吸收功
钢材标准抗拉强度下限
室温（兆帕）
3个标准试件的平均冲击吸收能量
KV2(J)
≤450
≥20
＞450~510
≥24
＞510~570
≥31
＞570~630
≥34
＞630~690
≥38
（且侧胀值LE≥0.53mm）
>690
≥47
（且侧胀值LE≥0.53mm）
表2规定的冲击吸收能量不仅是对原材料（板材、管材、锻件）出厂前的最低要求，也是对焊接接头的要求。 在制造过程中还要经历冷加工、热加工、长期使用、维护，最后达到设计寿命。 终止前的弹性资格指标。
5 结论
(1)母材和焊材的焊接性能是保证承压设备焊接质量的基础，应从材料、设计、制造等方面引起重视。
(2)改善热影响区的性能应从母材的焊接性入手。 焊接材料和焊接工艺只能起到辅助作用。
(3)母材和焊材生产企业应对产品的焊接性能负责，并在标准中予以规定。 产品质量证明书中应保证焊接热影响区的冲击韧性；
（四）尽快制定《承压设备用钢材采购指南》。 现行标准对承压设备用钢板、锻件、管材的要求是最基本的使用要求。 不能满足承压设备的监督管理和各种技术要求，难以适应承压设备的发展。 根据钢材（板材、管材、锻件）国家标准和承压设备的要求，需要编制《承压设备用钢材采购指南》标准，规定了承压设备用钢材最基本的质量要素压力设备作为采购各种钢材的基础。
参考：
[1] 中国机械工程学会、焊接学会。 焊接手册第2卷(第三版)[M]． 北京: 机械工业出版社, 2014, 130~132.
[2]付继和，孙玉林。 焊接数据手册[M]． 北京：机械工业出版社，1997，37。
[3] 陈伯新. 焊接工程缺陷分析及对策（第二版）[M]． 北京：机械工业出版社，2006，197~209。
[4] TSG 21—2016，固定式压力容器安全技术监察规程[S]。
