低合金钢压力容器内壁不锈钢堆焊
出处：按学科分类—工业技术 中国科学技术出版社《不锈钢实用手册》第917页（3795字）
厚壁压力容器是石油深度加工、核电工程和大型化肥等工业部门不可缺少的关键装置，这类容器在高温、高压的环境运行，多数情况还受介质的腐蚀作用，因此容器需要足够的耐腐蚀性。而这类容器厚度通常超过80mm，有的达到200mm以上，如采用整体不锈钢制造，既不经济制造难度又大，所以均采用堆焊的方法，在低合金钢锻造或轧制的超厚板卷制的容器内壁全面堆焊厚度为5～10mm(根据不同的要求)的不锈钢，使容器既具有符合设计的耐压性能，同时又具有优良的耐蚀性能。
(1)堆焊的特点
低合金钢压力容器内壁不锈钢堆焊层，通常第一层完全是异种材料焊接，第二层以上才大致是同材焊接，因而一般情况下，第一层和第二层以上使用成分不同的焊接材料。其次，对只堆焊一层就达到所规定的成分的单层堆焊层用焊材和堆焊二层以上得到规定成分的焊层，所使用的焊接材料也不相同。
不锈钢在碳钢和低合金钢中堆焊的方法很多，常见的有手工电弧焊、熔化极气体保护焊、带极埋弧(或电渣)堆焊、丝极埋弧堆焊等。无论哪一种堆焊方法，第一层堆焊的焊缝金属都是由堆焊材料的熔敷金属和熔入的母材金属熔合而成的。由于母材的合金元素含量很低，所以它对第一层焊缝金属的合金成分具有稀释作用。因此，可能使焊缝金属中奥氏体和铁素体形成元素含量不足，结果堆焊金属可能出现大量的马氏体组织，并可能产生裂纹，同时导致堆焊层韧性降低。
焊缝金属成分和组织决定于堆焊材料和母材熔入量即熔合比(也称稀释率)。当堆焊工艺确定之后，稀释率基本确定。
稀释率是确定过渡层堆焊材料的成分的依据。以手工电焊条为例，焊条的熔合比一般是20%左右，如用20－10型的电焊条，经母材稀释以后，堆焊的焊缝金属成分将变成16－8型，焊缝中可能是奥氏体+马氏体组织。若在实际操作中熔合比较大时，就有可能在焊缝中产生大量的脆硬马氏体，而且由于稀释作用，焊缝中的Ni含量较低，在熔合线附近产生较宽的马氏体过渡层。这样的堆焊层无论是力学性能、耐蚀性能，还是抗裂性能都很差。同样的堆焊方法，若选用24－13型的堆焊材料，经母材稀释后，堆焊的焊缝金属成分是19－9或18－8型，这样第一层就基本达到堆焊成分的要求，而且焊缝组织是奥氏体+铁素体组织，焊缝金属就具有较高的抗热裂性能和抗腐蚀性能。
在过渡层上再堆焊不锈层，则可采用相应的焊材，如308L、347L及310MoL分别适合于核电、石油加氢及尿素等压力容器的堆焊。
(2)堆焊方法
表4－6是几种在低合金钢压力容器内壁不锈钢堆焊中常用的方法及其使用部位、使用特点和发展趋势。
表4－6 低合金钢压力容器内壁不锈钢堆焊工艺的应用及特点
在表4－6的堆焊焊接方法中，使用最多的是带极堆焊。带极堆焊的效率是手工电弧焊的10～20倍，稀释率较低而且可以得到美观、稳定的堆焊层，适合于厚壁容器大面积堆焊。对小口径管件和堆焊较小的构件，MIG、TIG及等离子弧堆焊使用得较多。手工电弧焊在形状复杂的部位和不能用平焊的场合或修补堆焊的场合具有施工简便的特点，故手工电弧堆焊与带极堆焊一起成为最普遍应用的堆焊方法。
带极堆焊可分为埋弧堆焊(SAW法)、电渣堆焊(ESW法)和高速带极堆焊方法(HSW法)。按堆焊层数又可分为单层堆焊和双层、多层堆焊工艺。单层堆焊可只用一种不锈钢带，减少制造中的焊接和热处理工序，缩短制造周期，从而降低制造成本。但是只堆焊一层不锈钢就达到设计规定的化学成分、金相组织和各项力学性能，在技术上有很大难度，对堆焊材料的成分和堆焊工艺参数的控制均非常严格。双层堆焊虽然带极种类增加了，但由于过渡层的存在(高Cr、Ni含量)，使耐蚀层的超低碳，一定的Cr、Ni含量就较容易保证，因此对于焊接技术和生产管理水平不是非常高的企业，一般均采用双层堆焊工艺。带极尺寸可以有不同厚度和宽度，如：0．4mm×17．5mm、25mm、37．5mm、50mm、75mm、150mm或0．5mm×30mm、60mm、90mm、120mm、180mm。目前用得较广泛的是：0．4mm×50mm、75mm和0．5mm×60mm，带极越宽，生产率越高，但同时会带来磁偏吹现象的加重和由于电流加大造成抗氢致剥离能力下降。故目前生产中用得较多的带极尺寸为0．5mm×60m．m、0．4mm×50mm、75mm。
(3)堆焊材料
压力容器堆焊材料主要取决于使用介质。表4－7、表4－8中，20－10型焊材00Cr20Ni10、00Cr20Ni10Nb和00Cr18Ni12Mo2分别用于核电石油加氢及化肥等环境，作为堆焊层的不锈层使用，而24－13型焊材00Cr24Ni13、00Cr24Ni13Nb、00Cr24Ni13Mo等则用作过渡层堆焊。表中00Cr25Ni22、Mn4Mo2N的焊材是大化肥尿素合成塔等专用的焊材，既用作过渡层也用于不锈层的堆焊。
表4－7 铬镍奥氏体不锈钢堆焊焊条的成分和用途
表4－8 铬镍奥氏体不锈钢堆焊焊丝、带极的成分和用途
(4)堆焊工艺要点
低合金钢压力容器内壁不锈钢堆焊时，首先用高铬镍的24－13型不锈钢焊接材料在低合金钢母材上堆焊一层过渡层。堆焊时要严格控制工艺参数，保证堆焊层的稀释率均匀和堆焊层成分和组织的稳定，这对于过渡层堆焊是至关重要的。当堆焊耐腐蚀层时，仍应采用小热输入。所选用的铬镍奥氏体钢堆焊材料应能保证堆焊层的含碳量、铁素体含量以及其他化学成分符合技术条件要求。常用的有20－10型、20－10Nb型、18－12Mo型等材料堆焊层铁素体含量通常在3%～10%(石油化工)和5%～12%(核电)范围，而尿素装置堆焊层用25－22－2焊材，堆焊层铁素体要求≤0．6%，即尽可能低的铁素体含量。
表4－9、表4－10、表4－11分别是手工焊条、钨极氩弧焊和带极堆焊的工艺参数。
表4－9 铬镍不锈钢焊条的堆焊电流
表4－10 铬镍不锈钢钨极氩弧堆焊工艺参数
表4－11 带极电渣堆焊和高速带极堆焊的焊接工艺参数
对带极埋弧堆焊和电渣堆焊，国内外经过几十年的研究，现大多采用烧结焊剂，典型配套焊接材料见表4－12。
表4－12 带极堆焊典型配套焊接材料
(5)预热和焊后热处理
厚壁压力容器堆焊前预热，是为了防止焊接热影响区的裂纹。预热温度可控制为100～150℃之间，堆焊时如果预热温度过高，使母材熔深增加过多，造成稀释率过大是不理想的。堆焊第二层和二层以上的堆焊层则不需要进行预热。
厚壁压力容器在制造过程中要经受多次中间热处理和最终热处理。这些热处理的目的是：①消除焊缝中的氢，防止产生冷裂纹；②消除焊缝和热影响区的淬硬倾向，改善其塑韧性；③消除焊接残余应力，防止变形和产生冷裂纹；④稳定焊缝和热影响区的组织结构，改善其性能。这些热处理主要是针对压力容器的基体金属即低合金钢及其焊缝的，而不是针对不锈钢堆焊层的。相反，热处理过程对堆焊层来说是不利的，因为焊后热处理可能引起不锈钢堆焊层发生碳化物析出，铁素体相转变(为σ相)和在熔合区引起脱碳、增碳等现象，从而导致堆焊层和熔合区的耐蚀性和塑韧性的降低。
压力容器制造过程中进行的热处理称为中间热处理，而产品制造完毕在出厂之前进行的热处理则称之为最终热处理(PWHT)。中间热处理和最终热处理对不同钢种来说是不一样的，表4－13中列出了常用的几种压力容器用钢的中间热处理和最终热处理温度供参考。至于在热处理时的保温时间，一般均按容器壁厚以1小时／英寸来确定，但不小于1小时。
表4－13 常用压力容器用钢热处理温度推荐值
