壓力容器異種鋼焊接工藝無損檢測方法

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摘要:本文描述了異種鋼焊接接頭的概念及主要特點，分析了異種鋼焊接接頭不均勻性的原因。闡明了異種鋼焊接過程中從焊材、焊接工藝到預熱工藝、熱處理工藝等的選擇原則和注意事項并介紹了異種鋼的無損檢測方法。

關鍵詞:異種鋼;焊接;裂紋;無損檢測

1異種鋼焊接的概念及特點

TSG21-6《固定式壓力容器安全技術監察規程》里規定了異種鋼焊接接頭需要進行表面檢測，然而在壓力容器相關的規程和標準里并沒有明確定義何為異種鋼。根據國家質檢總局的相關解釋，異種鋼焊接為不銹鋼與碳鋼或不銹鋼與低合金鋼的焊接。參考GB/T1-1《壓力容器》標準釋義[1]，該部分參照了美國ASME規范的相關規定對異種鋼焊接作出了解釋，與《焊接手冊》關于異種金屬的概念重合度也很高。鋼材的金相組織主要分為珠光體、馬氏體、鐵素體和奧氏體。從焊接角度講，異種鋼一般指兩種不同類型金相組織鋼材的組合；在相同類型金相組織的鋼材中，也可能因其化學成分與性能有較大差異而組成異種鋼；當同種鋼材選用異質填充金屬焊接時，也納入異種鋼焊接范圍內。釋義部分后段還引入了NB/T014的概念，認為一般情況下：按NB/T014表1《焊制承壓設備用母材分類分組》，不同組別鋼材的焊接可考慮為異種鋼焊接，需要進行表面檢測，但如果其中一種鋼材的焊接工藝評定可以適用于另外一種的除外。異種鋼焊接是不同的鋼材通過焊接方法熔融在一起的過程。壓力容器中最常見的異種鋼焊接是奧氏體鋼和非奧氏體鋼的焊接，在壓力容器常用材料范疇內，非奧氏體鋼多為鐵素體加珠光體。

1.1異種鋼焊接接頭的特點

異種鋼焊接接頭和同種鋼焊接接頭有本質差異，究其根本主要是組織結構不同造成的。如為不同組織結構的鋼相焊，由于兩種不同的鋼，組織結構不同，奧氏體鋼為碳溶于鐵中的固溶體，鐵為面心立方晶格，如圖1，為最緊密堆積的晶格形式，不具有鐵磁性。普通低碳鋼和低合金鋼通常為珠光體加鐵素體組織，鐵素體為碳溶于鐵或鐵的固溶體，鐵或鐵為體心立方晶格結構，如圖2，具有鐵磁性。晶格形式的不同，導致比容、相變應力、熱膨脹系數等一系列物理性質都不相同。異種鋼的不均勻性主要是熔敷金屬與兩側焊接熱影響區和母材存在的不均勻性，主要表現在：（1）化學成分的不均勻性。這是因為在焊接加熱過程中，兩側母材的熔化量，熔敷金屬和母材熔化區的成分因“稀釋”作用和“碳遷移”會發生變化。接頭區的成分不均勻程度不僅取決于母材、填充金屬各自的原始成分，也受焊接工藝的影響。有學者[2]根據實驗數據得出結論：焊態接頭在不同的溫度和時間下加熱，其熔合線兩側碳遷移的傾向是明顯的，并且隨著溫度的提高和時間的延長，碳遷移現象加劇，這種碳遷移會導致原始化學成分的改變。（2）組織的不均勻性。在焊接熱循環的影響下，即使是同種鋼之間焊接，焊接接頭內的各區域組織是不同的，在異種鋼焊接接頭中這個現象表現得更為明顯，而且在個別區域內還會出現復雜的組織結構。這種組織的不均勻性也導致了氫分布的不均勻，在異種鋼焊接接頭中主要表現為焊縫和熱影響區的氫脆及熔合區的“氫致剝離”[3]。這也成為了異種鋼焊接接頭在高溫臨氫服役狀態下氫致斷裂尤其是氫致剝離的最大失效原因。（3）性能的不均勻性。由于組織、成分的變化，帶來了性能上的不同。異種鋼本身性能的差異疊加焊接接頭不同區域的影響，各種變化會呈倍數關系變化，特別是焊縫兩側的熱影響區沖擊值變化更大，同樣高溫性能如持久強度、蠕變強度變化也很大。（4）應力場分布的不均勻性。由于組織、成分的不同，異種鋼焊接接頭的熱膨脹系數和導熱系數也不同，熱膨脹系數不同引起塑性區域不同，殘余應力不同；導熱系數不同會引起熱應力不同。在組織應力和熱應力的共同作用下發生疊加后會產生應力峰值，導致接頭發生斷裂?？傊瑢τ诋惙N鋼焊接接頭，其成分、組織、性能和應力場的不均勻是主要特點。

1.2異種鋼焊接中需注意的事項

（1）異種鋼焊接時，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如耐熱性耐腐蝕性等不低于母材中性能要求較低一側的指標，即等強匹配原則。例如不同強度的珠光體鋼材相焊，應保證焊接金屬抗拉強度高于或等于強度較低一側母材抗拉強度下限值，且不超過強度較高一側母材標準規定抗拉強度的上限值。當金相組織差別較大時，則應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的前提下，既要考慮等強匹配，同時更要兼顧考慮其他工藝性能如耐蝕性、耐高溫性能及裂紋發生概率等。如珠光體鋼與馬氏體鋼焊接時，盡可能防止焊接接頭產生脆化和冷裂紋；珠光體鋼與鐵素體鋼相焊時，則需防止焊接接頭過熱粗化、脆化和裂紋；珠光體鋼與奧氏體鋼相焊時，則需防止焊縫金屬的稀釋、碳遷移形成的擴散層及組織不同產生焊縫金屬的剝離；Cr-Mo珠光體鋼、馬氏體鋼與鐵素體鋼同種鋼相焊均有較高的冷裂紋敏感性；珠光體鋼與馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼異種鋼相焊，也有較高的冷裂紋傾向，應加強無損檢驗[1]。（2）焊接接頭的性能可以通過調整焊接方法、焊接工藝及參數、坡口形式、焊條種類等方法加以改善。選擇坡口除考慮厚度因素外，宜盡量采用適當角度偏大的坡口，減小熔合比，盡量減少焊縫金屬的化學成分和性能的波動，以保證熔敷金屬性能滿足要求。盡量采用多層多道焊，為減小熔深，采用小電流快速焊[4，5]，層間溫度也是需根據不同鋼種進行控制的重點。（3）為降低異種鋼的淬火裂紋傾向，若異種鋼兩側鋼材之一為淬硬鋼，則必須預熱，預熱溫度按淬硬傾向高的鋼選擇。若使用奧氏體焊條焊接，可適當降低溫度或不預熱，以免長期處于敏化溫度，導致貧鉻現象，從而發生晶間腐蝕。（4）合理的焊后熱處理非常重要，可以消除殘余應力，使鋼中的氫逸出，從而改善焊接接頭的組織和性能。對于鐵素體及馬氏體（F/M）的異種鋼接頭處理時，最高溫度不能超過鐵素體鋼側的上限，同時應當保證強度。（5）奧氏體鋼與馬氏體或鐵素體鋼（A/M（F））作為異種鋼焊接時，可在非奧氏體鋼側坡口預先堆焊一層高Cr（Ni）的金屬，然后再用奧氏體鋼焊條焊接，非奧氏體側堆焊時是否預熱應視具體鋼種確定。

2異種鋼焊接接頭的無損檢測

如果異種鋼焊接接頭兩側為金相組織結構相近的兩種金屬，則無損檢測方式與同種鋼焊接接頭的常規檢測差別不大。但如果焊接接頭兩側異種鋼的金相組織結構相差特別遠，比如最常見的奧氏體不銹鋼和低碳鋼低合金鋼的異種鋼組合，一方面，由于組織差異大易產生裂紋等缺陷，另一方面，組織結構較大的差異也導致了無損檢測方式的選擇的局限性。

2.1射線檢測

對于異種鋼的埋藏性缺陷，優先考慮射線檢測，射線檢測不受金屬金相組織和材料晶粒度的影響，但裂紋檢出率受到透照角度的影響。有學者[6]研究發現，對于異種鋼的角，裂紋通常是沿坡口發展的，因此射線檢測時，應將射線檢測工藝進行改進，沿著熔合區進行兩次相距°的檢測工藝，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

由于結構、厚度等原因，某些異種鋼焊接接頭的埋藏缺陷不便于采用射線檢測，此時會考慮超聲檢測。異種鋼進行超聲檢測時，首先考慮的是焊縫組織，例如奧氏體不銹鋼和低合金鋼相焊，通常采用不銹鋼焊條作為填充金屬，此時焊縫組織更接近奧氏體，此時按照奧氏體材料制定超聲工藝。并應根據實際工件情況制作異種鋼模擬試塊。

2.3滲透檢測

對于包含奧氏體的異種鋼，由于磁力線的不連續，無法進行磁粉檢測。對于表面的開口缺陷可以采用滲透檢測。注意控制滲透劑中的硫、氯、氟等有害離子的含量，避免殘留導致晶間腐蝕。

2.4金屬磁記憶檢測

有學者[7]研究發現在對異種鋼焊接接頭的金屬磁記憶檢測技術原理，儀器及參數介紹的基礎上，通過測量受熱面管異種鋼接頭的磁場分布，定性研究設中，要實現數據集成、互聯互通、業務協同，避免信息系統間的壁壘，標準化是基本必要條件。只有利用標準化來統一協調各相關要素，在數據交換、數據接口、通訊協議等方面構建統一標準，才能保證數據質量，促進信息資源共享，走出數據孤島，提升數據治理水平，實現智慧監管目標。（4）標準化規范評級評價。一方面，需要為已建成的特種設備智慧監管系統建立一套科學的綜合評價體系來客觀而量化地評價其亮點、特點、弱點、難點，進而為后續建設和發展方向提供參考。另一方面，為充分利用大數據的挖掘分析功能，實現數據的應用價值，可考慮結合設備安全狀態等相關數據建立特種設備相關機構的信用評價標準，以智能化+標準化的手段強化信用監管，實現分級分類監管。

3結語

智慧城市的建設和持續發展離不開標準化的支撐和引導。作為智慧城市在特種設備安全監管領域的應用，特種設備智慧監管的建設也應該做到標準先行，充分發揮標準化在協調優化資源配置、實現信息互聯互通、促進技術創新合作、推廣規范實施應用等方面的重要作用，以期真正建立起以數據為核心要素、新一代信息技術為手段、精準、高效且貫穿特種設備全生命周期的智慧監管。

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作者：胡潔靚 李斌