奥氏体不锈钢应变强化焊接工艺评定方案.doc

固定式奥氏体不锈钢应变强化低温容器

焊接工艺评定方案

编制：

审核：

批准：

重庆中容石化机械制造有限公司

2015年10月

一、 总则
奥氏体不锈钢具有良好的综合力学性能和优异的抗腐蚀性能及良好的低温使用性能，是一种应用广泛的压力容器用钢。通常奥氏体不锈钢屈服强度较低，屈强比小，按照现行的安全系数，其许用应力由材料的屈服强度决定，由实际应用经验证明，由此方法确定的材料许用应力与材料在低温使用条件下的强度值较大，因而导致设计的低温压力容器壁厚较厚、设备笨重，材料浪费严重，制造和运输成本较高。利用应变强化工艺，在确保奥氏体不锈钢原有力学性能不受大的影响的前提下，使材料发生一部分塑性变形，可以有效提高奥氏体不锈钢的屈服强度。采用应变强化后材料新的屈服强度设计的容器，其壁厚通常可以减薄30%～50%，有利于节省材料，降低制造成本及运输中的能耗，经济效益显著。
二、 编制依据
奥氏体不锈钢应变强化低温容器焊接工艺评定，针对奥氏不锈钢应变强化前后力学性能的改变及本公司低温容器焊接接头的特点进行焊接工艺评定试验。按照Q/TCZR4207-2014《固定式奥氏体不锈钢应变强化低温容器》、GB150.1～150.4-2011《压力容器》、NB/T47014-2011《承压设备焊接工艺评定》、NB/T47016-2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》的规定及要求进行编制。
1、 焊接工艺评定一般要求
1.1、焊接工艺评定试验应按NB/T47016-2011《承压设备产品焊接试件的力学性能检验》规定；
1.2、焊接工艺评定应在本单位进行。焊接工艺评定所用设备、仪表应处于正常工作状态，金属材料、焊接材料应符合相应标准，由本单位操作技能熟练的焊接人员使用本单位设备焊接试件；
1.3、对接焊缝试件评定合格的焊接工艺适用于角焊缝；
1.4、在焊接本工艺评定前，应首先对本工艺评定提出相应的预焊接工艺规程，焊接工艺评定合格后，提出相应的焊接工艺评定报告；
1.5、焊接工艺评定方案的评定内容及结果应当由单位焊接责任工程师审核，技术负责人批准，经过监检人员认可后方可进行。
三、 焊接工艺评定目的
1、本次焊接工艺评定，是为固定式奥氏体不锈钢应变强化低温容器焊接施工提供依据；
2、评定奥氏体不锈钢应变强化低温容器的所采用的焊接方法，坡口型式等一系列焊接参数；
3、验证奥氏体不锈钢应变强化后屈服强度较应变强化之前有较大的提高，为采用应变强化后新的屈服强度提供理论基础。
四、 焊接工艺评定项目
本次焊接工艺评定试验材料将选取国产GB24511.S30408(δ=8和δ=12)和美国ASME材料SA-240.S30400(δ=8和δ=12)两种材料进行，以检验美国ASME材料和国产材料焊接参数及焊接材料。
由于固定式奥氏体不锈钢应变强化低温容器在制作过程中焊接方法多样（埋弧焊，焊条电弧焊，钨极氩弧焊），且试验又分为应变强化前和应变强化后。故决定了本次焊接工艺评定项目多样性与复杂性。下表1中，序号1~12为应变强化之前焊接工艺评定项目，序号13~24为应变强化之后焊接工艺评定项目。

表1 焊接工艺评定试验项目

序号
焊接方法
评定母材
母材规格
焊接位置
应变强化前试验项目
1
SAW(埋弧焊)
S30408
δ=8
平焊
2
SAW(埋弧焊)
S30408
δ=12
平焊
3
SMAW(焊条电弧焊)
S30408
δ=8
平焊
4
SMAW(焊条电弧焊)
S30408
δ=12
平焊
5
GTAW(钨极氩弧焊)
S30408
δ=8
平焊
6
GTAW(钨极氩弧焊)
S30408
δ=12
平焊
7
SAW(埋弧焊)
S30400
δ=8
平焊
8
SAW(埋弧焊)
S30400
δ=12
平焊
9
SMAW(焊条电弧焊)
S30400
δ=8
平焊
10
SMAW(焊条电弧焊)
S30400
δ=12
平焊
11
GTAW(钨极氩弧焊)
S30400
δ=8
平焊
12
GTAW(钨极氩弧焊)
S30400
δ=12
平焊
应变强化后试验项目
13
SAW(埋弧焊)
S30408
δ=8
平焊
14
SAW(埋弧焊)
S30408
δ=12
平焊
15
SMAW(焊条电弧焊)
S30408
δ=8
平焊
16
SMAW(焊条电弧焊)
S30408
δ=12
平焊
17
GTAW(钨极氩弧焊)
S30408
δ=8
平焊
18
GTAW(钨极氩弧焊)
S30408
δ=12
平焊
19
SAW(埋弧焊)
S30400
δ=8
平焊
20
SAW(埋弧焊)
S30400
δ=12
平焊
21
SMAW(焊条电弧焊)
S30400
δ=8
平焊
22
SMAW(焊条电弧焊)
S30400
δ=12
平焊
23
GTAW(钨极氩弧焊)
S30400
δ=8
平焊
24
GTAW(钨极氩弧焊)
S30400
δ=12
平焊

五、 组织机构
本次工艺评定由技术、质量、生产、专业焊接管理人员、焊工、无损检测人员组成专业小组，负责本次焊接工艺评定的组织实施。焊接工艺评定焊接人员，必须由本公司熟练焊工进行焊接，并邀请驻厂监检人员现场监督指导。
表2 焊接工艺评定试验机构人员组成
序号
姓名
职务
单位
备注
1
王辉
总工程师
重庆中容石化机械制造有限公司

2
万天林
技术工程师
重庆中容石化机械制造有限公司

3
陈恩泽
质保工程师
重庆中容石化机械制造有限公司

4
牟红梅
焊接工程师
重庆中容石化机械制造有限公司

5
郎鄂
焊接工艺员
重庆中容石化机械制造有限公司

6
谢祖华
焊接技师
重庆中容石化机械制造有限公司

7
况小军
检验员
重庆中容石化机械制造有限公司

8
杨涛
无损检测工程师
重庆中容石化机械制造有限公司

六、 焊接工艺评定
1、母材
奥氏体不锈钢应变强化焊接工艺评定试板(S30408 和S30400)，必须是按炉进行化学成分复验和按批进行力学性能复验合格的板材，且材料化学成分和力学性能分别符合表3表4规定。

表3 材料的化学成分
化学成分（%）
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
N
≤0.08
≤0.75
≤2.00
≤0.045
≤0.030
18.0-20.0
8.0-10.5
≤0.10

表4 材料的力学性能

温度

力学性能
0.2%屈服强度
RP0.2(Mpa)
1.0%屈服强度
RP1.0(Mpa)
抗拉强度
RP1.0(Mpa)
断后伸长率A(%)
20℃
≥205
≥250
≥515
≥40
-196℃
≥300
≥400
≥1250
≥30

以下表5~表8为焊接工艺评定各种材料各种厚度化学成分与力学性能表。

表5 S30408 δ8化学成份与力学性能表

温度

力学性能
0.2%屈服强度
RP0.2(Mpa)
1.0%屈服强度
RP1.0(Mpa)
抗拉强度
RP1.0(Mpa)
断后伸长率A(%)
20℃
291
/
651
57.5
-196℃
≥300
≥400
≥1250
≥30
化学成分（%）
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
N
0.05
0.48
1.21
0.031
0.001
18.12
8.04
0.05

表6 S30400 δ8化学成份与力学性能表

温度

力学性能
0.2%屈服强度
RP0.2(Mpa)
1.0%屈服强度
RP1.0(Mpa)
抗拉强度
RP1.0(Mpa)
断后伸长率A(%)
20℃
270
/
650
57
-196℃
≥300
≥400
≥1250
≥30
化学成分（%）
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
N
0.05
0.48
1.21
0.031
0.001
18.12
8.04
0.05

表7 S30408 δ12化学成份与力学性能表

温度

力学性能
0.2%屈服强度
RP0.2(Mpa)
1.0%屈服强度
RP1.0(Mpa)
抗拉强度
RP1.0(Mpa)
断后伸长率A(%)
20℃
254
/
625
62
-196℃
≥300
≥400
≥1250
≥30
化学成分（%）
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
N
0.06
0.47
1.09
0.025
0.001
18.03
8.01
0.01
表8 S30400 δ12化学成份与力学性能表

温度

力学性能
0.2%屈服强度
RP0.2(Mpa)
1.0%屈服强度
RP1.0(Mpa)
抗拉强度
RP1.0(Mpa)
断后伸长率A(%)
20℃
284
/
649
61.0
-196℃
≥300
≥400
≥1250
≥30
化学成分（%）
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
N
0.03
0.41
1.13
0.032
0.001
18.14
8.12
0.05
表5~表8可看出所选取评定试板均符合要求。焊接工艺评定试件尺寸规格的选取根据NB/T47016的规定及实际情况综合考虑，试件单边板尺寸为550mm×150mm（如图1所示），根据表1得出各种母材规格厚度如下表9所示。焊接工艺评定试板下料后经外观检查应无咬边、裂纹、表面气孔、焊渣、凹坑、焊瘤等缺陷。
表9 各种规格母材试板数量
序号
母材
规格(mm)
数量
1
S30408
550×150×8
12块
2
S30400
550×150×8
12块
3
S30408
550×150×12
12块
4
S30400
550×150×12
12块

图1
2、焊接材料
2.1 本次焊接工艺评定焊接材料包括：焊条、焊丝、焊剂、氩气保护气体。
2.2 焊接材料选用原则：
a) 、焊缝金属的力学性能应高于或等于母材规定的下限值；
b) 、焊接材料的选取应符合NB/T47018的规定。
本焊接工艺评定相同焊接方法的两种材料所选用的焊接材料均相同，且不分应变强化与否。具体见下表10。所选焊接材料化学成份与力学性能见表11~表13.
表10 焊接材料的选择
序号
母材
规格
焊接方法
焊接材料
1
S30408
δ8，12
SAW
H08Cr21Ni10Si Ø4.0
CFH260R
2
S30400
δ8，12
SAW
3
S30408
δ8，12
SMAW
CHS107R Ø4.0
4
S30400
δ8，12
SMAW
5
S30408
δ8，12
GTAW
H08Cr21Ni10Si Ø2.0
6
S30400
δ8，12
GTAW

表11 埋弧焊焊接材料化学成份与力学性能表
焊接材料
分学成分（质量分数%）
C
Mn
Si
S
P
Cr
Ni
Mo
Cu
H08Cr21Ni10Si Ø4.0
0.059
1.62
0.44
0.017
0.029
19.57
9.15
0.01
0.11
力学性能
抗拉强度(MPa)
延伸率
(A %)
射线检测
弯曲试验
屈服强度(MPa)
平均冲击功(J)
590
39
I级
合格
/
/

表12 手工焊条电弧焊焊接材料化学成份与力学性能表
焊接材料
分学成分（质量分数%）
C
Mn
Si
S
P
Cr
Ni
Mo
Cu
CHS107R Ø4.0
0.048
1.51
0.29
0.0042
0.019
20.39
9.68
0.053
0.027
力学性能
抗拉强度(MPa)
延伸率
(A %)
射线检测
弯曲试验
屈服强度(MPa)
平均冲击功(J)
694
42.0
I级
合格
/
/

表13 钨极氩弧焊焊接材料化学成份与力学性能表
焊接材料
分学成分（质量分数%）
C
Mn
Si
S
P
Cr
Ni
Mo
Cu
H08Cr21Ni10Si Ø2.5
0.054
1.83
0.49
0.016
0.028
19.62
9.08
/
/
力学性能
抗拉强度(MPa)
延伸率
(A %)
射线检测
弯曲试验
屈服强度(MPa)
平均冲击功(J)
595
38
I级
合格
/
/

3、 焊接工具
表14 所需焊接工具
序号
所需工具
数量
备注
1
榔头
1

2
扁铲
1

3
焊缝量规
1

4
钢板尺
1

5
砂轮机
1

6
红外测温仪
1

7
面罩
1

8
氩弧焊面焊
1

9
保温桶
1

4、 焊接设备
本次焊接工艺评定所选用的焊接设备为埋弧焊机，焊条电弧焊机，钨极气体保护焊机，焊接工艺评定焊接设备与应变强化低温容器焊接设备为相同设备。具体见下表。
表15 各种焊接设备
序号
设备名称
规格、型号
数量
备注
1
多功能弧焊整流器
ZD5(D)-1000
1
焊研威达
2
方波交直流氩弧焊机
WSE-315S
1
广州长胜焊接设备有限公司
3
逆变式整流弧焊机
ZX7-500IGBT
1
华远焊机
5、 焊接工艺评定试件准备
不锈钢应变强化焊接工艺评定试件是由两块钢板对接组成（见图1）。不同的焊接方法有不同的坡口型式，包括坡口角度，钝边，间隙等。坡口采用机械加工，且焊接坡口表面应保持平整，不应有裂纹、分层、夹杂物等缺陷。具体见表16。
表16 不同焊接方法所对应的坡口型式
序号
焊接方法
母材
坡口型式
1
SAW
S30408
S30400

2
SMAW
S30408
S30400

3
GTAW
S30408
S30400

坡口组对过程中要注意保护金属表面，防止机械损伤。组对完成后，坡口间隙、错边量、棱角度等都应符合相关要求。组对完成定位焊须用手工焊点牢，定位焊缝不得有裂纹、气孔、夹渣。否则应清除重焊。除钨极氩弧焊外，其余两种焊接方法焊件两端都须引入60×60×8和60×60×12引弧板和引出板。
6、 施焊
1）、试件施焊前，应根据要求编制预焊接工艺规程。焊接时各参数的选取应按预焊接工艺规程。下表为各种焊接方法预焊接工艺规程部分参数。
表17 埋弧焊参数表
焊道
焊层
焊接
方法
填充金属
焊接电流
电弧电压(V)
焊接速度(cm/min)
线能量
(KJ/cm)
牌号
直 径
(mm)
极 性
电 流
(A)
1(正)
SAW
H08Cr21Ni10Si
CHF260R
Ø4.0
DCEP
500~700
38~38
42~45
≤38
2(背)
SAW
H08Cr21Ni10Si
CHF260R
Ø4.0
DCEP
500~700
38~38
42~45
≤38

表18 手工焊条电弧焊参数表
焊道
焊层
焊接
方法
填充金属
焊接电流
电弧电压(V)
焊接速度(cm/min)
线能量
(KJ/cm)
牌号
直 径
(mm)
极 性
电 流
(A)
1
(打底)
SMAW
CHS107R
Ø4.0
DCEP
150~170
22~28
10~14
≤28.56
2~3
(填充)
SMAW
CHS107R
Ø4.0
DCEP
160~180
22~28
10~14
≤30.24
4
(盖面)
SMAW
CHS107R
Ø4.0
DCEP
160~180
22~28
10~14
≤30.24
5
(背)
SMAW
CHS107R
Ø4.0
DCEP
160~180
22~28
10~14
≤30.24
1、板厚δ=8时，第2层为填充，第3层为盖面，第4层为背面焊接。

表19 氩弧焊参数表
焊道
焊层
焊接
方法
填充金属
焊接电流
电弧电压(V)
焊接速度(cm/min)
线能量
(KJ/cm)
牌号
直 径
(mm)
极 性
电 流
(A)
1
(打底)
GTAW
H08Cr21Ni10Si
Ø2.5
DCEN
120~140
12~18
10~12
≤15.12
2~4
(填充)
GTAW
H08Cr21Ni10Si
Ø2.5
DCEN
120~140
12~18
10~12
≤15.12
5
(盖面)
GTAW
H08Cr21Ni10Si
Ø2.5
DCEN
120~140
12~18
10~12
≤15.12
6
(背)
GTAW
H08Cr21Ni10Si
Ø2.5
DCEN
120~140
12~18
10~12
≤15.12
1、板厚δ=8时，第2层为填充，第3层为盖面，第4层为背面焊接。

2） 、焊接环境出现下列任一情况时，应采用有效防护措施，否则禁止施焊；
a) 、风速：气体保护焊大于2m/s,其它焊接方法大于10m/s;
b) 、相对湿度大于90%；
c) 、雨雪环境；
d) 、焊件温度低于-20℃。

焊接时，应在引弧板或坡口内引弧，禁止在非焊接部位引弧。焊接完成时应在引出板上收弧，弧坑应填满。电弧擦伤处需经修磨，使其均匀过渡到母材表面，修磨的深度应不大于该部位母材厚度的5%，且不大于2mm，否则应进行补焊。焊接时，要严格控制试件的线能量。在焊接手工焊条电弧焊和钨极氩弧焊时，应注意层间清理，将焊缝表面熔渣、氧化物、油脂、锈迹等清除干净后再继续施焊。

七、 焊接工艺评定检查
1、 焊接完成对试件进行检验
1.1 焊接试件检验项目：外观检查、无损检测
外观检查：焊接试件的焊缝表面不得有裂纹、未熔合、夹渣、夹钨、气孔、焊瘤、和未焊透，所有焊缝均不得有咬边和凹坑；焊缝背面凹坑，深度不大于20%T（T为母材厚度），且不大于2mm；试件焊缝外形尺寸见表20

表20焊接试件焊缝外形尺寸
焊接
方法
焊缝余高
焊缝余高差
焊缝宽度
焊道高度差
平焊
平焊
比坡口每侧增宽
宽度差
平焊
手工焊
0~3
≤2
0.5~2.5
≤3
/
埋弧焊
0~3
≤2
2~4
≤2
/
无损检测：焊接试件的射线检测按照NB/T47013.2-2015《承压设备无损检测》标准进行，射线检测技术不低于AB级，焊缝质量等级不低于Ⅱ级。
2、 力学性能试验和弯曲试验
2.1力学性能试验和弯曲试验项目和取样数量按表20取样

表21 力学性能试验和弯曲试验项目和取样数量
试件母材的厚度T(mm)
拉伸试验(个)
弯曲试验(个)
冲击试验(个)
拉伸
面弯
背弯
侧弯
焊缝区
热影响区
T=8
2［1］
2
2
/
3［3］
3［3］
T=12
2［1］
/
/
4［2］
3
3
1、未进行应变强化处理的拉伸试验试样为4个，2个常温试验，2个-196℃低温试验。
2、试件T=12mm时，用4个横向侧弯试样代替2个面弯和2个背弯试样;
3、试件T=8mm时，冲击试验尺寸为5mm×10mm×55mm.

2.2力学性能试验和弯曲试验的取样
焊接试件取样时，采用冷热加工方法均可，但采用热加工方法取样时，则应去除热影响区。图2为焊接试样样坯位置及尺寸。

2.3 拉伸试验
2.31取样和加工要求：
a)、未进行应变强化处理试样：切取未进行应变强化处理拉伸试验试样的样坯时应保留焊缝余高。之后将样坯制成试样时应以机械加工方法去除焊缝余高使之与母材平齐，并满足各种试样对表面质量的要求，如图4所示。
b)、9%应变强化处理试样：切取9%应变强化处理拉伸试验试样时先须保留焊缝余高，之后再将试样样坯逐件在拉伸试验机上，通过原始标定作9%拉伸应变。卸载后静默15min完成其应变强化过程。之后再将拉伸试样样坯以机械方法去除焊缝余高。并满足各种试样对表面质量的要求，如图4所示。
拉伸试验试样加工完成后，对未进行应变强化处理的试样和9%应变强化处理的试样分别打上永久性标志，以示区分。

2.3.2 试验方法：未进行应变强化试样的拉伸试验分为常温拉伸和-196℃低温拉伸，按照GB/T228规定的试验方法分别测定焊接接头的抗拉强度，0.2%屈服强度，1.0%屈服强度，并计算断后伸长率。应变强化后拉伸试验只进行常温拉伸，按照GB/T228规定的试验方法测定焊接接头的抗拉强度，0.2%屈服强度，1.0%屈服强度，并计算断后伸长率。
2.3.3 合格指标：每个试样的抗拉强度应不低于Q/CZR4207-2014标准规定的母材抗拉强度最低值。
2.4 弯曲试验
2.4.1 取样和加工要求：
a)、未进行应变强化处理试样：试样的焊缝余高采用机械方法去除，面弯、
背弯试样的拉伸表面应加工齐平，试样表面不得有划痕和损伤，并满足
各种表面要求。
b)、9%应变强化处理试样：切取9%应变强化处理弯曲试验试样时先须保
留焊缝余高，之后再将试样样坯逐件在拉伸试验机上，通过原始标定作
9%拉伸应变。卸载后静默15min完成其应变强化过程。之后再将弯曲
试样样坯再以机械方法去除焊缝余高。并满足各种表面要求。
图5为面弯、背弯样坯图；图6为面弯、背弯二次加工后尺寸图。当试件厚度T=12mm时，弯曲试验为侧弯试验，图7为横向侧弯试样样坯图，图8为横向侧弯试样二次加工后尺寸图。

2.4.2 试验方法：弯曲试验按GB/T2653的试验方法测定焊接接头的完好性和塑性。
2.4.3 合格指标：a)弯曲角度180°，无裂纹；b)弯曲角度小于180°出现裂纹时，单条裂纹长度不得大于3mm，同时应满足以下条件，当弯曲角度大于等于90°时，伸长率应大于等于母材最小断后伸长率，即40%；弯曲角度小于90°时，伸长率应大于等于30%。

2.5 冲击试验
2.5.1 试样制取：如图9所示为试样取样的样坯图。各样坯尺寸应满足图9求，未进行应变强化尺寸应去除焊缝余高；9%应变强化在拉伸之后去除焊缝余高，之后试样制取，并作好表面标记，以示区分。
a) 试样取向：试样纵轴线应垂直于焊缝轴线，缺口轴线垂直于母材表面；
b) 取样位置：在试件厚度上的取样位置见图9；
c) 缺口位置：焊缝区试样的缺口轴线应位于焊缝中心线上。
热影响区试样的缺口轴线至试样纵轴线与熔合线交点的距离k＞0,且应尽可能 多的通过热影响区，详见图10。

2.5.2 试形式、尺寸和试验方法应符合GB/T229的规定。母材厚度δ12时，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，母材厚度δ8时，试样尺寸为5mm×10mm×55mm小冲击试样。规定的试样及缺口尺寸与偏差在图11和表22中示出。

冲击试样的尺寸与偏差
名称
符号
及序号
V型缺口试样
公称
尺寸
机加工
偏差
长度
L
55mm
±0.60mm
高度［a］
h
10mm
±0.075mm
宽度［a］
标准试样
小试样
w

10mm
5mm

±0.11mm
±0.06mm
缺口角度
1
45°
±2°
缺口底部高度
2
8mm
±0.075mm
缺口根部半径
3
0.25mm
±0.025mm
缺口对称面-端部距离［a］
4
27.5mm
±0.42mm
缺口对称面-试样纵轴角度
-
90°
±2°
试样纵向面间夹间
5
90°
±2°
a、除端部外，试样表面粗糙度应优于Ra5μm。

2.5.3 合格指标：冲击试验试验温度为-192℃。未进行强化处理的焊接试样和强化处理焊接试样的焊接接头每个区3个标准试样为一组的冲击吸收功平均值应符合Q/CZR4207-2014的规定，且不低于31J。

八、 焊接工艺评定报告
奥氏体不锈钢应变强化焊接工艺评定试验完成以后，应根据检测报告提出焊接工艺评定报告，并连同预焊接工艺规程，评定焊接记录，无损检测检验报告，评定试样检测结果一同由本公司焊接责任工程师审核，技术负责人批准，经过监检人员签字确认后存入技术档案。