热轧和正火钢的比较.doc

热轧钢 PK 正火钢
1 热轧和正火钢的成分和性能
1） 热轧钢
强化机理：固溶强化，
屈服强度：294～392MPa级，
合金系： C-Mn或Mn-Si系，
主合金化元素： Mn、 Mn-Si，
辅合金化元素：V、Nb，达到细化晶粒和沉淀强化的作用
使用状态：热轧状态
典型钢种：16Mn，组织：细晶铁素体+珠光体
一般成分范围：C≤0.2%，Si≤0.55%，Mn≤1.5%，在这个范围内，强度韧性都很好，焊接性也好，但如果C>0.3%，Si>0.6%,Mn>1.6%，焊接性就要大大变差
（2） 正火钢
它的强化途径是：固溶强化+弥散相强化，它是在热轧钢的基础上加上V、Ti、Nb通过形成弥散相来进一步提高强度，所以它的屈服强度要比热轧钢的高。它的特点是便宜，综合机械性能好。
强化机理：固溶强化＋沉淀强化或细晶强化，
屈服强度：为343～490MPa ，
合金系 ：C-Mn或Mn-Si ( V、Nb、Ti、Mo )系，
主合金化元素： Mn、 Mn-Si，
辅合金化元素：V、Nb、Ti、Mo (碳化物、氮化物元素)，
热处理状态：正火，使合金元素以细小的化合物质点从固溶体中充分析出，并同时细化晶粒，提高强度的同时改善塑性、韧性、达到最佳的综合性能
典型钢种：15MnVN。
1.正火状态下使用钢
除15MnTi外，主要是V、Nb钢。15MnV、15MnVN。
2正火＋回火状态使用的含Mo钢
18MnMoNb，
3微合金化控轧钢
采用微合金化（加入微量Nb、V、Ti ) 和控制轧制技术达到细化晶粒和沉淀强化相结合的效果，同时从冶炼工艺上采取了降C降S，改变夹杂物形态，提高钢的纯度等措施，使钢具有均匀的细晶粒等轴铁素体基体。X70除加微量Nb、V、Ti 外，还加入Ni、Cr、Cu、Mo。
2焊接性能的分析
2.1 对热裂纹的敏感性
1） 含碳量都较低而含锰量都较高，所以它们的Mn/S比都能达到防止发生热裂纹的要求，具有较好的抗热裂性能。
（2）但当材料成分不合格，或因严重偏析使局部碳、硫含量偏高时Mn/S比就可能低于要求而出现热裂纹。

2.2 对冷裂纹的敏感性
从材料本身看，淬硬组织是引起冷裂纹的决定因素。焊接时是否形成对氢致裂纹敏感的组织是评定材料焊接性的一个重要指标。不同成分钢材的冷裂纹敏感性，可以通过反映钢材焊接热影响区淬硬倾向的模拟焊接热影响区连续冷却转变（SHCCT）曲线来进行分析比较。
热轧钢：碳当量都比较低，除环境温度很低或钢板厚度很大，一般情况下其裂纹倾向都不大。
正火钢：碳当量不超过0.5％时，淬硬倾向比热轧钢大，但不算严重，焊接性尚可，但对于厚板往往需要进行预热。当碳当量大于0.5％时钢的淬硬倾向和冷裂倾向逐渐增加。
防止措施：严格控制线能量、预热和焊后热处理等
2.3 再热裂纹
1）C-Mn和Mn-Si系热轧钢对再热裂纹不敏感，例如16Mn；
（2）正火钢中有一些含有强碳化物形成元素，但实践证明它对再热裂纹不敏感，例如15MnVN；
（3）正火+回火钢，如18MnMoNb、14MnMoV则有轻微的再热裂纹敏感性，可提高预热温度和焊后立即后热来防止再热裂纹的产生。
2.4 层状撕裂
层状撕裂的产生不受钢种和强度的限制，它主要发生于厚板结构中（在热影响区或远离热影响区的母材中）。在低碳钢、热轧、正火钢中都可能发生层状撕裂。一般板厚小于16mm时就不容易发生层状撕裂。一般认为Z向收缩率＞20％，钢材就可以避免层状撕裂。
合理选用层状撕裂敏感性较低的钢材(如Z向钢)，改善接头形式以及降低钢板Z向所承受应力应变，在满足产品使用要求前提下选用强度级别较低的焊接材料或预堆低强焊缝，采用预热及降氢等措施，都有利于防止层状撕裂。
2.5焊接接头的脆化
焊接热轧钢和正火钢时，存在过热区脆化问题，此外，在一些合金元素含量低的钢中，有时还会出现热应变脆化问题

（1） 过热区的脆化
①奥氏体严重长大→魏氏体、粗大马氏体、混合组织、M－A组元，
②难熔质点的溶入。
①热轧钢
焊接线能量过大：导致冷速过慢，过热区将因晶粒长大或出现魏氏组织等而使韧性降低；焊接线能量过小：由于过热区组织中马氏体比例增大而使韧性降低，这在含碳量偏高时较明显。

（2） 热应变脆化

产生区域：焊接过程中，在热和应变同时作用，熔合区及200-400℃区发生脆化。
产生原因：一般认为这种脆化是由于碳、氮原子聚集在位错周围，对位错造成钉扎作用所造成的。
发生材质：固溶氮含量较高的低碳钢和强度级别不高的低合金钢中。如造船中常用的16Mn、16MnC(热轧钢)就具有一定的热应变脆化倾向。
钢中如果加入足够量的氮化物形成元素(如A1、Ti、V等)脆化倾向就显著减弱。
消除措施：焊后消除应力退火
2.6焊接工艺特点
焊接方法
热轧钢和正火钢进行焊接时，对焊接方法没有特殊要求，只对焊接材料的选择和工艺参数的确定进行讨论。一般采用: 焊条电弧焊，埋弧焊，二氧化碳气体保护焊等。
2.7焊接材料的选择
选择焊接材料的目的是使焊缝无缺陷和满足焊接接头的使用性能。
（1）选择相应强度级别的焊接材料
（2）考虑熔合比和冷却速度的影响
（3）必须考虑焊后热处理对焊缝力学性能的影响
（4）满足焊缝对特殊性能的要求
2.8焊接工艺参数的确定
（1）E
焊接线能量的确定主要决定于过热区的脆化和冷裂两个因素。各类钢的脆化倾向和冷裂倾向不同，所以对线能量的要求也不同。
（2）预热
焊接时进行预热的目的是防止裂纹和适当地改善焊接接头性能。预热温度的确定较复杂，它与以下多种因素有关：
①材料的成分
②冷却速度
③结构的拘束度
④含氢量
⑤焊后热处理
（3）焊后热处理
热扎正火钢一般焊后不需要热处理，但对于抗应力腐蚀的焊接结构、低温下使用的焊接结构及厚壁高压容器，焊后需要消除应力的高温回火。
原则：不要超过母材原来的回火温度，以免影响母材本身的性能；回火避开脆性温度区间。

3焊接工艺流程（压力容器）

工艺流程：下料——>成型——>焊接——>无损检测——>组对、焊接——>无损检测——>热处理——>耐压实验
一、选材及下料
（一）压力容器的选材原理
1．具有足够的强度，塑性，韧性和稳定性。
2．具有良好的冷热加工性和焊接性能。
3．在有腐蚀性介质的设备必须有良好的耐蚀性和抗氢性。
4．在高温状态使用的设备要有良好的热稳定性。
5．在低温状态下使用的设备要考虑有良好的韧性。
（二）压力容器材料的种类
1．碳钢，低合金钢
2．不锈钢
3．特殊材料：①复合材料（16MnR+316L）
②刚镍合金
③超级双向不锈钢
④哈氏合金（NiMo:78% 20%合金）
（三）常用材料
常用复合材料：16MnR+0Gr18Ni9
A：按形状分：钢板、棒料、管状、铸件、锻件
B：按成分分：
碳素钢：20号钢 20R Q235
低合金钢：16MnR、16MnDR、09MnNiDR、15CrMoR、16Mn锻件、20MnMo锻件
高合金钢：0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti
尿素级材料：X2CrNiMo18.143mol（尿素合成塔中使用，有较高耐腐蚀性）
二、下料工具与下料要求
（一）下料工具及试用范围：
1、气割：碳钢
2、等离子切割：合金钢、不锈钢
3、剪扳机：＆≤8㎜ L≤2500㎜ 切边为直边
4、锯管机：接管
5、滚板机：三辊
（二）椭圆度要求：
内压容器： 椭圆度≤1%D；且≤25㎜
换热器：DN≤1200㎜ 椭圆度≤0.5%DN且≤5㎜
DN﹥1200㎜ 椭圆度≤0.5%DN且≤7㎜
塔器：
DN
（500，1000）
（1000，2000）
（2000，4000）
（4000，+∞）
椭圆度
±5㎜
±10㎜
± 15㎜
±20㎜
多层包扎内筒： 椭圆度≤0.5%D，且≤6㎜
（三）错边量要求：见下表
（四）直线度要求：
一般容器：L≤30000 ㎜ 直线度≤L/1000㎜

L﹥30000㎜ 直线度按塔器
塔器：L≤15000 ㎜ 直线度≤L/1000㎜
L﹥15000㎜ 直线度≤0.5L/1000 +8㎜
换热器：L≤6000㎜ 直线度≤L/1000且 ≤4.5㎜
L﹥6000㎜ 直线度≤L/1000且≤8㎜
三、焊接
（一）焊前准备与焊接环境
1、焊条、焊剂及其他焊接材料的贮存库应保持干燥，相对湿度不得大于60%。
2、当施焊环境出现下列任一情况，且无有效防护措施时，禁止施焊：
A）手工焊时风速大于10m/s
B）气体保护焊时风速大于2m/s
C）相对湿度大于90%
D）雨、雪环境
（二）焊接工艺
1、容器施焊前的焊接工艺评定，按JB4708进行
2、A、B类焊接焊缝的余高不得超过GB150的有关规定
3、焊缝表面不得有裂纹、气孔、弧坑和飞溅物
（三）焊缝返修
1、焊逢的同一部位的返修次数不宜超过两次。如超过两次，返修前均应经制造单位技术总负责人批准，返修次数、部位和返修情况应记入容器的质量证明书。
2、要求焊后热处理的容器，一般应在热处理前进行返修。如在热处理后返修时，补焊后应做必要的热处理
四、无损探伤
（一）理论
1．定义：借用于现今的手段和一起在不损坏和破坏材料机器及其结构的情况下对它们的化学性质、机械性能以及内部结构进行检测。
2．目的：
① 确保工件和设备的质量，保证设备的正常运行。
射线：RT 超声波UT（焊缝、锻件） 磁粉MT（检查铁磁性表面） 渗透PT（表面开口缺陷）
②改善制造工艺
③降低成本
④提高设备的可靠性
3.应用特点：
①无损检测要与破坏性试验相结合。
②正确的选用最适当的无损检测。
③正确使用无损检测的时机
④综合应用各种无损检测方法
4.应用范围：
①组合件的内部结构或内部组成的检查，不破坏对象，利用射线检查内部情况。
②材料，铸、锻件和焊缝间检查。
③材料和机械的质量检测。
④表面测厚

5.焊缝缺陷：①裂纹：有冶金因素和应力因素或者是由组织因素和致脆因素、氢等的综合作用所引起的局部断裂。
②气孔：焊接过程中溶入液体金属的气体在金属凝固结晶时来不及逸出而留在焊缝内形成的空纹。
③夹渣：焊接过程中，溶池内冶金反应所生成的非金属夹杂物，由于各种原因来不及浮出表面而留在焊缝内。
④未焊透：是焊缝金属与母材或焊缝金属之间未被热源熔化而留下来的局部空隙。
⑤夹钨
（二）射线照相探伤法
1.X射线
2.γ射线 Ir192 74天 ＜100mm
Co60 5.3年 ＜200mm
射线性质：①都是电磁波
②具有两重性：波动性、粒子性
射线特性：①不可见
②直线传播，有衍射，绕射能穿透物质，使物质电离，能使胶片感光，也能使增感材料产生荧光，伤害有生命的细胞。
防护学：①时间 ②距离 ③躲避
（三）超声波探伤法
利用超声波在组件中的传播，经反射接收后根回波判断是否有缺陷的方法。
（四）MT磁粉探伤：
①操作简单，直观。
②铁磁性材料（表面和内表面）首先MT
③检测缺陷位置和表面长度而不能确定深度。
特点：检查静表面缺陷
（五）PT渗透
涂上渗透液→进入毛细管→清洗→回渗
检测：开口缺陷，表面光洁度
五、压力容器的热处理：
（一） 正火
① 目的：细化晶粒，提高母材及常化处理焊缝的综合机械性能，消除冷作硬化，便于切削加工。
② 方法：把要正火的零件放入加热炉中加热到一定温度按每毫米1.5分～2.5分保温出炉空冷，风冷或雾冷。
③ 应用：16MnR 高温保温时间过长，使奥氏体晶粒大（正火）35﹟锻件（正火）封头，筒体（正火）
（二） 调质处理：
① 目的：提高零件的综合机械性能。
② 方法：淬火+高温回火（500℃以上）。得到索氏体。
③ 应用：封头，筒体，法兰，管板等。20MnMo 20MnMoNb 13MnNiMoNb 900℃～950℃ 2分～3.5分/mm 水冷+空冷。
螺栓螺母： ①35CrMoA 25Cr2MoVA 35CrMoVA
②30Mn 40Mn 35CrMoA
硬度HB=187～229 用亚温淬火。
（三）固溶处理：（针对奥氏体不锈钢）即在室温条件下保留奥氏体。
①目的：将零件加热使碳化物溶到奥氏体中，再以足够快的冷却速度将碳化物固定在奥氏体中。具有最低的强度、最高塑性、最好的耐蚀性。
②应用：封头
③方法：加热到1000℃～1150℃，以2分到4分/㎜保温后快冷，然后水冷，再进行空冷。
（四）焊后热处理：（消除应力，退火）PWHT
一般热处理：SR ISR
①目的：A.改善焊接接头及热影响区的组织和性能。
B.消除焊接和冷作硬化的应力。
C.防止产生焊接裂纹。
②方法：A.优先采用炉内整体消除应力方法（另一法：把容器视为加热炉，在设备内部加热外壳保温）
99版压力容器规则：（高压容器、中压反应器、储存容器、石油液化器储罐）不能用内部加热法。
B.分段热处理：一端在炉内，采取适当保温措施以防有害的温度梯度（重复加热的长度≥1.5m） Φ3.6m加氢反应器，长26m
C.对环缝进行局部消除应力处理→加热宽度：焊缝中心线每侧2倍板厚。
③焊后热处理工艺：
A.炉温400℃以下装炉
B.升温速率5000℃/T（有效厚度）/h 且≤200℃/h
C.保温时间T≤50mm，25mm/h T＞50mm保温时间=（150+T）/100（h）
D.降温速率：400℃以上，6500/T ℃/h 且≤260℃/h
④压力容器焊后热处理的注意事项
（1）容器整体消应力处理须在整体制造完经检验合格后，水压试验之前进行。
（2）严禁火焰直射工作产生过热或过烧
（3）产品试板（含母材试板）挂片试样等应与容器同炉PWHT
六、压力试验和气密性试验
（一）压力试验
压力试验按试验介质不同分为液压试验及气压试验。
1、液压试验
液压实验一般采用水，需要时也可采用不会导致发生危险的其他液体。试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。奥氏体不锈钢制压力容器用水进行液压试验后应将水渍清楚干净。当无法达到这一要求时，应控制水的氯离子含量不超过25mg/L。
液压试验方法：
a） 试验时容器顶部应设排气口，充液时应将容器内的空气排尽。试验过程中，应保持容器观察表面的干燥；
b） 试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30min。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长时间对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，修补后重新试验；

c） 对于夹套容器，先进行内筒液压试验，合格后再焊夹套，然后进行夹套内的液压试验；

d） 液压试验完毕后，应将液体排尽并用压缩空气将内部吹干。
2、气压试验
气压试验应有安全措施。该安全措施需经试验单位技术总负责人批准，并经本单位安全部门监督检查。试验所用气体为干燥、洁净的空气、氮气或其他惰性气体。
气压试验时压力应缓慢上升，至规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa时，保压5min，然后对所有焊接接头和连接部位进行初次泄漏检查，如有泄漏，修补后重新试验。初次泄漏检查合格后，再继续缓慢升压至规定试验压力的50%，其后按每级为规定压力的10%的级差逐级增至规定试验压力。保压10min后将压力降至规定试验压力的87%，并保持足够长的时间后再次进行泄漏检查。如有泄漏，修补后再按上述规定重新试验。
（二）气密性试验
容器需经液压试验合格后方可进行气密性试验。试验压力、试验介质和检验要求按照图样上的注明。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后保压10min，然后降至设计压力，对所有焊接接头和连接部位进行泄漏检查。小型容器亦可浸入水中检查。如有泄漏，修补后重新进行液压试验和气密性试验.