1、低溫壓力容器材料控制要點(diǎn)

低溫壓力容器的質(zhì)量首先取決于低溫用鋼材的質(zhì)量。低溫用鋼按使用溫度大體分為三大類：-40℃以上溫度時(shí)，多用低碳（含碳里小于0.25%）碳錳鋼；-40～-196℃時(shí)，多用中鎳鋼、鉻鎳奧氏體鋼，-196～-273℃時(shí)，多用鉻鎳奧氏體鋼。

常用的鋼材有16MnDR、15MnNiDR、09Mn2VDR、09MnNiDR、06MnNbDR、CF-62 等，以及鎳系低溫鋼材1.5Ni、2.5Ni、3.5Ni、5Ni、9Ni 鋼等。

鋼材在低溫下的主要失效形式是脆性斷裂。鋼材在溫度低于脆性轉(zhuǎn)變溫度（NDTT）時(shí)，在有足夠尖銳的缺口或缺陷時(shí)就可能導(dǎo)致低應(yīng)力下的脆性斷裂。這種斷裂破壞是突然發(fā)生的，并可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。鋼材在低溫下的沖擊值A(chǔ)kv，反映了鋼材缺口尖處的在低溫下塑性變形能力和對(duì)裂紋擴(kuò)展的敏感性，即低溫韌性。

材料采購首先應(yīng)選擇經(jīng)過企業(yè)內(nèi)部管理評(píng)審合格供方，同時(shí)為了得到良好的冷熱加工性能和低溫韌性，采購時(shí)對(duì)所選的低溫鋼材在對(duì)冶煉方法、化學(xué)成分、鋼材內(nèi)部組織、熱處理狀態(tài)等諸方面均應(yīng)加以嚴(yán)格規(guī)定和要求，以保證低溫鋼材的質(zhì)量。

1.1 低溫材料的檢驗(yàn)

低溫鋼材在入廠后的復(fù)驗(yàn)對(duì)于保證材料質(zhì)量，從而在源頭上保證低溫壓力容器的質(zhì)量具有重大意義。低溫壓力容器用鋼材在加工制造前須對(duì)低溫沖擊值進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。對(duì)低溫三類壓力容器和球罐用鋼材還要進(jìn)行全項(xiàng)目復(fù)驗(yàn)。即復(fù)驗(yàn)材料的化學(xué)成分、常溫機(jī)械性能、低溫沖擊值以及鋼材超聲波檢測(cè)復(fù)驗(yàn)。

鋼材復(fù)驗(yàn)按進(jìn)行精確下料，確保筒體成形準(zhǔn)確。對(duì)于封頭及球殼板批進(jìn)行，每批由同一牌號(hào)、同一爐罐號(hào)、同一規(guī)格尺寸、能、低溫沖擊值以及鋼材超聲波檢測(cè)復(fù)驗(yàn)。鋼材復(fù)驗(yàn)按批進(jìn)行，每批由同一牌號(hào)、同一爐罐號(hào)、同一規(guī)格尺寸、同一熱處理制度的鋼材組成。

低溫壓力容器用焊條應(yīng)選用化學(xué)成分和力學(xué)性能與母材相近的低氫堿性焊條，埋弧焊焊劑應(yīng)選用堿性或中性焊劑，并且其低溫沖擊值不小于標(biāo)準(zhǔn)和母材的規(guī)定。所有用于低溫鋼的焊條應(yīng)按批復(fù)驗(yàn)藥皮含水量或熔敷金屬擴(kuò)散氫含量。

1.2 低溫材料的管理

建立嚴(yán)格的低溫鋼材料的發(fā)放、回收以及現(xiàn)場(chǎng)管理制度，對(duì)于低溫壓力容器的制造來講是重要的質(zhì)量保證手段。特別在制造現(xiàn)場(chǎng)，由于低溫鋼材與普通鋼材容易混淆，如不嚴(yán)加管理會(huì)留下很大的事故隱患。低溫鋼材和焊條應(yīng)專人專庫管理，經(jīng)技術(shù)交底后，施工人員和相關(guān)管理人員應(yīng)熟識(shí)低溫鋼材和焊條的標(biāo)識(shí)，以防與其他鋼材混淆。

材料進(jìn)出庫要記錄臺(tái)帳，剩余材料要及時(shí)進(jìn)行標(biāo)識(shí)移植。低溫鋼材表面質(zhì)量要求高，低溫鋼材儲(chǔ)運(yùn)過程中應(yīng)保護(hù)好表面并采用色標(biāo)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。下料、切割應(yīng)在材料管理人員監(jiān)督下進(jìn)行，并及時(shí)進(jìn)行色標(biāo)移植，低溫鋼材表而不允許打鋼印作標(biāo)識(shí)。鋼板材、半成品按批號(hào)、規(guī)格分類上架堆放，預(yù)制，加工成形的材料用胎具支架存放，嚴(yán)禁低溫鋼材料特別是焊接材料直接置于地面。支架離地面和墻面的距離不應(yīng)小于300mm 。

焊條庫設(shè)置符合相關(guān)焊材管理規(guī)定，庫內(nèi)溫度不得低于10℃ ，相對(duì)濕度不大于60% ，并做好記錄。焊條使用前按規(guī)定溫度烘干2 小時(shí)，烘干后放置于恒溫干燥箱內(nèi)(100～150℃）。

2、制造安裝過程控制要點(diǎn)

壓力容器低溫下的破壞除鋼材本身質(zhì)量因素外，制造及安裝缺陷造成的內(nèi)部應(yīng)力集中也是引起低溫脆性斷裂的一個(gè)重要原因。特別在低溫下，應(yīng)力集中處較大的峰值應(yīng)力與設(shè)備總體薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力相疊加，使低溫壓力容器在局部達(dá)到很高的應(yīng)力水平，而低溫下鋼材的塑性變形能力下降，自限性條件消失，從而引起鋼材突然的脆性斷裂。

此外，在制造過程中，鋼材冷態(tài)下加工變形率過大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度和硬度增大，而塑性和韌性降低，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高的冷作硬化現(xiàn)象，如不加以消除則會(huì)增加低溫脆性破壞的危險(xiǎn)。因此，在低溫壓力容器的制造、安裝過程中，應(yīng)采取措施降低內(nèi)部應(yīng)力水平和冷作硬化現(xiàn)象。

（1）鋼板材下料時(shí)必須嚴(yán)格按照經(jīng)計(jì)算的排版尺寸進(jìn)行精確下料，確保筒體成形準(zhǔn)確。對(duì)于封頭及球殼板進(jìn)行二次下料，以保證精度。在運(yùn)輸過程中應(yīng)采用合適的胎具進(jìn)行夾固，防止產(chǎn)生變形，現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)安裝前，應(yīng)進(jìn)行尺寸復(fù)查，對(duì)復(fù)查超標(biāo)的板材，應(yīng)重新進(jìn)行壓制或校圓，確保組對(duì)質(zhì)量。如果偏差超標(biāo)而強(qiáng)行組對(duì)，就會(huì)產(chǎn)生很大的組裝應(yīng)力，這對(duì)于低溫壓力容器是很不利的。因此組對(duì)殼體時(shí)不得強(qiáng)行組對(duì)、組裝。

(2）為避免鋼材冷作硬化，低溫壓力容器的零部件在常溫下成形或矯形時(shí)，應(yīng)控制鋼板的冷塑性變形率≤2% ，并且不允許用鐵錘敲打成形或校形。當(dāng)環(huán)境溫度低于 -10℃時(shí)，不得進(jìn)行冷變形加工。對(duì)于容器筒體應(yīng)控制最小彎曲半徑并進(jìn)行多次輥壓成形。對(duì)于球殼板應(yīng)采用合適的胎具多次多點(diǎn)壓制成形，而對(duì)于橢圓形封頭，其冷作硬化最嚴(yán)重的是變形最大的過渡區(qū)和直邊部分，為消除冷作硬化，壓制之前或中間對(duì)板坯進(jìn)行退火處理以便軟化組織，防止斷裂。在冷壓后還應(yīng)進(jìn)行與原母材相同的熱處理，以恢復(fù)低溫韌性。

（3）在組對(duì)時(shí)，應(yīng)將各筒節(jié)的偏差均勻分布，不得集中至某一側(cè)或某一段，以免引起過大的形狀突變，減少應(yīng)力集中水平。對(duì)于不等厚的對(duì)接，應(yīng)將厚板削薄并圓滑過渡至與薄板齊平。對(duì)于低溫球形罐，應(yīng)采用分片散裝法逐片組裝，減少不均勻的偏差和形狀突變，確保組對(duì)錯(cuò)變量、棱角度、圓度等指標(biāo)符合要求。

(4）容器殼體、受壓元件表面均不得用鋼印做各種標(biāo)識(shí)，只允許用油漆作標(biāo)識(shí)。

3、焊接工藝質(zhì)量控制要點(diǎn)

低溫壓力容器的焊接質(zhì)量是影響低溫壓力容器制造質(zhì)量的另一個(gè)重要因素。低溫鋼的焊接除了防止焊接裂紋外，關(guān)鍵是要保證焊縫及熱影響區(qū)的低溫韌性，這是低溫鋼焊接工藝質(zhì)量控制的一個(gè)主要環(huán)節(jié)。

3.1 低溫鋼冷裂紋的防止措施

低溫鋼冷裂紋產(chǎn)生的原因是應(yīng)力、淬硬組織和焊縫金屬擴(kuò)散氫含量共同作用的結(jié)果。低溫鋼材料中的雜質(zhì)、焊接區(qū)域中的油污、鐵銹、大氣中的水汽等在電弧高溫作用下分解出氫原子進(jìn)人熔池中，在焊縫冷卻過程中以過飽和狀態(tài)擴(kuò)散、析集于熔合線附近的熱影響區(qū)，在焊接應(yīng)力及淬硬組織的共同作用下，極易產(chǎn)生冷裂紋。另外，一些工藝缺陷如咬邊、未焊透等也促成冷裂紋的產(chǎn)生。在我廠的制造中，采取如下措施防止冷裂紋產(chǎn)生，收到了良好的效果：

(1）減少氫的來源。選用低氫型焊條，甚至超低氫型焊條其次焊條必須烘干，放人手提式保溫筒內(nèi)隨用隨取，筒內(nèi)溫度保持在100～150℃。焊條置于空氣中4h，必須再烘干，再烘干不得超過一次。焊接坡口附近焊前必須用砂輪機(jī)打磨干凈，要去除銹蝕、油污和水汽及其它污物，檢查合格后方可施焊。

(2）選取合適的焊界線能量。線能量過小，則熱影響區(qū)易出現(xiàn)淬硬組織。線能量大，有利于消除冷裂紋，但易形成過熱組織，影響低溫韌性，故焊接線能量應(yīng)適當(dāng)。

(3）嚴(yán)格檢查組對(duì)工序的質(zhì)量，錯(cuò)邊量、棱角度等缺陷超標(biāo)時(shí)不得進(jìn)行焊接、同時(shí)嚴(yán)禁強(qiáng)制裝配組對(duì)，減少裝配應(yīng)力。另外，合理安排焊接順序，將焊接時(shí)產(chǎn)生的拘束度和應(yīng)力減至最小。

(4）焊前預(yù)熱、焊后緩冷。避免淬硬組織和減少焊接應(yīng)力，并及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理。如不能及時(shí)進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理，焊后應(yīng)立即進(jìn)行消氫處理，300～350℃，保溫2～6h。但應(yīng)注意對(duì)一些回火脆性傾向大的鋼種處理時(shí)應(yīng)避開其回火脆性溫度區(qū)間。

(5）嚴(yán)禁在殼體非焊接部位隨意點(diǎn)焊、引弧。由于點(diǎn)焊、引弧處的冷卻速度低于正常的焊接冷卻速度，更易產(chǎn)生冷裂紋。而且有些引弧疤痕不易發(fā)現(xiàn)，更易留下安全隱患。對(duì)于弧坑、焊疤，機(jī)械損傷等應(yīng)打磨清除干凈，修磨部分與母材圓滑過渡，修磨斜度至少為1：3，然后焊補(bǔ)并打磨至與母材齊平，進(jìn)行100％磁粉或著色檢查。

3.2 低溫鋼熱裂紋的防止措施

熱裂紋的產(chǎn)生則與應(yīng)力、雜質(zhì)和化學(xué)成分有關(guān)。焊縫中的有害元素硫、磷及其它易形成低熔點(diǎn)共晶物的元素共同作用，產(chǎn)生嚴(yán)重偏析，從而形成熱裂紋。特別是9Ni 鋼的焊接，采用與母材不同的奧氏體型的填充材料，更易產(chǎn)生熱裂紋。另外，焊接時(shí)形成的焊接熔池形狀與熱裂紋有關(guān)。熔池深而窄，則偏析多集中于焊縫中間，易形成熱裂紋，熔池淺而寬，而且呈圓形，則抗熱裂性好。防止熱裂紋我們采取如下措施保證焊接質(zhì)量：

(1）考慮母材對(duì)焊縫金屬的稀釋作用，焊條中所含的增加低溫韌性及防裂紋的合金含量應(yīng)比母材高，而硫、磷含量還應(yīng)更低。另外提高焊條和焊劑中的堿度，可改善焊縫中的偏析程度，提高抗裂能力。

(2）適當(dāng)預(yù)熱，并制定合理的焊接次序，減少焊接接頭的剛度，降低焊接應(yīng)力。

(3）采用正確的焊接參數(shù)。保持圓形的，同時(shí)淺而寬的焊接熔池。

(4）一旦出現(xiàn)裂紋，應(yīng)用碳弧氣刨或砂輪將裂紋打磨清除干凈，不能采用后繼焊道熔化來消除裂紋。

4、整體焊后熱處理質(zhì)量控制要點(diǎn)

焊接是最直接產(chǎn)生殘余應(yīng)力的熱加工過程。焊接殘余應(yīng)力主要是在焊接過程中，由焊接熱應(yīng)力和結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力造成。另外焊縫金屬及熱影響區(qū)母材在焊接過程中發(fā)生相變而產(chǎn)生的相變應(yīng)力，還有加工成形及組對(duì)裝配中產(chǎn)生的附加應(yīng)力等與焊接殘余應(yīng)力疊加，從而使壓力容器的應(yīng)力狀態(tài)更加復(fù)雜。各種內(nèi)部應(yīng)力的存在增加了低溫下的脆性斷裂的危險(xiǎn)。

低溫壓力容器焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理除了消除焊接殘余應(yīng)力之外，還能去除焊縫金屬中的氫氣，軟化熱影響區(qū)和加工變形區(qū)的組織，提高其低溫韌性，是保證低溫壓力容器質(zhì)量的重要手段。低溫壓力容器焊后消除應(yīng)力熱處理方法主要有：局部熱處理、爐內(nèi)整體熱處理、爐內(nèi)分段熱處理、整體內(nèi)部熱處理四種。其中，以整體熱處理處理最好，殘余應(yīng)力消除率可達(dá)90%以上。

為了保證焊后熱處理的制造質(zhì)量，制定焊后熱處理工藝參數(shù)時(shí)要考慮的因素很多，受壓工件材料及其原始組織狀態(tài)、熱處理要達(dá)到的目的、加熱方式（加熱速度）、工件尺寸及冷卻方式等。由于各種因素的差異，制訂的熱處理工藝參數(shù)也不盡相同，但其確定條件是相同的。

4. 1 保溫溫度的確定條件

（l）調(diào)質(zhì)的高強(qiáng)度低溫鋼，如果焊后加熱溫度超過原調(diào)質(zhì)回火溫度時(shí)，會(huì)失去調(diào)質(zhì)效果，使強(qiáng)度和韌性降低。特別是鎳系低溫鋼，易產(chǎn)生回火脆性，使低溫韌性下降。對(duì)于含有較多合金元素的低溫鋼來說，焊后熱處理往往會(huì)產(chǎn)生回火脆性（即再熱脆化），進(jìn)而降低焊縫和熱影響區(qū)的韌性。

（2）保溫溫度范圍確定條件為相變點(diǎn)以下，再結(jié)晶溫度以上。使晶格崎變和硬化組織通過恢復(fù)和再結(jié)晶得以消除，殘余應(yīng)力得到充分松弛和釋放，同時(shí)不致使母材及焊接區(qū)造成再熱脆化等不良后果。對(duì)于調(diào)質(zhì)或正火＋回火鋼，其保溫溫度應(yīng)在回火溫度以下30℃左右為宜，以免破壞其性能，降低韌性和強(qiáng)度。

4.2 保溫時(shí)間的確定條件

（1）一定的保溫時(shí)間可使焊縫及母材的殘余應(yīng)力得以充分松弛，改善焊接區(qū)的性能同時(shí)在消除殘余應(yīng)力時(shí)又不至于產(chǎn)生新的溫差應(yīng)力，因而是必需的。

（2）當(dāng)所采用的加熱溫度比要求的加熱溫度低時(shí)，在現(xiàn)行的各種規(guī)范中，都采取延長(zhǎng)保溫時(shí)間的辦法來達(dá)到消除應(yīng)力的效果，以彌補(bǔ)溫度的不足。但試驗(yàn)研究表明，應(yīng)力下降在保溫開始階段較為顯著，隨后應(yīng)力下降便趨于緩慢，保溫時(shí)間過長(zhǎng)，反而會(huì)使焊縫金屬晶粒粗大化，脫碳層厚度增加，從而造成低溫韌性的下降。

（3）一般來說保溫時(shí)間不能短于最少保溫時(shí)間，而且只要達(dá)到規(guī)定的保溫時(shí)間和溫差要求就能很好地消除殘余應(yīng)力而不會(huì)產(chǎn)生大的溫差應(yīng)力。為了得到最小的保溫溫差而過分延長(zhǎng)保溫時(shí)間也是不合理的。

4.3 加熱、冷卻速度的確定條件

加熱、冷卻速度應(yīng)隨著鋼中合金元素及厚度的增加、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的提高而降低，以避免產(chǎn)生新的溫差應(yīng)力。按照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定，升溫速度≤200℃／h, 降溫速度≤260℃／h。對(duì)于大尺寸結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)等，為了避免加熱溫差，應(yīng)采用較小的加熱、冷卻速度。

一般對(duì)于碳素鋼可為50℃／h，合金結(jié)構(gòu)鋼可為20℃／h。同時(shí)可采取補(bǔ)強(qiáng)或加固支撐等措施以防變形。另外，對(duì)于某些回火脆性傾向大的鋼種，應(yīng)盡量減少在回火脆性溫度區(qū)間的停留時(shí)間，升，降溫速度也不應(yīng)太小。

4.4 入爐出爐溫度的確定條件

被加熱件人爐或出爐時(shí)的溫度，一般規(guī)定在400℃以下。而對(duì)于某些超厚或復(fù)雜的結(jié)構(gòu)有時(shí)要采用200℃以下的人爐和出爐溫度。應(yīng)根據(jù)被加熱件的形狀和尺寸特點(diǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件以不再產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力，無變形和裂紋為原則。