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承压设备用钢材制造商应对焊接性负责

戈兆文

（合肥通用机械研究院有限公司，安徽合肥，230031）

摘要：承压设备焊接接头热影响区是最为薄弱的区域，其状态、组织、性能与母材不同，不能用母材标准中规定的性能指标衡量热影响区。本文通过对焊接热影响区中材料的软化、硬化和脆化现象的分析，说明由于材料（母材和焊材）使用焊接性出现问题，往往成为导致焊接热影响区引发承压设备质量问题和事故发生的原因。母材与焊材制造商应对其制造的产品的焊接性负责。

关键词：承压设备；钢材；焊接性

0 引言

  焊接是承压设备建造过程中不可缺少的重要工艺，焊接质量在很大程度上代表了承压设备的制造质量。只有高度重视钢材和焊接材料的焊接性，明确责任主体，才是确保承压设备焊接质量的基础与关键所在。

  在工程实践中经常会出现按标准制造出厂的钢材，其焊后性能却得不到保证的情况。如某钢厂研发的适应于大线能量60kg级调质钢后，安装单位进行焊接工艺评定时，热影响区冲击试验不合格。换用该钢厂经焊接试验合格的钢板，再次进行试验，仍不合格。某工程使用55kg级仿德国低温用钢板，采用焊条电弧焊进行焊接。焊接工艺评定试件的冲击韧性经多个单位（安装、监理、监督、第三方等）试验，几乎每组冲击试样的冲击吸收能量都有一个极低值。笔者认为很多是由于钢材的使用焊接性出现了问题。一直以来，承压设备规范与标准中鲜有材料焊接性的要求，钢材制造商的质量证明书中从未提及焊接性。钢材的使用焊接性由谁负责？钢材标准中为何不规定钢材焊接性？钢材的焊接性问题应该如何解决？这些问题应当引起各方面的重视，值得进行深入探讨。2021年1月4日发布的 TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》第1号修改单，对钢材的焊接性提出要求，这说明钢材的焊接性问题已经在业界引起重视。

  承压设备的母材种类有钢、铝、钛、铜、镍、锆等及其合金；母材品种有板材、管材和锻件。本文从广义来讲，以“钢材”代指“母材”。文中观点对所有母材都适用，对焊材也适用。

1 材料的焊接性

  焊接性是指材料在限定施工条件下，焊接成符合设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。焊接性受材料、焊接方法、构件类型及使用要求四个因素的影响^[1]。焊接性是材料对于焊接加工的适应性，以及使用条件下的可靠性。焊接性分为工艺焊接性和使用焊接性。

1.1 工艺焊接性

  工艺焊接性是指在一定焊接工艺条件下，材料能否获得无缺欠的焊接接头的能力。工艺焊接性细分为热焊接性和冶金焊接性。

  热焊接性是指焊接热过程对于金属材料加热熔化的影响，以及对于焊接热影响区组织性能变化，产生缺欠的影响程度等^[1]。

  冶金焊接性是指焊接高温条件下，熔滴及熔池等液态金属与焊接区内的气相、熔渣相之间发生冶金反应，以及对于焊缝性能和产生缺欠的影响程度^[1]。

1.2 使用焊接性

  使用焊接性是指焊接接头或焊接结构产品满足使用性能的程度，如力学性能、断裂韧性、疲劳性能、耐腐蚀性能及不同条件下各种使用性能^[1]。

2 焊接热影响区性能

  从焊接角度来看，承压设备是由母材和焊接接头组成，焊接接头又分为焊缝、熔合区、热影响区。焊接热影响区是经历电弧与熔池瞬间高温作用而短时又急速冷却的部分母材，依照距离熔合线远近不同，经历了不同的特殊热过程。热影响区不宽（焊条电弧焊6.0mm~8.5mm，埋弧焊3.0mm~6.7mm，电渣焊25mm~30mm，CO₂气体保护焊5.5mm~9.0mm）^[2]却分为几个区间，各个区间的状态、金相组织，甚至化学成分，不仅不相同，而且与母材也都有差别，因此使用性能也有区别。

  热影响区主要体现热焊接性和使用焊接性，而焊缝区则主要体现冶金焊接性，热焊接性也有所体现。在多层多焊道时，后道焊缝亦给前道焊缝进行了特殊热处理，形成热过程。焊接热影响区的分区示意见图1^[3]。

图1  焊接热影响区的分区示意

1-过热区  2-完全相变区  3-部分相变区  4-回火区

注：回火区只存在于正火钢或淬火钢

  图1表明固溶强化的热轧钢、正火处理的沉淀强化钢或相变强化的淬火加回火钢、正火加回火钢，其热影响区各点所达到的峰值温度Tmax不同而发生不同相变。

  热影响区是焊接接头中最为薄弱的部分，热影响区的性能取决于母材焊接性，在熔化焊范围内可改变热影响区性能的手段有限，仅有焊前预热、焊接线能量和焊后热处理等，变更焊接方法与焊接材料对改变热影响区的性能影响有限。

  承压设备投入使用后，在服役环境下，考核的是焊接接头的性能，特别是焊接热影响区的使用性能。钢材制造商不保证材料的焊接性，往往会引发承压设备质量问题或事故的产生。

  材料的使用焊接性究竟如何，只有在进行焊接试验，甚至在设备发生了质量事故后，经解剖才知道。由于钢材标准中不规定焊接性，出了质量问题或事故往往归结为“标准没有规定”。

  焊接热影响区集中表现使用焊接性。母材与焊材的使用焊接性值得重视，本文主要以热影响区的硬化、软化和脆化现象为例，说明钢材使用焊接性。

2.1 焊接热影响区的软化

  经冷作强化或热处理强化的母材，在焊接热影响区都能见到强化效果的损失现象，即软化。最典型的软化现象是调质高强钢的回火软化，由于焊前所处的热处理状态不同，软化区的温度范围和软化程度可能有很大差别，见图2^[3]。

2.2 焊接热影响区的硬化

  焊接热影响区的硬度分布极不均匀，相邻焊缝边界具有最高硬度，远离焊缝边界的硬度逐渐减低。正火C-Mn钢测试结果见图3。从图3可以看出，焊缝边界的最高硬度因焊接工艺参数而变化，未见低强度的软化区。

表1   图3中各曲线对应的焊接条件及组织和硬度

2.3 焊接热影响区的脆化

  焊接接头的脆化表现为规定温度下韧度降低或延脆转变温度升高，C-Mn钢热影响区晶粒度的分布见图4。从图4可看出，晶粒粗化最严重的部位是离开焊缝边界约0.5mm处，且不超过1mm位置^[3]。

图4  C-Mn钢热影响区晶粒度的分布（实测值）

热影响区中过热区脆化的原因主要有以下几方面^[3]：

（1）晶粒粗化，韧性破坏。微合金化、控冷控轧钢有明显晶粒粗大。

（2）母材原有第二相，如V（C、N）溶解与沉淀。

（3）杂质在晶界偏析会严重损害韧性。

（4）组织硬化成分增多，脆化倾向随之增大。

（5）在热影响区较低温度区域出现热应变脆化。

（6）在焊后再次加热而发生脆化，即再热脆化。

  热影响区的软化、硬化、脆化与母材的使用焊接性有关，根本原因是与母材成分设计、原材料品质、冶炼、炉外处理、轧制方式与工艺、热处理方法及工艺等等密切相关。母材热影响区出现冷裂纹、热裂纹、再热裂纹及层间撕裂的根本原因在于母材的工艺焊接性。

3 标准规范对母材焊接性的规定

  国内承压设备用钢材冶炼轧制技术发展到现在的微合金化、控轧、热机械轧制（TMCP）等。TMCP钢实际上是控轧和控冷技术结合，依靠控轧和控制始冷温度、终冷温度、冷却速度，将金相组织（如铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体）的组成比例控制在一定的量，从而获得所需要的强度与韧性。

  我国承压设备中钢材（板、锻件）标准中都加入了微合金化元素，如Nb含量0.005%~0.10%，V含量0.01%~0.35%，Ti含量0.010%~0.035%，B含量≤0.0010%。现行承压设备钢材标准规定了焊前力学性能、成分要求，从未提及焊后的力学性能。使用单位既不清楚钢材合金体系，也不了解微合金元素、稀土元素、原材料来源，更不清楚冶炼、轧制工艺、热处理工艺，怎么能掌握钢材的焊接性？

  长期以来，我国锅炉压力容器规范、标准中对母材焊接性的规定，只有“应当掌握材料的焊接性能”、“是焊接性良好的钢材”等期望用语。在承压设备用钢材核心标准中，除GB/T9711-2017《石油天然气工业管线输送系统用管道》以外，其他所有的锅炉、压力容器和压力管道用钢材标准中都没有提及焊接性要求。2021年1月4日，市场监管总局发布了TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》第1号修改单，明确提出对该规程协调标准中标准抗拉强度下限值大于540MPa或者用于设计温度低于-40℃的低合金钢板及锻件，境内材料制造单位首次制造时应当向材料使用单位提供材料焊接性试验报告。在该规程修改单中对材料的焊接性提出要求，说明材料焊接性的重要。

4钢材制造商应对焊接性负责

4.1 焊接性的意义

  不能将钢材焊接性简单理解为只是产不产生裂纹问题。焊接性包括三方面的意义，见图5。

图5  焊接性的意义（DIN8528）

  （1）钢材（母材与焊材）的焊接适应性。母材主要承受热焊接性和使用焊接性，焊材主要为冶金焊接性。

  （2）制造的焊接可行性。包括焊接方法、焊接工艺参数、预热和焊后热处理，这些与冶金焊接性、使用焊接性关系密切。

  （3）设计的焊接可靠性。包括结构设计、接头形状与尺寸、载荷、构件板厚及焊缝布置，这些与使用焊接性联系密切，也与热焊接性相关。

  钢材对焊接的适应性是焊接性的基础，决定了建造的焊接可行性与设计的焊接可靠性。焊接是一门实践性非常强的学科，设计人员应在焊接实践基础上，合理选用标准、资料中的参数。

4.2 中外承压设备用钢材标准对焊接性的规定

  国内只有GB/T 9711—2017的9.15条PSL2钢管焊接性中规定“如果协议，制造商应提供相关钢级的焊接性数据，否则应进行焊接性试验。因此，订货合同应规定进行焊接性试验的细节和验收极限”。GB/T34275—2017《压力管道规范  长输管道》中引用了GB/T 9711标准，采用PSL2级钢管，应遵守相关焊接性的规定。

  美国ASME规范中SA-20/SA-20M《压力容器用钢板通用要求》专门为采购订货使用的附件，即“补充要求”，在其S25条款中规定“应进行焊接性试验。试验类型及验收标准由钢厂或加工厂与采购方商定”。

  我国钢材制造商常拿出按NB/T47014-2011《承压设备用焊接工艺评定》做的焊接工艺评定报告当做钢材焊接性试验报告，这是对钢材焊接性的错误理解。

  对于钢材制造商来讲，还没有掌握该钢材的焊接性，既没有具体产品，也不知道设计要求，更不清楚制造工艺，究竟依据哪个制造过程，依据什么拟定焊接工艺？钢材制造商出示的所谓“焊接工艺评定”，实际上只是一次焊接小试验，其结果只能表明使用某种焊接方法，在特定的焊接工艺参数条件下，试件焊接接头的拉伸、弯曲和冲击性能，除此之外的如该钢材的工艺焊接性如何？裂纹敏感性如何？热焊接性如何？冶金焊接性如何？如果都不清楚，该钢材的焊接性又从何谈起？

  钢板制造商要对钢板焊接性负责，锻件、管材制造商也应对自己制造产品的焊接性负责，同样焊材制造单位也要对焊材焊接性负责。

4.3 使用焊接性试验方法

  使用焊接性就是焊接接头或整体结构满足设计文件规定的使用性能的程度。根据承压设备各不相同的使用条件，进行不同的使用焊接性试验。大体分为五类：

  （1）焊接接头力学性能试验；

  （2）焊接接头抗脆断性能试验；

  （3）焊接接头疲劳与动载荷性能试验；

  （4）焊接接头耐蚀性试验；

  （5）焊接接头高温性能试验。

  如果在热影响区发生了使用性能的问题，而热影响区宽度很小，其各部位又因连续冷却组织转变及应力、应变不一致而分成更小的区间，若对逐个区间进行更深入的研究，很难制取试样。如果能将热影响区某个指定区间内的金相组织、应力、应变过程再现，并放大几何尺寸，方便进行各种性能测试与检验，这就是焊接热、应力、应变模拟试验技术，国内使用已经比较普遍了。

  焊接接头使用性能试验与钢材出厂试验不同，需要制备专用试样。专用试样不仅能使焊接接头的焊缝、熔合区与热影响区都经受检测，而且受检验环境一致、条件相同，但检验结果与母材不一定相同，合格指标也不相同。

  焊接接头冲击试验的合格指标按照承压设备安全技术规范和标准，见表2 ^[4]。

表2  碳素钢和低合金钢（钢板、钢管和钢锻件）冲击吸收能量

  表2中规定的冲击吸收能量不仅是出厂原材料（板、管、锻件）最低要求，还是对焊接接头的要求，而且也是经历制造过程中的冷加工、热加工、长期服役、维修，最后在设计寿命终止之前的韧性合格指标。

5 结语

  （1）母材与焊材的焊接性是确保承压设备焊接质量的基础，应当引起材料、设计、制造等方面的重视。

  （2）要改善热影响区性能，应从母材使用焊接性着手，焊接材料、焊接工 艺仅可起辅助作用。

  （3）母材与焊材制造商应对产品的焊接性负责，在标准中应有所规定。在产品质量证明书中应当保证焊接热影响区的冲击韧性；

  （4）应当尽快编制“承压设备用钢材采购导则”。现行的承压设备用钢板、锻件和管材标准都是最基本的使用要求，并不能满足承压设备监督管理和多方面的技术要求，难以适应承压设备发展。依据钢材（板、管、锻件）国家标准，按照承压设备的要求，编制“承压设备用钢材采购导则”标准是必要的，对承压设备钢材最基本的质量要素做出规定，作为各种钢材采购基础。

参考文献：

[1] 中国机械工程学会、焊接学会.焊接手册第二卷（第三版）[M].北京市：机械工业出版社，2014年， 130~132.

[2] 傅积和、孙玉林.焊接数据资料手册[M].北京市：机械工业出版社，1997年，37.

[3] 陈伯鑫.焊接工程缺欠分析与对策（第二版）[M].北京市：机械工业出版社，2006年，197~209.

[4] TSG 21—2016，固定式压力容器安全技术监察规程[S].

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