奥氏体不锈钢应变强化焊接基本工艺评定专项方案.doc

固定式奥氏体不锈钢应变强化低温容器

焊接工艺评估方案

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审核：

批准：

重庆中容石化机械制造有限公司

10月

一、 总则
奥氏体不锈钢具备良好综合力学性能和优秀抗腐蚀性能及良好低温使用性能，是一种应用广泛压力容器用钢。普通奥氏体不锈钢屈服强度较低，屈强比小，按照现行安全系数，其许用应力由材料屈服强度决定，由实际应用经验证明，由此办法拟定材料许用应力与材料在低温使用条件下强度值较大，因而导致设计低温压力容器壁厚较厚、设备笨重，材料挥霍严重，制造和运送成本较高。运用应变强化工艺，在保证奥氏体不锈钢原有力学性能不受大影响前提下，使材料发生一某些塑性变形，可以有效提高奥氏体不锈钢屈服强度。采用应变强化后材料新屈服强度设计容器，其壁厚普通可以减薄30%～50%，有助于节约材料，减少制导致本及运送中能耗，经济效益明显。
二、 编制根据
奥氏体不锈钢应变强化低温容器焊接工艺评估，针对奥氏不锈钢应变强化先后力学性能变化及我司低温容器焊接接头特点进行焊接工艺评估实验。按照Q/TCZR4207-《固定式奥氏体不锈钢应变强化低温容器》、GB150.1～150.4-《压力容器》、NB/T47014-《承压设备焊接工艺评估》、NB/T47016-《承压设备产品焊接试件力学性能检查》规定及规定进行编制。
1、 焊接工艺评估普通规定
1.1、焊接工艺评估实验应按NB/T47016-《承压设备产品焊接试件力学性能检查》规定；
1.2、焊接工艺评估应在本单位进行。焊接工艺评估所用设备、仪表应处在正常工作状态，金属材料、焊接材料应符合相应原则，由本单位操作技能纯熟焊接人员使用本单位设备焊接试件；
1.3、对接焊缝试件评估合格焊接工艺合用于角焊缝；
1.4、在焊接本工艺评估前，应一方面对本工艺评估提出相应预焊接工艺规程，焊接工艺评估合格后，提出相应焊接工艺评估报告；
1.5、焊接工艺评估方案评估内容及成果应当由单位焊接责任工程师审核，技术负责人批准，通过监检人员承认后方可进行。
三、 焊接工艺评估目
1、本次焊接工艺评估，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根据；
2、评估奥氏体不锈钢应变强化低温容器所采用焊接办法，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提高，为采用应变强化后新屈服强度提供理论基本。
四、 焊接工艺评估项目
本次焊接工艺评估实验材料将选用国产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，以检查美国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办法多样（埋弧焊，焊条电弧焊，钨极氩弧焊），且实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估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估项目，序号13~24为应变强化之后焊接工艺评估项目。

表1 焊接工艺评估实验项目

序号
焊接办法
评估母材
母材规格
焊接位置
应变强化前实验项目
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
应变强化后实验项目
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
本次工艺评估由技术、质量、生产、专业焊接管理人员、焊工、无损检测人员构成专业小组，负责本次焊接工艺评估组织实行。焊接工艺评估焊接人员，必要由我司纯熟焊工进行焊接，并邀请驻厂监检人员现场监督指引。
表2 焊接工艺评估实验机构人员构成
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
检查员
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、 焊接工艺评估
1、母材
奥氏体不锈钢应变强化焊接工艺评估试板(S30408 和S30400)，必要是按炉进行化学成分复验和按批进行力学性能复验合格板材，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

如下表5~表8为焊接工艺评估各种材料各种厚度化学成分与力学性能表。

表5 S30408 δ8化学成分与力学性能表

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化学成分与力学性能表

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化学成分与力学性能表

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化学成分与力学性能表

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可看出所选用评估试板均符合规定。焊接工艺评估试件尺寸规格选用依照NB/T47016规定及实际状况综合考虑，试件单边板尺寸为550mm×150mm（如图1所示），依照表1得出各种母材规格厚度如下表9所示。焊接工艺评估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 本次焊接工艺评估焊接材料涉及：焊条、焊丝、焊剂、氩气保护气体。
2.2 焊接材料选用原则：
a) 、焊缝金属力学性能应高于或等于母材规定下限值；
b) 、焊接材料选用应符合NB/T47018规定。
本焊接工艺评估相似焊接办法两种材料所选用焊接材料均相似，且不分应变强化与否。详细见下表10。所选焊接材料化学成分与力学性能见表11~表13.
表10 焊接材料选取
序号
母材
规格
焊接办法
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分与力学性能表
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
弯曲实验
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分与力学性能表
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
弯曲实验
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分与力学性能表
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
弯曲实验
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
本次焊接工艺评估所选用焊接设备为埋弧焊机，焊条电弧焊机，钨极气体保护焊机，焊接工艺评估焊接设备与应变强化低温容器焊接设备为相似设备。详细见下表。
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、 焊接工艺评估试件准备
不锈钢应变强化焊接工艺评估试件是由两块钢板对接构成（见图1）。不同焊接办法有不同坡口型式，涉及坡口角度，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。详细见表16。
表16 不同焊接办法所相应坡口型式
序号
焊接办法
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。组对完毕后，坡口间隙、错边量、棱角度等都应符合有关规定。组对完毕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，别的两种焊接办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，应依照规定编制预焊接工艺规程。焊接时各参数选用应按预焊接工艺规程。下表为各种焊接办法预焊接工艺规程某些参数。
表17 埋弧焊参数表
焊道
焊层
焊接
办法
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
办法
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
办法
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） 、焊接环境浮现下列任一状况时，应采用有效防护办法，否则禁止施焊；
a) 、风速：气体保护焊不不大于2m/s,其他焊接办法不不大于10m/s；
b) 、相对湿度不不大于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。焊接完毕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，修磨深度应不不不大于该部位母材厚度5%，且不不不大于2mm，否则应进行补焊。焊接时，要严格控制试件线能量。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、 焊接工艺评估检查
1、 焊接完毕对试件进行检查
1.1 焊接试件检查项目：外观检查、无损检测
外观检查：焊接试件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，深度不不不大于20%T（T为母材厚度），且不不不大于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
办法
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：焊接试件射线检测按照NB/T47013.2-《承压设备无损检测》原则进行，射线检测技术不低于AB级，焊缝质量级别不低于Ⅱ级。
2、 力学性能实验和弯曲实验
2.1力学性能实验和弯曲实验项目和取样数量按表20取样

表21 力学性能实验和弯曲实验项目和取样数量
试件母材厚度T(mm)
拉伸实验(个)
弯曲实验(个)
冲击实验(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、未进行应变强化解决拉伸实验试样为4个，2个常温实验，2个-196℃低温实验。
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，冲击实验尺寸为5mm×10mm×55mm.

2.2力学性能实验和弯曲实验取样
焊接试件取样时，采用冷热加工办法均可，但采用热加工办法取样时，则应去除热影响区。图2为焊接试样样坯位置及尺寸。

2.3 拉伸实验
2.31取样和加工规定：
a)、未进行应变强化解决试样：切取未进行应变强化解决拉伸实验试样样坯时应保存焊缝余高。之后将样坯制成试样时应以机械加工办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规定，如图4所示。
b)、9%应变强化解决试样：切取9%应变强化解决拉伸实验试样时先须保存焊缝余高，之后再将试样样坯逐件在拉伸实验机上，通过原始标定作9%拉伸应变。卸载后静默15min完毕其应变强化过程。之后再将拉伸试样样坯以机械办法去除焊缝余高。并满足各种试样对表面质量规定，如图4所示。
拉伸实验试样加工完毕后，对未进行应变强化解决试样和9%应变强化解决试样分别打上永久性标志，以示区别。

2.3.2 实验办法：未进行应变强化试样拉伸实验分为常温拉伸和-196℃低温拉伸，按照GB/T228规定实验办法分别测定焊接接头抗拉强度，0.2%屈服强度，1.0%屈服强度，并计算断后伸长率。应变强化后拉伸实验只进行常温拉伸，按照GB/T228规定实验办法测定焊接接头抗拉强度，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：每个试样抗拉强度应不低于Q/CZR4207-原则规定母材抗拉强度最低值。
2.4 弯曲实验
2.4.1 取样和加工规定：
a)、未进行应变强化解决试样：试样焊缝余高采用机械办法去除，面弯、
背弯试样拉伸表面应加工齐平，试样表面不得有划痕和损伤，并满足
各种表面规定。
b)、9%应变强化解决试样：切取9%应变强化解决弯曲实验试样时先须保
留焊缝余高，之后再将试样样坯逐件在拉伸实验机上，通过原始标定作
9%拉伸应变。卸载后静默15min完毕其应变强化过程。之后再将弯曲
试样样坯再以机械办法去除焊缝余高。并满足各种表面规定。
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，弯曲实验为侧弯实验，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 实验办法：弯曲实验按GB/T2653实验办法测定焊接接头完好性和塑性。
2.4.3 合格指标：a)弯曲角度180°，无裂纹；b)弯曲角度不大于180°浮现裂纹时，单条裂纹长度不得不不大于3mm，同步应满足如下条件，当弯曲角度不不大于等于90°时，伸长率应不不大于等于母材最小断后伸长率，即40%；弯曲角度不大于90°时，伸长率应不不大于等于30%。

2.5 冲击实验
2.5.1 试样制取：如图9所示为试样取样样坯图。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，以示区别。
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：在试件厚度上取样位置见图9；
c) 缺口位置：焊缝区试样缺口轴线应位于焊缝中心线上。
热影响区试样缺口轴线至试样纵轴线与熔合线交点距离k＞0,且应尽量 多通过热影响区，详见图10。

2.5.2 试形式、尺寸和实验办法应符合GB/T229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。规定试样及缺口尺寸与偏差在图11和表22中示出。

冲击试样尺寸与偏差
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］
原则试样
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：冲击实验实验温度为-192℃。未进行强化解决焊接试样和强化解决焊接试样焊接接头每个区3个原则试样为一组冲击吸取功平均值应符合Q/CZR4207-规定，且不低于31J。

八、 焊接工艺评估报告
奥氏体不锈钢应变强化焊接工艺评估实验完毕后来，应依照检测报告提出焊接工艺评估报告，并连同预焊接工艺规程，评估焊接记录，无损检测检查报告，评估试样检测成果一同由我司焊接责任工程师审核，技术负责人批准，通过监检人员签字确认后存入技术档案。