特種設備用鋼材及焊接基礎知識

(一)承壓類特種設備用鋼

鋼材是制造承壓類特種設備的主要材料。鋼材的質量及性能的好壞對于承壓類特種設備安全運行，有著重要的影響和作用。

1．按鋼中所含化學成分分

按鋼中所含化學成分可以將鋼分成碳素鋼和合金鋼兩大類：

2．按金相組織分

鋼材經正火處理后所得金相組織不同，可分為珠光體鋼、貝氏體鋼、奧氏體鋼、鐵索體鋼。

鋼在加熱或冷卻中沒有相變，始終保持鐵素體組織，此種鋼稱為鐵素體鋼。高鉻鋼即屬于鐵素體鋼，具有較高的抗氧化能力。碳在α-Fe中的固溶體稱為鐵素體，用符號F表示。

(二)金屬的機械性能

所謂金屬的機械性能是指在一定的溫度條件和外力作用下，抵抗變形和斷裂的能力，如強度、硬度、塑性、韌性等，也稱力學性能。

以低碳鋼為例，金屬材料受拉伸外力作用引起的變形過程可分3個階段，即彈性變形、塑性變形、斷裂變形3個階段。由拉伸試驗可獲得強度和塑性指標。

1．強度

金屬強度是指在外力作用下，抵抗變形和破壞的能力。應用最普遍的是強度指標。強度指標主要是屈服極限(σs或σ0．2)和抗拉強度極限(σb)。

2．塑性

金屬的塑性是指在外力作用下，能引起永久變形而不發生破裂，并在外力取消后，仍能保持變形后外形的能力。材料的塑性值也可通過拉伸試驗測得，通常用伸長率δ(延伸率)和斷面收縮率ψ來表示。

3．沖擊韌性

金屬的沖擊韌性即為在沖擊力作用下，抑制變形和斷裂的能力。它還是金屬材料在塑性變形范圍內吸收能量的能力，因此，也可按沖擊值的大小來衡量材料的塑性。目前國內外廣泛采用一次擺錘彎曲試驗，缺口型式有夏比(U)和夏比(V)兩種。表示沖擊韌性的參數也有兩種，一種是以沖斷試樣消耗的沖擊功Ak(單位：J)表示；另一種是以單位缺口處斷面所耗的沖擊功ak(單位：J／cm2)表示。目前壓力容器鋼板全部改為用夏比(V)沖擊功(即AkV)作為沖擊韌性驗收標準。只有少數壓力容器鍛件還用夏比(U)沖擊值(即akU)作為沖擊驗收標準。

鋼中氣體含量較高或晶粒粗大，則韌性差。根據沖擊后斷裂的形式，可以判定材料的質量及晶粒大小。沖擊韌性試驗還能測定金屬材料由韌性狀態向脆性狀態過渡的轉變溫度。

4．硬度

硬度是指金屬材料抵抗更硬異物壓進的能力。硬度表明材料的耐磨性和切削加工的可能性。一般說來，硬度較高，材料的耐磨性較好。常用的硬度有布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HR)、維氏硬度(HV)3種。

5．冷彎

冷彎性能是材料抵抗彎曲斷裂能力的標志，它間接反映了材料的塑性。這個試驗既可檢查鋼的塑性好壞，也可以考核其加工工藝性能，也能暴露鋼板受試面缺陷以及焊接接頭的焊接缺陷。

6．斷裂韌性

斷裂韌性是反映材料對裂紋擴展的抵制能力。對于中低強度鋼的斷裂韌性，目前較普遍采用臨界裂紋張開位移(COD)值δc表示；對于高強鋼的脆斷題目，則應用材料的平面應變斷裂韌性值Kic表示。

7．金屬材料高溫機械性能

煉油化工設備相當數目是在中等溫度(＜350℃)和高溫下使用。中、高溫壓力容器通常以350℃分界；而金屬材料機械性能概念中，通常高于室溫均作高溫對待。

(三)焊接

焊接是通過加熱或加壓或同時加熱加壓，使焊件連接部位形成原子結合的一種工藝加工方法。

承壓類特種設備受壓元件焊接中焊接方法有兩大類：一類是熔焊，就是將焊件接頭加熱到熔化狀態(不加壓)完成焊接的方法；另一類是壓焊，就是將焊件接頭施加壓力(加熱或不加熱)完成焊接的方法。每一類中都包括很多具體的焊接方法。

承壓類特種設備受壓元件中常用的焊接方法大多屬熔焊，例如手工電弧焊，自動埋弧焊；手工鎢極氬弧焊，自動氣體保護焊，電渣焊等。屬于壓焊的摩擦焊在電站鍋爐制造的管子焊接中用得也較多。

1．手工電弧焊

1)特點

手工電弧焊是通過手工操縱焊條與焊件產生電弧，利用電弧熱使焊件局部和焊條熔化形成熔池完成焊接的方法。

手工電弧焊的特點是，對材料和焊接位置適應性強，適于焊接碳鋼、低合金鋼、耐熱鋼、不銹耐蝕鋼等，適于鍋爐制造、安裝、修理中各種位置的焊接，設備簡單，便于使用和維護；焊鉗小，操縱靈便；焊接質量受焊工操縱技術水平的影響很大，對焊工操縱技能要求較高，生產率較低，焊工的勞動強度較大；有些情況下焊接工作條件較差。

2)焊絲和保護氣體

熔化極氣體保護焊的焊絲作用、分類、鋼號，及其使用和治理與自動埋弧焊的焊絲相似，一般對焊絲表面的清理要求更嚴。

保護氣體常用的有氬氣、富氬混合氣、二氧化碳氣。鍋爐受壓元件中很少用二氧化碳氣，而較多用富氬混合氣，常用的有不少于80％氬與不超過20％二氧化碳混合、98％氬與2％氧氣混合等，混合氣體保護使電弧穩定，焊縫成形美觀，焊縫質量好。混合氣體可采用已混合好的瓶裝氣體，也可采用單種氣體經混合器進行混合后用于焊接。

5．電渣焊

電渣焊是利用電流通過液態熔渣產生的電阻熱將焊件與焊絲熔化進行焊接的一種熔焊方法。

電渣焊的特點是：可以一次焊成很厚的焊件而不需開坡口和多層焊，因此生產效率高；采用渣池保護，避免空氣與熔池接觸。由于焊接速度較慢，因此熔池中的氣體和雜質易于浮出，焊縫中氣孔和夾渣很少；由于焊接速度較慢，焊件在高溫停留時間較長，熱影響區寬，近縫區晶粒粗大，塑性和韌性降低，所以焊件在焊后一般都進行正火熱處理；焊劑消耗很少，焊縫化學成分的調整主要靠電極。

6．摩擦焊

摩擦焊是利用焊件表面互相摩擦產生的熱使端面達到熱塑性狀態，然后迅速頂鍛而完成焊接的一種壓焊方法。

摩擦焊的特點是：焊接過程快，生產率高；工藝參數自動控制，操縱簡單，焊接質量較好；適用的接頭型式有限；對參數的丈量和控制要求嚴格；用無損檢測方法檢查接頭內部質量有一定困難。