特種設(shè)備用鋼材及焊接基礎(chǔ)知識

(一)承壓類特種設(shè)備用鋼

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

1．按鋼中所含化學(xué)成分分

按鋼中所含化學(xué)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(jīng)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(jī)械性能

所謂金屬的機(jī)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(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等，也稱力學(xué)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(yàn)可獲得強(qiáng)度和塑性指標(biāo)。

1．強(qiáng)度

金屬強(qiáng)度是指在外力作用下，抵抗變形和破壞的能力。應(yīng)用最普遍的是強(qiáng)度指標(biāo)。強(qiáng)度指標(biāo)主要是屈服極限(σs或σ0．2)和抗拉強(qiáng)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(fā)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(yàn)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(nèi)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(nèi)外廣泛采用一次擺錘彎曲試驗(yàn)，缺口型式有夏比(U)和夏比(V)兩種。表示沖擊韌性的參數(shù)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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。只有少數(shù)壓力容器鍛件還用夏比(U)沖擊值(即akU)作為沖擊驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

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

4．硬度

硬度是指金屬材料抵抗更硬異物壓進(jìn)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(biāo)志，它間接反映了材料的塑性。這個試驗(yàn)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．?dāng)嗔秧g性

斷裂韌性是反映材料對裂紋擴(kuò)展的抵制能力。對于中低強(qiáng)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(qiáng)鋼的脆斷題目，則應(yīng)用材料的平面應(yīng)變斷裂韌性值Kic表示。

7．金屬材料高溫機(jī)械性能

煉油化工設(shè)備相當(dāng)數(shù)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(jī)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(jié)合的一種工藝加工方法。

承壓類特種設(shè)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(tài)(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(shè)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(hù)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(diǎn)

手工電弧焊是通過手工操縱焊條與焊件產(chǎn)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(diǎn)是，對材料和焊接位置適應(yīng)性強(qiáng)，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(shè)備簡單，便于使用和維護(hù)；焊鉗小，操縱靈便；焊接質(zhì)量受焊工操縱技術(shù)水平的影響很大，對焊工操縱技能要求較高，生產(chǎn)率較低，焊工的勞動強(qiáng)度較大；有些情況下焊接工作條件較差。

2)焊絲和保護(hù)氣體

熔化極氣體保護(hù)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(yán)。

保護(hù)氣體常用的有氬氣、富氬混合氣、二氧化碳?xì)狻ｅ仩t受壓元件中很少用二氧化碳?xì)?，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(hù)使電弧穩(wěn)定，焊縫成形美觀，焊縫質(zhì)量好?；旌蠚怏w可采用已混合好的瓶裝氣體，也可采用單種氣體經(jīng)混合器進(jìn)行混合后用于焊接。

5．電渣焊

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

電渣焊的特點(diǎn)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(chǎn)效率高；采用渣池保護(hù)，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(zhì)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(qū)寬，近縫區(qū)晶粒粗大，塑性和韌性降低，所以焊件在焊后一般都進(jìn)行正火熱處理；焊劑消耗很少，焊縫化學(xué)成分的調(diào)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(chǎn)生的熱使端面達(dá)到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛而完成焊接的一種壓焊方法。

摩擦焊的特點(diǎn)是：焊接過程快，生產(chǎn)率高；工藝參數(shù)自動控制，操縱簡單，焊接質(zhì)量較好；適用的接頭型式有限；對參數(shù)的丈量和控制要求嚴(yán)格；用無損檢測方法檢查接頭內(nèi)部質(zhì)量有一定困難。