复合钢板焊接工艺评定

复合钢板焊接工艺评定

郭晶张寿增

【关键词】钢板,复合材料,腐蚀,焊接工艺评定

【论文摘要】复合钢板焊接的实质是基层材料的焊接和在基层材料上堆焊耐蚀层，了解这一点对合理进行复合钢板的焊接工艺评定至关重要。

中图分类号：TG 44 文献标识码：B

Welding procedure qualification for clad steel plates

GUO Jing，ZHANG Shou-zeng

(Dalian Nanhai Pressure Vessel Factory，Dalian 116031, China)

Abstract:The welding of clad steel plates is essentially the combination of welding of base metal with overlaying of corrosion resistant deposit on the base metal. This acknowledgement is helpful for properly performing the qualification tests.

Key words:steel plate; composite;corrosion; welding procedure qualification 使用复合钢板建造化工设备和压力容器是为了节约贵重耐腐蚀金属材料，同时利用低合金高强度钢作基层，提高设备承压能力，从而实现使用性能和经济效果优化组合的目的。ASME规范第Ⅸ卷，第QW-217条，是关于复合钢板焊接工艺评定的专门条文［1］，是目前最全面、最合理的规定。

1 复合钢板焊接本质

以单面坡口为例(图1)，复合钢板的焊接分两步来完成：①焊接基层，把基层坡口填充至H深度，H小于复合钢板的基层厚度T。这样做的目的是为了防止焊接基层部分时熔化复层金属。这一阶段的焊接与焊接单一基层材料没有任何区别。②焊接复层，其基本要点是保持尽量浅的熔深，以减轻基层材料对耐蚀熔敷金属的稀释作用。不难看出，这一阶段焊接的实质，就是在基层材料上堆焊耐蚀金属。

把复合钢板的焊接明确理解为基层材料的焊接和在基层材料上堆焊耐蚀金属，对正确理解ASME规范关于复合钢板焊接工艺评定条款，恰当而灵活地进行评定实验，并充分利用评定结果是至关重要的。

图1 单面坡口焊接

2 ASME规范规定

2.1 评定方法

当设计计算计入复层金属厚度时，需要用复合钢板进行评定实验。在拉伸试件和弯曲试件上都必须保留全厚度的复层金属。

对强度计算时不考虑复层金属厚度的情况，规范规定了两种方法。第一种方法与前面的相同。第二种方法则完全不用复合钢板，只用基层材料，分别制备1件坡口焊试板和1件耐蚀金属堆焊试板，再分别在其上取样进行力学性能实验和耐蚀堆焊金属化学成分分析。

2.2 评定范围

不论上述哪一种情况，也不管采用哪一种方法进行评定。评定的基层金属厚度都是由实际焊接的基层金属厚度按第QW-451条的规定确定的。熔敷金属的评定厚度，对基层焊缝也由所用焊接方法实际熔敷的厚度按第QW-451条来确定。耐蚀熔敷金属的评定范围，下限由化学成分分析来确定，上限没有限制。对复合钢板复层金属(母材)，没有评定厚度范围的规定和限制。

3 讨论

3.1 力学性能实验

对设计计算时计入复层金属厚度的情况，拉伸试件和弯曲试件上都必须保留全厚度的复层材料。对强度计算时不考虑复层材料厚度的情况，当采用复合钢板试板进行评定实验时，拉伸试件上的复层材料一定要加工去除。这种方法不如采用基层材料试板进行评定更为方便。

3.2 腐蚀实验和化学成分分析

(1)ASME规范把复合钢板复层焊接工艺的评定，规定为按照在基层材料上堆焊耐蚀层的方法进行。无论ASME规范，还是我国JB 4708—92都规定，对耐蚀堆焊层只进行化学成分分析，而不进行腐蚀实验。很明显其隐含的意思是只要分析部位的化学成分符合规定，分析部位以上的堆焊金属就具有要求的耐腐蚀性能，勿须实验证明。所以复合钢板的焊接工艺评定，不管采用哪种方法都不需要进行腐蚀实验。

(2)ASME规范1992年以前的版本以及我国JB 4708－92对耐蚀堆焊层的取样方法规定相同，见图2a。即先确定评定平面位置，把评定平面以上的堆焊金属加工弃去。然后从评定平面往下0.5 mm范围内取样，进行化学分析。如分析结果合格，则从熔合线到评定表面的距离为评定的最小堆焊层厚度。

图2 取样位置

从1995年版开始，ASME规范把耐蚀堆焊层的分析取样图改成了图2b所示的形式。规定直接在确定的评定表面上或从评定表面往下取样进行化学分析。评定的最小堆焊层厚度为熔合线至评定平面或取样钻孔上边缘的距离。图中t1～t5为根据分析或取样位置不同，评定的最小堆焊厚度可能值。

3.3 与其他焊接工艺评定的关系

ASME规范对复合钢板焊接工艺评定的规定，不仅恰如其份地体现了复合钢板焊接的实质，而且建立起了复合钢板焊接工艺评定与基层材料坡口焊评定及耐蚀层堆焊评定之间的关系。尤其强度计算不计复层材料厚度，又不用复合钢板，而只用基层材料进行评定时，这种关系表现得尤为明显。这对实际评定工作带来以下几点方便。

(1)一个单位在第一次制造复合钢板设备之前，一般生产过许多台单一材料的钢制设备，积累有许多项焊接工艺评定报告。如果复合钢板的基层材料与过去评定实验用的试板材料相同或可以划归在同一分类号之下，其他条件又在覆盖范围之内，则完全可以用已完成的评定支持复合钢板基层材料的焊接工艺，而不必另做重复评定。在这种情况下，只需做一项耐腐蚀堆焊评定就够了。

(2)一个单位在生产首台复合钢板设备之前，还可能制造过不锈钢设备。为节约不锈钢材料，现在大多数不锈钢设备上的人孔和大直径接管都采用组合形式，其典型结构见图3。其中焊缝A焊接的实质，就是在碳素钢或低合金钢上堆焊耐蚀层。如果其他条件都在覆盖范围之内，那么为焊接象图3中A这类焊缝而完成的焊接工艺评定，也同样可以用来支持复合钢板复层材料的焊接，而不必重新评定。所以为制造复合钢板设备，即使是刚起步，也不一定需要进行全套焊接工艺评定工作，甚至一项都不需要做也有可能。

(3)为制造复合钢板设备完成的焊接评定，尤其是用复合钢板材料、拉伸试件不保留复层材料或只用基层材料完成的焊接工艺评定，其中对基层的评定结果，完全适用于单一基层材料设备的焊接。为复层焊接完成的评定，也可以用于其他堆焊场合，如大面积堆焊，复合钢板复层的修复，衬里设备上的焊点及图3中A类焊缝的焊接。

图3 开孔接管结构

4 实际应用

近几年，作者完成过许多项为制造复合钢板设备所需要的焊接工艺评定，这些设备都是按复层材料只起抗腐蚀作用设计的。

4.1基层材料焊接工艺评定

设备的基层材料为20R、16MnR和15CrMoR(国内设备)及SA-516、Cr60与SA-516Gr70(出口设备)，由于已有许多项用这些材料完成的焊接工艺评定报告，经审查合用，所以没有再重新进行评定。

4.2复层材料的焊接工艺评定

用在基层材料上堆焊耐腐层的方法进行评定。

(1)评定面位置确定常用坡口形式见图4a。基层焊完后，先焊过渡层至越过复层和基层材料的结合面约1 mm，然后再焊覆面层。

图4 常用坡口形式

评定实验过程：先在基层材料的试板上堆焊过渡层，测量堆焊层表面至基体表面的距离，如果超过2 mm，则加工至2 mm。再在其上堆焊覆面层，而且只堆焊一层。在作了表面渗透检验和取出4个侧弯试件后，把堆焊层加工到距基体表面2.5 mm处，这就是评定面位置。由此平面往下在0.5 mm范围内取样，进行化学成分分析，见图5。按这种方式完成的多项评定，如果分析结果都符合焊条标准中对焊接复面层所用焊条熔敷金属的规定范围，即评定均为合格。这样评定的最小堆焊层厚度为至基体表面2.5 mm，至过渡层表面0.5 mm。用于复层厚度3 mm的复合钢板焊接，至少保证自复层钢板外表面起1.5 mm范围内的熔敷金属满足抗腐蚀性能要求。

图5 评定面位置示意

(2)元素分析由于使用的化学分析方法不够先进，取出供分析的样品有限。所以

只分析了决定不锈钢焊缝腐蚀性能的主要元素C、Cr、Ni、Mo和Nb，而没有分析Mn、Si、S和P。这样完成的焊接工艺评定报告，提交外方审查(指出口设备)被认可，授权检验师也没有提出异议。尽管如此，但总觉得尚有待改进和完善。

5 结论

复合钢板焊接的实质是焊接基层材料和在基层材料上堆焊耐蚀金属，以文中述及的认识为基础而确定的复合钢板焊接工艺评定方法是合理的，在大多数情况下可以减少评定项目，并扩展评定结果的应用范围。作者简介：郭晶(1937-)，男(汉族)，山西省洪洞县人，1962年结业于清华大学焊接工艺及设备专业，教授级高工，现在从事压力容器焊接工艺工作。

作者单位：大连南海压力容器制造厂，辽宁大连116031

参考文献：

［1］ASME boiler and pressure vessel code, sec.Ⅸ［S］.New York：ASME，1995.