承压设备CrMo高强钢焊接修补的工艺优化

1、课题研究的意义及背景

1.1本项目是国家十三五重点研发计划研究的一部分。高强钢制承压设备用于各种危险介质的储存，长期服役后可能出现腐蚀减薄或开裂现象。工程上一旦检验发现超标缺陷，需打磨消除危害性缺陷。然而，打磨后，金属局部壁厚减少，可能影响承压结构本体强度，往往需要修补。对于高强钢修补一直是工程上的难题，如果处理不当，可能出现越补越裂。本课题拟采用弹塑性有限元方法，开发结构-热顺序耦合技术，实现虚拟焊接过程，采用数值方法研究CrMo耐热钢焊接热输入、拘束度对结构焊接残余应力的影响，以寻求合理的焊接修补工艺。

承压设备用钢一般用来制造石油化工行业的球罐、汽油储罐和各种化工容器，为厚板钢中一大类专用附加值产品，承压设备用钢要求有足够高的强度、良好的韧性和优良的焊接性能，高的耐腐蚀性能。特别是近年来高压容器和超高压容器的广泛使用，对承压设备的安全性提出了更高的要求，钢板是制作压力容器的主要材料，其质量是保证承压设备安全运行的关键因素。

1.2低合金钢研究现状

1.2 低合金高强钢的研究现状

低合金高强钢是指添加有微量合金元素的普通碳素钢，其中合金元素的添加主要起到固溶强化、细晶强化及弥散强化的作用。低合金高强钢的屈服强度σs 在275MPa以上，其中主要合金元素碳、硅及锰的总含量低于 5%。低合金高强钢由于其低的碳含量、高的屈服强度、小的晶粒尺寸和良好的塑性，使其具有良好的焊接性、低温韧性、耐蚀性和冷加工性能。低合金高强钢的强韧化主要通过铌、钒和钛的第二相弥散析出获得。国外对于低合金高强钢的研究始于十九世纪后期，至今已发展了 140 多年，从合金设计的角度看主要经历了以下几个阶段：

二十世纪初期，由于桥梁和船舶技术的快速发展，普通的低碳钢逐渐满足不了其性能要求，钢材的强度级别急需提高。早期低合金高强钢的设计主要注重材料抗拉强度的提高，而忽略了其韧性、焊接性及成形性，碳含量在 0.3%以上，合金元素总量在2%-3%左右，个别钢种甚至更高。

1920 年以后的 40 年内，焊接技术开始被应用到在钢材结构中。由于焊接热循环会导致热影响区的硬化和开裂，从而恶化母材近缝区性能，因此对低合金高强钢的焊接性能提出了要求。焊接时母材的成分和焊接热过程是影响焊接热影响区硬化程度的主要因素，其中碳是影响焊接性的主要元素，低合金高强钢要得到好的可焊性则必须降低碳含量。这个阶段，低合金高强钢的碳含量一般在 0.2%以下，并含有 2-4 个合金元素。

二十世纪中后期，低合金高强钢品种的增加使其用途和产量迅速增加。这个发展阶段的标志是研究出微合金钢和新的冶炼工艺。这一阶段研究者们为了充分了解铌、钒和钛等在改善钢材性能方面的作用，对添加了该种元素的钢材组织及性能进行了深入的研究。