碳当量在碳钢压力容器选材备料中的应用.doc

碳当量在碳钢压力容器选材备料中的应用沈林摘要：本文主要介绍了碳当量的原理和计算公式，并比较了国际焊接学会（IIW）推荐的CE公式和反映钢冷裂纹敏感系数的CE（Pcm）公式之间的区别。由此对对碳当量在压力容器选材备料中的应用进行了分析。关键词： 碳当量 压力容器材料 焊接性能在碳钢压力容器图纸的材料要求中，通常会对材料的化学成分和碳当量提出要求，按照GB713-2008锅炉和压力容器用钢板6.1.1.5的要求Q245R、Q345R、Q370R等材料的碳当量计算公式为：CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 （1）具体数值由双方协定，通常我们的图纸会要求C.E.0.42，或C.E.0.45，此外图纸有时也会对焊接裂纹敏感系数Pcm（式2）提出要求，通常要求Pcm0.24。CE(Pcm)=C+Si/30+Mn/20+Cr/20+Cu/20+Mo/15+V/10+Ni/60+5B （2）有介于此，本文将讨论碳当量在压力容器选材备料中的作用。1. 碳当量的含义及公式种类钢的碳当量（carbon equivalent）就是把钢中包括碳在内的对淬硬、冷裂纹及脆化等有影响的合金元素含量换算成碳的相当含量。通过对钢的碳当量和冷裂敏感指数的估算，可以初步衡量低合金高强度钢冷裂敏感性的高低，并判断材料的焊接性能，这对焊接工艺条件如预热、焊后热处理、线能量等的确定具有重要的指导作用。20世纪50年代初，当时钢种主要采用碳元素和锰元素进行强化，在预测钢的焊接性时，应用较广泛的碳当量公式主要有国际焊接学会所推荐的公式和日本JIS标准规定的公式。60年代以后，人们为改进钢的性能和焊接性，钢中碳含量不断降低，而为了弥补强度损失又添加了其他合金元素进行补充，使得低碳微量多合金之类的低合金高强度钢得到大力发展。为此又提出了许多新的碳当量计算公式（见表1），Pcm公式又称为焊接裂纹敏感系数，即是适合含碳量较低的公式。表1. 碳当量计算公式名称公式国际焊接学会（IIW）公式CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15日本伊藤（ITO）公式CE(Pcm)=C+Si/30+Mn/20+Cr/20+Cu/20+Mo/15+V/10+Ni/60+5B美国焊接学会（AWS）公式Ceq= C+Mn/6+Si/24+ Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2日本工业标准（JIS）公式Ceq= C+Mn/6+Si/24+ Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14日本（YURIOKA）公式CEN= C+A(C)Mn/6+Si/24+Cu/15+Ni/20+(Cr+Mo+Nb+V)/5 +5B其中国际焊接学会（IIW）推荐公式CE(IIW)主要适用于中、高强度的非调质低合金高强度钢b=500900MPa。当CE(IIW)0.40%，且板厚小于20mm时，钢材淬硬倾向不大，焊接性良好；而当CE(IIW)=0.40%0.60%，特别当大于0.5%时，钢材易于淬硬，焊接性能较差。目前我国标准多采用此公式，但是该公式在计算其他元素对碳当量的影响时，没有考虑碳含量变化的区间，在碳含量较低时可能不够准确，并且该公式只考虑了C、Mn、Ni、Cu、Cr、Mo、V等元素对碳当量的影响，随着钢材合金种类增多，碳含量降低，此时再应用碳含量较高时推出的CE(IIW)公式已不能准确反映低碳含量钢的焊接性能。这可从著名的反映钢的焊接性与碳含量、碳当量的格瑞维勒（Graville）图【1】中反映出来（图1）。图1. 反映钢的焊接性与碳含量、碳当量的Graville图图中纵坐标为钢的碳含量，横坐标是CE(IIW)的值，图中分为三个反映焊接性的区域，其中易焊接区的钢种具有很好的焊接性；可焊接区的钢种通过适当的预热和焊后热处理可以焊接，具有一定的焊接性；而难焊接区的钢种即使采用了预热和焊后热处理还是难以焊接的，其焊接性差。从图中可以看出，当钢材碳含量较低时，随着碳当量的增大，钢材焊接性能并不会明显降低，也就是说当碳含量较低时CE(IIW)碳当量公式基本失效。因此API 5L 2007管线钢标准提出：按碳含量区间的不同采用不同的碳当量计算公式。当(C)0.12%时，应用CE(IIW)公式；当(C)0.12%时，则应用CE(Pcm)公式（式2）。CE(Pcm)也称焊接裂纹敏感系数是日本伊藤等人经过大量试验后所提出的，又称日本伊藤（ITO）公式，适用于C=0.07%0.22%，b=4001000MPa的低合金高强度钢。适用化学成分范围: C% 0.070.22；Si% 00.60；Mn% 0.401.40；Cu% 00.50；Ni% 01.20；Cr% 01.20；Mo% 00.70；V% 00.12；Nb% 00.04；Ti% 00.05；B% 00.005。该公式增加了合金元素种类，同时降低了各元素对碳当量的影响因数，能够更好的反映低碳时钢材的焊接性能。2. 碳当量对钢材焊接性能影响机理金属焊接性就是金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。如果某种金属采用简单的焊接工艺就可获得优质焊接接头并且具有良好的使用性能或满足技术条件的要求，就称其焊接性好；如果只有采用特殊的焊接工艺才能不出缺陷，或者焊接热过程会使接头热影响区性能显著变坏以至不能满足使用要求，则称其焊接性差。碳当量能够反映钢材焊接性能的原因在于，焊接时焊缝区和热影响区的温度很高，高于钢材的奥氏体转变温度，当焊接结束冷却时，如果冷却速度足够，易形成马氏体相变。当钢中碳含量和合金元素较低即碳当量较小时，易形成板条状的低碳马氏体，其亚结构为位错，由于其中存在着位错胞，为位错提供了活动的余地，因此具有较高的强度和良好的塑性、韧性，对裂纹的敏感性较低，且它的Ms点较高，转变后有自回火作用，从而减小钢材的淬硬倾向。当碳含量较大时，则会形成片状的高碳孪晶马氏体，由于片状马氏体内有微细孪晶存在，大大减少了有效滑移系，使脆性增大，从而钢材对氢脆和裂纹的敏感性很强。因此一般情况下，碳当量越高，钢材焊接时越容易产生冷裂纹，焊接性能越差。3. 碳当量公式的选择应用碳当量主要用来对材料的焊接性能进行初步判断，从而初步确定材料的预热温度、焊接方法等相关焊接工艺；此外还可以用来估测材料的强度、组织形态等，从而在钢铁冶炼、轧制过程中进行控制。以我公司生产的油气长输管线设备为例，主要受压元件材料及其化学成分如表2所示，图纸通常要求受压材料CE（IIW）0.45，CE(Pcm)0.24；表2. 油气长输管线设备主要受压元件材料化学成分材料标准化学元素成分C%Si%Mn%Ni%P%S%Q345RGB713-20080.20.551.201.600.0250.015Q370RGB713-20080.180.551.201.600.0150.0500.0250.01516MnNB/T47008-20100.130.200.200.601.201.600.030.0216MnGB6479-20000.120.200.200.601.201.600.030.03X60API 5L-20070.180.451.700.0250.015X65API 5L-20070.180.451.700.0250.015由于GB713-2008中的6.1.1.5的要求Q345R、Q370R等材料用CE(IIW)公式作为碳当量公式，且这些钢种碳含量相对较高，因此对于这些碳钢材料应当应用CE(IIW)公式；对于16Mn锻件或管材，无论NB/T47008-2010还是GB6479-2000均没有对碳当量提出要求，建议参照API 5L管线钢标准，根据碳含量不同来选择碳当量公式：当(C)0.12%时，应用CE(IIW)公式；当(C)0.12%时，则应用CE(Pcm)公式，由于碳含量高于0.12%，通常用CE(IIW)公式；而对于X60等管线钢由于标准已明确规定，应该按标准执行。4. 利用碳当量指标时的注意事项对于钢材的焊接性能而言，钢材的碳当量越低，相对焊接性能越好，但碳当量的降低也意味着材料强度的下降，由图2可知，相同规格条件下，钢材碳当量与钢材强度呈正相关关系【2】。因此在材料选用时不能单纯的去追求碳当量的降低，而应该综合考虑材料各项性能。图2. 同规格16Mn钢b,s-Ceq关系图（上曲线为b，下曲线为s）另外虽然使用碳当量可以方便快捷的评价钢材焊接性能，但同时也应该注意其只能在一定范围内，对钢材概括的、相对的评价其焊接性，这是因为：（1）碳当量只是基于材料的淬硬倾向来表现钢材的冷裂纹敏感性，并不能很好反映钢材产生热裂纹的敏感性（受硫元素含量影响）；（2）碳当量只表达了化学成分对材料淬硬性的影响，没有考虑到冷却速度、焊接热循环中的最高加热温度和在高温停留时间等参数的影响。即使是同一化学成分的钢材，焊接时由于上述参数的不同，可以得到不同的组织，例如冷却速度越快时，越易产生淬硬组织，焊接性就会变差。5. 总结目前在压力容器低碳钢选材备料中主要使用CE(IIW)和CE(Pcm)两种碳当量公式来评价钢种焊接性能的难易程度。碳当量越高，钢材淬硬倾向越大，焊接性能越差。由于各碳当量公式都有其局限性，在选择公式时应该参照相关标准，当标准未明确规定时，可以根据碳含量选择公式：当钢材碳含量(C)0.12%，宜用CE(IIW)公式；当(C)0.12%时，则宜用CE(Pcm)公式。另外在利用碳当量评价钢材焊接性能时也应该注意其只能在一定范围内，对钢材概括的、相对的评价其焊接性。参考文献：【1】郑磊 管线钢的碳含量和碳当量