復(fù)合鋼板焦炭塔焊接的研究

向 武

天津冠杰石化工程有限公司 天津 300270

隨著我國石化行業(yè)的發(fā)展，大型石油石化項(xiàng)目不斷出現(xiàn)，大型乙烯煉油等項(xiàng)目更是如雨后春筍一般涌現(xiàn)，我公司作為一個(gè)石化設(shè)備制造企業(yè)，伴隨著這股浪潮一起成長一起壯大。

近幾年來，我公司承攬了幾個(gè)大型煉油項(xiàng)目的焦炭塔設(shè)備的預(yù)制和安裝工程，因此我有機(jī)會(huì)接觸到焦炭塔用復(fù)合板的焊接方面的工作，遇到了不少相關(guān)的問題。從遇見問題到解決問題，我和相關(guān)人員做了大量的研究和探討，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和實(shí)際施工，對(duì)焦炭塔用復(fù)合板15CrMoR+410S的焊接進(jìn)行了整理和總結(jié)，解決了施工過程中遇到的問題，為以后對(duì)相同和類似的材質(zhì)的焊接提供了合理的試驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 設(shè)備及焊接方法介紹

1.1 設(shè)備介紹

該設(shè)備為中石化廣州分公司委托我公司制造的兩臺(tái)焦炭塔。這兩臺(tái)焦炭塔的主體材料分為兩部分，下部分為15CrMoR材質(zhì)，上部分為15CrMoR+410S復(fù)合板材質(zhì)，上封頭也為相同復(fù)合板材質(zhì)，形狀為半球形。球形封頭的預(yù)制采用分片預(yù)制，然后在工廠進(jìn)行拼裝焊接。封頭制造焊接在整個(gè)焦炭塔的制造焊接中是制造的重點(diǎn)和難點(diǎn)，具有很強(qiáng)的代表性。所以，這里我們就以這兩臺(tái)焦炭塔上球形封頭的預(yù)制、拼裝和焊接工作為基礎(chǔ)做詳細(xì)研究和討論。

1.2 焊接工藝方法

圖1 焦炭塔復(fù)合板焊接坡口圖

整個(gè)設(shè)備制造主要焊接方法為手工電弧焊。

下部分材質(zhì)的焊接采用的是R307BL焊材焊接，上部分采用基層采用R307BL焊接，復(fù)層堆焊ENiCrFe-3的焊接方法。焊接完成后進(jìn)行100%RT和100%PT檢測(cè)，檢測(cè)合格后對(duì)內(nèi)外表面進(jìn)行打磨平整，在整體熱處理之后進(jìn)行PT復(fù)驗(yàn)。焊接坡口為外坡口和內(nèi)切削過度邊后堆焊復(fù)層焊道。見圖1。

預(yù)制焊接時(shí)制定的焊接工藝見表1。

該焊縫焊接時(shí)還要做好預(yù)后熱工作，要求焊前預(yù)熱160～232℃，層間溫度≤232℃，后熱溫度350～400℃/2h，復(fù)層焊接時(shí)層間溫度的控制是整個(gè)焊接過程的關(guān)鍵。

表1 焦炭塔用復(fù)合鋼板焊接工藝

2 預(yù)制、焊接結(jié)果與分析

2.1 預(yù)制安裝、焊接及檢驗(yàn)介紹

上球型封頭的預(yù)制為散片預(yù)制，待整個(gè)球型封頭的在拼裝完成后進(jìn)行焊接，焊接順序?yàn)橄群附訕O邊板之間的拼縫，等極邊板焊接成型之后切割出極蓋板的位置，而在此之前極蓋板為單獨(dú)制作，之間的拼縫也是在單獨(dú)制作的過程中焊接完成的，待極蓋板和極邊板各自制作完成之后最后拼接二者之間的環(huán)形拼縫，然后對(duì)拼縫進(jìn)行焊接，焊接完成及檢驗(yàn)合格后，整個(gè)球型封頭的施工就宣告結(jié)束。

除去施工過程中的檢測(cè)，焊接完成之后，熱處理之前的無損檢測(cè)主要包括兩個(gè)方面，首先是對(duì)整體焊道的射線探傷檢查（100%RT），待焊道射線檢測(cè)合格之后再對(duì)所有焊道進(jìn)行打磨平整處理，待復(fù)層打磨與母材平整之后，要求焊道表面無咬邊，低洼，無表面氣孔等表面缺陷，再對(duì)復(fù)層堆焊表面進(jìn)行全面積滲透檢測(cè)（100%PT），兩個(gè)步驟的檢測(cè)均合格之后，該條焊縫的焊接質(zhì)量第一階段才算合格。最后整體交付下道工序進(jìn)行施工，最終成型之后對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體熱處理，熱處理之后所有焊道再進(jìn)行100%PT復(fù)驗(yàn)。該設(shè)備基本就制造完成。我們今天討論的是球形封頭的單獨(dú)制作，暫不考慮主體的施工。

2.2 檢驗(yàn)結(jié)果

所有焊道進(jìn)行100%RT檢測(cè)之后，一次性焊接合格率維持在93%左右，未達(dá)到公司96%的指標(biāo)要求，主要焊接缺陷為裂紋，個(gè)別為夾渣、氣孔、未熔等其他缺陷。

所有焊道的復(fù)層表面進(jìn)行100%PT檢測(cè)之后，表面缺陷出現(xiàn)的比較多，缺陷的總長度大約占到焊道總長度的10%左右，缺陷類型主要是裂紋，其他缺陷基本上出現(xiàn)的較少。裂紋的樣式以表面微裂紋和龜裂為主，其中表面微裂紋占據(jù)多數(shù)，裂紋大多集中在堆焊焊道中心和融合線部分，而熱影響區(qū)的出現(xiàn)裂紋較少。

從焊縫類型上分類，裂紋主要集中在極邊板拼縫，而極蓋板拼縫中出現(xiàn)裂紋缺陷的地方并不是很多，而且極邊板拼縫中裂紋也主要集中在個(gè)別幾條焊縫中，且位置相對(duì)集中。

2.3 焊接質(zhì)量及焊道缺陷分析

針對(duì)焊接后檢測(cè)結(jié)果，對(duì)該設(shè)備的焊道進(jìn)行了試板的模擬焊接，模擬設(shè)備的加工過程和焊接過程，以及最后的熱處理過程，甚至模擬了焊道周圍材料的外觀形狀。然而模擬試板的焊縫并未出現(xiàn)明顯的焊接缺陷，即使出現(xiàn)個(gè)別細(xì)小的裂紋，缺陷的去除和修復(fù)也相對(duì)比較容易，并未出現(xiàn)設(shè)備封頭焊接時(shí)遇到的大面積微裂紋現(xiàn)象。這就說明整個(gè)焊接的施焊工藝是不存在問題的。影響焊接質(zhì)量的主要原因應(yīng)該是焊接外界條件的影響。

重新對(duì)整個(gè)預(yù)制和焊接過程進(jìn)行了分析和研究。分析之后發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷都是復(fù)層表面微裂紋和龜裂，還有打磨之后深度在2～3mm的過渡層中出現(xiàn)的線狀裂紋，這些細(xì)小的淺層裂紋在射線檢測(cè)的過程中比較難被發(fā)現(xiàn)，在探傷底片中體現(xiàn)的并不明顯，這就是RT合格率比PT檢測(cè)合格率高的原因所在。而且，在焊道打磨的過程中因打磨局部熱量較高，加上復(fù)層表面為奧氏體組織，不利于熱量的散發(fā)，使得原先有的這種微型裂紋缺陷有隨熱量擴(kuò)散的趨勢(shì)。因而造成裂紋缺陷在個(gè)別區(qū)域和位置表現(xiàn)相對(duì)明顯。另外，裂紋集中區(qū)域?yàn)槭湛诎搴缚p，其組對(duì)間隙相對(duì)較大。正由于間隙較大，為了盡量減小組對(duì)間隙，該收口焊縫的組對(duì)應(yīng)力比一般的焊縫的組對(duì)應(yīng)力要大。另外，缺陷主要集中在焊道和融合線位置，本應(yīng)性能相對(duì)較差的熱影響區(qū)處出現(xiàn)裂紋缺陷的數(shù)量反而較少，這最主要的原因應(yīng)該取決于組織的類型，在裂紋集中的部分均為奧氏體組織，熱影響區(qū)主要是鐵素體組織（復(fù)合層材質(zhì)為410S），產(chǎn)生裂紋的傾向不大。

綜上分析，大概可以把產(chǎn)生裂紋的主要原因歸結(jié)為以下幾個(gè)原因：

（1）由于焊道所用焊材為ENiCrFe-3，而基層為15Cr-MoR材質(zhì)，焊接之后復(fù)層焊道組織主要為奧氏體組織，且焊道堆焊復(fù)層主要成分為鎳和鉻，而基層焊道主要是鐵素體組織。鎳基耐蝕合金特點(diǎn)與奧氏體不銹鋼基本相似，主要存在較高的熱裂紋敏感性（包括結(jié)晶裂紋、液化裂紋和高溫失效延遲裂紋）以及焊接氣孔和焊接接頭晶間腐蝕傾向等問題。鎳基耐蝕合金的焊接熱裂紋敏感性比高鎳鉻奧氏體不銹鋼高，且在弧坑易產(chǎn)生火口裂紋（結(jié)晶裂紋）。

鎳基耐蝕合金焊接時(shí)不宜采用高焊接熱輸入，否則會(huì)在焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生一定程度的退火和晶粒長大。同時(shí)，由于焊接熱輸入高，還可能會(huì)產(chǎn)生過度的偏析以及碳化物沉淀或其他有害的冶金缺陷，引起熱裂紋或降低合金的耐蝕性。加之奧氏體組織的熱量散失較慢，產(chǎn)生的裂紋極易出現(xiàn)擴(kuò)展，從而出現(xiàn)大面積集中裂紋的現(xiàn)象。

（2）此設(shè)備的材料為復(fù)合板，材質(zhì)為15CrMoR+410S，焊道的基層和復(fù)層材質(zhì)的性質(zhì)相差很大，焊接時(shí)的膨脹系數(shù)不一致，因而造成焊接時(shí)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力很大。更加容易導(dǎo)致焊接裂紋的產(chǎn)生。加之基層焊接時(shí)需要進(jìn)行預(yù)后熱，而復(fù)層焊接時(shí)卻又需要嚴(yán)格控制焊接溫度。造成基層和復(fù)層之間的過渡層晶粒結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，施工工藝難以控制的情況，所以過渡層出現(xiàn)裂紋的傾向性大大增加，這與檢測(cè)結(jié)果也是吻合的。

（3）組對(duì)間隙較大，組對(duì)應(yīng)力大，焊接應(yīng)力就相應(yīng)增大，產(chǎn)生裂紋的傾向性也就更大。這就是為什么模擬試板焊接質(zhì)量好，而實(shí)際設(shè)備的焊接質(zhì)量相對(duì)較差的緣故。模擬試板的焊縫在焊接時(shí)處在一個(gè)自由收縮的狀態(tài)，基本上不存在太大的組對(duì)應(yīng)力，而且組對(duì)時(shí)焊縫的間隙較好，因此焊接時(shí)產(chǎn)生的焊接應(yīng)力較小，且自由收縮的狀態(tài)也有利于焊接應(yīng)力的釋放?；谶@個(gè)實(shí)驗(yàn)，再結(jié)合設(shè)備在焊接時(shí)，裂紋集中出現(xiàn)的焊道位置為收口板位置等現(xiàn)象，可以推斷出設(shè)備焊道產(chǎn)生裂紋的又一主要原因就是焊縫的焊接應(yīng)力。

（4）焊道焊接完成之后要進(jìn)行整體打磨平整，打磨的過程中，所有復(fù)層焊道都相當(dāng)于對(duì)局部進(jìn)行再加熱的過程，局部的加熱，使得原有的裂紋得到了擴(kuò)展，進(jìn)而增加了表面裂紋的數(shù)量和面積，增加了裂紋的嚴(yán)重程度。

以上歸納和總結(jié)了產(chǎn)生裂紋的主要因素，結(jié)合具體的施工環(huán)境，為制定切實(shí)合理的施工方法和程序提供了依據(jù)。

3 優(yōu)化工藝措施及施工

3.1 優(yōu)化組裝工藝

制造工藝相對(duì)比較成熟，封頭制作時(shí)，在組裝極邊板的過程中應(yīng)嚴(yán)格要求組對(duì)尺寸，特別是最后收口板的組裝尺寸，減小收口板焊縫的組對(duì)間隙，控制收口板的焊縫尺寸。小的焊道寬度意味著小的焊接應(yīng)力。因?yàn)槭湛诎宓氖湛s是在非自由狀態(tài)，收縮時(shí)受到整體形狀的限制，越小的焊縫尺寸能把這種局限力對(duì)焊道的影響降低到最小水平；在降低最后收口焊縫的組對(duì)尺寸的同時(shí)，對(duì)收口板的外形尺寸提更高的要求，減少相鄰兩塊板的相對(duì)位置差，盡量避免強(qiáng)力組對(duì)該焊縫的情況出現(xiàn)。

3.2 優(yōu)化預(yù)后熱工藝

以前的焊道預(yù)熱為小面積帶狀預(yù)熱，優(yōu)化后的預(yù)熱工藝為面型預(yù)熱，也就是在焊接之前的預(yù)熱過程中，增加預(yù)熱寬度和長度，由原來一塊加熱片覆蓋焊道兩側(cè)的預(yù)熱方式，改作兩塊加熱片平行覆蓋焊道兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱寬度增加到400mm，且預(yù)熱時(shí)應(yīng)覆蓋到整個(gè)焊道的長度。大的預(yù)熱面積有利于消除焊道處的局部應(yīng)力，有利于焊接焊道的收縮和焊接應(yīng)力的釋放，與此同時(shí)還能減少起弧裂紋產(chǎn)生的傾向性。同樣，后熱的面積也要增加，而且后熱工作要及時(shí)，在焊接完成之后及時(shí)對(duì)焊道和周邊盡可能大的面積進(jìn)行后熱，后熱的具體方法與預(yù)熱方法相同。只有及時(shí)的后熱工作才能在第一時(shí)間釋放出焊道中的部分焊接應(yīng)力，最大程度減少裂紋產(chǎn)生的可能。

3.3 優(yōu)化焊接施工

由于該球型封頭的焊接特殊性，大部分焊接位置為立縫焊接，立縫焊接時(shí)焊接速度慢，焊接熔池深，同樣焊接的線能量要大很多，而奧氏體焊材最忌諱的就是大的焊接線能量，所以在以后的焊接中要嚴(yán)格控制焊接的線能量。為了盡可能的減少焊接是的線能量，所有的焊道的焊接位置都要盡量滿足平焊位置或者近似平焊位置的要求。

焊接層間溫度≤232℃，是一個(gè)必須嚴(yán)格控制的焊接參數(shù)，這個(gè)參數(shù)控制的好壞直接影響到最后的缺陷的產(chǎn)生。在焊接的整個(gè)過程中，要做好嚴(yán)格的監(jiān)督和檢測(cè)，才能為焊道的焊接質(zhì)量打好基礎(chǔ)。

焊接順序上，已經(jīng)不能按照逐道的焊接順序，而改作基層焊接和復(fù)層焊接分別在不同施工時(shí)間段施工。其中基層焊接為立縫焊接，因?yàn)樵诨鶎雍附又霸O(shè)備整體結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其他位置施工的位置要求是無法滿足的。焊接過程中，焊接工藝要求要嚴(yán)格執(zhí)行，嚴(yán)格控制焊接速度，采用排焊的焊接方法，減少焊接線能量，減少焊接過程中應(yīng)力的產(chǎn)生。在基層焊接完成之后，整體結(jié)構(gòu)才能夠得以穩(wěn)定。在焊接復(fù)層時(shí)，能夠滿足位置變化的要求，遂對(duì)所有焊縫復(fù)層焊接位置改為平焊位置或近似平焊位置。因?yàn)槠胶傅奈恢煤附?，焊接線能量小，且焊道成型效果好，在提高焊接質(zhì)量的同時(shí)，能有效地控制焊接余高，盡可能地減少焊后的焊道打磨量。若要達(dá)到這樣的條件就要求起重吊裝做好配合工作，不斷地變換設(shè)備的位置和擺放方式以滿足焊接位置的要求。且在焊接時(shí)同樣必須采用多層多道焊接，嚴(yán)格控制焊接順序和線能量，嚴(yán)格控制層間溫度，只有保證正確的焊接順序和方法，才能夠保證優(yōu)越的焊道性能。

在焊接時(shí)，應(yīng)該選擇質(zhì)量優(yōu)秀的焊材。因?yàn)楹覆牡馁|(zhì)量優(yōu)劣對(duì)焊接質(zhì)量有著直接的影響。好的焊接材料不但能夠提高焊接內(nèi)在質(zhì)量還能夠提高焊接外觀質(zhì)量，進(jìn)而減少焊道打磨量，為后續(xù)工作打好基礎(chǔ)。

3.4 優(yōu)化打磨工藝

為了減少打磨時(shí)在熱裂紋的產(chǎn)生和原有裂紋的擴(kuò)展，原有的焊道打磨工藝也要做相應(yīng)的改變。原有的打磨工藝為分段打磨。分段打磨時(shí)，打磨點(diǎn)的熱量太過集中，而且打磨點(diǎn)的溫度很高，而焊道的主要成分為鎳和鉻，熱傳導(dǎo)性能比較差，使得熱量集中情況嚴(yán)重，對(duì)焊道質(zhì)量的控制是個(gè)嚴(yán)重威脅。修改之后的焊道打磨工藝要求打磨時(shí)分多層多道打磨，且采用不銹鋼專用砂輪片進(jìn)行打磨，打磨的砂輪機(jī)切削量要求不能太大，控制每層打磨時(shí)打磨點(diǎn)溫度，有必要時(shí)可做一些降溫措施。這時(shí)可以看出焊接時(shí)控制焊接余高的重要性，只有低的焊接余高才能夠盡量減少焊道的打磨量，間接提高合格率。

3.5 優(yōu)化熱處理工藝

焦炭塔設(shè)備要求整體進(jìn)行焊后熱處理，考慮到封頭焊接時(shí)焊接應(yīng)力太大的緣故，將焊道的焊接分兩步進(jìn)行，增加一次封頭整體熱處理施工。

首先，將整個(gè)封頭焊道的基層焊接完成，此時(shí)增加一道封頭整體熱處理工序，熱處理工藝可以參照焦炭塔設(shè)備整體熱處理工藝要求。此道熱處理工序的目的是消除封頭基層的壓制及焊接應(yīng)力，給復(fù)層焊接提供一個(gè)比較好的，內(nèi)部應(yīng)力相對(duì)較小的焊接環(huán)境，

從而達(dá)到減少焊接裂紋的效果。

在基層焊接完，熱處理之后，再進(jìn)行復(fù)層的焊接，復(fù)層焊接時(shí)嚴(yán)格控制焊接輸入線能量，控制層間溫度，采用多層多道焊的方法。且特別注意的是，焊接過渡層時(shí)也需要進(jìn)行焊道的預(yù)后熱，預(yù)后熱要求與基層焊接時(shí)相同。而復(fù)層焊接時(shí)則不需要，整個(gè)焊接過程中，多停頓，多檢測(cè)，有缺陷及時(shí)修復(fù)，方可有效地保證最終的焊接質(zhì)量。

3.6 其他優(yōu)化要求

除去以上四項(xiàng)優(yōu)化措施以外，還有一些其他的非主要原因也應(yīng)做適當(dāng)優(yōu)化，這樣才能最大程度上控制缺陷的產(chǎn)生，提高焊接質(zhì)量。例如，改善施工環(huán)境，減少環(huán)境中對(duì)復(fù)層焊道的污染；在使用焊材時(shí)注意對(duì)焊材的保護(hù)，防止焊材被污染和潮濕；另外，由于焊接過程中的檢驗(yàn)要求比較多，每次檢驗(yàn)完成之后都要對(duì)焊道殘留的檢驗(yàn)試劑進(jìn)行清理，類此等等，盡量消除一切能夠消除的可能影響焊接質(zhì)量的不利因素。多方面條件的改善才能使得焊接質(zhì)量達(dá)到理想的要求。

4 結(jié)語

經(jīng)過以上一系列的制造工藝及焊接工藝等措施的改善，焊接環(huán)境有了較大的提高，按照新的綜合要求進(jìn)行焊接的焊縫在缺陷產(chǎn)生的面積和數(shù)量上都得到了很好的控制，焊縫射線檢測(cè)（RT）一次性合格率達(dá)到了98%以上，表面滲透檢測(cè)（PT）缺陷出現(xiàn)的數(shù)量已經(jīng)有了明顯的減少，表面的裂紋也是極個(gè)別的現(xiàn)象，而且缺陷的嚴(yán)重程度也得到了很好的控制，裂紋缺陷也不再是成片集中出現(xiàn)，僅是個(gè)別細(xì)小的缺陷，能很好地得到修復(fù)，表面焊接質(zhì)量也達(dá)到了要求。

改善施工環(huán)境，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，增加預(yù)后熱面積，保護(hù)好焊縫表面質(zhì)量，改進(jìn)打磨方法等等，通過這一系列的措施和方法的實(shí)施，在改善15CrMoR+410S復(fù)合材料的焊接時(shí)質(zhì)量達(dá)到了預(yù)想的效果，提高了焊接生產(chǎn)效率，也提高了焊接質(zhì)量。這一系列的施工流程和方法，都得到了推廣和學(xué)習(xí)。

隨著公司的發(fā)展，在今后的工作中，焦炭塔的制作焊接，或者類似材質(zhì)的制作焊接的任務(wù)一定會(huì)源源不斷，在我們解決了這個(gè)難題的同時(shí)也使得我公司在相關(guān)設(shè)備上施工能力得到了很大的提升，也為以后的新材質(zhì)，新設(shè)備的施工提供了一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)合理的解決問題的思路和方法。

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3 雷玉成，陳希章，朱強(qiáng).金屬材料焊接工藝[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

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