壓力容器中的幾種堆焊技術(shù)

毛 駿，王順花

（蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

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壓力容器中的幾種堆焊技術(shù)

毛 駿，王順花

（蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

摘要：簡(jiǎn)要介紹了常用的壓力容器耐蝕處理技術(shù)─堆焊技術(shù)，主要包括焊條電弧焊堆焊（AMAW）、鎢極氬弧焊堆焊（TIG）和帶極電渣堆焊（ESW）等。同時(shí)介紹了高速電渣堆焊的研究現(xiàn)狀，并對(duì)傳統(tǒng)堆焊方式和高速電渣堆焊進(jìn)行比較，闡述了高速電渣堆焊技術(shù)在壓力容器中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：壓力容器；耐蝕性；高速電渣堆焊

壓力容器使用過(guò)程中，由于腐蝕性介質(zhì)的作用，容器壁由厚變薄或材料組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而引起機(jī)械性能變化，這種變化普遍表現(xiàn)為機(jī)械性能的降低，導(dǎo)致壓力容器承載能力不足而發(fā)生破壞。壓力容器的腐蝕情況比較復(fù)雜，同一種材料在不同使用環(huán)境下表現(xiàn)出不同的腐蝕規(guī)律，在不同的介質(zhì)中腐蝕情況也不相同，即使是在同一種介質(zhì)中使用往往也因?yàn)闇囟?、介質(zhì)濃度、壓力甚至材料本身組織結(jié)構(gòu)的差異而表現(xiàn)出不同的腐蝕規(guī)律。根據(jù)不同介質(zhì)環(huán)境，壓力容器面臨的腐蝕問(wèn)題大體可分為均勻腐蝕、局部腐蝕、晶間腐蝕、斷裂腐蝕等。不管是哪一種腐蝕，嚴(yán)重的腐蝕結(jié)果都會(huì)導(dǎo)致壓力容器的破壞、失效，甚至?xí)l(fā)生爆炸。因此需要深入研究金屬腐蝕規(guī)律才能有效的判斷各種腐蝕帶來(lái)的危害，一般在使用過(guò)程中都要采取有效的預(yù)防措施進(jìn)行防腐蝕處理。

提高壓力容器耐蝕性的常用技術(shù)有：提高壓力容器用鋼的耐蝕性能、表面堆焊、表面合金化、表面鈍化等。其中，表面堆焊是最常用、最有效的提高壓力容器耐蝕性能的技術(shù)。堆焊是指將具有一定使用性能的合金材料借助一定的熱源手段熔覆于母體材料的表面，賦予母材表面特殊使用性能或使零件恢復(fù)原有形狀尺寸的工藝技術(shù)。利用堆焊技術(shù)使焊件表面獲得耐磨、耐熱、耐腐蝕等特殊性能的熔敷金屬層，從而使工件表面性能得到改善以達(dá)到使用要求。堆焊技術(shù)在壓力容器中使用具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，首先通過(guò)選用合適的堆焊材料使壓力容器能夠應(yīng)對(duì)在使用過(guò)程中所面臨的腐蝕環(huán)境；其次不改變壓力容器本身材料的物理化學(xué)性能，使壓力容器依然具有設(shè)計(jì)所需的機(jī)械性能要求；再次通過(guò)堆焊的方式可以縮短修理、更換零件的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本[1]，如石油化工設(shè)備面臨強(qiáng)腐蝕、臨氫等環(huán)境，普通壓力容器用鋼具有一定的耐蝕性，但在強(qiáng)腐蝕、臨氫的環(huán)境中使用性能不佳，故要在其內(nèi)壁堆焊一層不銹鋼以提高其使用性能。本文對(duì)比介紹了當(dāng)前常用的堆焊技術(shù)與高速電渣堆焊之間的優(yōu)劣勢(shì)，說(shuō)明相比于傳統(tǒng)堆焊技術(shù)高速電渣堆焊具有明顯優(yōu)勢(shì)。著重對(duì)比了帶極埋弧焊和電極電渣堆焊這兩種最為常用的大筒體表面堆焊技術(shù)。由于高速電渣堆焊是帶極電渣堆焊的一種，所以本文重點(diǎn)對(duì)比了高速電渣堆焊與普通電渣堆焊的優(yōu)劣勢(shì)，重點(diǎn)說(shuō)明通過(guò)高速電渣堆焊可以獲得耐蝕性能更好的堆焊層。

1　壓力容器堆焊技術(shù)

根據(jù)不同的技術(shù)要求、使用環(huán)境、堆焊材料和壓力容器基體材料，壓力容器可以選擇不同的堆焊技術(shù)，常用的堆焊技術(shù)有：熔化極氣體保護(hù)電弧堆焊（GMAW），焊條電弧焊堆焊（AMAW），實(shí)芯焊絲自動(dòng)鎢極氬弧堆焊（AutoTIG），帶極埋弧堆焊（SAW），帶極電渣堆焊等（ESW）。

1.1熔化極氣體保護(hù)電弧堆焊

熔化極氣體保護(hù)電弧堆焊技術(shù)使用可熔化的焊絲與焊件之間的電弧作為熱源來(lái)熔化焊絲與母材金屬，并向焊接區(qū)輸送保護(hù)氣體，使電弧、熔化的焊絲、熔池及附近的母材金屬免受周圍空氣的有害作用。由于保護(hù)氣體的性質(zhì)不同，則電弧形態(tài)、熔滴過(guò)渡和焊道形狀等都不同，對(duì)焊接結(jié)果有重要影響。對(duì)于常規(guī)的熔化極氣體保護(hù)焊，隨著焊接電流的增大，熔滴過(guò)渡形式、熔池流動(dòng)性和電弧行為等會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致焊接穩(wěn)定性變差甚至出現(xiàn)焊縫成形缺陷；同時(shí)流經(jīng)母材的電流過(guò)大，引起母材熱輸入增加，導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生[2]。熔化極氣體保護(hù)焊是一種常用的堆焊技術(shù)，具有生產(chǎn)效率高、節(jié)省生產(chǎn)成本、其焊接產(chǎn)品品質(zhì)好、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)。

熔化極氣體保護(hù)電弧堆焊技術(shù)已成功應(yīng)用于石油化工、航空航天、設(shè)備制造等領(lǐng)域。四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司承建的土庫(kù)曼斯坦南約洛坦氣田100億產(chǎn)能建設(shè)工程中，熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）技術(shù)應(yīng)用于22口單井站井口裝置中的大部分直徑在Ф150~Ф300 mm小管配件制造中[3]。

1.2焊條電弧堆焊

焊條電弧堆焊是目前生產(chǎn)中廣泛使用的一種堆焊技術(shù)，該技術(shù)是用手工操縱焊條進(jìn)行堆焊作業(yè)的，可以進(jìn)行平焊、立焊、橫焊、仰焊等多位置的堆焊。焊條電弧焊堆焊時(shí)一般進(jìn)行多層堆焊，是由于第1層受母材稀釋的影響較大，而第2層影響較小，第3層基本上不受影響，能反映堆焊焊條熔敷金屬本身的性能。

金東發(fā)等人在不同焊接電流、焊接電壓和冷卻速度下進(jìn)行了系統(tǒng)的雙相鋼焊條電弧堆焊工藝研究，分析了焊接規(guī)范對(duì)雙相鋼堆焊金屬鐵素體含量的影響。選用太原鋼鐵公司生產(chǎn)的Q345R低合金鋼為母材，使用雙層堆焊，過(guò)渡層選用GES-309Mol，Ф4.0 mm，表面堆焊層選用焊條Avesta E2209-16，Ф4.0 mm.采用1層過(guò)渡層加3層不銹鋼層的堆焊，最終得到達(dá)到鐵素體含量要求的堆焊層。鐘玉、屈金山等人[9]采用CHR172堆焊焊條，以焊條電弧焊工藝在基體材料45#鋼上進(jìn)行了堆焊。通過(guò)分析不同堆焊條件下獲得的熱影響區(qū)與堆焊層熔敷金屬的顯微組織和顯微硬度，討論了焊接熱輸入、合金元素對(duì)堆焊層熔敷金屬顯微組織及顯微硬度的影響。

1.3實(shí)芯焊絲自動(dòng)鎢極氬弧堆焊

實(shí)芯焊絲自動(dòng)鎢極氬弧堆焊（AutoTIG）實(shí)質(zhì)上是一種全自動(dòng)填絲的鎢極氬弧焊，其特點(diǎn)是：工件旋轉(zhuǎn)，機(jī)頭不旋轉(zhuǎn)，只做步進(jìn)式的橫向擺動(dòng)，適應(yīng)于對(duì)內(nèi)徑50 mm~150 mm小直徑接管內(nèi)壁堆焊，焊絲直徑為1.0 mm~1.2mm，是帶脈沖的直流氬弧焊接[10]。氬氣作為保護(hù)氣體，不與金屬發(fā)生反應(yīng)也不溶于金屬，使焊接過(guò)程中的冶金反應(yīng)易于控制。由于填充焊絲不通過(guò)電流，因而不產(chǎn)生飛濺，堆焊層成型平整美觀。交流氬弧焊在焊接過(guò)程中能夠自動(dòng)清除焊件表面的氧化膜，因此，可以堆焊一些化學(xué)活性比較強(qiáng)的金屬，如鋁、鎂及合金。但是鎢極氬弧焊所使用電極為鎢棒，鎢棒承載電流能力比較差，過(guò)大電流會(huì)使鎢棒熔化和蒸發(fā)，因此導(dǎo)致熔敷速率小，熔深淺，生產(chǎn)效率低。

實(shí)芯焊絲自動(dòng)鎢極氬弧堆焊技術(shù)已成功應(yīng)用于銅管拉拔機(jī)關(guān)鍵部位、加氫產(chǎn)品制造、坦克零件油檔配合面修復(fù)、大口徑接管和法蘭內(nèi)壁等領(lǐng)域。陳志林等人對(duì)自動(dòng)鎢極氬弧焊奧氏體不銹鋼雙層堆焊工藝進(jìn)行研究，使用日本W(wǎng)EL公司產(chǎn)品，過(guò)渡層焊絲為WEL AUTO TIG 309L，Ф1.2 mm，耐蝕層焊絲為WEL AUTO TIG 347L，Ф1.2 mm，試驗(yàn)用接管為1.25Cr-0.5Mo-Si鍛件和2.25Cr-1Mo鍛件。由于電流對(duì)焊道成型的影響，電流過(guò)小，電弧不穩(wěn)，熔深過(guò)淺；電流過(guò)大，熔池翻滾嚴(yán)重，甚至?xí)龘p鎢極，造成向熔池滲鎢現(xiàn)象，影響堆焊層耐蝕性能。所以陳志林等人選用Ф2.4 mm鎢極，焊接電流設(shè)定為190~220A，通過(guò)對(duì)工藝參數(shù)和氬氣流量的控制來(lái)防止氮元素對(duì)堆焊層的滲入造成危害，最終獲得良好效果并應(yīng)用與實(shí)際生產(chǎn)。

1.4帶極埋弧堆焊

帶極埋弧堆焊使用金屬帶（寬度30~60 mm，厚度0.4~0.6 mm）代替焊絲作為電極，在焊劑層下進(jìn)行堆焊。堆焊時(shí)，電弧在帶極端部與基材之間產(chǎn)生電弧并沿帶極高速移動(dòng)，類似于不斷移動(dòng)的焊絲，在電弧的高溫作用下堆焊金屬和焊劑熔化，熔化的焊劑覆蓋于熔融金屬上部，隔絕了外部大氣，保護(hù)了熔融態(tài)金屬不受氧化，防止了氮元素的滲入，防止了熔融金屬的飛濺，因而帶極埋弧焊可以得到平整，缺陷少的堆焊層。

帶極埋弧焊熔深比熔化極氣體保護(hù)電弧堆焊、焊條電弧堆焊、鎢極氬弧焊要淺的多，所以帶極埋弧焊焊道稀釋率很小，因而可以得到純度更高的堆焊層。李鵬飛等人采用90 mm焊帶EQ309L（過(guò)渡層）和EQ308L（耐蝕層），使用瑞典ESAB焊接設(shè)備并結(jié)合目前核電站設(shè)備的特點(diǎn)進(jìn)行了堆焊試驗(yàn)，利用磁控裝置提高焊道質(zhì)量，得到了與304L性能相近的堆焊金屬。

1.5帶極電渣堆焊

帶極電渣堆焊是二十世紀(jì)七十年代由德國(guó)發(fā)明的一種焊接技術(shù)，發(fā)展沿用至今，已經(jīng)成為目前國(guó)際上一種先進(jìn)的堆焊技術(shù)。電渣帶極堆焊與埋弧帶極堆焊相比，以其熔深淺、母材稀釋率低、焊道成形好、熔敷效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于石化及核電產(chǎn)品的筒體、封頭等的耐蝕層堆焊。

帶極電渣堆焊使用熔融態(tài)下具有良好導(dǎo)電性的焊劑，在一定的熔池深度下，以通過(guò)熔池的電流產(chǎn)生電阻熱來(lái)融化焊帶完成堆焊，焊接過(guò)程沒(méi)有電弧產(chǎn)生。與帶極埋弧堆焊相比，帶極電渣堆焊堆焊層增碳作用極小，這是由于焊劑本身含碳量就比較低，加之熔池深度淺，避免了低合金鋼母材熔化造成的堆焊層增碳，相較于帶極埋弧焊顯著提高了耐蝕性能。

帶極電渣堆焊焊帶很寬，所以在磁致伸縮效應(yīng)的影響下，會(huì)導(dǎo)致咬邊現(xiàn)象，隨著帶寬和電流的加大，咬邊現(xiàn)象越嚴(yán)重，因此需要合理安排磁極位置，磁場(chǎng)大小來(lái)防止咬邊的產(chǎn)生。

謝翔等人對(duì)兩種堆焊技術(shù)所得堆焊層性能進(jìn)行對(duì)比時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)兩種技術(shù)在Q235上堆焊一層不銹鋼，晶間腐蝕試驗(yàn)表明，帶極電渣堆焊層金屬的抗晶間腐蝕性能明顯優(yōu)于帶極埋弧堆焊層金屬。這是由于采用帶極埋弧焊，融化焊材和母材的熱量來(lái)自于中心軸上萬(wàn)度的電弧，熔池較深，使堆焊層碳含量增高，鉻的相對(duì)含量降低，從而造成堆焊層抗晶間腐蝕性能降低。而帶極電渣堆焊堆焊層金屬碳含量低，鉻含量高，防止了鉻的碳化物析出，保證了電渣堆焊所得堆焊層金屬具有良好的抗晶間腐蝕能力。

帶極電渣堆焊（ESW）和帶極埋弧焊（SAW）是壓力容器內(nèi)壁堆焊的最主要的兩種方式，以60mm焊帶堆焊為例，兩者區(qū)別如表1所示。從兩者的各項(xiàng)參數(shù)可以看出帶極電渣堆焊具有低的稀釋率、高電流、高的熔敷速率、在一次堆焊中實(shí)現(xiàn)特定的化學(xué)成分比例的特點(diǎn)。

表1　帶極電渣堆焊與帶極埋弧堆焊對(duì)比

2　高速電渣堆焊

高速電渣堆焊是帶極電渣堆焊的一種。高速電渣堆焊具有極高的熔敷速率，可極大地提高生產(chǎn)效率，同時(shí)焊帶、焊劑的消耗量也大大減少，可獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益，因此，高速電渣堆焊在壓力容器內(nèi)壁防護(hù)措施中越來(lái)越多的受到關(guān)注和廣泛研究。以90 mm 347焊帶為例，帶極電渣堆焊與高速電渣堆焊對(duì)比如表2所示。

表2　帶極電渣堆焊與高速電渣堆焊對(duì)比

從表2中可以看出，高速電渣堆焊高電流使熔敷速率加快，相較于普通帶極電渣堆焊熔敷速率提高了一倍以上，且高速電渣堆焊獲得的堆焊層厚度超過(guò)普通電渣堆焊厚度，這就為單層高速電渣堆焊奠定了基礎(chǔ)，保證了進(jìn)行一次堆焊就可獲得滿足要求的堆焊層，保證了在壓力容器使用過(guò)程中的抗腐蝕能力。高速電渣堆焊在保證堆焊層質(zhì)量的同時(shí)以高的熔敷速率和較少的焊劑、焊帶消耗表現(xiàn)出比傳統(tǒng)電渣堆焊更大的優(yōu)勢(shì)[7-8]。

從普通帶極電渣堆焊到高速電渣堆焊，在提高熔敷速率焊接速度的同時(shí)，焊接電流必須有適當(dāng)?shù)脑黾樱绾附与娏鞅３植蛔?，只是單純的提高焊接速度，那么堆焊層不僅會(huì)變薄，而且焊道會(huì)出現(xiàn)凹凸不平、脫渣困難的現(xiàn)象。但是當(dāng)電流過(guò)大，不僅會(huì)使厚度過(guò)大，浪費(fèi)焊材，而且會(huì)導(dǎo)致邊緣夾渣和未融合現(xiàn)象。

為獲得優(yōu)質(zhì)的堆焊層，一般采用直流反接的電流極性，這是由于帶極堆焊時(shí)，帶極熔化速率很大，在電流密度一定的情況下，正接的效率比反接要高，但是如果采用直流正接，將導(dǎo)致更淺的熔深及更厚的堆焊層，則提升在焊道搭接處出現(xiàn)焊接缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。而且由于熔深比較淺，將會(huì)影響堆焊層與基材之間的結(jié)合性能，有可能導(dǎo)致側(cè)彎等質(zhì)量測(cè)試不合格。帶極的寬厚比會(huì)極大地影響堆焊層質(zhì)量，帶極太厚會(huì)使融合比增加，使堆焊層成分變化明顯，甚至不能達(dá)到耐蝕性要求。因而薄而寬的帶極具有很多優(yōu)勢(shì)，但是太薄的帶極會(huì)導(dǎo)致熔深過(guò)小，影響堆焊層與基材的結(jié)合性能，所以一般選用厚度0.4 mm的焊帶，這個(gè)厚度的焊帶在送帶和性能方便有著多方面的優(yōu)點(diǎn)。

蘭州蘭石重型裝備股份有限公司制造的310萬(wàn)T/年催化原料預(yù)處理裝置中的冷高壓分離器，主體材料為16MnR，使用焊帶WEL ESS347SJ和焊劑ESB F7M，采用高速電渣堆焊在設(shè)備內(nèi)表面完成堆焊，得到了光滑焊道，堆焊層力學(xué)性能合格，鐵素體含量滿足要求。高速電渣堆焊現(xiàn)已成功應(yīng)用于中國(guó)石化武漢

分公司國(guó)V柴油質(zhì)量升級(jí)項(xiàng)目80萬(wàn)T/年柴油加氫裝置改造中。通過(guò)對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部大面高速電渣堆焊E347型不銹鋼，滿足該加氫反應(yīng)器在面對(duì)連多硫酸腐蝕環(huán)境時(shí)的耐蝕性，成功延長(zhǎng)了使用壽命。

3　結(jié)束語(yǔ)

在壓力容器制造使用過(guò)程中，對(duì)于各類大型厚壁容器的筒體、封頭等部件，通常采用堆焊的方式進(jìn)行耐蝕性處理，目前常用的帶極電渣堆焊（ESW）和帶極埋弧焊（SAW）相較于高速電渣堆焊，生產(chǎn)成本高，熔敷速率慢，同時(shí)焊劑焊帶的消耗量也較高，而高速電渣堆焊具有高的熔敷速率、好的焊道成型、熔敷速率小等特點(diǎn)，所以高速電渣堆焊將會(huì)受到越來(lái)越廣泛的研究和應(yīng)用。

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中圖分類號(hào):TG44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0146-03

收稿日期：2016-01-26

基金項(xiàng)目：蘭州交大-金川公司預(yù)研基金（209125-1111）

作者簡(jiǎn)介：毛駿（1990-），男，陜西西安人，碩士研究生，主要從事金屬結(jié)構(gòu)材料及高效連接技術(shù)研究。

Several Kinds of Welding Technology of Pressure Vessel

MAO Jun，WANG Shun-hua
（Lanzhou Jiaotong University，Mechanical and Electrical Engineering College，Gansu Lanzhou 730070，China）

Abstract:This paper briefly introduces the corrosion resistant treatment technology commonly used pressure vessel -surfacing technology，mainly including（AMAW）surfacing welding rod arc welding，tungsten argon arc welding （TIG）and with electroslag welding（ESW），etc.At the same time introduces the research status quo of the electroslag welding，and the traditional welding method and comparing the electroslag welding，this paper expounds the high-speed electroslag surfacing technology in the application of pressure vessel.

Key words:pressure vessels；the corrosion resistance；high-speed electroslag surfacing