對(duì)焊法蘭與筒體焊縫的探討

黃明忠，劉小紅，文陸一

(1.貴陽(yáng)化工機(jī)械有限公司，貴州貴陽(yáng)550004；2.貴州省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，貴州貴陽(yáng)550002)

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對(duì)焊法蘭與筒體焊縫的探討

黃明忠1，劉小紅1，文陸一2

(1.貴陽(yáng)化工機(jī)械有限公司，貴州貴陽(yáng)550004；2.貴州省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)院，貴州貴陽(yáng)550002)

通過(guò)對(duì)筒體與對(duì)焊法蘭焊縫裂紋缺陷問(wèn)題的討論，闡明焊接接頭拘束度過(guò)大是產(chǎn)生裂紋缺陷的根本原因，根據(jù)筒體與法蘭頸部直段不同厚度差采取不同的處理辦法，預(yù)防焊縫產(chǎn)生缺陷。

焊縫拘束度 焊縫裂紋 對(duì)焊法蘭頸部尺寸

0 引言

在中、高壓容器等化工設(shè)備中長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭的使用十分廣泛。在焊接過(guò)程中長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭有著甲、乙型法蘭無(wú)法比擬優(yōu)點(diǎn)，其與筒體﹙或接管﹚連接是對(duì)接接頭，采用焊縫雙面全焊透或單面焊背面自由成型，焊縫質(zhì)量可進(jìn)行射線或超聲波檢測(cè)。因此，中、高壓容器貯存劇毒、高度危害介質(zhì)，液化石油氣等化工設(shè)備的管口、設(shè)備法蘭選用長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭，對(duì)設(shè)備的安全性起著十分重要作用。選型時(shí)不僅注意法蘭材料、工作溫度、最大允許工作壓力，還要注意對(duì)焊法蘭與筒體對(duì)接結(jié)構(gòu)尺寸工藝設(shè)計(jì)。對(duì)于法蘭頸部直段厚度與筒體厚度相差較大的情況，慎用在筒體端部堆焊過(guò)渡的方法。由于法蘭頸部直段較短，厚度較厚，剛度比較大，焊縫在焊接后產(chǎn)生裂紋缺陷的傾向較大。

1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例

我公司為某化肥廠制造產(chǎn)品“氯乙烯過(guò)濾器”：設(shè)備簡(jiǎn)圖見圖1，技術(shù)參數(shù)見表1。產(chǎn)品有一組主體設(shè)備對(duì)焊法蘭RF1600-2.5，法蘭尺寸簡(jiǎn)圖見圖2，法蘭頸部直段厚度δ1=24 mm，筒體厚度δ0=18 mm，兩者厚度差符合NB/T47023的要求,采用NB/T4702《壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件》推薦的筒體端部堆焊過(guò)渡處理方法。

(1)設(shè)備簡(jiǎn)圖 (圖1)

圖1

表1

設(shè)計(jì)壓力/MPa設(shè)計(jì)溫度/℃工作壓力/MPa工作溫度/℃工作介質(zhì)2.2502.0常溫半水煤氣

(2)對(duì)焊法蘭結(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)圖(圖2)

(3)焊接工藝參數(shù)(表2)

圖2

表2

層/道焊接方法填充金屬牌號(hào)規(guī)格焊接電流/A焊接電壓/V焊接速度/(cm/min)線能量/(kJ/cm)正一層一道SMWAJ506Φ3.2120～13024～2617-2012二/三層一道SMWAJ506Φ4.0160～18028～3018-2218四層二道SMWAJ506Φ4.0160～18028～3020-2416背一層一道SMWAJ506Φ4.0160～18028～3022-2615二/三層一道SMWAJ506Φ4.0160～18028～3018-22181.焊前焊條350℃烘焙1h后,置于100℃恒溫箱,隨取隨用。2.焊前坡口兩側(cè)仔細(xì)清理銹、油垢等,去除水份。3.背面碳刨鏟除掉焊根,并用角向砂輪機(jī)打磨呈金屬光澤。

對(duì)焊法蘭與筒體環(huán)焊縫施焊后,進(jìn)行20%局部X射線檢測(cè)(RT)，在焊縫法蘭側(cè)熱影響區(qū)及母材存在橫向裂紋(垂直焊縫中心線)，裂紋間隔不均勻分布，其中有一個(gè)穿透法蘭頸部直段厚度的裂紋缺陷,第一次焊縫返修按通常焊縫缺陷處理：在穿透性裂紋缺陷兩端延長(zhǎng)5 mm分別鉆孔Φ6，止住裂紋缺陷延伸，然后用角向磨光機(jī)打磨除掉所有缺陷，同時(shí)制備新的焊縫坡口，坡口表面進(jìn)行磁粉檢測(cè)(MT)，坡口及附近區(qū)域表面未發(fā)現(xiàn)有磁粉堆積現(xiàn)象，確認(rèn)裂紋等缺陷已經(jīng)全部除掉。嚴(yán)格按焊接工藝進(jìn)行施焊，焊后24 h焊縫再次作100%X射線檢測(cè)，在原缺陷附近區(qū)域出現(xiàn)新的橫向裂紋，裂紋缺陷均在法蘭側(cè)焊縫熱影響區(qū)及母材。

2 產(chǎn)生缺陷原因分析

第一次產(chǎn)生穿透性裂紋缺陷，內(nèi)外兩側(cè)用肉眼可觀察到，除掉缺陷后重新施焊，又產(chǎn)生新的裂紋缺陷。排除了缺陷是由于焊接工藝和施焊過(guò)程引起，材料經(jīng)化學(xué)分析成分及力學(xué)性能復(fù)驗(yàn),結(jié)果完全符合Q345R(GB713)和16Mn(II)(NB/T47008)要求的相應(yīng)規(guī)定，硫(S)、磷(P)元素均未超標(biāo)，焊條電弧焊無(wú)其它低熔點(diǎn)雜質(zhì)滲入。經(jīng)過(guò)分析，產(chǎn)生裂紋缺陷是由于焊接接頭拘束度過(guò)大，殘余應(yīng)力太高引起。從平板剛性拘束焊接裂紋試驗(yàn)法(RRC)可知：接頭的拘束度k=E·T/L，E為彈性模量，T為板厚，L為拘束長(zhǎng)度，由此可知，法蘭頸部直段厚度越厚、越短，焊接接頭拘束度越大，殘余應(yīng)力越高，越容易導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生[4]。因此法蘭頸部結(jié)構(gòu)及尺寸是產(chǎn)生橫向裂紋缺陷根本原因。從彈性分析法(Waters)可知：法蘭在工作狀態(tài)下，頸錐上的最大軸向應(yīng)力發(fā)生在小端，而此時(shí)小端即是圓筒與法蘭對(duì)接焊縫，焊縫成為設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)。本設(shè)備法蘭選用的是《長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭》(NB/T47023-2012)標(biāo)準(zhǔn)件，法蘭頸部直段厚度δ1=24 mm，筒體厚度δ0=18 mm，兩者厚度差為6 mm，按照《壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件》6.5.1規(guī)定∶筒體厚度δ0大于10 mm, 且與短節(jié)或長(zhǎng)頸直邊厚度差超過(guò)大于筒體厚度的30%或超過(guò)5 mm時(shí)，長(zhǎng)頸法蘭直段進(jìn)行削薄處理 (圖3)，或者對(duì)接焊縫的筒體端部堆焊過(guò)渡(圖4)[1]。原圖樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用筒體端部堆焊過(guò)渡 ，堆焊后焊縫形成斜面傾斜角β要求在11°與14°之間。本焊縫斜面傾斜角β=arctan{(δ1-δ0)/[(δ1+δ0-4)tan30°+2+2C]}，δ1=24，δ0=18，C=1。則β=13°，11°<β<14°[1]。即打坡口焊接后焊縫斜面滿足不大于14°要求，但是此焊縫施焊后產(chǎn)生裂紋缺陷。因此，認(rèn)為《長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭》NB/T47023-2012在處理法蘭頸部直段與筒體厚度差時(shí)考慮方法有所欠妥。

圖3 圖4

3 改進(jìn)方法及措施

按GB150-2011進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，頸部大端厚度δ2不變，直段厚度δ1與筒體厚度δ0相同,頸部高度h≥1.5δ2，且直段長(zhǎng)度l≥1.5δ0(圖6)[3]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，兩種對(duì)接法蘭尺寸及焊接效果見表3，從表中看出，法蘭頸部直段厚度δ1減小和長(zhǎng)度l變大，拘束度k變小，焊接接頭裂紋傾向減小。

表3 單位: mm

根據(jù)設(shè)備給定技術(shù)參數(shù), 重新對(duì)法蘭頸部尺寸進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì),法蘭頸部直段與筒體厚度取值相同, 即法蘭頸部直段長(zhǎng)度厚度δ1=δ0=18 mm, 法蘭環(huán)厚度δ=65 mm,直段長(zhǎng)度l=89 mm,按SW-6軟件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算校核通過(guò)[3]。沿法蘭與筒體焊縫中心割斷，筒體端頭采用半自動(dòng)氣割設(shè)備除掉原焊縫，制作30°焊縫坡口，并用砂輪機(jī)打磨呈金屬光澤。法蘭按圖6重新進(jìn)行機(jī)加工。分別對(duì)法蘭及筒體坡口進(jìn)行磁粉檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)異常顯示。組對(duì),按上述焊接工藝施焊，焊后立即對(duì)整條焊縫作消除應(yīng)力熱處理(電加熱帶), 內(nèi)、外表面分別用寬度400 mm、厚度150 mm的保溫棉包扎焊縫，電加熱帶加熱至620℃，保溫50 min,然后緩冷至常溫。對(duì)焊縫進(jìn)行100%X射線檢測(cè),附加20%超聲檢測(cè)(UT)，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷,設(shè)備制造完畢,以2.4 MPa作水壓試驗(yàn),沒發(fā)現(xiàn)異常,出廠使用至今,設(shè)備使用完好正常。

4 對(duì)焊法蘭與筒體焊接方法建議

在化工設(shè)備圖樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用NB/T47023《長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭》時(shí)，當(dāng)對(duì)焊法蘭頸部直段厚度與筒體不等厚時(shí)，盡量減少對(duì)接接頭拘束度，降低其產(chǎn)生焊接裂紋傾向，在滿足法蘭強(qiáng)度和剛度條件下僅對(duì)頸部尺寸調(diào)整。

圖5

1)2≤δ1-δ0<4，采用堆焊過(guò)渡方式。見圖4；

2)4≤δ1-δ0<6，采用法蘭直段削薄方式。見圖5；

3)6≤δ1-δ0≤10，采用法蘭直段與筒體等厚方式。見圖6；

4)6≤δ1-δ0，且不滿足標(biāo)準(zhǔn)NB/T47023修正(表3)，則對(duì)筒體局部加厚增加過(guò)渡段以便與法蘭焊接，且過(guò)渡段長(zhǎng)度L0≥(DN·δ0)1/2，且最小值為100 mm。見圖7。

圖6 圖7

從GB150-2011《壓力容器》整體法蘭應(yīng)力計(jì)算式可看出，軸向應(yīng)力σH，徑向應(yīng)力σR，環(huán)向應(yīng)力σR，及法蘭剛度指數(shù)J，均與法蘭直段長(zhǎng)度(l=H-δ-h)和筒體δ0無(wú)關(guān)系[3]，即對(duì)焊法蘭頸部直段尺寸變化不會(huì)影響法蘭強(qiáng)度和剛度。3)方式(圖6)由于δ1發(fā)生變化須對(duì)法蘭強(qiáng)度和剛度重新進(jìn)行校計(jì)算。對(duì)焊法蘭與筒體焊縫產(chǎn)生缺陷根源是焊接接頭拘束度過(guò)大，與工作壓力大于或等于0.8倍標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大允許工作壓力[1]并無(wú)直接關(guān)系。建議對(duì)焊法蘭與筒體焊縫必須100%進(jìn)行射線或超聲波檢測(cè)，并應(yīng)符合相應(yīng)級(jí)別，預(yù)防漏檢。由低合鋼、鉻鉬鋼等有延遲裂紋傾向材料組成焊接接頭，需對(duì)整條焊縫作焊后消除應(yīng)力熱處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)焊法蘭與筒體焊接接頭產(chǎn)生裂紋的根本原因是法蘭頸部拘束度過(guò)大。對(duì)焊法蘭與筒體厚度不等時(shí)，需對(duì)法蘭頸部尺寸作適當(dāng)調(diào)整或增加過(guò)渡段的方式，減少拘束度對(duì)焊縫影響，使法蘭既滿足強(qiáng)度和剛度的要求又有比較好的焊接工藝性，有利于提高生產(chǎn)率。同時(shí)還要提高此類焊縫檢測(cè)比例，預(yù)防漏檢。對(duì)延遲裂紋傾向材料組成焊接接頭必須作消除應(yīng)力熱處理，降低設(shè)備焊接應(yīng)力，提高設(shè)備安全性能。

[1] 全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).壓力容器法蘭分類與技術(shù)條件:NB/T47020-2012[S]. 北京：新華出版社,2013.

[2] 全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).長(zhǎng)頸對(duì)焊法蘭:NB/T47023-2012[S]. 北京：新華出版社,2013.

[3] 全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).壓力容器:GB150-2011[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012.

[4] 尹士科，王移山. 低合金鋼焊接特性及焊接材料[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2014.

The discussion on the welding seam between welding neck flange and the cylinder

HUANG Mingzhong，LIU Xiaohong，WEN Luyi

Through discussion on the defects of weld crack between the cylinder and the welding neck flange, it is explained that weld joint restraint is too large causes of the crack defects. Different methods are taken to prevent welding defects according to difference of different thickness of the cylinder and straight section of flange neck.

welding restrain degree, weld crack，the neck size of welding neck flange

TH142.2；TQ050.6

B

1002-6886(2016)06-0107-03

黃明忠(1970-)，學(xué)士學(xué)位，工程師。

2016-06-19