某設(shè)備筒體與法蘭焊接的質(zhì)量改進

姚婷　王文欣　馬遠路　黃山

摘 要：文章針對某設(shè)備上的上部筒體在筒體與法蘭前期焊接過程中出現(xiàn)的焊接質(zhì)量問題，通過對缺陷性質(zhì)和缺陷產(chǎn)生的原因進行分析，從而調(diào)整焊接工藝，制定相應(yīng)的整改措施。通過對下筒體的施焊驗證了其措施制定的有效性，為后續(xù)筒體組焊的焊縫質(zhì)量的控制提供保障。

關(guān)鍵詞：筒體；缺陷；焊接質(zhì)量

中圖分類號：TG40 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）03-0107-03

Abstract： In view of the welding quality problems of the upper cylinder of a certain equipment in the early welding process of the cylinder and flange， this paper analyzes the nature of defects and the causes of defects， so as to adjust the welding process and work out the corresponding rectification measures. The effectiveness of the measures is verified by the welding of the lower cylinder， which provides a guarantee for the quality control of the welding seam of the follow-up welding of the cylinder.

Keywords： cylinder； defect； welding quality

1 概述

某設(shè)備的設(shè)計使用載荷190噸，試驗靜載荷266噸，試驗動載荷228噸，上下筒體作為其中的一個關(guān)鍵核心部件，直接關(guān)系到整個所在系統(tǒng)的運行安全和設(shè)備在役吊裝安全。

2 筒體組件情況及焊接難點介紹

2.1 圍筒組件情況介紹

筒體與筒體之間，主要通過螺栓連接固定。而上/下筒體通過卷制后與法蘭的焊接來連接，上部筒體與法蘭的焊接為D1、D2焊縫和下部筒體與法蘭的焊縫為D3、D4焊縫。其質(zhì)保等級為Q2，焊接按照RCC-M H冊規(guī)定的S1級設(shè)備焊縫要求執(zhí)行，是整個設(shè)備焊縫等級要求最高的設(shè)備。

2.2 圍筒焊接難點介紹

法蘭與筒體的焊接是圍筒組件的關(guān)鍵焊接，同時該焊縫還是圍筒的主要受力焊縫，其焊接質(zhì)量直接影響后續(xù)部件的安裝、載荷試驗?zāi)芊耥樌M行。

上部圍筒筒體厚度為40mm，加工前筒體外徑為3755mm，下部圍筒筒體厚度為55mm，加工前筒體直徑為3785mm。焊接無損檢測滿足RCC-M S7724.1和RCC-M S7724.4的要求。由于筒體直徑大，厚度大，所以焊接量大，筒體與法蘭的焊接又屬于全焊透的非等厚角接接頭，并且焊腳高度要求也較大（上部圍筒筒體與法蘭的K值為25mm，下部圍筒筒體與法蘭的K值為40mm），這樣的焊接接頭內(nèi)部容易存在較大的應(yīng)力，焊接時，在其焊縫薄弱環(huán)節(jié)，容易形成冷裂紋傾向。

3 上圍筒的焊接

上部圍筒在施焊前嚴格按照RCC-M 2007進行焊接工藝評定，施焊時挑選具有焊工資質(zhì)的焊工進行焊前培訓和產(chǎn)品施焊。

上部圍筒筒體與法蘭D1D2焊縫產(chǎn)生了1個NCR，為缺陷導致的超聲不合格。通過統(tǒng)計分析上部圍筒焊后超聲檢驗記錄（表1）。發(fā)現(xiàn)其筒體與法蘭焊縫的缺陷分布零散，主要缺陷性質(zhì)為氣孔、夾渣、未熔合和裂紋，缺陷集中在坡口根部。針對這一統(tǒng)計分析情況，對這四種缺陷產(chǎn)生的原因進行系統(tǒng)性分析研究。

4 缺陷的原因分析

4.1 氣孔

產(chǎn)生的氣孔的原因有：（1）焊條烘焙和保溫；（2）工件上的污銹、油質(zhì)和水分；（3）焊工施焊時手法操作。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查焊條嚴格按照規(guī)范進行烘焙和保溫，領(lǐng)用后焊條存在保溫桶，焊前工件的坡口進行了目視和滲透檢驗，所以，產(chǎn)生氣孔的主要原因是：

（1）筒體與法蘭焊接使用的焊條型號為E5018-1M3，

該焊條屬于低氫型鐵粉熱強鋼焊條，有良好的低溫沖擊韌性。相對于普通的低氫型焊條，該焊條添加鐵粉，引弧困難，操作不當容易產(chǎn)生氣孔缺陷。

（2）由于焊工首次使用E5018-1M3型號的焊條，對添加了鐵粉后的焊條的焊接性能不熟悉，不能靈活地進行起弧和收弧，導致焊后在焊縫中形成氣孔。

4.2 夾渣

產(chǎn)生夾渣的原因有：（1）層間清理不徹底；（2）原材料中有較多的夾雜物。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查母材和焊材均進行了入廠復(fù)驗，且入廠復(fù)驗合格，所以造成夾渣缺陷的主要原因為：（1）采用E5018-1M3焊條進行施焊時，該焊條飛濺較大，容易使前一焊道及坡口兩側(cè)附著雜質(zhì)，焊工一旦漏清理就造成焊縫缺陷。筒體與法蘭焊接時，焊接量大，并且采用手工電弧焊，焊道數(shù)量和焊層數(shù)量都較多，部分焊接人員的責任意識不強，層間打磨清理不徹底，造成夾渣。（2）筒體與法蘭的焊接為雙面焊，在筒體一側(cè)開坡口，且為單邊坡口（坡口型式見圖1），導致焊接坡口根部寬度較窄，焊條不能完全伸入坡口根部，增加了打底焊接的難度，同時增加了背面清根的量，容易導致清根不徹底，易形成夾渣。

4.3 未熔合

產(chǎn)生未熔合的原因有：（1）焊材的選擇與母材不匹配；（2）坡口型式設(shè)計不合理。

母材為Q345C，焊條為E5018-1M3，兩者的化學成分相似，力學性能相近，焊材的選擇與母材是匹配的，所以造成未熔合缺陷的主要原因為：（1）根據(jù)圖1筒體與法蘭的

焊接坡口型式結(jié)構(gòu)簡圖可以看出焊接坡口根部寬度較窄，打底焊采用的φ4.0焊條進行焊接，焊條無法完全深入坡口根部，根部熔合較差，一旦背面清根不徹底，就會出現(xiàn)未熔合缺陷。（2）焊接時，筒體與法蘭外側(cè)加裝了防變形工裝筋板，筋板的位置影響了焊接時的視角及焊接位置，造成局部層間未熔合。

4.4 裂紋

產(chǎn)生冷裂紋的原因有：（1）鋼種的淬硬傾向大；（2）焊

接接頭的含氫量大；（3）接頭拘束應(yīng)力較大。圍筒在焊后嚴格按照熱處理規(guī)程對圍筒進行了整體消應(yīng)力處理，所以造成上部圍筒裂紋缺陷的主要原因是：

（1）筒體與法蘭母材均為Q345C，其含碳量不高，但含有少量的合金元素，計算Q345C的碳當量：

通過計算得出Q345C的碳當量CE>0.4%，材料淬硬傾向較大，特別是大厚度的工件在焊接過程中極易在焊縫熱影響區(qū)形成淬硬組織馬氏體，使熱影響區(qū)的硬度變大，塑性降低，尤其當快速冷卻時，非常容易產(chǎn)生冷裂紋缺陷。

焊接時，預(yù)熱部位較少，預(yù)熱不夠充分（見圖2），只有兩個加熱點，每個加熱點只有一個火焰噴頭，通過緩慢旋轉(zhuǎn)筒體來加熱。容易導致在焊接過程中工件的冷卻速度大于工件的升溫速度，使接頭中形成馬氏體組織，出現(xiàn)裂紋。沒有對焊縫采取保溫緩冷的措施，從而導致焊后冷卻速度較快，形成馬氏體組織，產(chǎn)生裂紋。

（2）焊條采用的是E5018-1M3焊條雖然為低氫型焊條，但焊接完成后，沒有對焊縫進行后熱處理，使焊縫中有殘余氫的來不及逸出，并以飽和狀態(tài)殘留在馬氏體中，促使這一區(qū)域的接頭脆化形成裂紋。

5 改進措施

針對上述分析得出的原因制定以下改進措施：

5.1 對產(chǎn)生氣孔缺陷問題的改進措施

（1）對參與焊接筒體與法蘭的焊工進行專項操作培訓，并進行試驗驗證來保證焊工能有效掌握這種焊條的特性。（2）在產(chǎn)品施焊前，每班焊接人員需在練習試件上試焊2-3根焊條，以熟悉焊接材料的焊接性。

5.2 對產(chǎn)生夾渣缺陷問題的改進措施

（1）焊前對焊工進行培訓，加強焊工的責任意識，安排人員現(xiàn)場監(jiān)察。焊工在施焊前，需對層間清理情況進行自檢，確保無焊渣、飛濺等缺陷后方能進行施焊。（2）根部焊縫在打底清根后增加滲透檢驗，確保清根徹底。

5.3 對產(chǎn)生未熔合缺陷問題的改進措施

（1）針對由于坡口間隙較小，手弧焊打底焊時坡口根部較窄，焊條不能完全深入坡口根部的問題，更改筒體與法蘭的焊接坡口型式，增大坡口根部尺寸，內(nèi)側(cè)坡由單U型的坡口改為U型坡口。具體的坡口型式見圖3。同時更改打底焊焊條直徑，采用φ3.2的焊條進行打底焊。

（2）更改防變形工裝，工裝外形為與法蘭相同內(nèi)外徑，厚度大于法蘭，緊貼法蘭面，通過在內(nèi)側(cè)和外側(cè)用連接板焊接對工裝和法蘭進行固定。方便組對定位，避免工裝與焊接位置干涉，避免焊工施焊時對施焊視角的遮擋。具體工裝型式見圖4。

5.4 對產(chǎn)生裂紋缺陷問題的改進措施

（1）在筒體與法蘭整圈焊縫布置足夠數(shù)量的火焰加熱點（見圖5），并加大每個加熱點的加熱力度，在每個加熱點放置包括一個火焰噴槍，和一個弧形多孔的加熱噴管，同時緩慢轉(zhuǎn)動筒體，確保焊縫均勻加熱，火焰加熱區(qū)域偏向法蘭側(cè)，確保筒體與法蘭的溫度都能夠達到預(yù)熱要求。后熱處理后對焊縫加保溫棉進行緩冷至室溫（見6）。（2）焊縫經(jīng)目視檢測合格后立即對焊縫進行后熱處理，并在后熱處理前保證焊縫及其周邊150mm范圍內(nèi)的溫度不低于層間溫度。（3）焊接過程中隨時監(jiān)控預(yù)熱溫度，根據(jù)實際情況調(diào)整火焰大小。

6 驗證

按照上述的改進措施升版了焊接數(shù)據(jù)包和相關(guān)工序文件，并成立了檢查小組對現(xiàn)場進行監(jiān)控。同時派駐技術(shù)人員在現(xiàn)場，對焊接這一重要環(huán)節(jié)進行現(xiàn)場技術(shù)指導。

下部圍筒按照改進后的措施進行焊接和加工，對焊接中間過程實施監(jiān)督和必要的檢測，有效地解決了焊縫氣孔、未熔合、夾渣、裂紋等缺陷，目前下圍筒已順利完成焊接和熱處理，且熱處理前后滲透、超聲探傷合格（見表2），并已圓滿完成載荷試驗。

7 結(jié)束語

通過對上部圍筒焊接缺陷進行分析，找出產(chǎn)生缺陷的原因，從工藝方面有針對性制定了改進措施，有效的避免了焊縫缺陷的產(chǎn)生。下圍筒的一次性焊接合格為后續(xù)兩個核電機組的圍筒組件的焊接奠定了基礎(chǔ)，更能有效保證項目的整體供貨進度。

參考文獻：

[1]周振豐.焊接冶金學（金屬的焊接性）[M].機械工業(yè)出版社，1996.

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