復(fù)合鋼板球罐的焊接及缺陷處理

孫俊勝 雒淑娟 黨戰(zhàn)偉 張淑雁 宮 超 曹 宇 白建軍 曾瀟沄

（上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司）

球罐是一種儲存氣體、液體（包括液化氣體）的壓力容器，由于它受力均勻，承載能力大，在相同直徑和相同工況下，薄膜應(yīng)力僅為圓筒形容器的一半，且在相同容積下，球殼表面積最小，質(zhì)量最輕，設(shè)備成本最低［1］，因此，被廣泛應(yīng)用在化工、冶金、能源及軍事等領(lǐng)域中。 針對一些具有腐蝕性的介質(zhì)，在設(shè)計時，通常采用耐腐蝕性較好的純不銹鋼材料，但由于純不銹鋼材料的球罐造價成本較高，因此近年來，壓力容器行業(yè)開始采用復(fù)合鋼板材料代替純不銹鋼材料設(shè)計、制造壓力容器，這樣既能滿足使用要求又能降低設(shè)備造價成本。

復(fù)合鋼板是由基層材料和覆層材料通過爆炸復(fù)合法、爆炸軋制復(fù)合及軋制復(fù)合等方法復(fù)合而成的雙金屬板［2］。 復(fù)合鋼板綜合基層材料和覆層材料各組元材料的性能優(yōu)勢特點，既有基層材料所具有的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，又有覆層材料所具有的耐腐蝕、耐磨等特殊性能［3］，實現(xiàn)各組元材料資源的最優(yōu)配置，節(jié)約貴重金屬材料，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 與此同時，復(fù)合鋼板球罐焊接難度大，焊接缺陷較多，返修工序復(fù)雜，所以在安裝過程中，嚴(yán)格要求復(fù)合鋼板球罐的焊接作業(yè)。 筆者通過某復(fù)合鋼板球罐安裝項目，介紹了復(fù)合鋼板球罐的焊條選用、焊接方法、缺陷分析和返修方案。

1 復(fù)合鋼板球罐焊材選用

本復(fù)合鋼板球罐安裝項目中，復(fù)合鋼板球罐材料由基層碳鋼Q345R 和覆層不銹鋼S30403 組成，其中基層碳鋼厚度為20mm，覆層不銹鋼厚度為3mm。

復(fù)合鋼板球罐焊接材料分為3 種類型［4］：

a. 基層碳鋼焊條，焊材采用牌號J507，型號E5015；

b. 覆層焊縫與基層焊縫交界處采用的過渡層焊條，焊材采用牌號A302，型號E309；

c. 覆層不銹鋼焊條，焊條采用牌號A002，型號E308L。

基層焊接選用的碳鋼焊條應(yīng)保證焊縫金屬的力學(xué)性能高于或等于母材的力學(xué)性能。 覆層焊接選用的焊條應(yīng)保證焊縫金屬的耐腐蝕性能。 過渡層不僅要能隔離碳鋼層與不銹鋼層，而且還要能補(bǔ)償不銹鋼層因稀釋引起的合金元素 （如鉻、鎳等）的降低，使得覆層焊縫的合金成分保持應(yīng)有的水平。 過渡層焊接時，基層結(jié)構(gòu)鋼的局部熔化使不銹鋼焊縫合金成分稀釋， 同時還存在鉻、鎳合金元素的燒損問題。 這樣就會降低不銹鋼焊縫中的鉻、鎳合金元素含量，增加不銹鋼焊縫的含碳量，從而使不銹鋼焊縫中容易形成硬而脆的馬氏體組織，降低焊接接頭的塑性、韌性和耐腐蝕性能［5］。 因此，在實際焊接過程中，為了補(bǔ)償這些合金元素的損失，使過渡層的合金性能保持應(yīng)有的水平，應(yīng)該選用Cr、Ni 等合金元素含量高和碳含量低的焊接材料，還應(yīng)考慮抗裂性，控制焊縫的稀釋率。

在本項目中，過渡層焊接選用E309 焊條，覆層焊條選用E308 焊條， 其中E309 焊條中Ni、Cr含量分?jǐn)?shù)分別為12.0～14.0，23.0～25.0；E308 焊條中Ni、Cr 含量分?jǐn)?shù)分別為9.0～12.0，18.0～21.0［6］，過渡層焊條中Ni、Cr 含量分?jǐn)?shù)高于覆層焊條中Ni、Cr 的含量分?jǐn)?shù)， 使得過渡層焊條可以為覆層焊條的合金元素進(jìn)行補(bǔ)償。 這樣才能在正常的焊接參數(shù)下得到雙相組織的焊縫，避免產(chǎn)生大量馬氏體組織和焊接冷裂紋。 在不銹鋼復(fù)合鋼板過渡層焊接中， 不僅存在著合金元素的稀釋和燒損，而且還有組織和性質(zhì)上的變化。 故而，在焊接過程中，過渡層的焊接最為重要，難度也最大。

2 焊接方法

焊接順序為：第一步，基層焊接（包括內(nèi)坡口焊接、基層背面清根、基層外坡口焊接）；第二步，過渡層焊接；第三步，過渡層焊后檢查；第四步，覆層焊接。

具體操作如下：

a. 基層焊接。 基層材料為Q345R，具有良好的可焊性，焊接技術(shù)成熟。 在焊接打底時，使用的焊條直徑為3.2mm，焊接電流為90～105A；其他層焊接用焊條直徑為4.0mm，焊接電流160～170A?；鶎觾?nèi)側(cè)焊接必須嚴(yán)控焊接位置，保留過渡層焊接空間，不允許在過渡層焊接區(qū)域進(jìn)行碳鋼焊條焊接，以避免少量高鉻、高鎳的不銹鋼成分稀釋到碳素鋼焊縫中形成馬氏體組織而發(fā)生硬化現(xiàn)象。

b. 過渡層焊接。 過渡層焊接屬于異種鋼焊接，焊接時焊工選用直徑為3.2mm 的焊條，須嚴(yán)格遵循焊接工藝評定控制電流、 電壓和焊接速度，以確保焊接時的熱輸入量和層間溫度，防止焊縫組織晶體粗大，產(chǎn)生催化和裂紋，降低基層對過渡層焊縫的稀釋。

c. 過渡層焊接完成后，清除坡口邊緣的飛濺物，并打磨焊縫，目測檢查過渡層焊縫是否完全填充，對于未充分填充的焊縫，需進(jìn)行補(bǔ)焊作業(yè)，確保過渡層完全隔離基層，防止碳鋼污染不銹鋼層。 完成目測檢測后，還需進(jìn)行PT 檢測，確保過渡層表面無缺陷。

d. 覆層焊接。 選用直徑為3.2mm 的焊條，必須嚴(yán)格按照焊接工藝評定控制電流、電壓和焊接速度，以確保焊接時的熱輸入量和層間溫度。 焊接時采取單層多道、快速不擺動焊法，并要求焊縫余高不大于1.5mm［7］。

需要注意的是，在施工現(xiàn)場，應(yīng)由專人進(jìn)行焊條管理發(fā)放，不允許焊工同時攜帶兩種或三種焊條進(jìn)行焊接作業(yè)，避免焊條混用，造成焊接缺陷。

3 焊接缺陷分析

復(fù)合鋼板球罐在焊接完成48h 后，對焊縫進(jìn)行100%射線（RT）檢測。 經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)存在夾渣、氣孔和未熔合3 種缺陷。 在第一次返修后，再次進(jìn)行射線檢測，發(fā)現(xiàn)夾渣、氣孔和未熔合缺陷均已處理完成， 但在返修部位出現(xiàn)裂紋缺陷。對以上缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

夾渣缺陷產(chǎn)生的原因有：焊接接頭邊緣的污物未清理干凈；焊接時電流調(diào)節(jié)過?。缓附訒r焊條的角度和焊條的使用方法不恰當(dāng)，使得熔渣和鐵水辨認(rèn)不清，從而導(dǎo)致熔化金屬和熔渣混雜在一起；焊縫冷卻速度過快，熔渣來不及上浮。

氣孔缺陷產(chǎn)生的原因有： 焊接周圍有風(fēng)；使用的焊條未烘干；焊接速度過快。

本項目未熔合缺陷的出現(xiàn)具有以下3 點共性：

a. 經(jīng)檢測顯示，未熔合缺陷出現(xiàn)的部位集中在上極板和赤道帶，在球罐內(nèi)部屬于仰焊和立焊部位， 該部位主要采用點焊堆焊的方法施焊，產(chǎn)生了較多的未熔合缺陷；而下極板采用連弧焊施工方式的，未出現(xiàn)此缺陷。

b. RT 膠片上顯示， 未熔合缺陷都出現(xiàn)在焊縫的右側(cè)，而在焊縫左側(cè)未出現(xiàn)缺陷。 經(jīng)觀察，發(fā)現(xiàn)焊工是右手持焊把， 在焊接焊縫的左邊緣時，焊條擺動較深，而在焊接焊縫的右邊緣時焊條擺動較淺，所以左邊緣都能焊透，而右邊緣出現(xiàn)未熔合缺陷。

c. 在清除未熔合缺陷時，發(fā)現(xiàn)缺陷基本都位于過渡層處。

分析以上3 個現(xiàn)象得出： 由于A302 焊條鐵水相比J507 焊條鐵水的流動性差、穿透力不強(qiáng)，焊工對過渡層焊條的性能不熟悉，在焊接過渡層時，電流過小，焊接速度較快且未調(diào)整焊接手法，導(dǎo)致焊條擺動較淺的部位鐵水與母材未能完全相熔合，造成未熔合缺陷［8］。

焊工采用碳弧氣刨的方式清除缺陷，經(jīng)打磨后進(jìn)行返修作業(yè)。 在返修完成后， 進(jìn)行100%RT檢測，檢測結(jié)果顯示未熔合缺陷已清除，但是出現(xiàn)了新的裂紋缺陷。 缺陷裂紋在首次探傷時未出現(xiàn)，而在返修后才出現(xiàn)，并且裂紋大多分布在返修焊縫的正中心和返修焊縫的邊界處。 經(jīng)分析，返修后出現(xiàn)裂紋有3 個原因：

a. 焊工在進(jìn)行返修時， 由于返修區(qū)域較短，在上一層焊道的熱量還未完全散出時，就進(jìn)行下一層焊肉的焊接，導(dǎo)致組織和性能本就十分不均勻過渡層產(chǎn)生再熱裂紋，此類裂紋主要集中在返修焊縫的正中間（圖1）。

b. 在返修過程中，焊工采用電弧氣刨清除焊肉，然而碳弧氣刨溫度過高，產(chǎn)生大量的余熱，這些余熱擴(kuò)散至周邊的焊接接頭內(nèi)，使得過渡層受到熱應(yīng)力的影響后，產(chǎn)生熱裂紋。

c. 首次焊接時焊縫內(nèi)存在微裂紋， 但在RT檢測時未明顯成像，再通過碳弧氣刨和再次焊接產(chǎn)生熱應(yīng)力后，微裂紋擴(kuò)展，此類裂紋主要集中在返修焊縫的邊界處（圖2）。

圖1 熱裂紋

圖2 微裂紋

4 返修方案

夾渣、 氣孔和未熔合缺陷的返修措施為：第一步，使用碳弧氣刨的方式清除缺陷，并打磨清除氧化皮；第二步，采用PT 檢測，確認(rèn)缺陷完全處理；第三步，在做好防風(fēng)措施后，使用烘干焊條，選用合適焊條后，采用正確的焊接速度，有規(guī)則地擺動焊條，攪動熔池，促使熔渣與鐵水分離進(jìn)行返修作業(yè)。 經(jīng)第一次返修后，夾渣、氣孔和未熔合缺陷已全部處理完成。

對于新產(chǎn)生的裂紋缺陷，分析裂紋缺陷產(chǎn)生的原因，制定專項返修方案，具體操作如下：

a. 消除裂紋缺陷作業(yè)。 根據(jù)裂紋產(chǎn)生的原因，為了防止返修時再次產(chǎn)生裂紋，缺陷的清除方式由磨光機(jī)打磨代替碳弧氣刨。 要求從裂紋的兩端向中間進(jìn)行打磨，打磨起始位置是在裂紋邊沿向外延伸30～50mm 處（圖3）。 在打磨時，需將不銹鋼覆層和過渡焊接層全部磨除，以防止在焊接時產(chǎn)生新的缺陷。 打磨結(jié)束后進(jìn)行PT 檢測，以確認(rèn)是否所有的裂紋皆已清除，如果顯示還有裂紋則繼續(xù)打磨， 直到PT 檢測合格后方可進(jìn)行焊接。

b. 返修焊接作業(yè)。返修過程需要分層多道焊接作業(yè)，先采用過渡層焊條焊接，再采用覆層焊條焊接。 在焊接過渡層時一定要控制線能量，使用小電流，快速焊，焊條不做橫向擺動。 在完成每一道焊接后，要徹底清除焊渣，并等到該焊道溫度降至室溫后，進(jìn)行PT 檢測，檢測合格后，再進(jìn)行下一焊道的焊接，如果發(fā)現(xiàn)缺陷，需先清除缺陷，再用PT 檢測確認(rèn)缺陷完成清除后進(jìn)行焊接。在返修完48h 后，再進(jìn)行RT 檢查，檢查所有缺陷是否處理完畢。

圖3 焊縫打磨方法示意圖

在返修過程中，清理焊縫雜物時，基層采用碳鋼鋼絲刷，而覆層需采用不銹鋼鋼絲刷，不得使用碳鋼鋼絲刷清理覆層，以免對不銹鋼產(chǎn)生污染。 并且要求每層焊道溫度降低至室溫后再進(jìn)行下一層焊道焊接， 主要目的是降低層間溫度，防止焊道溫度過高， 導(dǎo)致上一層焊肉產(chǎn)生新的裂紋。

5 改進(jìn)措施

綜合以上分析，給出以下改進(jìn)措施：

a. 控制錯邊量。 球罐在組對時，調(diào)控好對接焊縫的錯邊量和焊縫間隙，確保焊縫錯邊量不大于1mm。 在焊接過程中，必須嚴(yán)格控制異類焊條填充位置，避免出現(xiàn)碳鋼焊條污染不銹鋼母材的情況。 當(dāng)錯邊量較大時，基層碳鋼焊條將會填充于過渡層和覆層區(qū)域， 污染覆層不銹鋼母材，碳鋼污染區(qū)域如圖4 所示。

b. 控制焊工資質(zhì)。施焊復(fù)合鋼板的焊工應(yīng)取得耐蝕堆焊資格［9］，不允許僅有不銹鋼和碳鋼資質(zhì)的焊工施焊。 建議為焊工準(zhǔn)備數(shù)塊試板，用于焊條熟悉，在焊工考試合格后，再進(jìn)行施焊作業(yè)。

c. 改進(jìn)返修工藝。 為了避免在返修時產(chǎn)生熱裂紋，缺陷的清除方式選用磨光機(jī)打磨。 并且在返修時，采用多層多道的焊接方式，在每一層焊接完成后，需要等焊縫溫度降至室溫，再進(jìn)行PT檢查，檢測合格后，再進(jìn)行下一層焊接作業(yè)。

圖4 碳鋼污染區(qū)域

6 結(jié)束語

不銹鋼復(fù)合鋼板球罐過渡層焊接作業(yè)是球罐制造的重要環(huán)節(jié)，盡量保證一次性成形，減少返修作業(yè)量。 在焊接過渡層時，必須清理基層焊渣和氧化皮，并且要求焊工對過渡層焊條進(jìn)行焊接練習(xí)，在完全掌握焊條屬性后再進(jìn)行球罐焊接作業(yè)。 在返修時，采用磨光機(jī)打磨清除缺陷，并要求從缺陷的兩頭往中間打磨， 防止裂紋擴(kuò)展，打磨結(jié)束后采用PT 檢測， 確定缺陷完全清理后再進(jìn)行返修作業(yè)。 返修焊接時，需要多層多道焊接，每層焊接完畢后需等到溫度降至室溫再進(jìn)行PT檢測，檢測合格后再進(jìn)行下一層焊接，以確保每道焊縫均無裂紋后再進(jìn)行下一道焊接。