壓力容器封頭焊接工藝試驗與實踐

田一宏，黃 斌，石 磊

（1.中國石油天然氣股份有限公司 吉林石化分公司，吉林 吉林 132001；2.中國石油天然氣股份有限公司 西南油氣田分公司，四川 成都 610051）

壓力容器在石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，隨著技術(shù)的進(jìn)步，各類壓力容器的規(guī)格尺寸越來越大，對壓力容器的力學(xué)性能要求也越來越高，必須不斷提升壓力容器加工制造質(zhì)量才能滿足實際使用需求[1-2]。封頭的生產(chǎn)加工一直是壓力容器的制造重點[3-4]，而封頭焊接是整個制造加工流程中的重要工序，其焊接質(zhì)量會對壓力容器的服役性能產(chǎn)生決定性影響[5]。焊接材料及焊接工藝對材料的焊接質(zhì)量影響顯著，合理選用焊接工藝和焊接材料是確保焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)[6]。文中以壓力容器封頭常用13MnNiMoR板材為試驗材料，研究了埋弧焊工藝條件下不同焊接材料對13MnNiMoR焊接性能的影響，并將試驗結(jié)果應(yīng)用到工程實踐中，效果良好。

1 焊接工藝試驗過程

1.1 試驗用材料

選用13MnNiMoR鋼板作為試驗用材料，13MnNiMoR具有較好的力學(xué)性能、強(qiáng)度及韌性[7-8]，同時焊接性能優(yōu)良。試驗用材料尺寸 （長度×寬度×厚度）為2 800 mm×400 mm×98 mm。

采用埋弧焊工藝進(jìn)行焊接試驗，分別選用H10Mn2NiMoA（H10）和 H09MnNiMoG（H09）這 2 種焊接材料進(jìn)行對比分析，總計開展了4組焊接試驗，其中2組采用H10進(jìn)行焊接，試樣編號分別為H10-1、H10-2；2組采用H09進(jìn)行焊接，試樣編號分別為 H09-1、H09-2。

1.2 試驗方案設(shè)計

為了最大程度降低焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力、約束度以及填充量，采用窄間隙坡口對板材進(jìn)行焊接，焊接板材對接示意圖見圖1。

圖1 焊接板材對接示圖

在整個焊接過程中對焊縫成型情況進(jìn)行實時觀察，發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)整，確保所有焊縫能夠一次性焊接完成且合格，不得對焊縫進(jìn)行返修。焊接具體工藝參數(shù)：焊接電流480～530 A、電弧電壓28～32 V、焊絲直徑4 mm、線能量不超過30 kJ/cm、焊接速度36～42 cm/min[9]。

相關(guān)實踐經(jīng)驗表明，13MnNiMoR在焊接過程中容易產(chǎn)生熱裂紋。為避免焊接過程中溫度升高過快引發(fā)材料熱裂紋問題，正式焊接前需對板材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在180～220℃。焊接完成后還需將板材在250～400℃保溫超過2 h，以達(dá)到消氫的目的[10]。

1.3 焊接過程操作要點

1.3.1 溫度檢測

溫度是焊接過程中的重要工藝參數(shù)之一，需要檢測的溫度包括預(yù)熱溫度、層間溫度以及后熱溫度。結(jié)合實際情況，每間隔75 mm采用測溫筆對溫度進(jìn)行1次檢測，確保相關(guān)溫度都在對應(yīng)的合理范圍內(nèi)。

1.3.2 加熱方法

通過火焰加熱方法對焊接試驗板材進(jìn)行預(yù)熱處理，能夠保證預(yù)熱的均勻性，且不會對材料力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響?；鹧婕訜釙r應(yīng)用外焰對試樣進(jìn)行加熱，加熱過程不得引入其他有害雜質(zhì)。加熱寬度不得小于試樣厚度的2倍，考慮試驗過程中可能存在操作誤差，試驗中將加熱寬度設(shè)置為試樣厚度的2倍再加20 mm，即216 mm。

1.3.3 焊接前準(zhǔn)備

焊接人員必須熟練掌握焊接工藝流程，并提前準(zhǔn)備好相關(guān)的設(shè)備和工具，調(diào)整好設(shè)備參數(shù)，保證設(shè)備性能最優(yōu)。焊接前要清除坡口中的各類雜質(zhì)，保證板材清潔干凈。

2 焊接工藝試驗試樣質(zhì)量檢測與分析

2.1 焊縫無損檢測

2.1.1 目視檢測

采用簡單的測量工具分別對H10-1、H10-2、H09-1、H09-2這4個試樣進(jìn)行目視檢測，所有試樣表面均不存在氧化物、焊渣及飛濺等雜質(zhì)，4個試樣的焊縫寬度依次為46 mm、47 mm、45 mm、46 mm，焊縫余高依次為 2.3 mm、2.8 mm、2.5 mm、2.4 mm，所有數(shù)據(jù)均滿足NB/T 47013.1～47013.6—2015《承壓設(shè)備無損檢測》[11]中焊縫余高不得超過3 mm的要求。

目視檢測還發(fā)現(xiàn)，采用H10焊接得到的試樣接頭側(cè)邊出現(xiàn)了微小裂紋，而采用H09焊接得到的試樣不存在此類問題。究其原因，可能是因為H10的塑性不滿足使用要求而導(dǎo)致試樣接頭側(cè)邊出現(xiàn)微裂紋。

2.1.2 超聲檢測

超聲檢測方法的準(zhǔn)確度很高[12]，超聲檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4個焊接試樣焊縫內(nèi)部均未出現(xiàn)明顯的焊接缺陷，表明試樣的整體焊接質(zhì)量良好，完全能夠滿足NB/T 47013—2015中的要求。

2.1.3 磁粉檢測

磁粉檢測能夠快速檢測出試樣表面存在的裂紋[13-15]。對試樣進(jìn)行的磁粉檢測同樣發(fā)現(xiàn)，除了目視檢測的微裂紋外，4個焊接試樣焊縫表面和內(nèi)部不存在缺陷。

2.2 焊縫拉伸試驗檢測

焊縫部位的拉伸力學(xué)性能能夠很好地反映焊接質(zhì)量?；贕B/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[16]中的要求對焊接試樣進(jìn)行加工，焊縫部位的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。

圖2 焊縫部位標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣結(jié)構(gòu)尺寸

通過QX-W5502型萬能試驗機(jī)完成試樣的拉伸試驗，得到的4個試樣焊縫拉伸力學(xué)性能試驗結(jié)果見表1。

表1 焊接試樣焊縫拉伸力學(xué)性能試驗結(jié)果

由表1可知，H10-1試樣在焊縫部位發(fā)生斷裂，其余3個試樣全部在母材部位發(fā)生斷裂，表明采用H09得到的焊接試樣性能更加穩(wěn)定。采用2種焊接材料得到的焊縫各項拉伸性能指標(biāo)都在NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》[17]要求范圍內(nèi)，焊縫力學(xué)性能均滿足使用要求。但不管是焊縫的拉伸強(qiáng)度還是延伸率，H09試樣都表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢。

綜合考慮焊縫部位的無損檢測結(jié)果以及拉伸力學(xué)性能試驗結(jié)果，認(rèn)為采用H09得到的焊縫質(zhì)量更加優(yōu)良。因此，應(yīng)優(yōu)先選用H09對13MnNiMoR鋼板進(jìn)行焊接。

3 壓力容器封頭焊接實踐

某工程應(yīng)用的壓力容器材料為13MnNiMoR，整個壓力容器由中間筒體、上橢圓封頭和下錐形封頭3部分構(gòu)成，3個部分通過焊接進(jìn)行連接。該壓力容器的使用環(huán)境特殊，工作時需要承受較大的壓力，要求設(shè)備具備較高的力學(xué)性能，對焊接質(zhì)量要求非常高。該壓力容器的上封頭和下封頭結(jié)構(gòu)及尺寸見圖3。

圖3 壓力容器上封頭和下封頭結(jié)構(gòu)及尺寸

根據(jù)13MnNiMoR材料的焊接工藝試驗結(jié)果可以知道，采用H09焊接材料，通過埋弧焊工藝進(jìn)行焊接能夠得到理想的焊接效果，焊縫質(zhì)量完全滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的要求。因此，按照前述焊接工藝試驗確定的焊接工藝參數(shù)對該壓力容器的封頭進(jìn)行埋弧焊焊接。焊接完成后對焊縫質(zhì)量進(jìn)行無損檢測，未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量缺陷，封頭焊接質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求。

4 結(jié)語

采用H10和H09這2種焊接材料，通過埋弧焊工藝對壓力容器封頭常用材料13MnNiMoR的焊接工藝進(jìn)行了對比試驗研究，發(fā)現(xiàn)采用H09得到的焊縫質(zhì)量更加優(yōu)良。因此，在工程實踐中利用H09焊接材料對壓力容器封頭進(jìn)行了焊接施工。經(jīng)過無損檢測表明，壓力容器封頭焊接質(zhì)量良好，完全能夠滿足實際使用需求，保障了壓力容器的安全運(yùn)行。