臨氫壓力容器焊縫現(xiàn)場堆焊焊接質(zhì)量控制

張興軍

（寧夏特種設(shè)備檢驗檢測院，寧夏 銀川 750000）

近年來，煤化工產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，其裝置內(nèi)的變換、加氫裝置設(shè)備由內(nèi)部襯非金屬隔熱層的冷壁結(jié)構(gòu)發(fā)展成為由耐熱鋼焊接的熱壁結(jié)構(gòu)。我國從上世紀(jì)80年代制造這類設(shè)備獲得成功后，現(xiàn)在國內(nèi)很多大型裝備制造單位已具備制造這些設(shè)備的能力，其結(jié)構(gòu)有板焊式、鍛焊式結(jié)構(gòu)，滿足了國內(nèi)使用廠家的需求。這些設(shè)備投入使用多年，運行情況總體良好。但還有相當(dāng)一部分在進行定期檢驗時，設(shè)備基本都能發(fā)現(xiàn)堆焊層存在不同程度的裂紋缺陷，這些缺陷大部分存在于現(xiàn)場組焊焊縫或接管，如圖1、圖2所示。這些裂紋經(jīng)分析多為熱裂紋。

圖1 堆焊層裂紋

圖2 裂紋表面打磨后

煤化工中的臨氫反應(yīng)器操作壓力在2 MPa～10 MPa、操作溫度320℃～480℃，氫及硫化氫等條件下工作，為防止氫脆、氫腐蝕、硫化物腐蝕、Cr－Mo鋼回火脆化以及堆焊層的剝離等嚴重損傷，設(shè)計要求高、難度大、制造工藝復(fù)雜，對材料、焊接技術(shù)以及焊接質(zhì)量都有很高要求。以熱壁加氫反應(yīng)器為例，殼體基材2.25Cr1Mo內(nèi)壁堆焊不銹鋼防蝕層，形成雙金屬結(jié)構(gòu)。其殼體材料在臨氫條件下工作，主要依據(jù)耐爾遜（Nelson）曲線來確定，2.25Cr－1Mo鋼被廣泛應(yīng)用于加氫設(shè)備上，是熱壁加氫反應(yīng)器主選材料。隨著人們對設(shè)備損傷認識上的深入，加氫裝置規(guī)模不斷擴大，反應(yīng)器尺寸也越來越大，使得2.25Cr－1Mo鋼制造的設(shè)備壁厚很厚。近些年國內(nèi)冶煉技術(shù)不斷提高，國產(chǎn)12Cr2Mo1R廣泛應(yīng)用于加氫反應(yīng)器，雖然工藝適應(yīng)性等與國外材料還有一些差距，但采用一些進口焊材或?qū)Ｓ煤覆囊材苓_到設(shè)計條件要求。大型超限加氫反應(yīng)設(shè)備為了解決運輸?shù)葐栴}，采用分段、分片現(xiàn)場組對，組對過程仍然采用制造單位原制造工藝，就會出現(xiàn)工藝不完善或工藝執(zhí)行不到位現(xiàn)象，尤其在堆焊層堆焊過程。筆者根據(jù)經(jīng)驗，通過加強一些關(guān)鍵點控制，能夠有效解決堆焊熱裂紋的產(chǎn)生，達到很好效果[1]。

焊接過程控制的關(guān)鍵控制點就是焊接材料及烘干程度、焊接工件表面清理及預(yù)熱溫度、焊接線能量及層間溫度控制、焊后后熱溫度及保溫時間、無損檢測、熱處理。由于施工現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境較制造廠差，現(xiàn)場的質(zhì)量責(zé)任人與制造單位質(zhì)量部門管理不協(xié)調(diào)，這就給焊接質(zhì)量埋下了隱患，應(yīng)從以下幾個方面加以解決[2]。

1 材料管理

（1）建立焊材二級庫，按工藝規(guī)定的烘干溫度對焊材進行烘干，焊材領(lǐng)取時采用保溫桶，應(yīng)查看保溫桶是否進行加熱（領(lǐng)焊材時的溫度），保證焊材恒溫存放，確保焊材在使用時的性能。現(xiàn)場經(jīng)常能夠發(fā)現(xiàn)焊工領(lǐng)用焊條直接塞進冷保溫桶、用廢舊包裝鐵桶或其他鐵桶領(lǐng)用焊劑現(xiàn)象。

（2）未使用完的焊材回收后應(yīng)設(shè)專區(qū)按牌號統(tǒng)一存放，積累到一定量，按工藝要求使用，不能把回收焊材和新焊材混用。焊材二級庫應(yīng)設(shè)專人管理，負責(zé)焊材烘干、領(lǐng)用、回收，不能由焊工班長兼職。焊材應(yīng)做到誰使用誰領(lǐng)用并做好登記，不能由焊工班長領(lǐng)用后再分發(fā)給施焊焊工。

2 焊接管理

（1）焊接工藝卡應(yīng)用卡袋掛在焊接崗位安全部位，焊工必須持證上崗后認真閱讀焊接工藝卡，熟知所焊接設(shè)備焊接工藝。防止焊工與工藝分離，不按工藝憑經(jīng)驗只管“熔焊條”的現(xiàn)象。

（2）現(xiàn)場檢查人員應(yīng)當(dāng)對焊接工件表面、預(yù)熱部位認真檢查，達到工藝要求后通知焊工進行焊接作業(yè)，火焰單側(cè)加熱測溫應(yīng)從加熱面背面測量，尤其預(yù)熱范圍邊緣部位，不應(yīng)只測中心部位。

圖3 堆焊部位示意圖

3 耐蝕層堆焊

（1）目前制造熱壁加氫反應(yīng)器現(xiàn)場應(yīng)用的堆焊方法主要是電弧帶極堆焊和焊條電弧堆焊，考慮到母材稀釋的因素，多采用雙層堆焊。焊帶為309L和347L，焊帶規(guī)格為寬30～100mm，厚0.4～0.5mm。帶極堆焊方法主要有埋弧堆焊（SAW），日本神鋼又開發(fā)了高速帶極堆焊新工藝，堆焊速度在14m/h以上，目的在于改善堆焊層的抗剝離性能。甘肅工業(yè)大學(xué)和蘭石廠也開展了這方面的研究，取得了試驗性結(jié)果。

（2）加氫反應(yīng)器小直徑接管內(nèi)壁采用自動TiG堆焊或自動藥芯焊絲氣保焊堆焊也得到了廣泛應(yīng)用，且極大地提高了生產(chǎn)效率。自動TiG堆焊可堆焊管子的最小內(nèi)徑為50mm，長度達2m。哈爾濱焊接研究所還研制了90°彎管的自動TiG堆焊設(shè)備，滿足了國內(nèi)多家工廠的需要。

（3）內(nèi)壁耐蝕層堆焊方法：①堆焊位置應(yīng)始終保持處于平焊狀態(tài)；②堆焊方法為埋弧帶極堆焊；堆焊材料見下表，堆焊焊道如下圖。

表1 常規(guī)堆焊材料表

留意因封頭是曲面，采用HJ107焊劑與同類型進口焊劑相比，其熔深大，使堆焊層結(jié)合面不輕易產(chǎn)生夾渣，堆焊質(zhì)量好。③焊條電弧SMAW堆焊一般過渡層填充金屬E24.13 LR，耐蝕層填充金屬E19.13 NbR，主要對焊工在執(zhí)行工藝過程控制，線能量轉(zhuǎn)化到單根焊條熔敷金屬單位時間的焊接長度，控制面層道間溫度最高為200°C，施焊過程中尤其過渡層盡量使得焊接電流接近工藝要求下限值，要防止焊接線能量的過量輸入，避免焊接熱裂紋的產(chǎn)生，焊接檢查人員適時監(jiān)控道間溫度以及監(jiān)控線能量輸入，堆焊位置見圖3。

④堆焊工序：預(yù)熱溫度150℃∽180℃→埋弧帶極堆焊過渡層→后熱（300℃∽350℃×1h）→24h后堆焊層表面著色檢查（PT）→埋弧帶極堆焊面層→后熱（300℃∽350℃×1h）→24h后堆焊層表面著色檢查（PT）→結(jié)合表面無損檢測從基材進行（UT）檢測。焊條電弧SMAW堆焊過渡層→后熱（300℃∽350℃×1h）→24h后堆焊層表面著色檢查（PT）→埋弧帶極堆焊面層→后熱（300℃∽350℃×1h）→后堆焊層表面著色檢查（PT）。有些工藝堆焊面層后不進行后熱處理，要進行落實。⑤無損檢測是真實檢測焊接質(zhì)量的第一憑據(jù)，在現(xiàn)場組焊時控制好無損檢測時機，尤其不因時間緊，焊接完成后工件表面達到檢測溫度就進行PT檢測。無損檢測無疑是對焊接質(zhì)量控制的一個重要標(biāo)尺，無損檢測應(yīng)當(dāng)制定單臺的檢測工藝，并按檢測工藝進行檢測。⑥焊縫返修。對需要焊接返修的缺陷應(yīng)當(dāng)分析缺陷產(chǎn)生原因,提出改進措施,有必要應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)進行焊接工藝評定,編制焊接返修工藝。

4 焊后熱處理

焊接后的焊接接頭一般在現(xiàn)場進行局部熱處理，大部分采用電加熱方式。需要注意的是加熱寬度、熱電偶布置、保溫措施，大型加氫反應(yīng)器一般壁厚都大于120mm，對于一些單側(cè)加熱，熱電偶只布置在加熱側(cè)的工藝，會造成熱處理溫度達不到要求的現(xiàn)象。熱電偶布置不應(yīng)以方便為前提，應(yīng)真實反映熱處理部位溫度分布狀態(tài)，處理過程升降溫狀況[3]。

5 結(jié)語

在大型臨氫壓力容器現(xiàn)場組焊的施工中，由于自然條件復(fù)雜，對焊接質(zhì)量影響較大，焊接作業(yè)人員要按工藝要求進行焊接，尤其要控制焊接輸入熱能的增加、層間溫度、焊接線能量，防止產(chǎn)生熱裂紋?，F(xiàn)場質(zhì)量保證體系人員對體系內(nèi)的各個質(zhì)控環(huán)節(jié)都應(yīng)當(dāng)嚴格要求和認真檢查，確保堆焊質(zhì)量[4]。