大型LNG儲(chǔ)罐項(xiàng)目螺柱焊工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)選擇與應(yīng)用分析

陳立新，生望

1.中國(guó)海洋石油工程質(zhì)量監(jiān)督化工中心站 山東濟(jì)南 250000

2.河北華北石油工程建設(shè)有限公司 河北任丘 062552

1 序言

中海油、中石化、中石油、新奧燃?xì)獾纫呀ɑ蛟诮ù笮蚅NG儲(chǔ)罐工程中，絕大部分采用全容罐，其中主容器采用9%Ni鋼、自支撐式圓筒形內(nèi)罐結(jié)構(gòu)，次容器采用預(yù)應(yīng)力混凝土外罐結(jié)構(gòu)。外罐主要由樁帽、承臺(tái)、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土罐體、鋼筋混凝土包覆鋼穹頂及承壓環(huán)等組成。為保證結(jié)構(gòu)安全和外罐密封性能，外罐內(nèi)壁防潮襯板預(yù)埋件、承壓環(huán)、鋼穹頂蒙皮板、鋼質(zhì)穹頂接管及人孔等部位，全部植焊有規(guī)格不等、材質(zhì)不同的栓釘，其焊接方式采用螺柱焊。鋼質(zhì)穹頂、管嘴、防潮襯板預(yù)埋件栓釘焊接分別如圖1和圖2所示。螺柱焊是指金屬螺柱（或類似零件）的端部與工件表面在電弧和外壓力共同作用下，熔化的兩部分互相熔合的焊接方法。螺柱焊具有焊接速度快、全斷面焊接、焊接過程人為因素影響小及質(zhì)量穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)[1，2]。

圖1 鋼質(zhì)穹頂及管嘴栓釘

圖2 外罐防潮襯板預(yù)埋件栓釘

螺柱焊現(xiàn)場(chǎng)施焊前，責(zé)任單位必須擬定焊接工藝、焊接試件并進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)施焊接工藝評(píng)定，以保障栓釘焊接質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)文件及規(guī)范要求，這就涉及到如何選擇適用的焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)問題。在大型LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)文件中，一般規(guī)定螺柱焊工藝評(píng)定采用NB/T 47014—2011或ISO 14555—2017標(biāo)準(zhǔn)，其中NB/T 47014—2011是參照ASME《鍋爐壓力容器規(guī)范》第IX卷“焊接和釬接評(píng)定”編制而成；ISO 14555—2017屬于國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)。由于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都具備各自的系統(tǒng)性、權(quán)威性，應(yīng)用廣泛，因此國(guó)內(nèi)LNG儲(chǔ)罐項(xiàng)目栓釘焊接工藝評(píng)定主要采用ISO 14555—2017或NB/T 47014—2011，有利于保證栓釘焊接質(zhì)量穩(wěn)定和牢固。但兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于螺柱焊工藝評(píng)定要素、覆蓋原則、試驗(yàn)項(xiàng)目的規(guī)定存在較大差別，因此深入分析兩種工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的異同與側(cè)重，對(duì)參建單位結(jié)合工程建設(shè)特點(diǎn)，選擇適用的螺柱焊工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，做好螺柱焊質(zhì)量控制具有重要意義。在LNG建設(shè)工程中，由于最常用的螺柱焊形式為“帶陶瓷套圈或保護(hù)氣體的拉弧螺柱焊”，所以本文將以此為例，對(duì)比分析兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差異。

2 主要工藝評(píng)定要素及其覆蓋范圍對(duì)比

通過對(duì)比材料類別及組合、母材厚度、螺柱橫截面積和形狀、焊接位置、焊接參數(shù)、焊接電源類型、預(yù)熱溫度、焊接方法及焊后熱處理類別共9個(gè)主要工藝評(píng)定要素，分析NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差異，發(fā)現(xiàn)其中7個(gè)方面存在較大差異，2個(gè)基本相同，具體情況分析如下。

（1）材料類別及組合改變 通過材料類別及組合改變，對(duì)比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差異，具體分析見表1。從表1可見，NB/T 47014—2011把材料類別改變作為是否重新進(jìn)行工藝評(píng)定的唯一標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋原則單一；而ISO 14555—2017細(xì)分了覆蓋要求，但母材類別覆蓋范圍較寬泛，在實(shí)際工程實(shí)踐中，責(zé)任單位應(yīng)認(rèn)真分析標(biāo)準(zhǔn)覆蓋要求，結(jié)合已有螺柱焊工藝評(píng)定數(shù)據(jù)庫(kù)，再確定是否重新進(jìn)行工藝評(píng)定。

表1 材料類別及組合改變

（2）母材厚度改變 通過母材厚度改變，對(duì)比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差異，具體分析見表2。從表2可見，NB/T 47014—2011未對(duì)母材厚度提出評(píng)定要求；但I(xiàn)SO 14555—2017針對(duì)陶瓷套圈和保護(hù)氣體兩種熔池保護(hù)方式，細(xì)分了評(píng)定因素和覆蓋范圍。

（3）螺柱橫截面積和形狀改變 通過螺柱橫截面積和形狀改變，對(duì)比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差異，具體分析見表3。由表3可以看出，如果螺柱焊工藝評(píng)定采用ISO 14555—2017標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)螺柱焊工藝評(píng)定的兩個(gè)螺柱直徑之間跨度較大時(shí)，介于二者之間的任一螺柱直徑，其焊接電流都需要結(jié)合公式計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)焊接位置、螺柱材質(zhì)及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等各方面要素綜合確定，工程質(zhì)量可靠性和穩(wěn)定性只能通過LNG儲(chǔ)罐項(xiàng)目長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行來驗(yàn)證，存在一定質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)。

表2 母材厚度改變

（4）焊接位置改變 通過焊接位置改變，對(duì)比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差異，具體分析見表4。從表4可以看出，NB/T 47014—2011規(guī)定不同螺柱焊接位置（平焊、橫焊、仰焊）應(yīng)采用一一對(duì)應(yīng)的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果，不同位置之間嚴(yán)禁覆蓋；而ISO 14555—2017規(guī)定在其他評(píng)定因素不變的情況下，只要通過橫焊位置（PC）焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，允許應(yīng)用于其他位置的螺柱焊，顯然其覆蓋范圍非常寬泛。

（5）焊接參數(shù)改變 通過焊接參數(shù)改變，對(duì)比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差異，具體分析見表5。從表5可以看出，NB/T 47014—2011嚴(yán)格控制焊接參數(shù)變化范圍，僅允許焊接參數(shù)在很小范圍內(nèi)變化，非常有利于控制螺柱焊接質(zhì)量。

（6）焊接電源類型改變 通過焊接電源類型改變，對(duì)比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差異，具體分析見表6。從表6可以看出，NB/T 47014—2011規(guī)定，改變電源類型或改變焊槍型號(hào)，則必須重新進(jìn)行焊接工藝評(píng)定；而ISO 14555—2017規(guī)定，改變電源類型或改變焊槍型號(hào)，應(yīng)采用產(chǎn)品試驗(yàn)方法對(duì)螺柱焊接工藝規(guī)程進(jìn)行驗(yàn)證，并要求宏觀金相檢測(cè)；相對(duì)于NB/T 47014—2011重新進(jìn)行工藝評(píng)定，ISO 14555—2017采用產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證工藝方式更加復(fù)雜，不利于現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐操作，效率低下。

表3 螺柱橫截面積和形狀改變

表4 焊接位置改變

（7）關(guān)于預(yù)熱溫度 NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于預(yù)熱溫度的規(guī)定見表7。從表7可以看出，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)預(yù)熱溫度的評(píng)定側(cè)重點(diǎn)完全不同，導(dǎo)致覆蓋要求也完全不同。

（8）焊接方法改變 通過焊接方法改變，對(duì)比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差異，具體分析見表8。

（9）焊后熱處理類別改變 通過焊后熱處理類別改變，對(duì)比NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差異，兩者都規(guī)定，改變焊后熱處理類別，應(yīng)重新進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。

表5 焊接參數(shù)改變

表7 關(guān)于預(yù)熱溫度

表8 焊接方法改變

3 螺柱焊工藝評(píng)定試驗(yàn)項(xiàng)目及要求

通過對(duì)比焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)項(xiàng)目及要求，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)存在的主要差異見表9。

由表9可見，在“溫度≤100℃、承受靜載”同等工況條件下，NB/T 47014—2011比ISO 14555—2017增加了拉伸試驗(yàn)至少一個(gè)評(píng)定項(xiàng)目，細(xì)化了不同螺柱材料的斷裂強(qiáng)度合格判據(jù)，從保證螺柱焊接質(zhì)量角度而言，增加拉伸試驗(yàn)項(xiàng)目意義重大。

表9 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)存在的主要差異

4 結(jié)束語(yǔ)

NB/T 47014—2011和ISO 14555—2017作為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐項(xiàng)目主要采用的螺柱焊工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，各有特點(diǎn)和側(cè)重，均可滿足螺柱焊工藝評(píng)定基本要求。其中NB/T 47014—2011屬于承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用范圍最為廣泛，其權(quán)威性業(yè)界公認(rèn)，特別是螺柱焊接參數(shù)認(rèn)可范圍更加苛刻；而ISO14555—2017屬于金屬材料螺柱焊通用標(biāo)準(zhǔn)，在第10章專門規(guī)定了螺柱焊工藝評(píng)定要求和認(rèn)可范圍。通過以上對(duì)比分析，筆者認(rèn)為采用NB/T 47014—2011更有利于焊接參數(shù)和焊接質(zhì)量的管控，其優(yōu)勢(shì)集中體現(xiàn)在以下5個(gè)方面。

1）一種螺柱直徑對(duì)應(yīng)一份工藝評(píng)定試驗(yàn)報(bào)告（其他評(píng)定因素不變，下同）；對(duì)于近幾年國(guó)內(nèi)剛剛興起的超大單體容量LNG儲(chǔ)罐建設(shè)工程，采取每一種螺柱規(guī)格或直徑應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行螺柱焊工藝評(píng)定試驗(yàn)方式，無疑是最為穩(wěn)妥的技術(shù)方案。

2）螺柱評(píng)定位置，必須與現(xiàn)場(chǎng)螺柱焊接位置一一對(duì)應(yīng)。

3）明確現(xiàn)場(chǎng)改變電流種類或極性時(shí)，應(yīng)增加沖擊韌度試驗(yàn)。在LNG儲(chǔ)罐低溫環(huán)境下，螺柱焊沖擊韌度指標(biāo)是否合格尤為重要。

4）與評(píng)定值相比，NB/T 47014—2011僅允許焊接電流、焊接時(shí)間、提升高度等主要參數(shù)小范圍變化，而ISO 14555—2017認(rèn)可焊接設(shè)備供應(yīng)商推薦的焊接參數(shù)范圍內(nèi)的變化，許可范圍非常寬泛，不利于精準(zhǔn)控制螺柱焊接質(zhì)量。

5）相對(duì)于ISO 14555—2017的4種可選螺柱焊接方法，NB/T 47014—2011螺柱焊接方法選擇范圍很大，而SMAW或GMAW是螺柱焊接必選方法之一，選擇NB/T 47014—2011作為螺柱焊評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，有利于統(tǒng)一螺柱焊工藝評(píng)定要求，便于現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行和監(jiān)管。

綜上所述，建議LNG儲(chǔ)罐項(xiàng)目?jī)?yōu)先采用NB/T 47014—2011作為螺柱焊工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，以更好地實(shí)現(xiàn)螺柱焊接質(zhì)量的再現(xiàn)性和可靠性。