壓力容器用鋼板焊接工藝及焊接質(zhì)量控制

張全慶

（新余鋼鐵集團(tuán)有限公司，江西 新余 338001）

在工業(yè)應(yīng)用中，常見(jiàn)的壓力容器有液化氣罐、鍋爐氣包及原油儲(chǔ)罐等、主要用來(lái)盛放一定壓力的氣體或液體。耐壓性、耐腐蝕性和密閉性是壓力容器的主要特點(diǎn)，在壓力容器的生產(chǎn)制作的過(guò)程中鋼板一般需要經(jīng)過(guò)拉伸，彎曲，焊接等工藝確定形狀，其中焊接是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)于保障壓力容器密閉性和耐壓性十分關(guān)鍵。由于壓力容器中常盛放易燃易爆的高壓氣體或液體，因此首先壓力容器用鋼板應(yīng)具有良好的韌性和焊接性能；其次，焊接方法應(yīng)選擇也十關(guān)鍵，合適的焊接方法，能夠增強(qiáng)壓力容器的安全性和穩(wěn)定性，面對(duì)不同焊接方法也要有與之相配的焊接工藝，才能保證優(yōu)良焊接效果；焊接質(zhì)量還受焊接環(huán)境與鋼板材質(zhì)的影響，此外，焊接過(guò)程還會(huì)產(chǎn)生焊接應(yīng)力和焊接變形，焊接應(yīng)力會(huì)對(duì)焊接區(qū)域鋼板的強(qiáng)度、塑形和局部穩(wěn)定性造成影響。因此，還需要對(duì)焊接后焊縫區(qū)域進(jìn)行焊后熱處理以控制焊接變形和應(yīng)力[1]。

1 壓力容器用鋼焊接工藝

1.1 焊接方法介紹

壓力容器用鋼板在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用十分廣泛，主要有碳素鋼板、低合金鋼板、調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼板、低溫用鋼等類型材料。以常見(jiàn)的Q345R、Q370R等低合金鋼鋼為例，常用的焊接方法有埋弧焊、焊條電弧焊以及氣體保護(hù)焊等；對(duì)于常見(jiàn)的16MnDR等低溫壓力容器用鋼板，焊接可選方法有鎢極氬弧焊、焊條電弧焊及埋弧焊等；而對(duì)于大型原油儲(chǔ)罐用12MnNiVR鋼板來(lái)說(shuō)，氣電立焊和埋弧焊都是常用的方法。在實(shí)際施工中，還應(yīng)綜合考慮焊接件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在保證焊接質(zhì)量的前提下，根據(jù)焊接件的實(shí)際使用情況和現(xiàn)有焊接設(shè)備資源確定焊接方法。一般選擇焊接能量較低的焊接方法以減小工件受熱變形，焊接能量低則焊接熱影響區(qū)、焊接變形區(qū)也會(huì)很小，從而對(duì)整體變形的影響很小，而且在焊接時(shí)還可以對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件的焊接變形進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。目前常用的低能量焊接方法有氬弧焊、CO2氣體保護(hù)焊等方法?？傊?，焊接方法需要綜合考慮，靈活多變。

1.2 焊接材料的選擇

焊接材料由母材的材質(zhì)決定，不同的母材其對(duì)應(yīng)的焊接材料也各不相同。壓力容器用途多樣，使用環(huán)境復(fù)雜，制備所采用的鋼板也各不相同，因此焊接材料的選擇要考慮到焊接方法以及母材的性能。對(duì)于Q345R、Q370R等低合金鋼而言，其制備的構(gòu)件具有良好的強(qiáng)度、塑形，因此選擇焊接材料時(shí)，需要保證焊接強(qiáng)度和塑性。其焊縫金屬中的合金元素含量應(yīng)盡可能與母材匹配，特別是Cr、Mn、Mo等主要合金元素；對(duì)于16MnDR等低溫壓力容器用鋼，其低溫韌性好，在焊接時(shí)還要求焊接材料也具有一定的低溫韌性，焊接材料的選擇要確保較小的熱輸出，選用Φ4mm的埋弧焊絲，能有效控制焊接工藝參數(shù)，滿足焊接時(shí)減小熱輸出；對(duì)于12MnNiVR石油儲(chǔ)罐用鋼還應(yīng)保證焊材具有較高強(qiáng)度。不同牌號(hào)的鋼板焊接時(shí)，因?yàn)閮刹牧峡估瓘?qiáng)度不同，為了使材料避免應(yīng)力集中作用，焊縫金屬材料的強(qiáng)度應(yīng)介于兩材料的抗拉強(qiáng)度之間。根據(jù)以上分析，在實(shí)際焊接時(shí)選用材料需要綜合考慮焊接應(yīng)力、耐腐蝕性、力學(xué)性能以及抗裂性能等[2]。

1.3 焊接環(huán)境的控制

除了對(duì)焊接方法和焊接材料的控制，焊接環(huán)境也是焊接過(guò)程中值得注意的條件之一，特別是焊接環(huán)境中的溫度和濕度會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量有較大的影響。一般在焊接施工前，要先對(duì)環(huán)境中的溫濕度進(jìn)行測(cè)量。溫度＞0℃，濕度＜60%環(huán)境條件下適合焊接，否則應(yīng)提前進(jìn)行預(yù)熱和除濕處理[3]。

2 壓力容器用鋼板焊縫熱處理

2.1 熱處理的作用

焊接是從局部進(jìn)行的，焊接焊縫附近溫度極高且分布不均勻，母材局部受熱伸長(zhǎng)產(chǎn)生塑性變形，而距離焊接點(diǎn)較遠(yuǎn)的溫度較低部分不會(huì)發(fā)生伸長(zhǎng)變化，從而導(dǎo)致焊縫及附近區(qū)域應(yīng)力分布不均，當(dāng)溫度冷卻時(shí)形成內(nèi)應(yīng)力，這對(duì)焊縫金屬及焊縫周圍的金相組織都會(huì)造成影響，進(jìn)而影響兩端母材的的穩(wěn)定性和力學(xué)性能。因此需要進(jìn)行熱處理來(lái)消除焊縫及其周圍的殘余應(yīng)力，提高焊縫的韌性、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

2.2 熱處理的參數(shù)控制

焊后熱處理最主要的三個(gè)參數(shù)是保溫溫度、保溫時(shí)間及升降溫速度，其對(duì)焊后熱處理的效果起到?jīng)Q定性作用。保溫溫度要根據(jù)母材以及焊縫焊材的屈服強(qiáng)度進(jìn)行合理選擇，保證能夠消除焊接殘余應(yīng)力，保溫溫度還需要考慮氫元素的含量，如果鋼材中氫元素含量過(guò)高，那么應(yīng)該適當(dāng)控制溫度，使氫能從鋼材中釋放，防止出現(xiàn)冷焊裂紋，一般應(yīng)加熱至再結(jié)晶退火溫度以上保溫，晶粒會(huì)緩慢結(jié)晶，在消除殘余應(yīng)力的基礎(chǔ)上使得鋼材性能恢復(fù)，同時(shí)具有一定的強(qiáng)度，韌性和塑性；在保溫時(shí)間選擇上，如果壓力容器用鋼板規(guī)格較厚，那么為了減少溫差帶來(lái)的影響，確保焊縫處的性能得以恢復(fù)，還應(yīng)該適當(dāng)?shù)难娱L(zhǎng)保溫時(shí)間，使得壓力容器板內(nèi)外溫度均勻，以達(dá)到良好的熱處理效果；而升降溫速度一般和鋼板的厚度成反比例關(guān)系。

根據(jù)熱動(dòng)力學(xué)曲線（CCT曲線）可知，冷卻保溫時(shí)間不同，金屬轉(zhuǎn)變得到的組織也不同，因此為了獲得良好的組織和性能，需要對(duì)保溫時(shí)間進(jìn)行嚴(yán)格控制。根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，焊后熱處理的最低保溫時(shí)間和最低保溫溫度都要高于規(guī)定置。但高于多少并沒(méi)有指示和參考，因此需要靠工藝人員發(fā)揮自己的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，用來(lái)控制焊件熱處理的綜合效果。

2.3 熱處理方法

一般根據(jù)操作方式的不同，將熱處理分為整體熱處理和局部熱處理兩種方法。整體熱處理即對(duì)壓力容器整體全部進(jìn)行熱處理，只適用于體積不大的壓力容器，一般采用燒嘴噴射火焰加熱方式。對(duì)于大型的壓力容器，由于其體積大，不方便運(yùn)輸，只能在現(xiàn)場(chǎng)采用局部熱處理的方法。局部熱處理一般采用電加熱方法，操作方便，安全性高。

3 壓力容器用鋼板焊接質(zhì)量缺陷及其原因分析

在鋼板焊接制備壓力容器過(guò)程中，稍有不慎就會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，常見(jiàn)的焊接質(zhì)量缺陷可以通過(guò)焊接后的容器外部和容器內(nèi)部?jī)煞矫孢M(jìn)行分析。

3.1 容器外部質(zhì)量缺陷及其原因分析

容器外部質(zhì)量缺陷主要有以下幾種。①咬邊現(xiàn)象，咬邊現(xiàn)象是焊接中常常發(fā)生的一幕現(xiàn)象，或許由于焊接設(shè)備的電流控制不當(dāng)，或者是沒(méi)有選擇合理的焊接工藝，都會(huì)導(dǎo)致咬邊問(wèn)題的發(fā)生。②焊接表面不平整，常常由于焊接過(guò)程不穩(wěn)定而導(dǎo)致焊接表面出現(xiàn)凹坑或突起等等，影響到焊接外觀質(zhì)量。③錯(cuò)邊問(wèn)題，由于焊縫兩端材料沒(méi)有銜接對(duì)正，使得焊縫有交錯(cuò)現(xiàn)象，錯(cuò)邊問(wèn)題嚴(yán)重影響了焊接質(zhì)量，會(huì)大大降低容器的承載能力。

3.2 容器內(nèi)部質(zhì)量缺陷及其原因分析

容器外部質(zhì)量缺陷主要有以下幾種。①焊縫有氣孔，高溫時(shí)焊縫中熔池的氣泡沒(méi)有來(lái)得及溢出，當(dāng)溫度冷卻時(shí)氣泡凝固，從而在焊縫中存在缺陷，進(jìn)而影響焊縫的力學(xué)性能。②夾渣問(wèn)題，焊縫中的熔渣沒(méi)有及時(shí)清理就堆積在坡口邊緣等位置，一般是由于焊接操作過(guò)快或者操作不規(guī)范導(dǎo)致。③焊縫裂紋，焊縫中出現(xiàn)裂紋是焊接中常見(jiàn)的問(wèn)題，但對(duì)于壓力容器而言，焊縫裂紋是危險(xiǎn)程度最高的質(zhì)量缺陷，由于壓力容器壓力高，因此焊縫開(kāi)裂極大的降低了壓力容器的安全性。造成此現(xiàn)象的原因可能是高溫作用或者是焊縫金屬有雜質(zhì)。

4 壓力容器用鋼板焊接質(zhì)量的控制措施

4.1 焊接前的準(zhǔn)備工作

（1）確定合適的焊接方法及焊材。焊接前需要根據(jù)壓力容器的實(shí)際使用情況和現(xiàn)有焊接設(shè)備資源確定焊接方法，一般選擇焊接能量較低的焊接方法以減小工件受熱變形。焊接能量低則焊接熱影響區(qū)、焊接變形區(qū)也會(huì)很小，從而對(duì)整體變形的影響很小，而且在焊接時(shí)還可以對(duì)焊接結(jié)構(gòu)件的焊接變形進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。其次在焊材選擇時(shí)，應(yīng)選擇滿足壓力容器設(shè)計(jì)要求和力學(xué)性能的焊材，確保焊材安全可靠。

（2）焊接前預(yù)熱。在焊接前對(duì)構(gòu)件進(jìn)行預(yù)熱可以有效減小局部高溫導(dǎo)致的熱脹冷縮變形，防止焊接收縮應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生裂紋，能夠有效減小焊接件的焊接應(yīng)力，一般對(duì)主焊縫和定位焊縫進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度通常在100℃～200℃之間，預(yù)熱范圍一般在焊接焊縫附近30mm～50mm內(nèi)，預(yù)熱的方法可以采用隔熱板均勻加熱、紅外線加熱、火焰加熱等方法。

4.2 焊接時(shí)的操作規(guī)范

（1）合理設(shè)計(jì)焊接順序。在焊接時(shí)，如果焊接件能夠固定，則首先對(duì)焊接件進(jìn)行定位焊，能夠有效降低焊接變形，定位焊焊點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在對(duì)焊接件活動(dòng)約束較大的位置。定位焊完成后焊接件位置便會(huì)固定，然后再對(duì)約束性小的焊縫進(jìn)行焊接，這樣才能更好地保證先焊接的部位可以進(jìn)行自由收縮，減少焊接結(jié)構(gòu)件的變形。

（2）合理的焊接方向。對(duì)于壓力容器長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)引起焊縫過(guò)長(zhǎng)的情況，在焊縫的末端會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，在焊縫中間區(qū)段會(huì)產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。這是由于冷卻速度不同和收縮是焊縫受到的約束不同引起的，在焊接時(shí)，要考慮到冷卻后焊縫縱向橫向應(yīng)力的變化，使其收縮自如，從而減少殘余應(yīng)力。若是對(duì)接焊縫應(yīng)從中間緩慢向兩端焊接，這樣能使焊縫收縮平穩(wěn)自由；若是交叉焊縫應(yīng)保證交叉點(diǎn)不出現(xiàn)應(yīng)力集中和缺陷，合理設(shè)計(jì)焊接順序。

4.3 焊接后的質(zhì)量檢測(cè)

焊接工作完成后，為了保證焊接質(zhì)量需要對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行檢查，常用的檢查方法有拉伸、冷彎、沖擊等力學(xué)試驗(yàn)檢測(cè)、外觀檢查及超聲探測(cè)等。力學(xué)試驗(yàn)成本低，操作簡(jiǎn)單可靠，能夠準(zhǔn)確的檢驗(yàn)出焊接區(qū)域的強(qiáng)度、塑形和韌性；外觀檢查更加直接，但只能檢查焊接區(qū)域表面，缺乏可靠性；超聲探測(cè)不僅可以焊接區(qū)域的外部缺陷，還能檢測(cè)出內(nèi)部缺陷，是目前探測(cè)焊接質(zhì)量常用的方法。對(duì)于質(zhì)量檢測(cè)有問(wèn)題的焊接件，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)焊，保證壓力容器能夠正常工作。

5 結(jié)語(yǔ)

焊接質(zhì)量關(guān)系到壓力容器的安全性和穩(wěn)定性，并對(duì)壓力容器的工作質(zhì)量和壽命具有決定性影響。焊接方法以及焊接材料的選擇至關(guān)重要，在保證焊接質(zhì)量的前提下，根據(jù)焊接件的實(shí)際使用情況和現(xiàn)有焊接設(shè)備資源確定焊接方法，綜合考慮焊接應(yīng)力、耐腐蝕性、力學(xué)性能以及抗裂性能選用焊接材料。為了改變焊接接頭的組織性能，還需要對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行熱處理來(lái)消除焊縫及其周圍的殘余應(yīng)力，提高焊縫的韌性、強(qiáng)度和穩(wěn)定性。對(duì)于焊接工人而言，除了對(duì)壓力容器用鋼板、焊接工藝以及焊接區(qū)域熱處理方法有所了解外，還應(yīng)掌握壓力容器用鋼板板焊接容易出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題及其產(chǎn)生原因，增加焊接質(zhì)量缺陷控制的經(jīng)驗(yàn)，避免焊接出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。