高壓儲(chǔ)氫罐封頭與接管的焊接工藝

摘要： 在高壓儲(chǔ)氫罐焊接工藝中，Q345R低合金鋼的封頭與S31603奧氏體不銹鋼的接管進(jìn)行焊接時(shí)，由于材質(zhì)不同及大尺寸的原因，容易產(chǎn)生裂紋。針對此問題開展了異種鋼焊接工藝的研究和試驗(yàn)，主要包括裂紋產(chǎn)生原因的分析、對焊接工藝方法和參數(shù)進(jìn)行研究以及焊接試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用焊條電弧焊對封頭過渡層進(jìn)行焊接，然后采用鎢極氬弧焊打底、焊條電弧焊填充的焊接方案，可有效防止裂紋的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞： 異種鋼焊接； 焊接工藝； 焊接接頭

中圖分類號(hào)： TG 442

Welding process of vessel head and connecting tube of high-pressure hydrogen storage tank

Shen Shunxi

（Fujian Environmental Protection Design Institute Co.， Ltd.， Fuzhou 350001， Fujian， China）

Abstract： In welding process of high-pressure hydrogen storage tank， low alloy steel Q345R vessel head and S31603 austenitic stainless steel nozzle were easy to crack due to different materials and large size. To solve this problem， welding process of dissimilar steels was studied and tested， which included analysis of causes of major cracks， research on welding process methods and parameters， and welding tests. The result showed that welding scheme of using shielded metal arc welding to weld transition layer of vessel head， and then using argon tungsten arc welding to backing weld and using shielded metal arc welding to filling weld could effectively prevent occurrence of cracks.

Key words：? dissimilar steel welding; welding process; welded joint

0 前言近年來，氫能成為最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕茉矗踩珒?chǔ)運(yùn)是其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。在各種儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)中，高壓儲(chǔ)運(yùn)最為成熟，但隨著技術(shù)的發(fā)展，容器壓力越來越高，市場上已經(jīng)出現(xiàn)98 MPa的儲(chǔ)氫罐。因此，儲(chǔ)氫罐的壁厚不斷增大，技術(shù)要求增高，采用單一材料焊接的封頭與接管結(jié)構(gòu)已無法滿足工程要求，故使用異種鋼材焊接，然而在焊接工藝上存在諸多難題，如碳遷移、熱應(yīng)力及金屬的稀釋等，影響了焊接的質(zhì)量［1-3］。

該研究所研制封頭材質(zhì)為Q345R，直徑為1 200 mm，封頭厚度為150 mm，接管材質(zhì)為S31603，外徑為240 mm，壁厚80 mm，屬于大直徑、大厚度異種鋼焊接結(jié)構(gòu)，焊接過程容易產(chǎn)生裂紋。為此，該文從S31603與Q345R異種鋼的焊接性、焊接工藝等出發(fā)，分析、研究裂紋產(chǎn)生的原因，尋求合適的焊接工藝以確保焊接接頭的質(zhì)量。

1 封頭與接管的化學(xué)成分及性能

封頭采用Q345R材料，屬于低合金鋼，常溫下顯微組織是珠光體組織，而接管是S31603材料，其標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)為022Cr17Ni12Mo2，屬于奧氏體不銹鋼，它們的化學(xué)成分及力學(xué)性能、物理性能分別見表1、表2。

2 焊接性分析

封頭與接管的焊接是大尺寸異種鋼焊接，容易造成焊接接頭（焊縫及熱影響區(qū)）產(chǎn)生應(yīng)力和組織變形，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生［4-6］，如圖1所示。封頭是大直徑、大厚度結(jié)構(gòu)，接管位于中間，這相當(dāng)于在焊縫四周疊加一個(gè)強(qiáng)剛性的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力。異種鋼焊接過程產(chǎn)生復(fù)雜的熱應(yīng)力。由于厚度過大，封頭受到不均勻的加熱（熱影響區(qū)溫度高，其余區(qū)域溫度低），產(chǎn)生分布不規(guī)律變形，導(dǎo)致熱應(yīng)力產(chǎn)生；從表2看出，S31603的熱膨脹系數(shù)是Q345的1.7倍左右，而熱導(dǎo)率只有Q345R的1/3左右，所以在冷卻過程中熱影響區(qū)域的收縮程度不同，造成焊縫的殘余熱應(yīng)力產(chǎn)生；異種鋼焊接存在碳遷移現(xiàn)象，使焊縫及熱影響區(qū)域處金屬組織發(fā)生固相轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致體積變化，產(chǎn)生應(yīng)力。

綜上所述，為防止裂紋產(chǎn)生，焊接工藝需考慮以下問題：采用內(nèi)外整體加熱，降低整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力；為了防止焊接溫度過高，應(yīng)采用小熱輸入的焊接方法，減小收縮應(yīng)力；在Q345R側(cè)預(yù)先堆焊過渡層，增加焊縫塑性；焊接過程使用錘擊法進(jìn)行消應(yīng)力處理，降低熱應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力對焊縫的不良影響。

3 焊接工藝確定

焊接工藝根據(jù)焊接母材的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及焊接性分析，制定合適的焊接工藝，防止焊接裂紋產(chǎn)生。其中，焊接工藝包括焊接方法、焊接坡口及焊接材料等參數(shù)。

3.1 焊接方法

目前，異種鋼焊接主要方法有焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊、等離子弧焊及熔化極氣體保護(hù)焊等。

根據(jù)封頭結(jié)構(gòu)特性、焊接性及電弧焊接特點(diǎn)，結(jié)合制造經(jīng)驗(yàn)，提出以下方案：采用焊條電弧焊在Q345R側(cè)焊接過渡層，方法采用多層多道、分段退焊（每段50 mm），然后在主焊層（打底層+填充層）上采用鎢極氬弧焊打底、焊條電弧焊填充，也采用多層多道、分段退焊（每段50 mm）的方法。

3.2 焊接坡口

坡口的選擇取決于母材加工性能、焊接方法和工藝要求。封頭與接管的焊接接頭屬于T形接口，根據(jù)坡口形式不同，分為不開坡口、單邊V形、K形和雙U形，其特點(diǎn)見表3［7］。綜合考慮，選用K形坡口，坡口角度45°，其焊縫填充金屬量較少，坡口形狀容易加工，且焊槍容易擺動(dòng)，焊后應(yīng)力和變形較小，有利于減小裂小紋發(fā)生的概率。

3.3 焊接材料

為了保證封頭結(jié)構(gòu)的使用要求以及力學(xué)性能，焊接材料應(yīng)根據(jù)封頭化學(xué)成分、力學(xué)性能、接頭形式及焊接工藝要求，選用不同焊材進(jìn)行打底層、過渡層、填充層的焊接，且嚴(yán)禁混用。

3.3.1 打底層焊材的選用

打底層與封頭直接接觸，保證后續(xù)焊接的穩(wěn)定性，應(yīng)考慮強(qiáng)度等級(jí)，保證力學(xué)性能。選取鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接，焊材牌號(hào)為ER316L的奧氏體不銹鋼焊絲，直徑為2.4 mm。焊接時(shí)通過改變焊接工藝參數(shù)，減少熱輸入。

3.3.2 過渡層焊材的選用

過渡層主要用來補(bǔ)償由于稀釋作用造成封頭金屬元素Cr，Ni等降低。采用高鎳焊材，同時(shí)考慮減小接頭處變形產(chǎn)生的應(yīng)力，應(yīng)使用線膨脹系數(shù)介于Q345R與S31603之間的焊材。采用焊條電弧焊進(jìn)行堆焊過渡層，焊條選用E309MoL-16（A042），焊條直徑3.2 mm。

3.3.3 填充層焊材的選用

填充的焊材與打底層焊材、S31603鋼材的化學(xué)成分近似，同時(shí)考慮到加工難度、焊接速度及價(jià)格等原因，在確保焊接質(zhì)量前提下，選擇焊條電弧焊的焊接方法，使用E316L-16（A022）焊條進(jìn)行堆焊焊接，焊條直徑4 mm。

3.4 焊接熱輸入、預(yù)熱與層間溫度

焊接熱輸入應(yīng)考慮焊接溫度對焊縫及熱影響區(qū)的影響。雖然加大電流使高鎳的焊絲、焊條熔化后的液體不易流動(dòng)，有利于焊接成形，但大電流、大熱量也會(huì)產(chǎn)生焊接變形和應(yīng)力，更容易導(dǎo)致熱裂紋及脆性組織產(chǎn)生［8-9］。此外，在焊接過渡層時(shí)，應(yīng)減小熔液流動(dòng)性，防止中間熔液向兩邊流動(dòng)，使熔液均勻分布在封頭處。因此，在焊接時(shí)應(yīng)采用小電流、快速度的焊接工藝。

S31603屬于奧氏體不銹鋼，碳當(dāng)量較低，焊接性優(yōu)良，淬硬傾向不明顯，焊接時(shí)不需要預(yù)熱，而Q345R為低合金鋼，焊接需要較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格工藝控制措施;但預(yù)熱溫度不能過高，否則導(dǎo)致Q345R過熱，產(chǎn)生脆硬組織，最終導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。主焊層為S31603鋼材，焊接可以不預(yù)熱，過渡層的預(yù)熱溫度為100～120 ℃。

在焊接主焊層時(shí)，應(yīng)控制層間溫度。過高的溫度導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)域的晶體粗大，致使韌性及塑性下降；然而要使焊接層間溫度小，在不影響焊接時(shí)間下，冷卻速度就要快，這樣容易形成淬硬組織以及影響擴(kuò)散氫的逸出。結(jié)合實(shí)際焊接經(jīng)驗(yàn)，選擇層間溫度為50～60 ℃，冷卻采用保溫棉包扎緩慢冷卻，既保證焊接效率又防止裂紋產(chǎn)生。

3.5 焊接工藝整體方案

3.5.1 坡口加工

焊接接頭示意圖如圖2所示。加工接頭坡口，并檢查其厚度尺寸、裂紋等缺陷是否存在。

3.5.2 焊接過渡層

對封頭進(jìn)行內(nèi)外整體預(yù)熱至100～120 ℃，升溫速度Vu-T≤5 ℃/min，測溫點(diǎn)在封頭內(nèi)側(cè)坡口邊；對封頭采用小電流、快速度、多層多道、分段退焊法（每段50 mm）堆焊過渡層，厚度為10 mm，過程保持溫度在80～120 ℃，焊接工藝參數(shù)見表4；堆焊后用保溫棉包扎緩慢冷卻至室溫，降溫速度Vd-T≤5 ℃/min；去除焊渣、檢查是否有裂紋等缺陷。3.5.3 接管焊接

安裝接管時(shí)不預(yù)熱，用鎢極氬弧焊進(jìn)行打底層焊接，焊接工藝參數(shù)見表4；采用小電流、快速度、多層多道、分段退焊法（每段50 mm）焊接填充層，從中間開始進(jìn)行內(nèi)外交替焊接，厚度為20 mm，過程保持溫度在80～120 ℃，焊接工藝參數(shù)見表4；堆焊后用保溫棉包扎緩慢冷卻至層間溫度（50～60 ℃）左右，降溫速度Vd-T≤5℃/min；用錘擊法進(jìn)行消應(yīng)力處理；去除焊渣、檢查是否有裂紋等缺陷產(chǎn)生；反復(fù)上述填充層焊接，直至焊完；去除焊渣，焊縫打磨。

3.5.4 焊后熱處理

堆焊完成后，進(jìn)行焊后熱處理。低溫回火：溫度按照Q345R鋼焊接要求的620 ℃±20 ℃，保溫3 h；對焊接完成件進(jìn)行質(zhì)量檢測及分析。

4 焊接質(zhì)量檢測及分析

焊接質(zhì)量檢測是保證焊接工藝、產(chǎn)品優(yōu)良，防止廢品產(chǎn)生的重要保證。大直徑、大厚度、大質(zhì)量的焊接件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)成本較高、試驗(yàn)難度大，所以根據(jù)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》的標(biāo)準(zhǔn)，封頭焊接質(zhì)量檢測其主要包括焊接前、中、后期的外觀和尺寸的檢查及進(jìn)行無損檢測［10］。

焊前對加工后的坡口進(jìn)行表面及尺寸檢查，坡口不得有裂紋、雜質(zhì)、缺陷等；焊接過程中檢查焊縫是否有缺陷產(chǎn)生，并及時(shí)打磨、補(bǔ)焊；焊后進(jìn)行變形量、表面雜質(zhì)、粗糙度、對接錯(cuò)邊量等表面外觀及尺寸檢查。

焊前、焊后進(jìn)行無損檢測，選用顯示直觀、操作方便、檢測費(fèi)用低，敏捷度高的100%PT檢測方式，如圖3所示。在焊接前進(jìn)行外觀檢查，表面沒有氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，100%PT檢測加工后的封頭坡口處，根據(jù)NB/T 47013.4—2015《承壓容器無損檢測》標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果I級(jí)合格；焊接過渡層及焊接填充層的每一層，外觀檢查合格，100%PT檢測結(jié)果I級(jí)合格；焊后整體外觀檢查合格，100%PT檢測結(jié)果I級(jí)合格。所以封頭與接管的焊接質(zhì)量符合要求，制定的焊接工藝合理。

5 結(jié)論

在大尺寸、大厚度的壓力容器焊接流程中，焊接工藝很大程度上影響了裂紋的產(chǎn)生。通過合理的焊接工藝確保焊接質(zhì)量：采用小電流、快速度、多層多道、分段退焊法，工件整體預(yù)熱及采用含高鎳焊材堆焊過渡層，增加了焊縫的塑性、自由伸縮狀態(tài)，降低焊接裂紋的產(chǎn)生傾向。根據(jù)封頭與接管的焊接檢測結(jié)果表明：選用的焊接工藝合適，焊接質(zhì)量滿足高壓儲(chǔ)氫罐焊接要求。

參考文獻(xiàn)

［1］ 孫連北， 魏坤霞， 孟濤， 等. 等離子弧焊Q345B和430不銹鋼異種接頭的微觀組織與性能［J］. 焊接， 2022（5）： 19-23.

［2］ 李錦華， 紀(jì)冬梅， 曹宇. T91/TP347H異種鋼焊接接頭的蠕變性能和微觀組織及硬度［J］. 焊接， 2022（11）： 40-46.

［3］ 馮杰才， 劉樹磊， 駱傳萬， 等. 核電異種金屬焊接材料及方法研究現(xiàn)狀［J］. 焊接， 2022（3）： 52-57.

［4］ 楊澤坤， 楊戰(zhàn)利， 趙寶， 等. 異種鋼焊接接頭失效機(jī)制的研究進(jìn)展［J］. 焊接， 2022（8）： 17-24， 32.

［5］ 李敏， 鄧守浩， 劉川槐， 等. T91/TP347H異種鋼焊接接頭服役微觀組織轉(zhuǎn)變［J］. 焊接， 2022（1）： 14-20.

［上接第43頁］

［6］ 張建曉， 劉光銀， 劉世恩， 等. 12Cr2Mo1R耐熱鋼/304不銹鋼異種鋼焊接［J］. 焊接， 2020（10）： 7-13.

［7］ 蔡建鵬， 葉延洪， 張彥杰， 等. 坡口形式對Q345/SUS304異種鋼對接接頭殘余應(yīng)力和變形的影響［J］. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)， 2015， 51（10）： 55-61.

［8］ 黃本生， 陳權(quán)， 楊江， 等. Q345/316L異種鋼焊接殘余應(yīng)力與變形數(shù)值模擬［J］. 焊接學(xué)報(bào)， 2019， 40（2）： 138-144.

［9］ 王海燕， 牛春菊， 崔國濤， 等. 焊接工藝對TP304/SS400異種鋼焊接接頭組織和性能的影響［J］. 焊接學(xué)報(bào)， 2019， 40（5）： 131-136.

［10］ 房務(wù)農(nóng)， 何前進(jìn). 對NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》若干問題的看法［J］. 中國特種設(shè)備安全， 2016， 32（2）： 4-8.

收稿日期： 2022-10-17

沈順喜簡介： 學(xué)士，高級(jí)工程師；主要從事壓力容器、壓力管道設(shè)計(jì)；15985705866@163.com。