压力容器不等厚管壁焊接工艺技术

压力容器不等厚管壁焊接工艺技术

国科

镇海石化建安工程股份有限公司 浙江 宁波 315000

摘要：随着人们对电能的需求日益增长，火电作为一种主要的发电方式，已成为人们对电能的需求。目前，我国大部分燃A煤锅炉都是采用焊接结构，为了保证其安全可靠地进行生产，必须保证其高品质的焊接。

关键词：焊接工艺；压力容器；不等厚管壁

1压力容器焊接概述

1.1焊接技术特点

相比于其他种类设备而言，压力容器对承压能力和密闭性能有着严格要求，且不同等级、盛装介质压力容器的焊材性能要求、焊接厚度要求与母材化学成分都存在着明显差异。在这一情况下，压力容器焊接体现出接头化学成分不均匀、接头熔合部位组织性能稳定性差、焊后热处理难度高的技术特点。例如，从接头化学成分不均匀性角度来看，在使用Q345R钢等材料作为压力容器母材时，接头焊缝与熔合区过渡部位的金相组织、化学成分存在极为明显的性能差异，如果所选用焊材的韧性、塑性、金属强度不达标，容易在焊接期间形成裂纹等质量缺陷，严重时造成压力容器焊缝部位性能明显下滑。

1.2技术缺陷

压力容器传统焊接技术的操作难度较大，且工艺流程较为繁琐，涉及到焊材选择、焊接预热、焊后热处理等多道工序，如果在任意一道工序出现错误操作行为，或是选择与压力容器材质、容器等级不匹配的焊接工艺与焊材品种，都有可能出现夹渣、咬边、裂纹等质量缺陷，对压力容器性能造成明显影响，有可能在压力容器后续使用期间出现容器破裂等故障问题。例如，在焊后热处理环节，如果处理温度选择不当，有可能出现母材强度严重下降的问题。

2不等厚压力容器焊口开裂案例与分析

2.1主蒸汽法兰与管材焊口开裂案例

某电厂高压气缸进汽阀采用12Cr1MoV材料，规格为Φ219X26；法兰的尺寸是Φ251*42，管子和法兰的对接焊缝厚度差16mm。经检验，钢管与法兰连接处出现裂纹。现场检验结果表明：焊接接头的母材为HB140，焊接接头为HB195；光谱分析的材料是12Cr1MoV，并达到了标准的要求。

2.2开裂原因分析

因焊工在进行焊接时，没有按照规范要求进行焊接，造成了焊缝处的缺陷。此外，从原始热处理记录和原始热处理曲线来看，现场热处理工艺不符合标准，造成了焊缝热处理工艺的偏差，造成了残余应力、淬硬组织和氢聚集等危害。由于这种焊口是法兰和管件之间的厚度不等，没有重新加工，所以焊缝的底材侧强度比法兰侧的强度低，母材侧的应力比法兰侧的小，所以在法兰侧熔合线上出现了裂纹，而在母材侧熔合线出现裂纹。由于运行应力、管道受热引起的膨胀应力、焊口残余应力、发电站运行过程中的应力集中于此，致使焊口根部缺陷处出现应力集中，在高温和高压的作用下，应力突然减小，焊口无法承受极高的压力而断裂。

3改进措施

3.1焊接工艺

因此焊口为非均匀的法兰和管件，所以对材料的焊接工艺进行了改进。12Cr1MoV是一种低合金耐高温钢，其焊接工艺中应注意防止淬硬和开裂。对焊接工艺进行了改进：①采用R31和R317作为焊接材料；②通过对焊接工艺参数的控制，如：适当提高焊接线能量E、提高预热温度T、多层多道焊接技术，可以有效地防止焊接接头的奥氏体晶粒粗化、焊接接头的冷裂倾向、产生硬化组织、加速氢气逸出等。

3.2焊材选择与质量控制

首先，在焊材选用环节，必须综合分析压力容器性能要求、母材材质、所选用焊接方法、坡口宽度、焊接电流等多项因素加以确定。例如，在使用异种钢焊头的情况下，优先选用具备良好韧性以及塑性的焊材，或是选择力学性能不低于母材性能偏低一侧的焊材。在开展异种钢号的结构钢焊接作业时，需要选用低氢焊条等强度等级不利于结构钢、有着优异抗裂性能的焊材。而在开展异类异种钢接头的焊接作业时，可以先用镍基合金焊条，起到控制焊缝金属线膨胀系数、预防碳迁移现象出现、改善接头组织均匀度和提升力学性能的作用。其次，在正式开展焊接作业前，对所选用焊材的规格尺寸、外观质量与性能进行详尽检查，退回直径、材质有误的焊材，并对焊材进行预处理，清除表面的灰尘污渍与残留锈迹，保证焊料处于洁净、干燥与完好状态。

3.3焊接工艺过程管控

考虑到焊接技术与手工电弧焊等传统技术的操作方法存在明显差异，且部分焊接技术的工艺流程较为复杂。如果直接将所引进接管自动焊、窄间隙埋弧焊等技术投入使用，容易出现工艺问题和形成质量缺陷。对此，需要对焊前试验、坡口施作、复层堆焊、焊后热处理等重要步骤的工艺质量进行严格把控，及时发现并处理质量隐患。例如，在焊前试验步骤，焊接人员严格按照技术方案内容，对所选用焊接测试板进行施焊，对焊缝质量进行检测，判断焊接质量是否达到压力容器焊接要求，在质量不达标的情况下，修改焊接技术方案内容，调整焊道层次、焊接电流值等工艺参数，必要时重新选择焊材与焊接技术，直至试验板焊接质量达标。在复层堆焊步骤，重点把控焊接顺序，一般情况下，提前使用填充金属来堆焊为单层或是多层的过渡层，再施焊复层，并在堆焊过渡层前清理坡口部位的灰尘污渍与其他残余物。而在焊后热处理步骤，必须在基层施焊完毕后再进行热处理，着重考虑基层与复层热处理规范差异、元素扩散而形成脆性相可能性、基层与复层物理性能差异等因素来选定热处理温度。

3.4焊缝检验与质量缺陷防治

考虑到激光-电弧复合焊等焊接技术的问世时间有限，部分焊接人员缺乏丰富的实践操作经验，在压力容器焊接期间难免出现焊接裂纹、夹渣、焊肉不饱满等质量缺陷。对此，为确保压力容器焊接质量达标，不会在后续使用期间因此出现容器破裂、内部介质向外泄漏等安全问题，必须在容器焊接完毕后，对焊缝质量进行详尽检验，采取补焊等方式，着手处理所发现的质量缺陷，并采取相应防治措施，预防和减少质量问题的出现。例如，在应用窄间隙埋弧焊技术时，有可能出现夹渣、裂纹、气孔的质量缺陷，夹渣是因电流电压不合理而在熔合部位形成条状夹渣或是不连续性点状夹渣，裂纹是因接头母材厚度超标和焊接热输入过小而在焊道与热影响部位形成裂纹，气孔是熔池等部位在焊接期间析出气体并残留在焊缝内而形成气孔。为预防这类焊接质量缺陷的出现，需要采取焊前预热、提前试焊来确定最佳焊接参数、预先烘干焊剂、配置数控自动焊机来纠偏校正环缝和综缝偏移量等措施。

3.5焊后热处理

焊接后热处理对建筑工人的影响是非常重要的。①减轻残余应力；②改善组织、降低淬硬性；③减少扩散氢。合理的焊接后热处理可以有效地消除残余应力，提高组织性能，减小淬硬性，极大地降低了焊缝中的冷裂。在现场进行焊接后的消氢处理和消除应力热处理可以有效地提高焊缝的机械性能。

结语

针对这种非厚焊口的典型裂纹，进行了焊接工艺、焊接后热处理及应力分析，改进了焊接工艺、焊接后热处理及坡口，以防止因高温、高压引起的应力突然减小，导致焊缝无法承受极高的压力而产生裂纹，为提高不等厚度管材的焊接质量提供了依据。

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