國(guó)內(nèi)最大容積低溫深冷LNG球罐雙面氬弧焊工藝

潘伍覃

(武漢一冶鋼結(jié)構(gòu)有限責(zé)任公司，湖北武漢 430415）

0 前言

2012年，武漢一冶鋼結(jié)構(gòu)公司為韻南某儲(chǔ)備站建造了國(guó)內(nèi)最大容積低溫深冷LNG球罐，針對(duì)殼板的對(duì)接焊縫，公司采用雙面氬弧焊工藝進(jìn)行打底焊，效果良好。

1 LNG球罐的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式

2 500 m3LNG球罐的技術(shù)特性參數(shù)如表1所示，球罐的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

表1 球罐的技術(shù)特性參數(shù)

圖1 球罐的結(jié)構(gòu)形式

2 基本工藝原理

雙面氬弧焊工藝為焊縫兩側(cè)各有一名焊工手持氬弧焊槍，以大坡口側(cè)為主焊，負(fù)責(zé)填絲；小坡口側(cè)為輔焊，進(jìn)行氬氣保護(hù)。施焊時(shí)，主焊和輔焊焊工同時(shí)同步操作，保持一致的焊接速度。當(dāng)焊縫背面成形較差需修補(bǔ)時(shí)，輔焊再進(jìn)行填絲以保證焊縫成形美觀[3]。

采用雙面氬弧焊打底結(jié)束后，焊縫經(jīng)滲透檢測(cè)無(wú)缺陷則采用焊條電弧焊進(jìn)行填充蓋面。

3 焊接工藝評(píng)定

針對(duì)該工藝，按技術(shù)文件和NB/T47014的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行焊接工藝評(píng)定[4]。試驗(yàn)用鋼板為寶鋼生產(chǎn)的S30408不銹鋼，氬弧焊絲牌號(hào)ER308L，焊條牌號(hào)A002。分別按平、橫、立三個(gè)位置進(jìn)行評(píng)定試驗(yàn)，如圖2～圖4所示，其中立焊的焊接參數(shù)如表2所示。

（2）實(shí)施案例教學(xué)法，要理論聯(lián)系實(shí)際，要求教師具有豐富的理論知識(shí)和教學(xué)水平，不要搞形式主義，要求教師找出自己的差距和不斷努力學(xué)習(xí)，定期到企業(yè)進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高工程實(shí)踐能力，提高分析和解決問(wèn)題的能力。

圖2 平焊位置的雙面氬弧焊

圖3 橫焊位置的雙面氬弧焊

圖4 立焊位置的雙面氬弧焊

試板施焊前打磨坡口至光潔狀態(tài)，不預(yù)熱，控制層溫不超過(guò)150℃，焊接完成24 h后采用射線檢測(cè)，合格率100%，按NB/T47014中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，試樣的強(qiáng)度值均大于母材抗拉強(qiáng)度的下限值520MPa，試板在-196℃低溫下的沖擊功平均值均大于34J，符合NB/T47014和GB150.4中第7.2.3的相關(guān)規(guī)定[2]。該工藝評(píng)定合格，可用于指導(dǎo)施工生產(chǎn)。

4 實(shí)際應(yīng)用

4.1 坡口設(shè)計(jì)

仰焊是所有焊接位置中操作難度最大的，施焊時(shí)，熔池倒懸在焊件下面，受重力作用易下墜，熔滴因自重亦不利于熔滴過(guò)渡。因此仰焊時(shí)焊縫背面易產(chǎn)生凹陷，正面又容易出現(xiàn)焊瘤，焊縫成形較為困難；焊工在操作時(shí)挺胸昂首，極易疲勞，一旦臂力不支，身手松弛便會(huì)導(dǎo)致運(yùn)條不穩(wěn)，影響焊接質(zhì)量。

表2 立焊焊接參數(shù)

表3 工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果

為保證焊縫的質(zhì)量，在進(jìn)行坡口設(shè)計(jì)時(shí)盡量避免出現(xiàn)仰焊位置。根據(jù)球罐的特點(diǎn)劃分焊接位置，其中：上極帶各板之間的對(duì)接接頭、下極帶各板之間的對(duì)接接頭為平焊位置；上極帶與溫帶之間的環(huán)形對(duì)接接頭、下極帶與赤道帶之間的環(huán)形對(duì)接接頭、溫帶板與赤道板之間的環(huán)形對(duì)接接頭為橫焊位置；各溫帶板及各赤道板之間的對(duì)接接頭為立焊位置。球罐各位置焊縫坡口形式如圖5～圖10所示。

圖5 上極帶各板之間的坡口形式

4.2 焊接工藝要求

（1）焊前準(zhǔn)備。

a.根據(jù)焊接工藝評(píng)定報(bào)告（PQR）編制焊接工藝卡，由焊接責(zé)任工程師審批，以指導(dǎo)焊接施工。

b.按照工藝卡的要求準(zhǔn)備焊接材料，其烘干、發(fā)放、回收等符合焊接材料的管理要求。

圖6 下極帶各板之間的坡口形式

圖7 上極帶與溫帶之間坡口形式

c.根據(jù)施工要求準(zhǔn)備焊條電弧焊/氬弧焊兩用焊機(jī)若干臺(tái)。

d.氬氣純度為99.99%。

（2）坡口組對(duì)尺寸檢查，焊縫坡口組對(duì)后的尺寸應(yīng)至少滿足下述要求：

a.坡口間隙控制在2～4 mm。

b.焊縫坡口組對(duì)后的錯(cuò)邊量應(yīng)控制在2mm內(nèi)。

圖10各溫帶板和各赤道板之間的坡口形式

c.焊縫坡口組對(duì)后棱角度應(yīng)控制在4 mm內(nèi)。

（3）清理焊縫坡口及兩側(cè)30 mm范圍內(nèi)，不得有油污、銹渣等臟物。

（4）按工藝卡調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，雙面氬弧焊施工操作過(guò)程中有主、輔焊工，其焊接參數(shù)有所差別，焊前應(yīng)根據(jù)焊接工藝卡調(diào)節(jié)主、輔焊機(jī)的電流電壓。

a.主焊的焊接電流略高于輔焊，一般情況輔焊電流較主焊電流低10～20 A。

b.輔焊焊槍的氬氣進(jìn)氣時(shí)間略早于主焊焊槍，停氣時(shí)間略晚于主焊焊槍。

c.根據(jù)焊縫坡口大小選擇合適的氬弧焊槍噴嘴，使焊接區(qū)得到充分的氬氣保護(hù)。

d.參數(shù)的調(diào)試應(yīng)在試板上進(jìn)行，不允許在主體焊縫上進(jìn)行。

（5）不銹鋼的熱膨脹系數(shù)高，容易產(chǎn)生變形。正式施焊前應(yīng)對(duì)焊縫每隔500～700mm進(jìn)行氬弧焊點(diǎn)固，點(diǎn)固焊長(zhǎng)度80～100 mm。點(diǎn)固焊工藝按焊接工藝卡的要求執(zhí)行。

（6）為了確保焊縫質(zhì)量，雙面氬弧焊施工時(shí)，主、輔焊工必須同時(shí)同步施焊，做到以下幾點(diǎn)。

a.主、輔焊工確定施焊信號(hào)，保證引弧操作同步。

b.輔焊焊工根據(jù)熔池調(diào)節(jié)焊接速度，以保證與主焊焊工的焊接速度一致。

c.在焊接平焊位置時(shí)要確保單面焊雙面成形，輔焊焊工在焊接過(guò)程中觀察熔池根部是否有未焊透部位，輔焊焊工應(yīng)及時(shí)填充以保證焊縫焊透。

d.不銹鋼雙面氬弧焊主輔焊工在焊接過(guò)程中出現(xiàn)連續(xù)焊接缺陷時(shí)，主焊焊工應(yīng)及時(shí)下達(dá)停止施焊信號(hào)，立即采用不銹鋼專用砂輪片清除缺陷位置，方可繼續(xù)進(jìn)行焊接。

5 產(chǎn)品試板

球罐安裝現(xiàn)場(chǎng)采用相同的焊接工藝施焊產(chǎn)品試板，并按NB/T47016的相關(guān)要求進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)[5]，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，試件的強(qiáng)度大于母材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉

表4 產(chǎn)品試板的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果

不銹鋼制壓力容器的傳統(tǒng)焊接工藝為正面采用焊條電弧焊打底、填充蓋面；背面采用碳弧氣刨?gòu)?qiáng)度下限值520 MPa，-196℃低溫平均沖擊值大于31 J，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，說(shuō)明雙面氬弧焊工藝在不銹鋼球罐上的應(yīng)用是成功。

6 結(jié)論

清根，打磨坡口后再次采用焊條電弧焊填充蓋面。與其相比，雙面氬弧焊工藝的特點(diǎn)為：

（1）采用雙面氬弧焊打底時(shí)，焊縫背面有氬氣保護(hù)可避免焊縫出現(xiàn)氣孔和表面氧化，當(dāng)焊縫背面成形差需修補(bǔ)時(shí)，可及時(shí)從背面補(bǔ)焊，使打底焊縫均勻美觀。

（2）采用雙面氬弧焊打底后，不需要采用碳弧氣刨清根，可避免對(duì)焊縫的滲碳與再加熱，有效保證焊縫低溫韌性和減小變形。由于取消碳弧氣刨，可省去氣刨后對(duì)焊縫大量的打磨工作及對(duì)清根層的再次填充，不僅縮短了工期，還節(jié)約了成本。

（3）氬弧焊的線能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于焊條電弧焊，采用雙面氬弧焊打底能有效減小打底焊過(guò)程中的熱變形。

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[1]陳國(guó)邦.低溫工程材料[M].浙江：浙江大學(xué)出版社，1998.

[2]GB150-2011，壓力容器[S].

[3]曾雨源，陳麗瓏，李致煥，等.現(xiàn)場(chǎng)大型不銹鋼貯罐對(duì)面氬弧焊工藝初探[J].焊接技術(shù)，1999（04）：10-11.

[4]NB/T47014-2011，承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定[S].

[5]NB/T47016-2011，承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗(yàn)[S].