低溫液態(tài)CO2球罐安裝現(xiàn)場焊接質(zhì)量控制

劉月龍

（蕪湖市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心 安徽蕪湖）

一、引言

球罐因其應(yīng)力分布均勻，在相同載荷情況下，具有所需板材厚度最小，可節(jié)省大量材料等一系列優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域已被廣泛使用。目前，國內(nèi)球罐球殼板基本采用桔瓣式和混合式兩種結(jié)構(gòu)形式，但不論采用哪種結(jié)構(gòu)形式，球殼板與球殼板之間都是通過焊縫連接而成，焊接質(zhì)量將直接影響球罐的安裝質(zhì)量。蕪湖市某氣體公司年產(chǎn)10萬噸級食品級液態(tài)二氧化碳項(xiàng)目中有2臺1000 m3低溫液態(tài)CO2球罐，球罐的技術(shù)特性如表1所示。該球罐采用8柱3帶30片混合式結(jié)構(gòu)，板厚為48 mm，剛度大，現(xiàn)場拼裝難度大；材料為低溫鋼，現(xiàn)場采用手工焊條電弧焊法進(jìn)行焊接，球殼板焊接質(zhì)量要求高。現(xiàn)簡要介紹低溫液態(tài)CO2球罐安裝過程的焊接質(zhì)量控制方式。

表1 1000 m3低溫液態(tài)CO2球罐技術(shù)特性

二、施焊前準(zhǔn)備工序的控制

1.焊工資格

施焊焊工必須持有在有效期內(nèi)、由質(zhì)監(jiān)部門頒發(fā)的特種設(shè)備焊工資格證書方可進(jìn)行相應(yīng)項(xiàng)目的焊接工作，持證項(xiàng)目至少包括 SMAW-FeⅡ-2G-12-F3J、SMAW-FeⅡ-3G-12-F3J 及SMAW-FeⅡ-4G-12-F3J等，焊接前應(yīng)對施焊焊工進(jìn)行技術(shù)交底，務(wù)必使其充分認(rèn)識到嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝的嚴(yán)肅性和必要性。

2.焊接工藝評定

按NB/T 47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》進(jìn)行焊接工藝評定，由于該球罐設(shè)計(jì)溫度為-40℃，采用手工焊條電弧焊的方法進(jìn)行焊接，焊后焊接接頭需要進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)，所以應(yīng)至少按立焊焊接位置進(jìn)行焊接工藝評定。工藝評定合格后應(yīng)根據(jù)該球罐產(chǎn)品的焊接施工特點(diǎn)，編制相應(yīng)的焊接工藝規(guī)程或焊接作業(yè)指導(dǎo)書。

3.焊材復(fù)驗(yàn)和現(xiàn)場管理

對焊材復(fù)驗(yàn)的目的主要是控制焊材中的擴(kuò)散氫含量。眾所周知，對于大多數(shù)金屬及合金來講，氫的存在對焊接質(zhì)量是有害的，氫可導(dǎo)致氫致氣孔或氫致延遲裂紋的產(chǎn)生。故GB 50094-2010《球形儲罐施工規(guī)范》中要求球罐的對接焊縫以及直接與球罐焊接的焊縫，采用焊條電弧焊時(shí)應(yīng)選用低氫型藥皮焊條，并對焊條按批號進(jìn)行擴(kuò)散氫復(fù)驗(yàn)。該球罐焊接采用CHE507RH焊條，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定擴(kuò)散氫含量應(yīng)控制在＜6 mL/100 g（甘油法）和10 mL/100 g（氣相色譜法和水銀法）。

球罐組焊施工現(xiàn)場，焊材應(yīng)有專人負(fù)責(zé)保管、烘干和發(fā)放，焊材庫的設(shè)置和管理應(yīng)符合JB/T 3223-1996《焊接材料質(zhì)量管理規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定。焊條應(yīng)按產(chǎn)品說明書的要求烘干，若產(chǎn)品說明書無要求，應(yīng)按350～400℃恒溫1 h以上的要求烘干。烘干后的焊條應(yīng)保存在100～150℃的恒溫箱中，隨用隨取。施焊時(shí)，焊條應(yīng)存放在合格的保溫筒內(nèi)，且保存時(shí)間應(yīng)＜4 h；當(dāng)＞4 h時(shí)，應(yīng)按原烘干溫度重新烘干。焊條重復(fù)烘干次數(shù)應(yīng)≤2次。

4.球罐組對的檢查

球罐組對對精度、整個(gè)球罐的焊接質(zhì)量和最終成形質(zhì)量都有很大影響，因此在球殼板組對完成后，應(yīng)立即對支柱垂直度、球殼板對口間隙、錯(cuò)邊量、圓度、上下口的平齊度等，均要進(jìn)行檢查、找正和反復(fù)調(diào)整，使其最終尺寸達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。主要是避免強(qiáng)行裝配的出現(xiàn)或由組裝偏差引起的焊后應(yīng)力集中。在調(diào)整過程中，應(yīng)特別注意后調(diào)整球殼板間的累積誤差。

5.定位焊與焊接坡口檢查

定位焊接需先在相鄰兩帶球殼板的縱縫上進(jìn)行。為減小焊接應(yīng)力與角變形，定位焊接采取了分組、對稱、同時(shí)焊接等方式，以保證焊接質(zhì)量。焊接前應(yīng)檢查坡口，并在坡口表面和兩側(cè)＞20 mm范圍內(nèi)清除鐵銹、水分、油污和灰塵。

三、施焊過程中的質(zhì)量控制

1.施焊環(huán)境控制

環(huán)境因素對球罐的焊接質(zhì)量有很大影響，球罐焊接時(shí)應(yīng)指定專門人員對天氣情況進(jìn)行監(jiān)測和記錄，如環(huán)境溫度、空氣相對濕度和風(fēng)速等都需進(jìn)行測定，測定地點(diǎn)距焊接處應(yīng)＜1 m，凡環(huán)境條件不符合GB 50094-2010《球形儲罐施工規(guī)范》要求時(shí)，嚴(yán)禁焊接。

2.焊接順序控制

球罐焊接時(shí)應(yīng)采用合理的焊接順序，使整臺球罐同時(shí)對稱地收縮或膨脹，從而較好地控制焊接變形，減小焊接殘余應(yīng)力，防止產(chǎn)生冷裂紋。

一般的焊接順序是先焊縱縫，后焊環(huán)縫；先焊大坡口面焊縫，再進(jìn)行背面清根，最后焊小坡口面焊縫。本球罐的焊接順序是：赤道帶縱縫的焊接（外表面）→赤道帶縱縫的焊接（內(nèi)表面）→上、下極帶小縱縫的焊接（外表面）→上、下極帶小縱縫的焊接（內(nèi)表面）→上、下極大環(huán)縫的焊接（外表面）→上、下大環(huán)縫的焊接（內(nèi)表面）→上、下極帶方環(huán)縫的焊接（外表面）→上、下極帶方環(huán)縫的焊接（內(nèi)表面）→上、下極帶極中板焊縫的焊接（外表面）→上、下極帶極中板焊縫的焊接（內(nèi)表面）。

3.預(yù)熱與后熱管理

根據(jù)焊接工藝要求，球殼板焊接過程中需對焊縫及焊接熱影響區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱和后熱處理，主要是防止焊接過程中及焊后的裂紋出現(xiàn)。也是防止裂紋產(chǎn)生的重要工藝措施之一。

（1）焊接時(shí)應(yīng)按焊接工藝規(guī)程或焊接作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行預(yù)熱和后熱。預(yù)熱對于防止低溫裂紋及應(yīng)變脆化裂紋效果明顯。通過預(yù)熱可以降低焊接接頭的冷卻速度，延長從800～500℃的冷卻時(shí)間，從而減少或避免淬硬組織，增加韌性，同時(shí)促進(jìn)擴(kuò)散氫的排放，有效防止氫致裂紋的出現(xiàn)。后熱是為了防止延遲裂紋，主要與氫的擴(kuò)散和聚集有關(guān)。如果焊后很快冷卻到＜100℃，氫來不及從焊縫中逸出，就會造成嚴(yán)重的氫致延遲裂紋。尤其是在厚板多層焊中，隨著焊道數(shù)目增多焊縫金屬中擴(kuò)散氫的數(shù)量逐層增多，采用后熱或?qū)㈩A(yù)熱溫度保持一段時(shí)間，使擴(kuò)散氫能充分的從焊縫中逸出，對防止延遲裂紋具有明顯效果。

（2）按焊接作業(yè)指導(dǎo)書要求進(jìn)行預(yù)熱和后熱，預(yù)熱溫度為100～150℃，層間溫度應(yīng)＞100℃；后熱在焊接結(jié)束后立即進(jìn)行，后熱溫度為200℃，后熱時(shí)間為1 h。

（3）預(yù)熱和后熱溫度應(yīng)均勻，需在焊縫中心的兩側(cè)，預(yù)熱區(qū)和后熱區(qū)寬度應(yīng)是板厚的3倍以上，且＞100 mm。

（4）預(yù)熱和后熱宜在焊縫焊接側(cè)的背面進(jìn)行，可選用電加熱法或火焰加熱法。由于電加熱法比較均勻，火焰加熱法比較簡單方便，為了較精確地控制預(yù)熱和后熱溫度，可優(yōu)先選用電加熱法。

（5）預(yù)熱和后熱及層間溫度的測量，應(yīng)用表面溫度計(jì)或測溫筆在距焊縫中心50 mm處對稱測量，每條焊縫的測量點(diǎn)數(shù)應(yīng)＞3對，并做好記錄。

預(yù)熱和后熱的升、降溫速度應(yīng)嚴(yán)格控制，在編制焊接工藝規(guī)程時(shí)還應(yīng)充分考慮施工期間環(huán)境溫度及相應(yīng)的施工條件對焊接質(zhì)量的影響，需要制定出具有針對性的施工要求，以指導(dǎo)預(yù)熱和后熱的實(shí)際操作。

4.焊接線能量控制

控制焊接線能量是控制焊縫熱輸入的重要手段，如果焊接線能量過大，會使焊縫及熱影響區(qū)域形成脆性組織，從而造成焊接接頭韌性損失，降低抵抗斷裂的能力。焊接線能量過小，會導(dǎo)致焊接熱輸入不足，熔池溫度不夠，冷卻速度過快，易產(chǎn)生淬硬組織，使焊縫應(yīng)力集中，嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生變形甚至開裂。因此，球罐施焊過程中需對焊接線能量進(jìn)行控制，以獲得最佳性能的焊接接頭。

（1）焊接線能量應(yīng)根據(jù)球殼板的材料、厚度、焊接位置和預(yù)熱溫度等，并依據(jù)焊接工藝規(guī)程或焊接作業(yè)指導(dǎo)書等來確定。

（2）焊接線能量控制應(yīng)按照：焊接線能量（J/cm）＝電流（A）×電壓（V）×60/焊接速度（cm/min）來計(jì)算結(jié)果。

（3）焊接線能量管理包括每條焊道的測定電流、電壓和焊接速度，以求得最佳的焊接線能量。對同一種鋼材的焊接，其電流、電壓是相對穩(wěn)定的，只要控制好焊接速度便能控制好焊接線能量。因此，焊條電弧焊時(shí)，可在允許焊接線能量范圍內(nèi)預(yù)先確定每根焊條的焊道長度，再由此來進(jìn)行焊接線能量的控制。

（4）GB 50094-2010《球形儲罐施工規(guī)范》要求高強(qiáng)鋼、厚度＞38 mm的碳素鋼及厚度＞25 mm的低合金鋼，其焊接線能量應(yīng)事先進(jìn)行測定和嚴(yán)格控制。本球罐為低溫球罐，因此在焊接作業(yè)指導(dǎo)書限定的范圍內(nèi)宜選用較小的焊接線能量，并采用多層多道施焊。

5.焊接施工要領(lǐng)

（1）焊接時(shí)必須在坡口內(nèi)引弧，嚴(yán)禁在坡口外引弧或擦傷球殼板表面，防止產(chǎn)生淬硬的弧坑或弧坑裂紋。應(yīng)采取多層多道焊接，每層焊道引弧點(diǎn)應(yīng)依次錯(cuò)開，錯(cuò)開距離應(yīng)＞50 mm，每段焊縫的接頭處都要打磨，更換焊條速度要快，盡量減少接頭的冷卻時(shí)間。

（2）球殼板焊縫第1層焊道要采取分段后退法焊接，且應(yīng)直線運(yùn)條、短弧焊，盡量達(dá)到反面成形，收弧時(shí)需將弧坑填滿，多層焊的層間接頭應(yīng)錯(cuò)開。

（3）每條焊縫單側(cè)應(yīng)一次連續(xù)焊完，若中斷應(yīng)進(jìn)行消氫處理以防止產(chǎn)生裂紋。重新施焊前應(yīng)檢查焊縫有無裂紋，并按焊接工藝規(guī)程規(guī)定重新預(yù)熱。

（4）焊接時(shí)，焊工應(yīng)對稱分布、同步均勻施焊，即每組焊工間的焊接速度要保持基本一致。應(yīng)嚴(yán)格控制焊接線能量，使每條焊道的焊接線能量都小于評定合格的數(shù)值。

（5）雙面焊時(shí)，在單側(cè)焊接完成后應(yīng)進(jìn)行背面清根，露出正面打底的焊縫金屬，接弧處應(yīng)保證焊透與熔合。同時(shí)還應(yīng)控制焊道間溫度小于焊接工藝規(guī)程或焊接作業(yè)指導(dǎo)書規(guī)定的范圍，且不得低于預(yù)熱溫度。

6.焊縫返修控制

（1）焊縫返修前應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生缺陷的原因，制定焊接修補(bǔ)工藝，修補(bǔ)前宜采用超聲檢測來確定缺陷的位置和深度，確定修補(bǔ)側(cè)。

（2）當(dāng)采用碳弧氣刨清除焊縫內(nèi)部缺陷時(shí)，氣刨深度應(yīng)小于板厚的2/3，刨后需用砂輪清除滲碳層，打磨成圓滑過渡，并經(jīng)滲透檢測合格后再進(jìn)行焊接修補(bǔ)。

（3）碳弧氣刨和焊接時(shí)應(yīng)預(yù)熱，預(yù)熱溫度應(yīng)按要求值的上限焊接線能量，并控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，焊后應(yīng)立即進(jìn)行后熱處理。

（4）修補(bǔ)焊縫長度應(yīng)＞50 mm，同一部位的返修次數(shù)應(yīng)＜2次，對經(jīng)過2次返修仍不合格的焊縫，應(yīng)采取可靠的技術(shù)措施，并經(jīng)施工單位技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)后再修補(bǔ)。

（5）焊縫的返修應(yīng)在球罐整體熱處理前完成，返修部位應(yīng)采用與發(fā)現(xiàn)缺陷方法相同的無損檢測方法進(jìn)行檢測。

四、結(jié)語

焊接是低溫液態(tài)CO2球罐安裝過程中的關(guān)鍵工序，焊接質(zhì)量的好壞直接反映球罐的整體安裝質(zhì)量。為了獲得滿足使用要求的合格焊縫，必須對影響焊接質(zhì)量的各種因素加以嚴(yán)格控制和層層把關(guān)。2臺1000 m3低溫液態(tài)CO2球罐，經(jīng)嚴(yán)格按照以上技術(shù)措施進(jìn)行施焊后，至今已安全運(yùn)行2年多，并未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量問題和隱患，說明球罐的焊接質(zhì)量是可靠的。實(shí)踐證明，加強(qiáng)低溫液態(tài)CO2球罐安裝現(xiàn)場焊接質(zhì)量控制，對球罐的安全使用具有重要的意義。