加氫設備厚壁接管焊接缺陷及返修

陳明健，楊吉梅，周欽凱

（合肥通用機械研究院；國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心；安徽省壓力容器與管道安全技術省級實驗室，合肥 230031）

1 設備概況及缺陷性質

加氫厚壁設備，內徑2800 mm，筒體壁厚183 mm，筒體材料 SA516 Gr.70（HIC），接管法蘭為整體鍛件，材料 16Mn（HIC）Ⅲ，窄間隙V形坡口。里口采用SMAW焊接，直徑4 mm焊條J507SH，電流 150～170 A，電壓 22～24 V，焊接速度 180～200 mm/根。外口采用SAW焊接，焊絲和焊劑為H09MnSH/Φ4+SJ204SH，電流 550～600 A，電壓 32～34 V，焊接速度 50～55 cm/min，層間溫度在100～200℃，焊后爐內中間消應力620℃×2 h，消應力熱處理后射線檢測（RT），設備筒體共有12個接管，接管分布如圖1所示，其中已焊接的11個接管與筒體對接焊縫，均存在夾渣、未熔合、氣孔等缺陷，另有1個接管未焊接。

圖1 接管分布及焊縫位置

2 焊接缺陷原因分析

接管與筒體之間是對接形式連接，主要采用埋弧自動焊方法焊接，焊縫缺陷主要有未熔合、條渣、氣孔3種形式。窄間隙自動焊主要優點是效率高、成本低，熱量輸入相對較小，冷卻速度較快，接頭殘余應力、殘余變形小，熱影響區縮小，接頭力學性能高，焊接質量好。但由于母材厚183 mm，坡口寬度窄，焊接時形成很大的剛性拘束力，焊接工藝參數一旦控制不當，極易產生缺陷。同時，坡口深、光線暗、法蘭盤外徑與焊縫尺寸接近等因素，給焊工操作上帶來難度。制造廠曾經有焊接此種鋼厚壁接管的成功業績，但大范圍出現缺陷，這與焊接操作人員對此種窄間隙厚壁焊接參數控制不準確、工藝掌握不熟練有關。另外，制造單位因趕進度，11個接管同時晝夜施焊，而非試焊一件檢測合格或者發現問題調整焊接工藝后再大范圍同時施焊，也是造成大范圍產生缺陷的原因。

2.1 夾渣產生原因分析

焊接電壓過高時，電弧能量集中性下降，金屬的熔化深度變淺，兩側母材與底層焊道之間的結合部位有時存在未熔化現象。由返修的位置也可以看出，返修全部出現在焊縫與母材結合部位。條渣產生的原因主要是焊接電流、焊接電壓、焊接速度選擇不合適。焊接電流過大和焊接速度過快時，過大的電弧能量能將兩側母材金屬表面熔化過深而形成凹槽，焊接速度過快時，因凹槽內不能及時得到液態金屬的填充而被熔渣充滿，在下一步的清渣過程中，無論清渣是否徹底，由于凹槽的存在，焊接下一焊道時這個部位極易出現夾渣。如果焊接電壓過低，電弧能量過于集中，焊出的焊道中間高兩側低，焊下一道時，兩側較低的位置也可能會形成夾渣。采用多層多道焊的形式，在有限空間內，焊道布置不合理，搭接量不均勻，造成焊縫產生夾渣。

2.2 氣孔產生原因

焊接過程中由于各種元素成分的相互作用，熔池和熔渣中可能析出一定的氣體，正常情況下，這些氣體從熔渣中析出后會進入熔渣和焊劑層中，焊縫內不會存留氣體，窄間隙焊時，由于熔池的冷卻速度較快，熔池內的氣體有時在沒有來得及析出時就已被凝固在焊縫中而成為氣孔。焊材中的濕氣也是產生氣孔的原因之一。由于焊接晝夜連續施工，焊劑補充不及時，或在使用過程中保管不當致使少量焊劑受潮產生氣孔。

2.3 未熔合產生原因

局部未熔合產生在靠近接管側，主要是由于焊工操作不當造成，在施焊過程中，由于擔心焊槍與工件間短路，焊接操作時焊嘴未能完全靠近接管側，造成焊道與接管間形成未熔合。

3 焊接返修

3.1 采用超聲波檢測（UT）直探頭技術按射線檢測底片所反應缺陷性質確定缺陷位置，確保缺陷全部清除干凈。

3.2 用碳弧氣刨清除缺陷，根據缺陷所在深度，僅A11從焊縫內側清除缺陷，其他10條焊縫從外側清除缺陷。缺陷清除時，先詳細記錄缺陷的性質、數量，并與RT、UT檢測報告對照，在缺陷存在區域做好標記線，沿標記線將焊縫內缺陷徹底清除，記錄缺陷清除處具體位置、區域大小及深度，砂輪打磨缺陷清除處與周邊金屬平緩過渡，缺陷清除處MT，坡口及筒體側100 mm范圍內UT。缺陷清除后，大部分缺陷是整圈都存在。焊縫清除處深度范圍（40～149 mm），焊縫清除處寬度范圍（42～108 mm），殼體和接管肩部外圓有部分損傷，局部因清除缺陷產生豁口，采用堆焊的達到坡口平滑，但不能保留原坡口尺寸。原焊接坡口如圖2所示，缺陷清除后，坡口及肩部剩余尺寸見圖3，缺陷清除后情況見圖4、圖5。因缺陷清除較深且寬度大，A1，A3，A4，A11的4個接管焊接上下坡口寬度過大，且接管與殼體焊接的肩部不能保留，重新選材鍛造接管，更換的新接管內徑不變，與殼體焊接位置外徑增大，即接管肩部增厚，保證窄原間隙坡口尺寸。其余7個接管可保留接管肩部尺寸，焊縫寬度亦可保證焊接強度及質量，保留原接管。

3.3 經超聲波檢測（UT）、磁粉檢測（MT）確認所有接管缺陷全部清除干凈后將該設備中間消應620±20℃×（1.5～2）h。

3.4 針對設備壁厚183 mm，焊接裂紋傾向嚴重，為減緩焊縫金屬的殘余應力，在施焊過程中采用焊條電弧焊補焊，從焊道的布置、焊接次序、焊材選擇、焊縫結晶及收縮等方面考慮如何減緩焊接殘余應力，而不是單純等待焊后熱處理來消除應力。

圖2 返修前坡口形式

焊接順序：焊接前用不銹鋼絲刷清理坡口、焊道之間、焊層之間表面。焊接預熱100～150℃，待焊處周邊內外兩側≥150 mm范圍內均達到預熱溫度時方可施焊。

圖3 缺陷清除后坡口形式

先對筒體母材缺肉豁口處進行補焊，使筒體坡口形成較規則形狀，然后組對重新鍛造的接管，焊接時嚴格執行焊條規范參數，降低焊接線能量。將原補焊全部采用的直徑5 mm焊條換成部分采用直徑4 mm的焊條，從而使起始區段補焊焊道的焊縫晶粒細化，提高韌性儲備。焊接時，采用單道排焊方式，以避免夾渣和未熔合現象的產生。具體焊接參數見表1。

圖4 焊縫A11缺陷清除后外觀

為減小焊接應力，由兩位焊工（持證項目：SMAW-Ⅱ-6G（K）-13/57-F3J）分別站在A、B兩點向相鄰位置以接管中心線為基準對稱施焊，當第一層焊接后，如粗實線所示意，再從第一層的終點位置向同一區域起點位置焊接，如細實線所示，采用上述順逆時針交錯反復焊接直至將該焊縫全部焊完（圖6）。采用上述方法焊接時需注意焊縫搭接處要平緩過渡避免有尖角或空隙存在。

圖5 焊縫A10缺陷清除后外觀

表1 焊接參數

焊接時選用焊接技能較高且具有豐富返修經驗的焊工。對于該焊縫應力大且復雜，為防止冷裂紋、焊接接頭淬硬及氣孔的產生。加強焊接預熱、層間溫度的控制以及焊后消氫。嚴格控制層間溫度在100～200℃，特別是后熱的寬度范圍要擴大，以便使臨近焊縫的母材受熱膨脹，來補償焊縫金屬收縮所需的應變，也使氫充分逸出。焊工用測溫筆隨時測量、檢查人員紅外線測溫儀隨時監控，測溫點位置如圖7，圖8所示，焊接中斷時需維持最低預熱溫度。

3.5 待接管與筒體焊縫全部焊完進爐中間消應力熱處理，升溫速度78.3℃/h，升溫至620℃保溫3 h，降溫速度78℃/h，單個接管與殼體焊后需維持最低預熱溫度直至進爐為止。

3.6 焊縫檢查。外觀檢查無以下可見缺陷：表面裂紋、未焊透、未熔合、表面氣孔、弧坑、未填滿、夾渣和飛濺物，焊縫與母材圓滑過渡。射線檢測（RT）、超聲波檢測（UT）、磁粉檢測（MT）按 JB/T 4730-2005標準要求進行檢查，按圖紙要求RT、UT、MT均為Ⅱ級合格。硬度檢查合格，硬度檢查位置沿焊縫周向取4處，每處取焊縫熱影響區和母材，每點打5個硬度值，每個硬度值之間相距10 mm，取5個數值的平均值為該處的硬度值，硬度值要求≤200 HB。

圖6 對稱焊接示意圖

圖7 筒體內部測溫點分布

3.7 全部接管焊接合格后進行焊后熱處理（PWHT），設備整體入爐熱處理，升降溫速度78.3℃/h，升溫至620℃，保溫2.5 h，降溫速度78℃/h。PWHT后對焊接接頭進行UT、MT復測，確認未出現裂紋等缺陷，合格。

4 結論

圖8 筒體外部測溫點分布

加氫厚壁接管焊接，因材料焊接裂紋傾向、窄間隙、焊接時結構受限和焊接操作工人經驗等原因，易產生缺陷，一旦出現缺陷，返修成為較難問題，在去除缺陷時會對原來母材造成損傷，坡口尺寸會擴大，增加了焊接量的同時會產生更多的焊接應力，因此盡量確保一次焊接合格。接管的焊接應逐一進行，一旦發現缺陷可及時糾正處理，不至于產生大范圍的缺陷和返修。

窄間隙自動焊采用窄間隙坡口，焊縫截面積小，既節省填充金屬，又減小焊接應力，焊縫金屬中積聚的氫也較少。為了避免產生未熔合缺陷，也有文獻提到選用雙絲窄間隙自動焊，彎絲指向側壁，保證了側壁熔透。直絲垂直向下，用以控制焊縫成形，使焊縫呈下凹形，不易產生未熔合、夾渣等缺陷。

［1］ 趙博等.窄間隙 GMAW 的研究進展［J］.焊接，2008，（2）：11-14.

［2］ 呂少軍等.單位窄間隙埋弧自動焊的質量控制［J］.現代焊拉，2012，（8）：42-44.

［3］ 伍小龍等.厚壁容器的雙絲窄間隙埋弧焊［J］.壓力容器，2003，20（3）：27-31.