復合鋼板焦炭塔焊接的研究

向 武

天津冠杰石化工程有限公司 天津 300270

隨著我國石化行業的發展，大型石油石化項目不斷出現，大型乙烯煉油等項目更是如雨后春筍一般涌現，我公司作為一個石化設備制造企業，伴隨著這股浪潮一起成長一起壯大。

近幾年來，我公司承攬了幾個大型煉油項目的焦炭塔設備的預制和安裝工程，因此我有機會接觸到焦炭塔用復合板的焊接方面的工作，遇到了不少相關的問題。從遇見問題到解決問題，我和相關人員做了大量的研究和探討，結合實驗和實際施工，對焦炭塔用復合板15CrMoR+410S的焊接進行了整理和總結，解決了施工過程中遇到的問題，為以后對相同和類似的材質的焊接提供了合理的試驗和理論依據。

1 設備及焊接方法介紹

1.1 設備介紹

該設備為中石化廣州分公司委托我公司制造的兩臺焦炭塔。這兩臺焦炭塔的主體材料分為兩部分，下部分為15CrMoR材質，上部分為15CrMoR+410S復合板材質，上封頭也為相同復合板材質，形狀為半球形。球形封頭的預制采用分片預制，然后在工廠進行拼裝焊接。封頭制造焊接在整個焦炭塔的制造焊接中是制造的重點和難點，具有很強的代表性。所以，這里我們就以這兩臺焦炭塔上球形封頭的預制、拼裝和焊接工作為基礎做詳細研究和討論。

1.2 焊接工藝方法

圖1 焦炭塔復合板焊接坡口圖

整個設備制造主要焊接方法為手工電弧焊。

下部分材質的焊接采用的是R307BL焊材焊接，上部分采用基層采用R307BL焊接，復層堆焊ENiCrFe-3的焊接方法。焊接完成后進行100%RT和100%PT檢測，檢測合格后對內外表面進行打磨平整，在整體熱處理之后進行PT復驗。焊接坡口為外坡口和內切削過度邊后堆焊復層焊道。見圖1。

預制焊接時制定的焊接工藝見表1。

該焊縫焊接時還要做好預后熱工作，要求焊前預熱160～232℃，層間溫度≤232℃，后熱溫度350～400℃/2h，復層焊接時層間溫度的控制是整個焊接過程的關鍵。

表1 焦炭塔用復合鋼板焊接工藝

2 預制、焊接結果與分析

2.1 預制安裝、焊接及檢驗介紹

上球型封頭的預制為散片預制，待整個球型封頭的在拼裝完成后進行焊接，焊接順序為先焊接極邊板之間的拼縫，等極邊板焊接成型之后切割出極蓋板的位置，而在此之前極蓋板為單獨制作，之間的拼縫也是在單獨制作的過程中焊接完成的，待極蓋板和極邊板各自制作完成之后最后拼接二者之間的環形拼縫，然后對拼縫進行焊接，焊接完成及檢驗合格后，整個球型封頭的施工就宣告結束。

除去施工過程中的檢測，焊接完成之后，熱處理之前的無損檢測主要包括兩個方面，首先是對整體焊道的射線探傷檢查（100%RT），待焊道射線檢測合格之后再對所有焊道進行打磨平整處理，待復層打磨與母材平整之后，要求焊道表面無咬邊，低洼，無表面氣孔等表面缺陷，再對復層堆焊表面進行全面積滲透檢測（100%PT），兩個步驟的檢測均合格之后，該條焊縫的焊接質量第一階段才算合格。最后整體交付下道工序進行施工，最終成型之后對設備進行整體熱處理，熱處理之后所有焊道再進行100%PT復驗。該設備基本就制造完成。我們今天討論的是球形封頭的單獨制作，暫不考慮主體的施工。

2.2 檢驗結果

所有焊道進行100%RT檢測之后，一次性焊接合格率維持在93%左右，未達到公司96%的指標要求，主要焊接缺陷為裂紋，個別為夾渣、氣孔、未熔等其他缺陷。

所有焊道的復層表面進行100%PT檢測之后，表面缺陷出現的比較多，缺陷的總長度大約占到焊道總長度的10%左右，缺陷類型主要是裂紋，其他缺陷基本上出現的較少。裂紋的樣式以表面微裂紋和龜裂為主，其中表面微裂紋占據多數，裂紋大多集中在堆焊焊道中心和融合線部分，而熱影響區的出現裂紋較少。

從焊縫類型上分類，裂紋主要集中在極邊板拼縫，而極蓋板拼縫中出現裂紋缺陷的地方并不是很多，而且極邊板拼縫中裂紋也主要集中在個別幾條焊縫中，且位置相對集中。

2.3 焊接質量及焊道缺陷分析

針對焊接后檢測結果，對該設備的焊道進行了試板的模擬焊接，模擬設備的加工過程和焊接過程，以及最后的熱處理過程，甚至模擬了焊道周圍材料的外觀形狀。然而模擬試板的焊縫并未出現明顯的焊接缺陷，即使出現個別細小的裂紋，缺陷的去除和修復也相對比較容易，并未出現設備封頭焊接時遇到的大面積微裂紋現象。這就說明整個焊接的施焊工藝是不存在問題的。影響焊接質量的主要原因應該是焊接外界條件的影響。

重新對整個預制和焊接過程進行了分析和研究。分析之后發現裂紋缺陷都是復層表面微裂紋和龜裂，還有打磨之后深度在2～3mm的過渡層中出現的線狀裂紋，這些細小的淺層裂紋在射線檢測的過程中比較難被發現，在探傷底片中體現的并不明顯，這就是RT合格率比PT檢測合格率高的原因所在。而且，在焊道打磨的過程中因打磨局部熱量較高，加上復層表面為奧氏體組織，不利于熱量的散發，使得原先有的這種微型裂紋缺陷有隨熱量擴散的趨勢。因而造成裂紋缺陷在個別區域和位置表現相對明顯。另外，裂紋集中區域為收口板焊縫，其組對間隙相對較大。正由于間隙較大，為了盡量減小組對間隙，該收口焊縫的組對應力比一般的焊縫的組對應力要大。另外，缺陷主要集中在焊道和融合線位置，本應性能相對較差的熱影響區處出現裂紋缺陷的數量反而較少，這最主要的原因應該取決于組織的類型，在裂紋集中的部分均為奧氏體組織，熱影響區主要是鐵素體組織（復合層材質為410S），產生裂紋的傾向不大。

綜上分析，大概可以把產生裂紋的主要原因歸結為以下幾個原因：

（1）由于焊道所用焊材為ENiCrFe-3，而基層為15Cr-MoR材質，焊接之后復層焊道組織主要為奧氏體組織，且焊道堆焊復層主要成分為鎳和鉻，而基層焊道主要是鐵素體組織。鎳基耐蝕合金特點與奧氏體不銹鋼基本相似，主要存在較高的熱裂紋敏感性（包括結晶裂紋、液化裂紋和高溫失效延遲裂紋）以及焊接氣孔和焊接接頭晶間腐蝕傾向等問題。鎳基耐蝕合金的焊接熱裂紋敏感性比高鎳鉻奧氏體不銹鋼高，且在弧坑易產生火口裂紋（結晶裂紋）。

鎳基耐蝕合金焊接時不宜采用高焊接熱輸入，否則會在焊縫熱影響區產生一定程度的退火和晶粒長大。同時，由于焊接熱輸入高，還可能會產生過度的偏析以及碳化物沉淀或其他有害的冶金缺陷，引起熱裂紋或降低合金的耐蝕性。加之奧氏體組織的熱量散失較慢，產生的裂紋極易出現擴展，從而出現大面積集中裂紋的現象。

（2）此設備的材料為復合板，材質為15CrMoR+410S，焊道的基層和復層材質的性質相差很大，焊接時的膨脹系數不一致，因而造成焊接時產生的收縮應力很大。更加容易導致焊接裂紋的產生。加之基層焊接時需要進行預后熱，而復層焊接時卻又需要嚴格控制焊接溫度。造成基層和復層之間的過渡層晶粒結構比較復雜，施工工藝難以控制的情況，所以過渡層出現裂紋的傾向性大大增加，這與檢測結果也是吻合的。

（3）組對間隙較大，組對應力大，焊接應力就相應增大，產生裂紋的傾向性也就更大。這就是為什么模擬試板焊接質量好，而實際設備的焊接質量相對較差的緣故。模擬試板的焊縫在焊接時處在一個自由收縮的狀態，基本上不存在太大的組對應力，而且組對時焊縫的間隙較好，因此焊接時產生的焊接應力較小，且自由收縮的狀態也有利于焊接應力的釋放。基于這個實驗，再結合設備在焊接時，裂紋集中出現的焊道位置為收口板位置等現象，可以推斷出設備焊道產生裂紋的又一主要原因就是焊縫的焊接應力。

（4）焊道焊接完成之后要進行整體打磨平整，打磨的過程中，所有復層焊道都相當于對局部進行再加熱的過程，局部的加熱，使得原有的裂紋得到了擴展，進而增加了表面裂紋的數量和面積，增加了裂紋的嚴重程度。

以上歸納和總結了產生裂紋的主要因素，結合具體的施工環境，為制定切實合理的施工方法和程序提供了依據。

3 優化工藝措施及施工

3.1 優化組裝工藝

制造工藝相對比較成熟，封頭制作時，在組裝極邊板的過程中應嚴格要求組對尺寸，特別是最后收口板的組裝尺寸，減小收口板焊縫的組對間隙，控制收口板的焊縫尺寸。小的焊道寬度意味著小的焊接應力。因為收口板的收縮是在非自由狀態，收縮時受到整體形狀的限制，越小的焊縫尺寸能把這種局限力對焊道的影響降低到最小水平；在降低最后收口焊縫的組對尺寸的同時，對收口板的外形尺寸提更高的要求，減少相鄰兩塊板的相對位置差，盡量避免強力組對該焊縫的情況出現。

3.2 優化預后熱工藝

以前的焊道預熱為小面積帶狀預熱，優化后的預熱工藝為面型預熱，也就是在焊接之前的預熱過程中，增加預熱寬度和長度，由原來一塊加熱片覆蓋焊道兩側的預熱方式，改作兩塊加熱片平行覆蓋焊道兩側同時進行預熱，預熱寬度增加到400mm，且預熱時應覆蓋到整個焊道的長度。大的預熱面積有利于消除焊道處的局部應力，有利于焊接焊道的收縮和焊接應力的釋放，與此同時還能減少起弧裂紋產生的傾向性。同樣，后熱的面積也要增加，而且后熱工作要及時，在焊接完成之后及時對焊道和周邊盡可能大的面積進行后熱，后熱的具體方法與預熱方法相同。只有及時的后熱工作才能在第一時間釋放出焊道中的部分焊接應力，最大程度減少裂紋產生的可能。

3.3 優化焊接施工

由于該球型封頭的焊接特殊性，大部分焊接位置為立縫焊接，立縫焊接時焊接速度慢，焊接熔池深，同樣焊接的線能量要大很多，而奧氏體焊材最忌諱的就是大的焊接線能量，所以在以后的焊接中要嚴格控制焊接的線能量。為了盡可能的減少焊接是的線能量，所有的焊道的焊接位置都要盡量滿足平焊位置或者近似平焊位置的要求。

焊接層間溫度≤232℃，是一個必須嚴格控制的焊接參數，這個參數控制的好壞直接影響到最后的缺陷的產生。在焊接的整個過程中，要做好嚴格的監督和檢測，才能為焊道的焊接質量打好基礎。

焊接順序上，已經不能按照逐道的焊接順序，而改作基層焊接和復層焊接分別在不同施工時間段施工。其中基層焊接為立縫焊接，因為在基層焊接之前設備整體結構是不穩定結構，其他位置施工的位置要求是無法滿足的。焊接過程中，焊接工藝要求要嚴格執行，嚴格控制焊接速度，采用排焊的焊接方法，減少焊接線能量，減少焊接過程中應力的產生。在基層焊接完成之后，整體結構才能夠得以穩定。在焊接復層時，能夠滿足位置變化的要求，遂對所有焊縫復層焊接位置改為平焊位置或近似平焊位置。因為平焊的位置焊接，焊接線能量小，且焊道成型效果好，在提高焊接質量的同時，能有效地控制焊接余高，盡可能地減少焊后的焊道打磨量。若要達到這樣的條件就要求起重吊裝做好配合工作，不斷地變換設備的位置和擺放方式以滿足焊接位置的要求。且在焊接時同樣必須采用多層多道焊接，嚴格控制焊接順序和線能量，嚴格控制層間溫度，只有保證正確的焊接順序和方法，才能夠保證優越的焊道性能。

在焊接時，應該選擇質量優秀的焊材。因為焊材的質量優劣對焊接質量有著直接的影響。好的焊接材料不但能夠提高焊接內在質量還能夠提高焊接外觀質量，進而減少焊道打磨量，為后續工作打好基礎。

3.4 優化打磨工藝

為了減少打磨時在熱裂紋的產生和原有裂紋的擴展，原有的焊道打磨工藝也要做相應的改變。原有的打磨工藝為分段打磨。分段打磨時，打磨點的熱量太過集中，而且打磨點的溫度很高，而焊道的主要成分為鎳和鉻，熱傳導性能比較差，使得熱量集中情況嚴重，對焊道質量的控制是個嚴重威脅。修改之后的焊道打磨工藝要求打磨時分多層多道打磨，且采用不銹鋼專用砂輪片進行打磨，打磨的砂輪機切削量要求不能太大，控制每層打磨時打磨點溫度，有必要時可做一些降溫措施。這時可以看出焊接時控制焊接余高的重要性，只有低的焊接余高才能夠盡量減少焊道的打磨量，間接提高合格率。

3.5 優化熱處理工藝

焦炭塔設備要求整體進行焊后熱處理，考慮到封頭焊接時焊接應力太大的緣故，將焊道的焊接分兩步進行，增加一次封頭整體熱處理施工。

首先，將整個封頭焊道的基層焊接完成，此時增加一道封頭整體熱處理工序，熱處理工藝可以參照焦炭塔設備整體熱處理工藝要求。此道熱處理工序的目的是消除封頭基層的壓制及焊接應力，給復層焊接提供一個比較好的，內部應力相對較小的焊接環境，

從而達到減少焊接裂紋的效果。

在基層焊接完，熱處理之后，再進行復層的焊接，復層焊接時嚴格控制焊接輸入線能量，控制層間溫度，采用多層多道焊的方法。且特別注意的是，焊接過渡層時也需要進行焊道的預后熱，預后熱要求與基層焊接時相同。而復層焊接時則不需要，整個焊接過程中，多停頓，多檢測，有缺陷及時修復，方可有效地保證最終的焊接質量。

3.6 其他優化要求

除去以上四項優化措施以外，還有一些其他的非主要原因也應做適當優化，這樣才能最大程度上控制缺陷的產生，提高焊接質量。例如，改善施工環境，減少環境中對復層焊道的污染；在使用焊材時注意對焊材的保護，防止焊材被污染和潮濕；另外，由于焊接過程中的檢驗要求比較多，每次檢驗完成之后都要對焊道殘留的檢驗試劑進行清理，類此等等，盡量消除一切能夠消除的可能影響焊接質量的不利因素。多方面條件的改善才能使得焊接質量達到理想的要求。

4 結語

經過以上一系列的制造工藝及焊接工藝等措施的改善，焊接環境有了較大的提高，按照新的綜合要求進行焊接的焊縫在缺陷產生的面積和數量上都得到了很好的控制，焊縫射線檢測（RT）一次性合格率達到了98%以上，表面滲透檢測（PT）缺陷出現的數量已經有了明顯的減少，表面的裂紋也是極個別的現象，而且缺陷的嚴重程度也得到了很好的控制，裂紋缺陷也不再是成片集中出現，僅是個別細小的缺陷，能很好地得到修復，表面焊接質量也達到了要求。

改善施工環境，嚴格執行焊接工藝，增加預后熱面積，保護好焊縫表面質量，改進打磨方法等等，通過這一系列的措施和方法的實施，在改善15CrMoR+410S復合材料的焊接時質量達到了預想的效果，提高了焊接生產效率，也提高了焊接質量。這一系列的施工流程和方法，都得到了推廣和學習。

隨著公司的發展，在今后的工作中，焦炭塔的制作焊接，或者類似材質的制作焊接的任務一定會源源不斷，在我們解決了這個難題的同時也使得我公司在相關設備上施工能力得到了很大的提升，也為以后的新材質，新設備的施工提供了一個嚴謹合理的解決問題的思路和方法。

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