基于焊接工藝評定規則的承壓設備焊接質量管理

熊從貴 何 靜 林 翔 林 通

(臺州龍江化工機械科技有限公司)

基于焊接工藝評定規則的承壓設備焊接質量管理

熊從貴*何 靜 林 翔 林 通

(臺州龍江化工機械科技有限公司)

從母材、填充材料、焊接方法和焊后熱處理4個方面介紹了焊接工藝評定規則在實際焊接工藝工作中容易出現偏差的部分，并提出了相應的改進措施和注意事項。最后根據焊接工藝評定中的影響因素建立焊接工藝評定匯總表，用于指導實際焊接工作。

承壓設備 焊接工藝 評定規則 焊接工藝文件 焊接質量

焊接是承壓設備制造過程中最重要的一個環節，也是承壓設備加工的一種主要方法。卷焊承壓設備的焊接工作量常大于整臺設備加工工作量的一半，因此，焊接質量直接關系到設備整體質量。影響焊接質量的因素主要有焊接材料、焊接設備、焊接環境、焊工技能水平及焊接工藝等，而在影響承壓設備焊接質量的各種因素中，焊接工藝占有重要地位。其主要有兩方面：一是工藝制訂，二是工藝執行。焊接工藝制訂是事前行為，由合格的焊接工藝評定作為保障；焊接工藝執行是事中行為，由嚴格的工藝紀律和規章制度作為保障。承壓設備的焊接工藝評定是否合格須用《承壓設備焊接工藝評定》規則進行判別[1]。焊接工藝評定是焊接質量控制的一個重要環節，焊接工藝評定是否符合法定規則也是判定焊接質量是否受控的一個重要方面。在此，筆者從母材、填充材料、焊接方法和焊后熱處理4個方面對直接影響焊接工藝評定的重要因素進行分析，防止其中一些評定規則在執行過程中出現偏差，影響產品的焊接質量或者造成資源浪費。

1 母材

母材是焊接工作的施焊對象，是加工承壓設備用的原材料。承壓設備用鋼材主要有碳素鋼、低合金鋼、低溫鋼、耐熱鋼和抗氫鋼，常用的承壓設備用材料已經標準化和系列化[2～4]。不同類別或不同組別的材料，其材料性能和焊接工藝性能不同，而焊接加工的最終目的就是要獲得與母材化學成分、力學性能和耐腐蝕能力相當的焊接接頭，因此焊接工藝評定要遵守母材分類、分組的評定規則。

在實際焊接工藝工作中，Q235-B、Q245R、Q345R或09MnNiDR與S30408相焊的情況比較常見，其中Q235-B、Q245R為Fe-1-1組材料，Q345R、09MnNiDR為Fe-1-2組材料，S30408為Fe-8-1組材料。是做Q235-B、Q245R與S30408相焊以及Q345R、09MnNiDR與S30408相焊兩組焊接工藝評定，還是只做Q345R、09MnNiDR與S30408相焊一組焊接工藝評定，需要結合評定規則仔細分析。

文獻[1]中的母材類別評定規則為“6.1.2.1 c)采用焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護焊或鎢極氣體保護焊，對Fe-1～Fe-5A類別的母材進行焊接工藝評定時，高類別號母材相焊評定合格的焊接工藝，適用于該高類別號母材與低類別號母材相焊；d)除b)、c)款以外，當不同類別號的母材相焊時，即使母材各自的焊接工藝都已評定合格，其焊接接頭仍需進行焊接工藝評定。”

文獻[1]中的母材組別評定規則為“6.1.2.2 c)同類別號中，高組別號母材評定合格的焊接工藝，適用于該高組別號母材與低組別號母材相焊；d)組別號為Fe-1-2的母材的評定合格焊接工藝，適用于組別號為Fe-1-1的母材。”

從母材類別評定規則來看，需要做Q235-B、Q245R與S30408相焊、Q345R、09MnNiDR與S30408相焊兩組焊接工藝評定；從母材組別評定規則來看，則只需做Q345R、09MnNiDR與S30408相焊一組焊接工藝評定，避免了由焊接工藝評定產生的資源浪費。

由文獻[1]中的“6.1.2.2 b)某一母材評定合格的焊接工藝，適用于同類別號同組別號的其他母材。”可知，除Fe-1-1和Fe-1-2兩組母材只需要做Fe-1-2中的任意一個牌號的焊接工藝評定外，其他每個類別號中的每個組別號只需要做任意一個牌號的焊接工藝評定即可覆蓋全部母材(異種鋼相焊除外)。焊條必須是低氫型，否則應補加沖擊試驗。如此，無論是焊接Q235-B或者Q345R，還是焊接16MnDR，只需要一組焊接工藝評定即可，節約了大量工藝評定用鋼材和加工成本。

基于上述評定規則，Q345R母材、J507焊條的焊接工藝評定顯然已經覆蓋了Q245R母材、J427焊條的焊接工藝。J507焊條的強度級別比J427焊條高，按照文獻[1]中6.1.3.1 a)的規定，是符合工藝評定代替規則的。然而焊接工藝評定僅通過保證焊接接頭的力學性能來保證承壓設備焊接結構的強度，但不是所有的承壓設備只保證焊接結構的強度就能滿足要求。設備的服役環境不同，對焊接接頭的具體要求就不同。例如液氨儲存設備，由于液氨在低合金鋼中具有應力腐蝕傾向，所以要求液氨儲存設備的焊接接頭需具有優良的耐應力腐蝕能力。根據研究表明，鋼材中Mn含量越高，對耐液氨應力腐蝕越是不利，而且Mn含量越高，材料的強度級別越高，液氨應力腐蝕傾向越大[5,6]。查閱文獻[7]可知，J427焊條的熔敷金屬Mn的質量分數為1.2%，J507焊條的熔敷金屬Mn的質量分數為1.6%，比J427焊條高出33.3%；J427焊條熔敷金屬的抗拉強度不小于430MPa，J507焊條熔敷金屬的抗拉強度不小于490MPa，比J427焊條高出約14.0%。用J507焊條焊接Q245R鋼材，會因母材的稀釋作用，導致焊縫的抗拉強度比J507焊條熔敷金屬抗拉強度低，比J427焊條熔敷金屬的抗拉強度高，然而這對抗液氨應力腐蝕都是不利的。因此對于焊接結構而言，一般采用等強度連接，即焊接接頭的強度和化學成分應盡量與母材接近，這對于一般的氣體儲罐承壓設備而言，強度級別較高的J507焊條焊接Q245R和Q235-B均是可行的。

2 填充材料

填充材料是焊接接頭的重要組成部分，對焊接接頭的化學成分、力學性能和耐腐蝕性能起決定性作用。填充金屬包括焊條、焊絲、焊劑、極板及熔嘴等，焊接時填充材料首先應對焊接區進行良好的保護，防止有害氣體侵入，然后通過冶金反應使焊縫金屬合金化，使它符合各項性能要求。

結合文獻[1]中6.1.5.1的規定，采用25mm厚母材的埋弧焊試件評定合格的焊接工藝適用最大焊件厚度為50mm。基于此，在評定合格的焊接工藝適用范圍內，填充金屬的體積超過10%是常見的。開坡口的焊接接頭如圖1所示。試件母材厚25mm，鈍邊高12mm，單面60°V形坡口，坡口內填充金屬體積約110mm3；焊接工藝適用的焊件母材最大厚度為50mm，鈍邊高度為12mm，雙面60°V形坡口，單面坡口內填充金屬體積約228mm3，已遠大于文獻[1]中6.1.3.1 c)規定的“超過10%”，需要重新進行焊接工藝評定。因此，如果是埋弧焊或熔化極氣體保護焊，焊接工藝人員在根據焊接工藝評定報告編制焊接工藝卡或焊接工藝作業指導書時，應特別注意焊件的坡口尺寸，以免出現焊接工藝評定不能覆蓋的情況。

圖1 開坡口的焊接接頭

3 焊接方法

焊接方法是制訂焊接工藝時首先要考慮的工藝要素，焊接方法的選擇取決于焊接材料、焊接工作量、焊接位置、焊接結構及焊件厚度等因素，原則是在保證焊接接頭質量的前提下，提高焊接效率、降低焊接成本。同時，不同的焊接方法產生的溫度場不同，對焊接冶金的影響也不同。

文獻[1]中將焊接工藝評定因素分為重要因素、補加因素和次要因素，重要因素是影響焊接接頭除沖擊韌性以外的力學性能的因素，補加因素是影響焊接接頭沖擊韌性的因素。文獻[1]規定，熔化極氣體保護焊從噴射弧、熔滴弧或脈沖弧改為短路弧或反之為重要因素；GTAW、GMAW有無背面保護氣為重要因素；管板接頭評定合格的電流值變化10%、增加焊條直徑、焊前清理方法、焊道數、機動焊或手工焊以及焊接位置(向上立焊、向下立焊)為重要因素。GTAW、GMAW、SMAW和SAW由每面多道焊改為每面單道焊為補加因素；GTAW、GMAW和SMAW從評定合格的位置改為向上立焊為補加因素。

基于上述焊接工藝評定規則，焊接工藝人員在編制產品的焊接工藝文件時需注意，GMAW和FCAW的電弧過渡形式應能被所采用的焊接工藝評定適用范圍覆蓋；根據產品焊接要求確定是否采用背面保護氣體，否則評定重要因素改變，需要重做焊接工藝評定。管板接頭焊接時，增加焊接電流、增加焊條直徑、增加焊道數、焊接位置改變以及機動焊或自動焊的變化都直接影響管板接頭的焊接質量。采用多道焊時，焊接接頭的熱輸入小，后面的焊道相對于前面的焊道做了一次回火處理，使接頭組織更均勻、綜合力學性能更好。

焊接工藝人員在編制完合格的焊接工藝文件后，應注意對焊接工藝執行情況的檢查，對提高產品質量提供幫助。如實際焊接工作中焊接電流值的變化、熔化極氣體保護焊時采用的電弧過渡形式以及接焊管板接頭時采用的焊條直徑、焊道數及焊接位置等都應該是實際焊接工藝紀律檢查的重點內容。用檢查的實際數據來驗證焊接工藝評定是否覆蓋才能真正起到提高焊接質量的目的，真正體現焊接工藝評定是保障承壓設備焊接質量的手段。

4 焊后熱處理

在承壓設備制造過程中，焊后熱處理主要用于消除焊接接頭的焊接殘余應力，使焊縫中的氫完全向外擴散，達到提高焊接接頭抗裂性和韌性的目的。焊后熱處理的加熱保溫溫度低于下轉變溫度，加熱溫度和保溫時間對焊后熱處理效果起決定性作用。試驗表明，適宜的熱處理溫度為600～650℃、每1mm板厚保溫時間不少于2min、總保溫時間最短30min[8,9]。焊后熱處理溫度下限為550℃，可使焊接構件應力松弛率達80%以上；選擇620℃、保溫30min或1h的焊后熱處理規范，可使焊接構件的應力松弛率達90%以上；當熱處理溫度低于規范溫度下限時，延長保溫時間對焊接殘余應力松弛影響不大。

文獻[1]規定“6.1.4.2 除氣焊、螺柱電弧焊和摩擦焊外，當進行沖擊試驗時，焊后熱處理的保溫溫度或保溫時間范圍改變后要重新進行焊接工藝評定。試件的焊后熱處理應與焊件在制造過程中的焊后熱處理基本相同，即低于下轉變溫度進行焊后熱處理，試件保溫時間不少于焊件在制造過程中累計保溫時間的80%。”

基于此，在焊后熱處理的保溫溫度范圍沒有改變的情況下，對試件與焊件的保溫時間比例提出了要求。實際焊接工藝評定過程中，為了使焊接工藝評定的覆蓋范圍更寬，即使試件的母材厚度只有6mm，也常將其焊后熱處理保溫時間延長到2h或更長，這種操作方法雖然在評定規則上不存在問題，但忽略了“試件的焊后熱處理應與焊件在制造過程中的焊后熱處理基本相同”的要求。試驗表明，隨著焊后熱處理保溫時間的延長，焊縫金屬的顯微組織碳化物彌散析出并粗大，導致抗拉強度降低，但隨著保溫時間的延長，焊縫金屬的沖擊韌性得到提高，焊接接頭的塑性增強[10,11]。實際的焊件焊后熱處理保溫時間是按照文獻[12]的推薦保溫時間確定的，可能遠低于焊接工藝評定的試件保溫時間，如此雖然焊接接頭的沖擊韌性得到了提高，但是可能導致其抗拉強度下降，甚至出現抗拉強度不合格的情況。

5 焊接工藝文件

實際的焊接工藝工作中，如果預焊接工藝規程評定合格，再編制焊接工藝評定報告，然后根據合格的焊接工藝評定報告編制一份焊接工藝評定匯總表，最后根據焊接工藝評定匯總表編制產品焊接工藝作業指導書或產品焊接工藝卡。因此，焊接工藝評定匯總表的內容必須顯示全部的焊接工藝評定要素，包括重要因素、補加因素和次要因素，這些評定要素必須體現在產品焊接工藝文件中，以指導焊接生產，否則無法根據焊接工藝評定匯總表編制產品焊接工藝文件。

表1為某公司的部分對接接頭焊接工藝評定匯總表。由表1可以看出，只有焊接方法、電源特性、母材規格、牌號、焊材規格、牌號及熱處理狀態等參數，未見焊后熱處理保溫溫度、保溫時間、填充金屬體積及焊道數等影響焊接工藝評定的主要因素。表2是某公司的部分管板角接頭焊接工藝評定匯總表，其中未見焊接電流、焊前清理方法及焊道數等影響管板焊接接頭工藝評定的重要參數。這種焊接工藝評定匯總表不能指導編制產品焊接工藝作業文件，如果編制則必須查閱焊接工藝評定報告，失去了焊接工藝評定匯總表存在的意義。

表1 某公司焊接工藝評定匯總表(部分對接接頭)

表2 某公司焊接工藝評定匯總表(部分管板角接頭)

6 結束語

焊接工藝評定是承壓設備焊接的基礎工作，用于指導編制產品焊接工藝文件。在焊接工作實踐中，既要遵守焊接工藝評定規則(即所編制的產品焊接工藝文件要有合格的焊接工藝評定支持)，又要結合產品的實際工作環境，全面考慮產品對焊接的要求，使焊接結構滿足產品的使用要求。焊接工藝文件是記錄焊接質量的載體，在焊接工藝文件上規范、全面地反映焊接工藝評定的重要因素、補加因素和次要因素，能有效指導產品焊接工作。同時，加強焊接工藝執行情況的檢查是提高產品焊接質量的重要保障。

[1] NB/T 47014-2011,承壓設備焊接工藝評定[S].北京:國家能源局,2011.

[2] GB 713-2008,鍋爐和壓力容器用鋼板[S].北京:中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,2008.

[3] GB 3531-2008,低溫壓力容器用低合金鋼鋼板[S].北京:中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,2008.

[4] GB 24511-2009,承壓設備用不銹鋼鋼板及鋼帶[S].北京:中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,2009.

[5] 曹志明.氨制冷壓力容器應力腐蝕開裂原因及其對策[J].壓力容器,2003,20(5):42～44.

[6] 王家輝.石油化工用液氨設備的應力腐蝕開裂及其防護[J].石油工程建設,2008,34(3):10～12.

[7] GB/T 5117-2012,非合金鋼及細晶粒鋼焊條[S].北京:中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,2012.

[8] 陳文汨,張利,金立業,等.焊接殘余應力的分布和焊后熱處理的應力松弛作用[J].金屬熱處理,2002,27(2):30～32.

[9] 劉國偉,尚世顯,黃文龍.焊接后熱與焊后熱處理溫度對焊接殘余應力松弛的試驗研究[J].壓力容器,1994,11(5):23～27.

[10] 任軍,陳維富,蔣勇,等.焊后熱處理時間對核電用碳鋼焊條CHE507HR2熔敷金屬性能的影響[J].電焊機,2013,43(10):71～75.

[11] 王飛.熱處理保溫時間對焊接接頭性能的影響[J].鍋爐制造,2014,(5):50～51.

[12] NB/T 47015-2011,壓力容器焊接規程[S].北京:國家能源局,2011.

WeldingQualityManagementofPressureEquipmentBasedonWeldingProcedureQualificationRules

XIONG Cong-gui, HE Jing, LIN Xiang, LIN Tong

(TaizhouLongjiangChemicalMachineryScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Wenling317500,China)

Through analyzing the base metal, filling materials, welding method and the postweld heat treatment, the deviations in understanding the welding procedure qualification rules in operation process were described and both improvement measures and matters needing attention were proposed as well as the summary sheet of factors which influencing the welding procedure qualification was established to guide welding operation.

pressure equipment, welding procedure, qualification rules, documents on welding procedure, welding quality

TQ053

A

0254-6094(2016)01-0008-05

*熊從貴，男，1982年5月生，工程師。浙江省溫嶺市，317500。

2015-01-23，

2015-02-06)