壓力容器監造過程中的焊接控制途徑

康高 張義(南京三方化工設備監理有限公司，江蘇 南京 210003)

0 引言

壓力容器的監造環節，焊接工藝可受到諸多因素的影響。因此，需要通過現場監造，以完善的監督流程，控制焊接工藝運用流程，實現對容器制造過程高效控制與監督，提升容器監造質量。

1 壓力容器監造環節焊接控制要點

1.1 資質檢查

在壓力容器的監造環節，需要對焊工資質以及其技能掌握情況全面檢查。焊工的資質是從事此項工作必要條件之一，檢查過程重點審核焊工年齡，保證其年齡和勞動強度相匹配。結合其資質，焊接操作之前模擬試焊。在其技能方面的檢查，應結合壓力容器特點，分別考核焊工技能，在試件焊接環節組織評判；焊接高強材料之前，需要先行試焊，并且通過檢驗。還可結合焊工在其他設備焊接過程工作質量，掌握其焊接合格率，作為其技術能力評判標準，進而綜合評定焊工人員的選擇以及錄用。若焊工在以往工作中出現過容器缺焊、外表焊瘤等問題時，禁止其從事壓力容器關鍵位置焊接工作。

1.2 工藝審核

監造壓力容器過程，對焊接工藝進行評定與審核也是重點，焊接過程若使用單一方法，需結合厚度、等級合理選取。并結合焊接材料、材質、熱處理和厚度各項要求，保證焊接參數合理。針對特殊材料，應先試焊，提前掌握焊接過程技巧，并對焊接參數合理修正，保證焊接操作高度可行。試驗項目需要和壓力容器的焊接要求相符，保證技術滿足容器力學性能要求，否則需要對工藝重新審核與評定。

1.3 過程控制

焊接過程，注意控制焊接參數，需和評定工藝一致，禁止以大電流形式展開焊接工作，并對環境溫度合理控制，防止影響焊接質量。若在潮濕環境或者低溫季節焊接，需結合要求采取預熱措施，將焊道50mm 范圍之內進行均勻預熱，保證焊道位置溫度差低于15℃。若在高溫環境下焊接，切忌使用大功率風扇正對焊道。由于焊接人員技術水平存在差異，因此需要對容器薄壁位置和小直徑管道位置的焊接質量進行檢查，并安排技術水平較高的焊接人員負責容器背面成形的焊接工作。焊接容器環節需要對焊接順序、空間和位置全面考慮，保證焊接空間充足，位置合理，便于焊接操作，確保質量。容器焊接對于方法的選擇因材料和要求而不同，因此需要合理選擇焊接方法，保證焊接合格率。

1.4 焊縫質檢

焊接過程還需對焊縫尺寸進行檢查，確保過渡圓滑，焊道余高和要求相符，若存在“尖角”，應進行打磨。保證焊縫不存在氣孔、裂紋和咬邊等各類缺陷。可使用無損檢驗方式，對局部位置進行質量檢查，根據焊接工藝，統計不同位置焊接質量，建立臺賬，合理控制后續焊接施工。

1.5 質量驗收

焊接結束之后，展開最終質量驗收，檢驗焊接位置外觀結構，不可出現重疊焊接問題，除特殊要求，應使用封閉方式，焊接位置無開口。可使用無損檢驗方式進行復核，檢驗比例和圖紙要求相符，并匯總檢驗報告。

2 案例介紹

本項目為化工設備多晶硅冷氫化工藝應用的核心容器流化床反應器監造項目，該壓力容器有4 個組成部分，即封頭、支座、筒體和錐體，設備直徑2200mm，筒體厚度58mm，總長度22000mm，由于容器規格較大，因此制造難度較高。在容器正式投產之前，由監造方參與制造廠各項制造工藝準備當中，完成焊接工藝的編制說明，并制定出制造文件，參與整體制造過程重要節點控制工作當中，下文對容器制造過程焊接、加工以及熱處理重點工藝運用詳細介紹。

某化工廠制氫裝置當中，轉化爐的下尾管外接管材質為0Cr18Ni10Ti，上端爐管選用2G4Cr25Ni35Nb 材質進行焊接，打底焊采取ERNiCr-3 氬弧焊工藝進行滿焊，之后經過650℃的高溫環境下，熱處理2h。此裝置試運行過程，由于存在泄漏之處導致停車，經檢查，裝置下端位置的焊接接頭存在開裂，上端也有裂縫，并存在直徑為1～5mm 氣孔，綜合分析，和容器焊接過程工藝運用不規范以及熱處理不嚴格等操作相關[1]。

3 壓力容器監造焊接控制途徑

3.1 焊接工藝運用

3.1.1 焊接要點

由于該壓力容器使用材質為NO8810，膨脹系數過大，在20℃時，熱導率僅為10.9，因此焊接環節，處于焊縫位置部分低熔點物質以及雜質元素可能發生聚集或者晶界偏析等問題，凝固環節與鎳金屬之間形成晶體，形成焊接裂紋。鎳合金焊縫當中，金屬流動性相對較差，并且冷卻速度快，熔池內氣體難以及時排除，產生氣孔。因此該壓力容器焊接環節對裂紋、氣孔等控制為焊接要點。

3.1.2 焊接工藝

該壓力容器合金成分如下；C 含量0.05%～0.08%；Cr 含量在19.0%～201.0%；Ni 含量在30%～35.0%；Al 含量在0.15%～0.60%；Ti 含量在0.15%～0.60%；Fe 含量≥39.5%；Si 含量≤1.0%；Mn 含量≤1.5%。在容器的質保書中標明，含碳0.08%；含鉻20.2%；含鎳30.6%；含鋁0.27%；含鈦0.26%；含鐵48.2%；含硒0.2%；含錳0.8%。經檢測，合金中上述成分分別為，碳0.07%；鉻20.06%；鎳30.23%；鋁0.24%；鈦0.32%；鐵46.71%；硒0.27%；錳0.81%。結合上述結果，選擇ERNiCr-3、ENiCrFe-2 等作為焊接材料，提升容器的耐熱性以及耐腐蝕性。

在焊接方法方面，選擇TIG 與SMAW 兩種成熟的焊接工藝，按照設備厚度、焊材等，使用TIG 焊接作為打底，之后中間層使用SMAW 焊接，之后利用TIG 焊接進行蓋面，確保焊接質量，并且容器焊縫位置美觀。因為液態合金的流動性較弱，因此需要對其坡口合理設計，避免發生熔合不良問題。在坡口位置需要將其角度適當增加，可確保其接頭熔合性，同時，控制鈍邊寬度。按照焊接評定標準以及壓力容器的焊接工藝要求，對容器焊接過程各項參數進行評定。ERNiCr-3 材料焊接過程，對于2.0mm 的焊縫，利用GTAW 焊接工藝，將焊接電流控制在90～110A 之間，電壓為13～16V，焊接速度為12～15cm/min。ENiCrFe-2 材料焊接過程，對于3.2mm 的焊縫，利用SMAW 焊接工藝，將焊接電流控制在85～90A 之間，電壓為20～22V，焊接速度為12～15cm/min。ENiCrFe-2 材料焊接4.0mm 焊縫時，仍然利用SMAW 焊接工藝，將焊接電流控制在110～120A 之間，電壓為22～30V，焊接速度為12～15cm/min。

3.2 加工工藝

該設備由于整體結構簡單，特殊之處為椎體翻邊位置存在一個變徑量較大部件，同時還有橢圓形的鋼制封頭，鋼制板的厚度＞60mm。當前國內直徑2200mm 封頭加工工藝相對成熟，但是針對N08810 這類材料壓制經驗相對缺乏。故此，該部件壓制工藝的運用十分重要。經過綜合評估之后，最終選擇外協廠展開封頭與錐體的壓制加工。在加工之前，封頭位置與錐體的小口段呈現出縱向裂紋，并且面積較大。對上述缺陷重新展開分析，由于N08810 材料采用塑性熱加工工藝加工，并且其加工熱性能和奧氏體鋼類似，加工溫度要求在1000～1230℃之間，但實際上加工溫度處于850℃左右，由于此材料在600～850℃下，極易產生開裂問題。因此，在加工前期由于封頭制造廠沒有考慮到此問題，參考奧氏體鋼的封頭加工工藝，未嚴格規定加熱溫度，造成部件表面存在裂紋[2]。

3.3 熱處理工藝

設備使用過程，工況溫度＞500℃，因此，對于設備自身不變性能有特定要求，需要對材料展開不同熱處理，分析其不變性能。同時，按照設計圖紙相關技術要求，將其置于1150℃，展開固溶處理。在此過程，確保其出爐之后可迅速冷卻為關鍵要點。該封頭廠改造了原有冷卻裝置。首先，將熱處理爐、冷卻間二者距離進行縮短；其次，使用高壓泵進行加壓打水；最后，增設噴淋嘴，保持上下均勻分布，確保即冷處理要求。經測試，冷卻裝置當中存在800 個噴頭，1min 噴水量高達幾十噸，可確保直徑2000m、厚度26mm、304 不銹鋼材質的封頭在10min 之內，溫度從1000℃驟降至100℃。在設備的整體熱處理方面，控制溫度885℃，由于設備處于高溫環境下容易變形，因此需要設置內部支撐，以免筒體變形，導致橢圓度超出標準，在外部設置支撐裝置之后，可避免材料變軟，在結構自重影響下，出現凹痕。需要注意，支撐材料應耐高溫，以免材料自身發生變形。

3.4 焊接質控措施

掌握上述設備焊接環節面臨的重難點之后，在壓力容器的監造環節，可制定出針對性質控措施。為確保容器焊接工藝運用質量，監造焊接現場，可要求相關人員使用平焊方式，在焊接環節保持短弧。由于鎳合金焊接過程，焊縫位置金屬流動性高于普通合金，實際焊接時需要稍加擺動，幅度控制在焊條直徑3倍以內，單次擺動結束之后，還需做稍許停頓，為焊縫金屬具備充足時間填充咬邊提供環境。因為焊縫問題為壓力容器焊接過程致命缺陷，因此，需要結合設計，科學安排焊接流程。

在坡口外側使用直徑2.4mm 的焊絲，在氬弧焊工藝運用下，進行打底焊接，共計4 層。在焊縫的外側使用直徑3.2mm 的焊條，共計焊接6～8 層。在焊縫的內側經過PT 檢測，通過之后，使用直徑3.2mm 的焊條，共計焊接8 層，對焊縫位置展開無損檢測，在焊縫外側使用直徑4mm 的焊條焊接，以無極氬弧焊進行封面。焊接環節應控制好不同焊層之間溫度＜100℃，控制熱裂紋問題的發生。還需保證焊接電流合理，降低熱量輸入，控制熔合比，在收弧位置處應該填滿弧坑。

除此之外，鎳合金在焊接環節，還可存在夾渣或者氣孔等質量缺陷，因此，焊接之前，可利用丙酮將母材、焊材等進行清洗。在焊接時，控制電弧電壓穩定性，合理控制氬弧焊引弧、收弧等工藝技巧。為防止焊接環節存在縮孔、氣孔等問題，盡量選取衰減方式熄弧。在驗收環節，可對壓力容器展開無損檢驗，確認其各部分焊接比例是否和圖紙要求相符，對于焊縫反復檢驗，不可遺漏，保證無損檢驗報告和檢驗單信息一致[3]。

4 結語

總之，通過上文對壓力容器監造過程的全面監督，設備制造順利完成，整體制造環節未出現返修問題，設備經過質量鑒定，并且順利應用到生產當中。由此可見，壓力容器的焊接過程，有效的監造流程，可保證容器焊接質量，通過工藝評定，選取科學的焊接工藝，落實焊接過程質控措施，并對焊縫展開全面檢查，利用無損檢驗進行復核，匯總監造結果，為容器順利制造完成提供良好保障。