壓力容器監(jiān)造過程中的焊接控制途徑

康高 張義(南京三方化工設(shè)備監(jiān)理有限公司，江蘇 南京 210003)

0 引言

壓力容器的監(jiān)造環(huán)節(jié)，焊接工藝可受到諸多因素的影響。因此，需要通過現(xiàn)場監(jiān)造，以完善的監(jiān)督流程，控制焊接工藝運(yùn)用流程，實(shí)現(xiàn)對容器制造過程高效控制與監(jiān)督，提升容器監(jiān)造質(zhì)量。

1 壓力容器監(jiān)造環(huán)節(jié)焊接控制要點(diǎn)

1.1 資質(zhì)檢查

在壓力容器的監(jiān)造環(huán)節(jié)，需要對焊工資質(zhì)以及其技能掌握情況全面檢查。焊工的資質(zhì)是從事此項(xiàng)工作必要條件之一，檢查過程重點(diǎn)審核焊工年齡，保證其年齡和勞動強(qiáng)度相匹配。結(jié)合其資質(zhì)，焊接操作之前模擬試焊。在其技能方面的檢查，應(yīng)結(jié)合壓力容器特點(diǎn)，分別考核焊工技能，在試件焊接環(huán)節(jié)組織評判；焊接高強(qiáng)材料之前，需要先行試焊，并且通過檢驗(yàn)。還可結(jié)合焊工在其他設(shè)備焊接過程工作質(zhì)量，掌握其焊接合格率，作為其技術(shù)能力評判標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)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(xiàn)過容器缺焊、外表焊瘤等問題時(shí)，禁止其從事壓力容器關(guān)鍵位置焊接工作。

1.2 工藝審核

監(jiān)造壓力容器過程，對焊接工藝進(jìn)行評定與審核也是重點(diǎn)，焊接過程若使用單一方法，需結(jié)合厚度、等級合理選取。并結(jié)合焊接材料、材質(zhì)、熱處理和厚度各項(xiàng)要求，保證焊接參數(shù)合理。針對特殊材料，應(yīng)先試焊，提前掌握焊接過程技巧，并對焊接參數(shù)合理修正，保證焊接操作高度可行。試驗(yàn)項(xiàng)目需要和壓力容器的焊接要求相符，保證技術(shù)滿足容器力學(xué)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(shù)，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(huán)境溫度合理控制，防止影響焊接質(zhì)量。若在潮濕環(huán)境或者低溫季節(jié)焊接，需結(jié)合要求采取預(yù)熱措施，將焊道50mm 范圍之內(nèi)進(jìn)行均勻預(yù)熱，保證焊道位置溫度差低于15℃。若在高溫環(huán)境下焊接，切忌使用大功率風(fēng)扇正對焊道。由于焊接人員技術(shù)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(zhì)量進(jìn)行檢查，并安排技術(shù)水平較高的焊接人員負(fù)責(zé)容器背面成形的焊接工作。焊接容器環(huán)節(jié)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(zhì)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(zhì)檢

焊接過程還需對焊縫尺寸進(jìn)行檢查，確保過渡圓滑，焊道余高和要求相符，若存在“尖角”，應(yīng)進(jìn)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(yàn)方式，對局部位置進(jìn)行質(zhì)量檢查，根據(jù)焊接工藝，統(tǒng)計(jì)不同位置焊接質(zhì)量，建立臺賬，合理控制后續(xù)焊接施工。

1.5 質(zhì)量驗(yàn)收

焊接結(jié)束之后，展開最終質(zhì)量驗(yàn)收，檢驗(yàn)焊接位置外觀結(jié)構(gòu)，不可出現(xiàn)重疊焊接問題，除特殊要求，應(yīng)使用封閉方式，焊接位置無開口。可使用無損檢驗(yàn)方式進(jìn)行復(fù)核，檢驗(yàn)比例和圖紙要求相符，并匯總檢驗(yàn)報(bào)告。

2 案例介紹

本項(xiàng)目為化工設(shè)備多晶硅冷氫化工藝應(yīng)用的核心容器流化床反應(yīng)器監(jiān)造項(xiàng)目，該壓力容器有4 個(gè)組成部分，即封頭、支座、筒體和錐體，設(shè)備直徑2200mm，筒體厚度58mm，總長度22000mm，由于容器規(guī)格較大，因此制造難度較高。在容器正式投產(chǎn)之前，由監(jiān)造方參與制造廠各項(xiàng)制造工藝準(zhǔn)備當(dāng)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(jié)點(diǎn)控制工作當(dāng)中，下文對容器制造過程焊接、加工以及熱處理重點(diǎn)工藝運(yùn)用詳細(xì)介紹。

某化工廠制氫裝置當(dāng)中，轉(zhuǎn)化爐的下尾管外接管材質(zhì)為0Cr18Ni10Ti，上端爐管選用2G4Cr25Ni35Nb 材質(zhì)進(jìn)行焊接，打底焊采取ERNiCr-3 氬弧焊工藝進(jìn)行滿焊，之后經(jīng)過650℃的高溫環(huán)境下，熱處理2h。此裝置試運(yùn)行過程，由于存在泄漏之處導(dǎo)致停車，經(jīng)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(yùn)用不規(guī)范以及熱處理不嚴(yán)格等操作相關(guān)[1]。

3 壓力容器監(jiān)造焊接控制途徑

3.1 焊接工藝運(yùn)用

3.1.1 焊接要點(diǎn)

由于該壓力容器使用材質(zhì)為NO8810，膨脹系數(shù)過大，在20℃時(shí)，熱導(dǎo)率僅為10.9，因此焊接環(huán)節(jié)，處于焊縫位置部分低熔點(diǎn)物質(zhì)以及雜質(zhì)元素可能發(fā)生聚集或者晶界偏析等問題，凝固環(huán)節(jié)與鎳金屬之間形成晶體，形成焊接裂紋。鎳合金焊縫當(dāng)中，金屬流動性相對較差，并且冷卻速度快，熔池內(nèi)氣體難以及時(shí)排除，產(chǎn)生氣孔。因此該壓力容器焊接環(huán)節(jié)對裂紋、氣孔等控制為焊接要點(diǎn)。

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(zhì)保書中標(biāo)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(jīng)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(jié)合上述結(jié)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(shè)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(jìn)行蓋面，確保焊接質(zhì)量，并且容器焊縫位置美觀。因?yàn)橐簯B(tài)合金的流動性較弱，因此需要對其坡口合理設(shè)計(jì)，避免發(fā)生熔合不良問題。在坡口位置需要將其角度適當(dāng)增加，可確保其接頭熔合性，同時(shí)，控制鈍邊寬度。按照焊接評定標(biāo)準(zhǔn)以及壓力容器的焊接工藝要求，對容器焊接過程各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)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(shí)，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(shè)備由于整體結(jié)構(gòu)簡單，特殊之處為椎體翻邊位置存在一個(gè)變徑量較大部件，同時(shí)還有橢圓形的鋼制封頭，鋼制板的厚度＞60mm。當(dāng)前國內(nèi)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(jīng)驗(yàn)相對缺乏。故此，該部件壓制工藝的運(yùn)用十分重要。經(jīng)過綜合評估之后，最終選擇外協(xié)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(xiàn)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(shí)際上加工溫度處于850℃左右，由于此材料在600～850℃下，極易產(chǎn)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(yán)格規(guī)定加熱溫度，造成部件表面存在裂紋[2]。

3.3 熱處理工藝

設(shè)備使用過程，工況溫度＞500℃，因此，對于設(shè)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(shí)，按照設(shè)計(jì)圖紙相關(guān)技術(shù)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(guān)鍵要點(diǎn)。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(jìn)行縮短；其次，使用高壓泵進(jìn)行加壓打水；最后，增設(shè)噴淋嘴，保持上下均勻分布，確保即冷處理要求。經(jīng)測試，冷卻裝置當(dāng)中存在800 個(gè)噴頭，1min 噴水量高達(dá)幾十噸，可確保直徑2000m、厚度26mm、304 不銹鋼材質(zhì)的封頭在10min 之內(nèi)，溫度從1000℃驟降至100℃。在設(shè)備的整體熱處理方面，控制溫度885℃，由于設(shè)備處于高溫環(huán)境下容易變形，因此需要設(shè)置內(nèi)部支撐，以免筒體變形，導(dǎo)致橢圓度超出標(biāo)準(zhǔn)，在外部設(shè)置支撐裝置之后，可避免材料變軟，在結(jié)構(gòu)自重影響下，出現(xiàn)凹痕。需要注意，支撐材料應(yīng)耐高溫，以免材料自身發(fā)生變形。

3.4 焊接質(zhì)控措施

掌握上述設(shè)備焊接環(huán)節(jié)面臨的重難點(diǎn)之后，在壓力容器的監(jiān)造環(huán)節(jié)，可制定出針對性質(zhì)控措施。為確保容器焊接工藝運(yùn)用質(zhì)量，監(jiān)造焊接現(xiàn)場，可要求相關(guān)人員使用平焊方式，在焊接環(huán)節(jié)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(shí)際焊接時(shí)需要稍加擺動，幅度控制在焊條直徑3倍以內(nèi)，單次擺動結(jié)束之后，還需做稍許停頓，為焊縫金屬具備充足時(shí)間填充咬邊提供環(huán)境。因?yàn)楹缚p問題為壓力容器焊接過程致命缺陷，因此，需要結(jié)合設(shè)計(jì)，科學(xué)安排焊接流程。

在坡口外側(cè)使用直徑2.4mm 的焊絲，在氬弧焊工藝運(yùn)用下，進(jìn)行打底焊接，共計(jì)4 層。在焊縫的外側(cè)使用直徑3.2mm 的焊條，共計(jì)焊接6～8 層。在焊縫的內(nèi)側(cè)經(jīng)過PT 檢測，通過之后，使用直徑3.2mm 的焊條，共計(jì)焊接8 層，對焊縫位置展開無損檢測，在焊縫外側(cè)使用直徑4mm 的焊條焊接，以無極氬弧焊進(jìn)行封面。焊接環(huán)節(jié)應(yīng)控制好不同焊層之間溫度＜100℃，控制熱裂紋問題的發(fā)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(yīng)該填滿弧坑。

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

4 結(jié)語

總之，通過上文對壓力容器監(jiān)造過程的全面監(jiān)督，設(shè)備制造順利完成，整體制造環(huán)節(jié)未出現(xiàn)返修問題，設(shè)備經(jīng)過質(zhì)量鑒定，并且順利應(yīng)用到生產(chǎn)當(dāng)中。由此可見，壓力容器的焊接過程，有效的監(jiān)造流程，可保證容器焊接質(zhì)量，通過工藝評定，選取科學(xué)的焊接工藝，落實(shí)焊接過程質(zhì)控措施，并對焊縫展開全面檢查，利用無損檢驗(yàn)進(jìn)行復(fù)核，匯總監(jiān)造結(jié)果，為容器順利制造完成提供良好保障。