復合鋼板球罐的焊接及缺陷處理

孫俊勝 雒淑娟 黨戰偉 張淑雁 宮 超 曹 宇 白建軍 曾瀟沄

（上海藍濱石化設備有限責任公司）

球罐是一種儲存氣體、液體（包括液化氣體）的壓力容器，由于它受力均勻，承載能力大，在相同直徑和相同工況下，薄膜應力僅為圓筒形容器的一半，且在相同容積下，球殼表面積最小，質量最輕，設備成本最低［1］，因此，被廣泛應用在化工、冶金、能源及軍事等領域中。 針對一些具有腐蝕性的介質，在設計時，通常采用耐腐蝕性較好的純不銹鋼材料，但由于純不銹鋼材料的球罐造價成本較高，因此近年來，壓力容器行業開始采用復合鋼板材料代替純不銹鋼材料設計、制造壓力容器，這樣既能滿足使用要求又能降低設備造價成本。

復合鋼板是由基層材料和覆層材料通過爆炸復合法、爆炸軋制復合及軋制復合等方法復合而成的雙金屬板［2］。 復合鋼板綜合基層材料和覆層材料各組元材料的性能優勢特點，既有基層材料所具有的結構強度和剛度，又有覆層材料所具有的耐腐蝕、耐磨等特殊性能［3］，實現各組元材料資源的最優配置，節約貴重金屬材料，具有很好的經濟效益和社會效益。 與此同時，復合鋼板球罐焊接難度大，焊接缺陷較多，返修工序復雜，所以在安裝過程中，嚴格要求復合鋼板球罐的焊接作業。 筆者通過某復合鋼板球罐安裝項目，介紹了復合鋼板球罐的焊條選用、焊接方法、缺陷分析和返修方案。

1 復合鋼板球罐焊材選用

本復合鋼板球罐安裝項目中，復合鋼板球罐材料由基層碳鋼Q345R 和覆層不銹鋼S30403 組成，其中基層碳鋼厚度為20mm，覆層不銹鋼厚度為3mm。

復合鋼板球罐焊接材料分為3 種類型［4］：

a. 基層碳鋼焊條，焊材采用牌號J507，型號E5015；

b. 覆層焊縫與基層焊縫交界處采用的過渡層焊條，焊材采用牌號A302，型號E309；

c. 覆層不銹鋼焊條，焊條采用牌號A002，型號E308L。

基層焊接選用的碳鋼焊條應保證焊縫金屬的力學性能高于或等于母材的力學性能。 覆層焊接選用的焊條應保證焊縫金屬的耐腐蝕性能。 過渡層不僅要能隔離碳鋼層與不銹鋼層，而且還要能補償不銹鋼層因稀釋引起的合金元素 （如鉻、鎳等）的降低，使得覆層焊縫的合金成分保持應有的水平。 過渡層焊接時，基層結構鋼的局部熔化使不銹鋼焊縫合金成分稀釋， 同時還存在鉻、鎳合金元素的燒損問題。 這樣就會降低不銹鋼焊縫中的鉻、鎳合金元素含量，增加不銹鋼焊縫的含碳量，從而使不銹鋼焊縫中容易形成硬而脆的馬氏體組織，降低焊接接頭的塑性、韌性和耐腐蝕性能［5］。 因此，在實際焊接過程中，為了補償這些合金元素的損失，使過渡層的合金性能保持應有的水平，應該選用Cr、Ni 等合金元素含量高和碳含量低的焊接材料，還應考慮抗裂性，控制焊縫的稀釋率。

在本項目中，過渡層焊接選用E309 焊條，覆層焊條選用E308 焊條， 其中E309 焊條中Ni、Cr含量分數分別為12.0～14.0，23.0～25.0；E308 焊條中Ni、Cr 含量分數分別為9.0～12.0，18.0～21.0［6］，過渡層焊條中Ni、Cr 含量分數高于覆層焊條中Ni、Cr 的含量分數， 使得過渡層焊條可以為覆層焊條的合金元素進行補償。 這樣才能在正常的焊接參數下得到雙相組織的焊縫，避免產生大量馬氏體組織和焊接冷裂紋。 在不銹鋼復合鋼板過渡層焊接中， 不僅存在著合金元素的稀釋和燒損，而且還有組織和性質上的變化。 故而，在焊接過程中，過渡層的焊接最為重要，難度也最大。

2 焊接方法

焊接順序為：第一步，基層焊接（包括內坡口焊接、基層背面清根、基層外坡口焊接）；第二步，過渡層焊接；第三步，過渡層焊后檢查；第四步，覆層焊接。

具體操作如下：

a. 基層焊接。 基層材料為Q345R，具有良好的可焊性，焊接技術成熟。 在焊接打底時，使用的焊條直徑為3.2mm，焊接電流為90～105A；其他層焊接用焊條直徑為4.0mm，焊接電流160～170A。基層內側焊接必須嚴控焊接位置，保留過渡層焊接空間，不允許在過渡層焊接區域進行碳鋼焊條焊接，以避免少量高鉻、高鎳的不銹鋼成分稀釋到碳素鋼焊縫中形成馬氏體組織而發生硬化現象。

b. 過渡層焊接。 過渡層焊接屬于異種鋼焊接，焊接時焊工選用直徑為3.2mm 的焊條，須嚴格遵循焊接工藝評定控制電流、 電壓和焊接速度，以確保焊接時的熱輸入量和層間溫度，防止焊縫組織晶體粗大，產生催化和裂紋，降低基層對過渡層焊縫的稀釋。

c. 過渡層焊接完成后，清除坡口邊緣的飛濺物，并打磨焊縫，目測檢查過渡層焊縫是否完全填充，對于未充分填充的焊縫，需進行補焊作業，確保過渡層完全隔離基層，防止碳鋼污染不銹鋼層。 完成目測檢測后，還需進行PT 檢測，確保過渡層表面無缺陷。

d. 覆層焊接。 選用直徑為3.2mm 的焊條，必須嚴格按照焊接工藝評定控制電流、電壓和焊接速度，以確保焊接時的熱輸入量和層間溫度。 焊接時采取單層多道、快速不擺動焊法，并要求焊縫余高不大于1.5mm［7］。

需要注意的是，在施工現場，應由專人進行焊條管理發放，不允許焊工同時攜帶兩種或三種焊條進行焊接作業，避免焊條混用，造成焊接缺陷。

3 焊接缺陷分析

復合鋼板球罐在焊接完成48h 后，對焊縫進行100%射線（RT）檢測。 經檢測發現焊縫內存在夾渣、氣孔和未熔合3 種缺陷。 在第一次返修后，再次進行射線檢測，發現夾渣、氣孔和未熔合缺陷均已處理完成， 但在返修部位出現裂紋缺陷。對以上缺陷產生的原因進行分析。

夾渣缺陷產生的原因有：焊接接頭邊緣的污物未清理干凈；焊接時電流調節過小；焊接時焊條的角度和焊條的使用方法不恰當，使得熔渣和鐵水辨認不清，從而導致熔化金屬和熔渣混雜在一起；焊縫冷卻速度過快，熔渣來不及上浮。

氣孔缺陷產生的原因有： 焊接周圍有風；使用的焊條未烘干；焊接速度過快。

本項目未熔合缺陷的出現具有以下3 點共性：

a. 經檢測顯示，未熔合缺陷出現的部位集中在上極板和赤道帶，在球罐內部屬于仰焊和立焊部位， 該部位主要采用點焊堆焊的方法施焊，產生了較多的未熔合缺陷；而下極板采用連弧焊施工方式的，未出現此缺陷。

b. RT 膠片上顯示， 未熔合缺陷都出現在焊縫的右側，而在焊縫左側未出現缺陷。 經觀察，發現焊工是右手持焊把， 在焊接焊縫的左邊緣時，焊條擺動較深，而在焊接焊縫的右邊緣時焊條擺動較淺，所以左邊緣都能焊透，而右邊緣出現未熔合缺陷。

c. 在清除未熔合缺陷時，發現缺陷基本都位于過渡層處。

分析以上3 個現象得出： 由于A302 焊條鐵水相比J507 焊條鐵水的流動性差、穿透力不強，焊工對過渡層焊條的性能不熟悉，在焊接過渡層時，電流過小，焊接速度較快且未調整焊接手法，導致焊條擺動較淺的部位鐵水與母材未能完全相熔合，造成未熔合缺陷［8］。

焊工采用碳弧氣刨的方式清除缺陷，經打磨后進行返修作業。 在返修完成后， 進行100%RT檢測，檢測結果顯示未熔合缺陷已清除，但是出現了新的裂紋缺陷。 缺陷裂紋在首次探傷時未出現，而在返修后才出現，并且裂紋大多分布在返修焊縫的正中心和返修焊縫的邊界處。 經分析，返修后出現裂紋有3 個原因：

a. 焊工在進行返修時， 由于返修區域較短，在上一層焊道的熱量還未完全散出時，就進行下一層焊肉的焊接，導致組織和性能本就十分不均勻過渡層產生再熱裂紋，此類裂紋主要集中在返修焊縫的正中間（圖1）。

b. 在返修過程中，焊工采用電弧氣刨清除焊肉，然而碳弧氣刨溫度過高，產生大量的余熱，這些余熱擴散至周邊的焊接接頭內，使得過渡層受到熱應力的影響后，產生熱裂紋。

c. 首次焊接時焊縫內存在微裂紋， 但在RT檢測時未明顯成像，再通過碳弧氣刨和再次焊接產生熱應力后，微裂紋擴展，此類裂紋主要集中在返修焊縫的邊界處（圖2）。

圖1 熱裂紋

圖2 微裂紋

4 返修方案

夾渣、 氣孔和未熔合缺陷的返修措施為：第一步，使用碳弧氣刨的方式清除缺陷，并打磨清除氧化皮；第二步，采用PT 檢測，確認缺陷完全處理；第三步，在做好防風措施后，使用烘干焊條，選用合適焊條后，采用正確的焊接速度，有規則地擺動焊條，攪動熔池，促使熔渣與鐵水分離進行返修作業。 經第一次返修后，夾渣、氣孔和未熔合缺陷已全部處理完成。

對于新產生的裂紋缺陷，分析裂紋缺陷產生的原因，制定專項返修方案，具體操作如下：

a. 消除裂紋缺陷作業。 根據裂紋產生的原因，為了防止返修時再次產生裂紋，缺陷的清除方式由磨光機打磨代替碳弧氣刨。 要求從裂紋的兩端向中間進行打磨，打磨起始位置是在裂紋邊沿向外延伸30～50mm 處（圖3）。 在打磨時，需將不銹鋼覆層和過渡焊接層全部磨除，以防止在焊接時產生新的缺陷。 打磨結束后進行PT 檢測，以確認是否所有的裂紋皆已清除，如果顯示還有裂紋則繼續打磨， 直到PT 檢測合格后方可進行焊接。

b. 返修焊接作業。返修過程需要分層多道焊接作業，先采用過渡層焊條焊接，再采用覆層焊條焊接。 在焊接過渡層時一定要控制線能量，使用小電流，快速焊，焊條不做橫向擺動。 在完成每一道焊接后，要徹底清除焊渣，并等到該焊道溫度降至室溫后，進行PT 檢測，檢測合格后，再進行下一焊道的焊接，如果發現缺陷，需先清除缺陷，再用PT 檢測確認缺陷完成清除后進行焊接。在返修完48h 后，再進行RT 檢查，檢查所有缺陷是否處理完畢。

圖3 焊縫打磨方法示意圖

在返修過程中，清理焊縫雜物時，基層采用碳鋼鋼絲刷，而覆層需采用不銹鋼鋼絲刷，不得使用碳鋼鋼絲刷清理覆層，以免對不銹鋼產生污染。 并且要求每層焊道溫度降低至室溫后再進行下一層焊道焊接， 主要目的是降低層間溫度，防止焊道溫度過高， 導致上一層焊肉產生新的裂紋。

5 改進措施

綜合以上分析，給出以下改進措施：

a. 控制錯邊量。 球罐在組對時，調控好對接焊縫的錯邊量和焊縫間隙，確保焊縫錯邊量不大于1mm。 在焊接過程中，必須嚴格控制異類焊條填充位置，避免出現碳鋼焊條污染不銹鋼母材的情況。 當錯邊量較大時，基層碳鋼焊條將會填充于過渡層和覆層區域， 污染覆層不銹鋼母材，碳鋼污染區域如圖4 所示。

b. 控制焊工資質。施焊復合鋼板的焊工應取得耐蝕堆焊資格［9］，不允許僅有不銹鋼和碳鋼資質的焊工施焊。 建議為焊工準備數塊試板，用于焊條熟悉，在焊工考試合格后，再進行施焊作業。

c. 改進返修工藝。 為了避免在返修時產生熱裂紋，缺陷的清除方式選用磨光機打磨。 并且在返修時，采用多層多道的焊接方式，在每一層焊接完成后，需要等焊縫溫度降至室溫，再進行PT檢查，檢測合格后，再進行下一層焊接作業。

圖4 碳鋼污染區域

6 結束語

不銹鋼復合鋼板球罐過渡層焊接作業是球罐制造的重要環節，盡量保證一次性成形，減少返修作業量。 在焊接過渡層時，必須清理基層焊渣和氧化皮，并且要求焊工對過渡層焊條進行焊接練習，在完全掌握焊條屬性后再進行球罐焊接作業。 在返修時，采用磨光機打磨清除缺陷，并要求從缺陷的兩頭往中間打磨， 防止裂紋擴展，打磨結束后采用PT 檢測， 確定缺陷完全清理后再進行返修作業。 返修焊接時，需要多層多道焊接，每層焊接完畢后需等到溫度降至室溫再進行PT檢測，檢測合格后再進行下一層焊接，以確保每道焊縫均無裂紋后再進行下一道焊接。