壓力容器用鋼板焊接工藝及焊接質量控制

張全慶

（新余鋼鐵集團有限公司，江西 新余 338001）

在工業應用中，常見的壓力容器有液化氣罐、鍋爐氣包及原油儲罐等、主要用來盛放一定壓力的氣體或液體。耐壓性、耐腐蝕性和密閉性是壓力容器的主要特點，在壓力容器的生產制作的過程中鋼板一般需要經過拉伸，彎曲，焊接等工藝確定形狀，其中焊接是一個重要環節，對于保障壓力容器密閉性和耐壓性十分關鍵。由于壓力容器中常盛放易燃易爆的高壓氣體或液體，因此首先壓力容器用鋼板應具有良好的韌性和焊接性能；其次，焊接方法應選擇也十關鍵，合適的焊接方法，能夠增強壓力容器的安全性和穩定性，面對不同焊接方法也要有與之相配的焊接工藝，才能保證優良焊接效果；焊接質量還受焊接環境與鋼板材質的影響，此外，焊接過程還會產生焊接應力和焊接變形，焊接應力會對焊接區域鋼板的強度、塑形和局部穩定性造成影響。因此，還需要對焊接后焊縫區域進行焊后熱處理以控制焊接變形和應力[1]。

1 壓力容器用鋼焊接工藝

1.1 焊接方法介紹

壓力容器用鋼板在工業生產應用十分廣泛，主要有碳素鋼板、低合金鋼板、調質高強度鋼板、低溫用鋼等類型材料。以常見的Q345R、Q370R等低合金鋼鋼為例，常用的焊接方法有埋弧焊、焊條電弧焊以及氣體保護焊等；對于常見的16MnDR等低溫壓力容器用鋼板，焊接可選方法有鎢極氬弧焊、焊條電弧焊及埋弧焊等；而對于大型原油儲罐用12MnNiVR鋼板來說，氣電立焊和埋弧焊都是常用的方法。在實際施工中，還應綜合考慮焊接件結構特點，在保證焊接質量的前提下，根據焊接件的實際使用情況和現有焊接設備資源確定焊接方法。一般選擇焊接能量較低的焊接方法以減小工件受熱變形，焊接能量低則焊接熱影響區、焊接變形區也會很小，從而對整體變形的影響很小，而且在焊接時還可以對焊接結構件的焊接變形進行實時調整。目前常用的低能量焊接方法有氬弧焊、CO2氣體保護焊等方法。總之，焊接方法需要綜合考慮，靈活多變。

1.2 焊接材料的選擇

焊接材料由母材的材質決定，不同的母材其對應的焊接材料也各不相同。壓力容器用途多樣，使用環境復雜，制備所采用的鋼板也各不相同，因此焊接材料的選擇要考慮到焊接方法以及母材的性能。對于Q345R、Q370R等低合金鋼而言，其制備的構件具有良好的強度、塑形，因此選擇焊接材料時，需要保證焊接強度和塑性。其焊縫金屬中的合金元素含量應盡可能與母材匹配，特別是Cr、Mn、Mo等主要合金元素；對于16MnDR等低溫壓力容器用鋼，其低溫韌性好，在焊接時還要求焊接材料也具有一定的低溫韌性，焊接材料的選擇要確保較小的熱輸出，選用Φ4mm的埋弧焊絲，能有效控制焊接工藝參數，滿足焊接時減小熱輸出；對于12MnNiVR石油儲罐用鋼還應保證焊材具有較高強度。不同牌號的鋼板焊接時，因為兩材料抗拉強度不同，為了使材料避免應力集中作用，焊縫金屬材料的強度應介于兩材料的抗拉強度之間。根據以上分析，在實際焊接時選用材料需要綜合考慮焊接應力、耐腐蝕性、力學性能以及抗裂性能等[2]。

1.3 焊接環境的控制

除了對焊接方法和焊接材料的控制，焊接環境也是焊接過程中值得注意的條件之一，特別是焊接環境中的溫度和濕度會對焊接質量有較大的影響。一般在焊接施工前，要先對環境中的溫濕度進行測量。溫度＞0℃，濕度＜60%環境條件下適合焊接，否則應提前進行預熱和除濕處理[3]。

2 壓力容器用鋼板焊縫熱處理

2.1 熱處理的作用

焊接是從局部進行的，焊接焊縫附近溫度極高且分布不均勻，母材局部受熱伸長產生塑性變形，而距離焊接點較遠的溫度較低部分不會發生伸長變化，從而導致焊縫及附近區域應力分布不均，當溫度冷卻時形成內應力，這對焊縫金屬及焊縫周圍的金相組織都會造成影響，進而影響兩端母材的的穩定性和力學性能。因此需要進行熱處理來消除焊縫及其周圍的殘余應力，提高焊縫的韌性、強度和穩定性。

2.2 熱處理的參數控制

焊后熱處理最主要的三個參數是保溫溫度、保溫時間及升降溫速度，其對焊后熱處理的效果起到決定性作用。保溫溫度要根據母材以及焊縫焊材的屈服強度進行合理選擇，保證能夠消除焊接殘余應力，保溫溫度還需要考慮氫元素的含量，如果鋼材中氫元素含量過高，那么應該適當控制溫度，使氫能從鋼材中釋放，防止出現冷焊裂紋，一般應加熱至再結晶退火溫度以上保溫，晶粒會緩慢結晶，在消除殘余應力的基礎上使得鋼材性能恢復，同時具有一定的強度，韌性和塑性；在保溫時間選擇上，如果壓力容器用鋼板規格較厚，那么為了減少溫差帶來的影響，確保焊縫處的性能得以恢復，還應該適當的延長保溫時間，使得壓力容器板內外溫度均勻，以達到良好的熱處理效果；而升降溫速度一般和鋼板的厚度成反比例關系。

根據熱動力學曲線（CCT曲線）可知，冷卻保溫時間不同，金屬轉變得到的組織也不同，因此為了獲得良好的組織和性能，需要對保溫時間進行嚴格控制。根據我國國家標準規定，焊后熱處理的最低保溫時間和最低保溫溫度都要高于規定置。但高于多少并沒有指示和參考，因此需要靠工藝人員發揮自己的實驗經驗，用來控制焊件熱處理的綜合效果。

2.3 熱處理方法

一般根據操作方式的不同，將熱處理分為整體熱處理和局部熱處理兩種方法。整體熱處理即對壓力容器整體全部進行熱處理，只適用于體積不大的壓力容器，一般采用燒嘴噴射火焰加熱方式。對于大型的壓力容器，由于其體積大，不方便運輸，只能在現場采用局部熱處理的方法。局部熱處理一般采用電加熱方法，操作方便，安全性高。

3 壓力容器用鋼板焊接質量缺陷及其原因分析

在鋼板焊接制備壓力容器過程中，稍有不慎就會出現質量缺陷，常見的焊接質量缺陷可以通過焊接后的容器外部和容器內部兩方面進行分析。

3.1 容器外部質量缺陷及其原因分析

容器外部質量缺陷主要有以下幾種。①咬邊現象，咬邊現象是焊接中常常發生的一幕現象，或許由于焊接設備的電流控制不當，或者是沒有選擇合理的焊接工藝，都會導致咬邊問題的發生。②焊接表面不平整，常常由于焊接過程不穩定而導致焊接表面出現凹坑或突起等等，影響到焊接外觀質量。③錯邊問題，由于焊縫兩端材料沒有銜接對正，使得焊縫有交錯現象，錯邊問題嚴重影響了焊接質量，會大大降低容器的承載能力。

3.2 容器內部質量缺陷及其原因分析

容器外部質量缺陷主要有以下幾種。①焊縫有氣孔，高溫時焊縫中熔池的氣泡沒有來得及溢出，當溫度冷卻時氣泡凝固，從而在焊縫中存在缺陷，進而影響焊縫的力學性能。②夾渣問題，焊縫中的熔渣沒有及時清理就堆積在坡口邊緣等位置，一般是由于焊接操作過快或者操作不規范導致。③焊縫裂紋，焊縫中出現裂紋是焊接中常見的問題，但對于壓力容器而言，焊縫裂紋是危險程度最高的質量缺陷，由于壓力容器壓力高，因此焊縫開裂極大的降低了壓力容器的安全性。造成此現象的原因可能是高溫作用或者是焊縫金屬有雜質。

4 壓力容器用鋼板焊接質量的控制措施

4.1 焊接前的準備工作

（1）確定合適的焊接方法及焊材。焊接前需要根據壓力容器的實際使用情況和現有焊接設備資源確定焊接方法，一般選擇焊接能量較低的焊接方法以減小工件受熱變形。焊接能量低則焊接熱影響區、焊接變形區也會很小，從而對整體變形的影響很小，而且在焊接時還可以對焊接結構件的焊接變形進行實時調整。其次在焊材選擇時，應選擇滿足壓力容器設計要求和力學性能的焊材，確保焊材安全可靠。

（2）焊接前預熱。在焊接前對構件進行預熱可以有效減小局部高溫導致的熱脹冷縮變形，防止焊接收縮應力過大產生裂紋，能夠有效減小焊接件的焊接應力，一般對主焊縫和定位焊縫進行預熱，預熱溫度通常在100℃～200℃之間，預熱范圍一般在焊接焊縫附近30mm～50mm內，預熱的方法可以采用隔熱板均勻加熱、紅外線加熱、火焰加熱等方法。

4.2 焊接時的操作規范

（1）合理設計焊接順序。在焊接時，如果焊接件能夠固定，則首先對焊接件進行定位焊，能夠有效降低焊接變形，定位焊焊點應設置在對焊接件活動約束較大的位置。定位焊完成后焊接件位置便會固定，然后再對約束性小的焊縫進行焊接，這樣才能更好地保證先焊接的部位可以進行自由收縮，減少焊接結構件的變形。

（2）合理的焊接方向。對于壓力容器長度過長引起焊縫過長的情況，在焊縫的末端會產生較大的拉應力，在焊縫中間區段會產生較大的壓應力。這是由于冷卻速度不同和收縮是焊縫受到的約束不同引起的，在焊接時，要考慮到冷卻后焊縫縱向橫向應力的變化，使其收縮自如，從而減少殘余應力。若是對接焊縫應從中間緩慢向兩端焊接，這樣能使焊縫收縮平穩自由；若是交叉焊縫應保證交叉點不出現應力集中和缺陷，合理設計焊接順序。

4.3 焊接后的質量檢測

焊接工作完成后，為了保證焊接質量需要對焊接區域進行檢查，常用的檢查方法有拉伸、冷彎、沖擊等力學試驗檢測、外觀檢查及超聲探測等。力學試驗成本低，操作簡單可靠，能夠準確的檢驗出焊接區域的強度、塑形和韌性；外觀檢查更加直接，但只能檢查焊接區域表面，缺乏可靠性；超聲探測不僅可以焊接區域的外部缺陷，還能檢測出內部缺陷，是目前探測焊接質量常用的方法。對于質量檢測有問題的焊接件，需要對其進行補焊，保證壓力容器能夠正常工作。

5 結語

焊接質量關系到壓力容器的安全性和穩定性，并對壓力容器的工作質量和壽命具有決定性影響。焊接方法以及焊接材料的選擇至關重要，在保證焊接質量的前提下，根據焊接件的實際使用情況和現有焊接設備資源確定焊接方法，綜合考慮焊接應力、耐腐蝕性、力學性能以及抗裂性能選用焊接材料。為了改變焊接接頭的組織性能，還需要對焊接區域進行熱處理來消除焊縫及其周圍的殘余應力，提高焊縫的韌性、強度和穩定性。對于焊接工人而言，除了對壓力容器用鋼板、焊接工藝以及焊接區域熱處理方法有所了解外，還應掌握壓力容器用鋼板板焊接容易出現的質量問題及其產生原因，增加焊接質量缺陷控制的經驗，避免焊接出現質量問題。