陸基低溫儲(chǔ)罐雙面同步埋弧焊工藝及應(yīng)用研究

楊賀同

（中國核工業(yè)第五建設(shè)有限公司，上海 200000）

儲(chǔ)罐內(nèi)物質(zhì)具有易燃、相態(tài)變量的性質(zhì)，一般采用低溫儲(chǔ)運(yùn)，因此低溫儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)和建造受到了廣泛的關(guān)注，特別是低溫儲(chǔ)罐的焊接工藝也極大地推動(dòng)了焊接技術(shù)的發(fā)展。隨著廠家對(duì)設(shè)備焊接質(zhì)量的要求越來越高，焊接結(jié)構(gòu)也越來越多樣化，導(dǎo)致我國工業(yè)焊接工作量逐漸上升[1]。因此，迫切需要提高焊接效率和質(zhì)量，減少焊接缺陷。特別是大型低溫儲(chǔ)罐的焊接，由于特殊的低溫環(huán)境，對(duì)儲(chǔ)罐中使用的材料和焊接技術(shù)都提出了很高的要求。我國低溫儲(chǔ)罐產(chǎn)品如圖1所示。

圖1 低溫儲(chǔ)罐示意圖

目前為了降低成本提高生產(chǎn)效率，我們把不同的焊接方法和革種焊接技術(shù)結(jié)合用于各種不同的設(shè)備焊接。一方面能提高焊接工程的完成速度和生產(chǎn)效率，一方面還能降低焊接的材料成本[2，3]。來自歐洲的J Tusek認(rèn)為，通過熔點(diǎn)速度可以用來形容和表示焊接工藝的生產(chǎn)效率和速度，熔點(diǎn)速度就是在單位時(shí)間內(nèi)填充金屬的熔點(diǎn)量[4]。然而，沉積速度也會(huì)隨著加快這個(gè)時(shí)候就需要更多的熱輸入。對(duì)于單弧焊，為了防止焊接變形，在熱輸入增加的情況下能在速度上做文章，提高速度的話有容易出現(xiàn)焊接缺陷和失誤。所以采用雙弧焊才是最好的選擇[5]可以避免上述缺陷。

1 陸基低溫儲(chǔ)罐用材料

一般在-10℃環(huán)境下使用的材料我們稱為“低溫用材”。第二次世界大戰(zhàn)以后低溫用材迅速發(fā)展起來，是一種新型的材料，在20世紀(jì)60年代之后世界范圍內(nèi)的新能源和低溫儲(chǔ)存工業(yè)得到了大力的發(fā)展，并伴隨著氣體儲(chǔ)存量和運(yùn)輸量的激增，低溫用材得到廣泛的應(yīng)用達(dá)到了工業(yè)化的規(guī)模，例如：磁浮、發(fā)電、輸電等[6]。從使用環(huán)境來看，-30℃的寒冷地區(qū)建筑物、達(dá)-45℃的液化丙烷氣(LPG)、達(dá)-100℃的液化乙烯、-170℃的液化天然氣(LNG)、-196℃的液化氮?dú)狻?269℃的液化氦氣等，它們的低溫環(huán)境要求十分嚴(yán)酷，特別液氣態(tài)物體的運(yùn)輸儲(chǔ)存罐材料需要有極強(qiáng)的韌性。超低溫金屬材料有WN為9%的鎳鋼、鋁合金、奧氏體不銹鋼、高鎳合金鋼(36Ni-Fe)及復(fù)合材料等一般在低于-180℃的環(huán)境使用。

2 雙面埋弧焊焊接技術(shù)概述

雙面同步埋弧焊技術(shù)由單邊埋弧焊發(fā)展而來，原理基本相同。如圖2所示把單面埋弧焊設(shè)備裝在焊接設(shè)備壁板兩側(cè)，焊接用的焊機(jī)用“騎式”的方式放置，在焊接時(shí)壁板兩邊的焊槍要在一個(gè)水平上拉開一定的距離。在焊接時(shí)兩側(cè)焊槍前后操作，在前面焊槍焊接池金屬基本凝固時(shí)，后方焊槍開始焊接，可以使得其能夠更充分的熔化。隨后縫隙部位的焊接金屬殘?jiān)肯♂尦鰜恚缚p根部兩側(cè)也就完成了焊接。圖2是雙面同步埋弧焊示意圖。

圖2 雙面同步埋弧焊示意圖

3 雙面同步埋弧焊和單面埋弧焊對(duì)比分析

（1）傳統(tǒng)的單面埋弧焊只是在壁板的一面上進(jìn)行焊接操作，這就導(dǎo)致另外一側(cè)的焊縫有阻焊劑，使得焊縫不能夠很好的熔合，在另一側(cè)焊接前需進(jìn)行碳弧氣刨清除焊縫根部。然而這種手工操作不能確保工作質(zhì)量。所以設(shè)備的焊接質(zhì)量根本得不到保證。大大影響大型陸基低溫儲(chǔ)罐的施工和建設(shè)。然而雙面埋弧焊則不同，雙面埋弧焊兩側(cè)同時(shí)施工，使得焊縫兩側(cè)和根部都能得到助焊劑，使得焊縫和焊根都能得到重熔。避免了單焊的缺陷。

（2）雙面同步埋弧焊最大的優(yōu)勢(shì)就是不需要做清根處理，這樣不僅能節(jié)省大量人工成本，還能節(jié)省更多的材料成本，因?yàn)殡p面焊采用的前后置焊機(jī)操作法，前焊后焊完美結(jié)合，前焊的熱量可以減少后焊的輸入，意味著可以用等量的耗材和能源能夠完成更多的焊接，這種節(jié)能效果非常明顯。雙面埋弧焊在低溫儲(chǔ)罐工程上的應(yīng)用如圖3所示。

圖3 雙面埋弧焊工程應(yīng)用

（3）該焊接技術(shù)用于陸基低溫儲(chǔ)罐的焊接，能更好地發(fā)揮雙面同步埋弧焊的優(yōu)勢(shì)。雙面同步埋弧焊接相對(duì)單面埋弧焊工序少速度快。因?yàn)槠錈o需清根的焊接工藝，相對(duì)于傳統(tǒng)焊接方法優(yōu)勢(shì)明顯。

4 焊接材料及設(shè)備

雙面同步埋弧焊機(jī)一般采用林肯DC-600焊接電源，同時(shí)配有控制柜、焊接行走架、焊接頭及控制器、焊劑座、自動(dòng)回收系統(tǒng)等。在數(shù)十萬m3的陸基低溫儲(chǔ)罐焊接時(shí)一般需要配備了多臺(tái)雙面埋弧焊機(jī)，而且為了方便操作人員的溝通交流，焊機(jī)上都配有通信設(shè)備。

焊接材料參數(shù)。考慮材料的低溫承受強(qiáng)度，低溫儲(chǔ)罐的焊接材料需根據(jù)儲(chǔ)罐壁板的材質(zhì)進(jìn)行選擇，以十萬m3容積以上儲(chǔ)罐為例，常用的埋弧焊焊材見表1。

表1 常用的埋弧焊焊材

低溫儲(chǔ)罐因低溫需求，所以對(duì)用材的強(qiáng)度和韌性都有很高的要求。首先選用的材料就要有較強(qiáng)的耐低溫性，現(xiàn)在市場上耐低溫的材料都是由合金材料合成的，主要是指鎳鉻合金和碳錳合金[6]。如果按照耐低溫程度不同來劃分，可分為四個(gè)等級(jí)：第一個(gè)等級(jí)在-20℃到-40℃；第二個(gè)等級(jí)在-50℃到-80℃之間；第三個(gè)等級(jí)在-100℃到-110℃之間；第四個(gè)等級(jí)在-196℃到-269℃之間等級(jí)越高則耐低溫能力越強(qiáng)，材料的韌性越好。市面上還根據(jù)金屬元素組成的不同來進(jìn)行分類，分為低合金、中合金、高合金三類。在此基礎(chǔ)上又可以根據(jù)材料是否有鎳或鉻元素來進(jìn)行分類。這類材料的化學(xué)成分見表2。

表2 常見用材化學(xué)成分表

5 焊接工藝要求

5.1 斜口角度要求

根據(jù)雙面同步埋弧焊的焊接特點(diǎn)，對(duì)于焊接坡口有著嚴(yán)格的規(guī)定。具體要求如圖4所示，焊接坡口兩面呈K型的斜角，開口角度在45°左右，斜角對(duì)邊在0到1mm之間，面板在同一圈內(nèi)的寬度偏差不能大于1mm。

圖4 槽形參數(shù)

5.2 焊縫裝配要求

為保證雙面同步埋弧焊的焊接質(zhì)量，焊縫的圓形接頭必須達(dá)到裝配要求。首先要控制低溫材的切割尺寸；其次是切割機(jī)的選擇，一般采用數(shù)控龍門火焰切割機(jī)來切割低溫材長度方向；最后并保證切割的工藝要求低溫材面板的圈內(nèi)寬度方向保證在1mm的偏差范圍之內(nèi)同時(shí)保證雙面同步焊的組間隙在1.5mm～2.5mm范圍內(nèi)。

5.3 焊接前的預(yù)熱工序

在儲(chǔ)罐的焊接前需要預(yù)熱，則需要根據(jù)材料的選擇來確定符合的預(yù)熱溫度。當(dāng)陸基低溫儲(chǔ)罐壁板材料選用合金含量低的材料時(shí)，此類材料強(qiáng)度較高，則此時(shí)預(yù)熱溫度要達(dá)到100℃但不能超過150℃。對(duì)于強(qiáng)度較高的材料，過高的預(yù)熱溫度和通道間溫度會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度和沖擊韌性的降低。

在給罐壁預(yù)熱熱時(shí)要控制加熱的寬度范圍，把寬度控制在100mm之內(nèi)，不要超焊縫中心線兩側(cè)板厚的3倍。可以采用不同的加熱方法來預(yù)熱，但一定要做到熱度均勻，為了保證預(yù)熱溫度均勻，預(yù)熱時(shí)要內(nèi)外兩側(cè)同時(shí)加熱。

焊接過程中也要控制好通道間的溫度保證高于等于預(yù)熱的溫度但不能超過250℃。

5.4 定位焊的工藝要求

根據(jù)定位焊的工藝要求，高強(qiáng)度材料的焊縫要不小于100mm，間距不大于500mm。焊接頭使用定位焊固定。定位焊在焊接前同樣需要執(zhí)行嚴(yán)格預(yù)熱要求。為了保證進(jìn)行雙面同步埋弧焊焊接頭能夠平滑的過渡，則需要對(duì)定位焊縫進(jìn)行打磨，將其打磨成斜面狀。

5.5 雙面同步根焊

雙面同步焊接優(yōu)勢(shì)在于無需清根處理。無需清根處理使得根焊質(zhì)量得到保證，采用雙面同步埋弧焊可以使儲(chǔ)罐的焊接材料得到良好的熔合。

（1）焊前檢查，首先在焊接前要確認(rèn)兩側(cè)焊機(jī)的電源線、通信線等接線是否正常；其次要注意使用的焊絲、焊劑是否正確，準(zhǔn)備的劑量是否充足。再者要查看坡口角度，對(duì)于不標(biāo)準(zhǔn)的坡口要做相應(yīng)的標(biāo)記，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化修補(bǔ)；最后是檢查定位焊的間距、長度是否合適，拋光是否過渡光滑。

（2）雙側(cè)同步焊接，首先，檢查焊槍位置，要求前置焊槍和后置焊槍之間的間距適當(dāng)。焊槍位置如圖5所示。

圖5 焊槍位置

其次，為了保證焊根的良好熔合，要選擇額合適的焊接參數(shù)。根據(jù)不同的罐壁厚度和焊接尺寸，如果罐壁厚度超過16mm時(shí)，我們?cè)诤附訒r(shí)就要相應(yīng)的提高熱量輸入來保證焊縫更不的完整熔合。此時(shí)雙面的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來了，前焊槍高輸入可以使得后焊槍減小輸入，可以有效地降低資源的浪費(fèi)。

最后，操作工需要根據(jù)實(shí)際情況來做出相應(yīng)的調(diào)整，不同焊機(jī)上的操作工要做好配合，要注意坡口的情況，要及時(shí)溝通協(xié)調(diào)，來調(diào)整焊槍位置和角度。

5.6 雙面同步填充焊、蓋面焊

雙面同步填充焊和蓋面焊的工藝要求，主要體現(xiàn)在焊縫的銜接，包括多層的銜接和多焊道的銜接。在銜接和過渡過程中要把握好焊接起弧點(diǎn)的位置，焊縫間要有50mm的間隔且在此點(diǎn)起弧，使得多層焊縫間呈階梯狀的銜接好。還要注意焊接過程中多有焊接缺陷的焊縫進(jìn)行修復(fù)，一般采用拋光打磨的方式進(jìn)行修復(fù)。以此來完善焊縫的工藝美觀要求。焊縫成形示意圖如圖6所示。

圖6 焊縫成形示意圖

6 焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果

該文章采用厚度為32mm的材料做焊接對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在完成相同體積的低溫儲(chǔ)罐，在采用單面埋弧焊機(jī)焊接時(shí)需要72小時(shí)，而采用雙面同步埋弧焊時(shí)只需工作50個(gè)小時(shí)，雙面同步焊效率約為單面焊的1.44倍。在設(shè)置焊縫為12mm時(shí)候，采用單面焊時(shí)需要工作18小時(shí)，而采用雙面同步埋弧焊則只需要8小時(shí)，工作效率是單面焊接的2.25倍。因此可以得出結(jié)論：采用雙面同步埋弧焊工藝對(duì)陸基低溫儲(chǔ)罐進(jìn)行焊接，同單面焊接工藝相比，雙面同步埋弧焊工藝焊接效率和焊接質(zhì)量都得到顯著提高。