陸基低溫儲罐雙面同步埋弧焊工藝及應用研究

楊賀同

（中國核工業第五建設有限公司，上海 200000）

儲罐內物質具有易燃、相態變量的性質，一般采用低溫儲運，因此低溫儲罐的設計和建造受到了廣泛的關注，特別是低溫儲罐的焊接工藝也極大地推動了焊接技術的發展。隨著廠家對設備焊接質量的要求越來越高，焊接結構也越來越多樣化，導致我國工業焊接工作量逐漸上升[1]。因此，迫切需要提高焊接效率和質量，減少焊接缺陷。特別是大型低溫儲罐的焊接，由于特殊的低溫環境，對儲罐中使用的材料和焊接技術都提出了很高的要求。我國低溫儲罐產品如圖1所示。

圖1 低溫儲罐示意圖

目前為了降低成本提高生產效率，我們把不同的焊接方法和革種焊接技術結合用于各種不同的設備焊接。一方面能提高焊接工程的完成速度和生產效率，一方面還能降低焊接的材料成本[2，3]。來自歐洲的J Tusek認為，通過熔點速度可以用來形容和表示焊接工藝的生產效率和速度，熔點速度就是在單位時間內填充金屬的熔點量[4]。然而，沉積速度也會隨著加快這個時候就需要更多的熱輸入。對于單弧焊，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 陸基低溫儲罐用材料

一般在-10℃環境下使用的材料我們稱為“低溫用材”。第二次世界大戰以后低溫用材迅速發展起來，是一種新型的材料，在20世紀60年代之后世界范圍內的新能源和低溫儲存工業得到了大力的發展，并伴隨著氣體儲存量和運輸量的激增，低溫用材得到廣泛的應用達到了工業化的規模，例如：磁浮、發電、輸電等[6]。從使用環境來看，-30℃的寒冷地區建筑物、達-45℃的液化丙烷氣(LPG)、達-100℃的液化乙烯、-170℃的液化天然氣(LNG)、-196℃的液化氮氣、-269℃的液化氦氣等，它們的低溫環境要求十分嚴酷，特別液氣態物體的運輸儲存罐材料需要有極強的韌性。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)及復合材料等一般在低于-180℃的環境使用。

2 雙面埋弧焊焊接技術概述

雙面同步埋弧焊技術由單邊埋弧焊發展而來，原理基本相同。如圖2所示把單面埋弧焊設備裝在焊接設備壁板兩側，焊接用的焊機用“騎式”的方式放置，在焊接時壁板兩邊的焊槍要在一個水平上拉開一定的距離。在焊接時兩側焊槍前后操作，在前面焊槍焊接池金屬基本凝固時，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渣全部稀釋出來，焊縫根部兩側也就完成了焊接。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比分析

（1）傳統的單面埋弧焊只是在壁板的一面上進行焊接操作，這就導致另外一側的焊縫有阻焊劑，使得焊縫不能夠很好的熔合，在另一側焊接前需進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量。所以設備的焊接質量根本得不到保證。大大影響大型陸基低溫儲罐的施工和建設。然而雙面埋弧焊則不同，雙面埋弧焊兩側同時施工，使得焊縫兩側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勢就是不需要做清根處理，這樣不僅能節省大量人工成本，還能節省更多的材料成本，因為雙面焊采用的前后置焊機操作法，前焊后焊完美結合，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，這種節能效果非常明顯。雙面埋弧焊在低溫儲罐工程上的應用如圖3所示。

圖3 雙面埋弧焊工程應用

（3）該焊接技術用于陸基低溫儲罐的焊接，能更好地發揮雙面同步埋弧焊的優勢。雙面同步埋弧焊接相對單面埋弧焊工序少速度快。因為其無需清根的焊接工藝，相對于傳統焊接方法優勢明顯。

4 焊接材料及設備

雙面同步埋弧焊機一般采用林肯DC-600焊接電源，同時配有控制柜、焊接行走架、焊接頭及控制器、焊劑座、自動回收系統等。在數十萬m3的陸基低溫儲罐焊接時一般需要配備了多臺雙面埋弧焊機，而且為了方便操作人員的溝通交流，焊機上都配有通信設備。

焊接材料參數。考慮材料的低溫承受強度，低溫儲罐的焊接材料需根據儲罐壁板的材質進行選擇，以十萬m3容積以上儲罐為例，常用的埋弧焊焊材見表1。

表1 常用的埋弧焊焊材

低溫儲罐因低溫需求，所以對用材的強度和韌性都有很高的要求。首先選用的材料就要有較強的耐低溫性，現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，可分為四個等級：第一個等級在-20℃到-40℃；第二個等級在-50℃到-80℃之間；第三個等級在-100℃到-110℃之間；第四個等級在-196℃到-269℃之間等級越高則耐低溫能力越強，材料的韌性越好。市面上還根據金屬元素組成的不同來進行分類，分為低合金、中合金、高合金三類。在此基礎上又可以根據材料是否有鎳或鉻元素來進行分類。這類材料的化學成分見表2。

表2 常見用材化學成分表

5 焊接工藝要求

5.1 斜口角度要求

根據雙面同步埋弧焊的焊接特點，對于焊接坡口有著嚴格的規定。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，斜角對邊在0到1mm之間，面板在同一圈內的寬度偏差不能大于1mm。

圖4 槽形參數

5.2 焊縫裝配要求

為保證雙面同步埋弧焊的焊接質量，焊縫的圓形接頭必須達到裝配要求。首先要控制低溫材的切割尺寸；其次是切割機的選擇，一般采用數控龍門火焰切割機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寬度方向保證在1mm的偏差范圍之內同時保證雙面同步焊的組間隙在1.5mm～2.5mm范圍內。

5.3 焊接前的預熱工序

在儲罐的焊接前需要預熱，則需要根據材料的選擇來確定符合的預熱溫度。當陸基低溫儲罐壁板材料選用合金含量低的材料時，此類材料強度較高，則此時預熱溫度要達到100℃但不能超過150℃。對于強度較高的材料，過高的預熱溫度和通道間溫度會導致材料強度和沖擊韌性的降低。

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

焊接過程中也要控制好通道間的溫度保證高于等于預熱的溫度但不能超過250℃。

5.4 定位焊的工藝要求

根據定位焊的工藝要求，高強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行嚴格預熱要求。為了保證進行雙面同步埋弧焊焊接頭能夠平滑的過渡，則需要對定位焊縫進行打磨，將其打磨成斜面狀。

5.5 雙面同步根焊

雙面同步焊接優勢在于無需清根處理。無需清根處理使得根焊質量得到保證，采用雙面同步埋弧焊可以使儲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兩側焊機的電源線、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，準備的劑量是否充足。再者要查看坡口角度，對于不標準的坡口要做相應的標記，然后進行標準化修補；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。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。根據不同的罐壁厚度和焊接尺寸，如果罐壁厚度超過16mm時，我們在焊接時就要相應的提高熱量輸入來保證焊縫更不的完整熔合。此時雙面的優勢就體現出來了，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。

最后，操作工需要根據實際情況來做出相應的調整，不同焊機上的操作工要做好配合，要注意坡口的情況，要及時溝通協調，來調整焊槍位置和角度。

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的位置，焊縫間要有50mm的間隔且在此點起弧，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行修復，一般采用拋光打磨的方式進行修復。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 焊接工藝試驗結果

該文章采用厚度為32mm的材料做焊接對比，實驗結果表明在完成相同體積的低溫儲罐，在采用單面埋弧焊機焊接時需要72小時，而采用雙面同步埋弧焊時只需工作50個小時，雙面同步焊效率約為單面焊的1.44倍。在設置焊縫為12mm時候，采用單面焊時需要工作18小時，而采用雙面同步埋弧焊則只需要8小時，工作效率是單面焊接的2.25倍。因此可以得出結論：采用雙面同步埋弧焊工藝對陸基低溫儲罐進行焊接，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量都得到顯著提高。