大型儲罐陶瓷襯墊焊接施工研究

于建水

中國化學(xué)工程第十三建設(shè)有限公司 河北滄州 061000

焊接技術(shù)是金屬加工的重要方法，是現(xiàn)代工業(yè)中不可取代的加工手段。陶瓷襯墊是目前廣泛應(yīng)用的單面焊襯墊材料，陶瓷襯墊配合氬弧焊打底焊無需背面碳弧氣刨清根，解決工件背面清根費(fèi)時費(fèi)力、碳弧氣刨后槽道增碳（針對不銹鋼材料尤為明顯）、焊縫韌性差等難題。與雙面焊相比，該施工工藝可提高焊接生產(chǎn)效率3～5 倍，節(jié)省材料10%，節(jié)約電能50%，并且操作簡單，使用方便，可簡化裝配工序。

該施工工藝現(xiàn)應(yīng)用于天津渤化化工發(fā)展有限公司兩化搬遷改造項目——專用罐區(qū)項目37 罐組4 臺15000m3儲罐。其設(shè)備特點是體積大、重量重，罐體的鋼板種類多，材料為S31608, 焊接質(zhì)量要求高。焊縫經(jīng)外觀檢查合格后，按NB/ T47013.2- 2015 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行射線探傷檢測，發(fā)現(xiàn)采用傳統(tǒng)的雙面手工電弧焊等傳統(tǒng)焊接工藝，焊縫存在缺陷（未融合、氣孔、夾渣）多的問題；而采用陶瓷襯墊單面焊雙面成型的工藝后，不僅焊接質(zhì)量全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求，而且提高了生產(chǎn)效率，降低了制造成本。

1 工法特點

1.1 適用范圍廣

陶瓷襯墊單面焊雙面成型工藝可以焊接薄板，也可以焊接中等厚度和大厚度的板材，適合長焊縫的焊接，如儲罐焊接等，且更容易實現(xiàn)自動化焊接。

1.2 生產(chǎn)效率高、焊接變形小

熔化及氬弧焊使用焊絲做電極，允許使用的電流密度較高，因此熔深大，熔敷速度快，生產(chǎn)效率比TIG 焊高，厚大焊件變形比TIG 小。陶瓷襯墊配合熔化及氬弧焊焊接，無論是焊接效率，還是焊接質(zhì)量都有更顯著的提高。

1.3 焊接過程易于實現(xiàn)自動化

熔化極氬弧焊的電弧是明弧，焊接過程參數(shù)穩(wěn)定，易于檢測及控制，因此更容易實現(xiàn)自動化。本方法適用于儲罐等非標(biāo)設(shè)備（焊接條件單一、焊接量大）的焊接工程。

2 工藝原理

陶瓷襯墊焊接是以特殊陶質(zhì)材料為襯托，使焊縫強(qiáng)制成形的高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的焊接方式。這種焊接形式避免了清根、仰焊及狹窄封閉的環(huán)境內(nèi)作業(yè)，配合本身焊接效率高、焊接合格率高的熔化極氬弧焊，使焊接生產(chǎn)效率成倍提高，同時減輕了焊工勞動強(qiáng)度，焊接質(zhì)量得到保障。雙面焊焊另一面時，一般需要清根，或刨或磨掉夾渣，但是本方法恰恰免除了雙面焊接清根這一道工序。

3 施工工藝流程及操作要點

陶瓷襯墊焊接的施工工藝流程示意圖如圖1 所示。

圖1 陶瓷襯墊焊接的施工工藝流程圖

3.1 焊前準(zhǔn)備

焊接前應(yīng)徹底清除工件表面的油污、金屬屑、氧化膜及其他污物，尤其是板材邊緣30mm 范圍內(nèi)的待焊部位，必須徹底清理干凈，防止焊接時產(chǎn)生焊接缺陷。焊接原理圖如圖2 所示。

圖2 焊接原理圖

3.2 組對坡口形式

組對坡口包括立縫坡口形式和環(huán)縫坡口形式，分別見圖3 和圖4。

圖3 立縫坡口形式

圖4 環(huán)縫坡口形式

3.3 焊接參數(shù)

焊接參數(shù)如表1、表2 所示。

表1 單面焊立縫焊接參數(shù)

表2 單面焊環(huán)縫焊接參數(shù)

3.4 襯墊粘貼

陶瓷襯墊的安裝必須與鋼板貼合緊密，襯墊與襯墊接茬處應(yīng)相互推緊無間隙。現(xiàn)場采用的陶瓷襯墊是SCA3陶瓷襯墊，其成形槽寬度為10mm，深度為1.2mm。陶瓷塊使用前經(jīng)120℃左右烘培1～1.5h，隨烘隨用。施工時應(yīng)注意將陶瓷襯墊中心線反到兩頭，以確保與焊縫找正對中，撕開背膠，貼好陶瓷襯墊。詳見圖5。

圖5 陶瓷襯墊

3.5 焊接過程

（1）氬弧單面焊打底層焊接時，焊接電流按焊接參數(shù)嚴(yán)格控制，以防止產(chǎn)生裂紋。

（2）打底層焊接中，坡口兩根趾應(yīng)完全熔透，對于坡口間隙較大時，可進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖謩輸[動，兩根趾處略作停頓，以確保焊縫背面成型良好。

（3）在打底層焊接中，由于各種原因需停頓時，重新引弧應(yīng)采用熱接法接頭，即前一次熄弧后，待熔池尚未冷卻，隨即引弧開始正常焊接。如熔池已完全冷卻，需重新引弧前，必須用砂輪對弧坑進(jìn)行修整，使弧坑形成圓滑過渡狀，然后再引弧進(jìn)行正常焊接。焊接過程中，任何一層或一道的焊接必須從引弧板的坡口起點焊接，焊縫的終點收弧需焊至熄弧板的坡口終止。

焊接成果見圖6。

圖6 焊接成果

3.6 焊接方法

該工藝采用打底蓋面一次成形技術(shù)，焊接時焊絲的位置、擺動方法和焊接速度都是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

焊接時，先調(diào)好焊接參數(shù)，然后在試板下端引燃電弧，使焊槍在焊縫中心處做月牙形橫向擺動。當(dāng)電弧超過定位焊縫時產(chǎn)生熔孔，焊接過程中始終保持熔孔邊緣比下坡口邊緣大0.5～1mm 較合適。電弧擺動時，電弧的位置始終低于熔孔最低點0.5～1mm，以月牙的形式進(jìn)行擺動，擺動超過上坡口邊的1～2mm 并注意擺動的速度和適當(dāng)?shù)耐Ａ魰r間，保證坡口內(nèi)金屬填充飽滿。停弧或打底焊結(jié)束時，焊絲不要馬上離開弧坑，以防止產(chǎn)生縮孔及氣孔。

3.7 焊后背面焊縫處理

焊接結(jié)束后，焊工需去除焊縫背面襯墊，并檢查背面焊縫是否符合要求。修補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示。

表3 修補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)

4 施工過程中應(yīng)注意的問題

通過現(xiàn)場積累經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，為了獲得優(yōu)質(zhì)的反面焊縫成形，必須注意下列問題：

4.1 坡口的根部間隙

坡口根部間隙的大小直接影響反面焊縫的寬窄和余高的大小，同時對焊接過程的穩(wěn)定性也會產(chǎn)生一定的影響。經(jīng)過實際操作，在正常焊接條件下，間隙的最佳值為3～7mm，在此范圍內(nèi)容易得到良好的背面焊縫成形。若間隙較大，則需通過調(diào)整焊接操作手法來彌補(bǔ)，可以獲得良好的背面成形。若間隙很小或沒有間隙，則需要采用大電流，降低電弧及焊接速度，并使在熔池前部直接加熱母材，以保證焊縫根部熔透，反面焊縫仍可保證美觀平整、無咬邊、未熔合及焊不透現(xiàn)象。

4.2 坡口角度

坡口角度是影響反面成形、融合性及精度的一個重要參量，有時還影響焊接電弧的穩(wěn)定性。通過各種試驗及相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)坡口角度在50～60°時為最佳。

4.3 錯邊量

錯邊量的大小影響襯墊的安裝、貼合，以及反面焊縫的對稱性與焊縫根部的融合性。專用罐區(qū)項目現(xiàn)場使用的襯墊屬于硬襯墊，錯邊量超過3mm 時，襯墊與儲罐壁板的貼合性較差，熔化的鐵水容易從較低的一側(cè)流漏，焊縫向較低一側(cè)傾斜；而較高一側(cè)出現(xiàn)融合不良、產(chǎn)生凹凸、焊縫不對稱，從而影響接頭的機(jī)械性能和承載能力。襯墊由許多小陶瓷塊拼接而成，具有一定的柔性，因此，錯邊量小于3mm 時，對反面焊接質(zhì)量影響不大，完全可以滿足施工現(xiàn)場及相關(guān)規(guī)范的要求。

4.4 鈍邊高度

鈍邊高度主要影響焊縫根部的熔透性及反面焊縫的成形質(zhì)量。如果坡囗的鈍邊高度過大，超過3mm，母材的散熱作用加強(qiáng)，焊縫根部容易出現(xiàn)熔合不良、產(chǎn)生凹凸、脈紋、反面焊縫與母材過渡處粗糙，焊縫表面質(zhì)量惡化。鈍邊高度較小，則有利于坡口根部熔透，反面焊縫成形得到改善。

4.5 焊接參數(shù)

焊接參數(shù)（焊接電流、電弧電壓、焊接速度、氣體流量）的選擇由被焊工件的厚度、焊接位置、接頭形式、焊絲直徑等因素決定。

4.6 接頭處理

使用氬弧焊進(jìn)行單面焊接時，焊絲直徑較細(xì)，電流較小，并且襯墊散熱，焊縫冷卻較快，要在斷弧處將焊縫接頭連接好。

5 季節(jié)性施工技術(shù)措施

5.1 雨季施工措施

（1）應(yīng)充分注意個人安全防護(hù)，避免觸電，電焊把線不得破皮漏芯，中間接頭要用絕緣膠帶包扎結(jié)實，把線不得在地面積水中浸泡使用，在潮濕地方施焊必須穿好絕緣鞋，且用干燥物墊腳。

（2）被雨淋過的未焊焊口，施焊前必須烤干、除銹，剛焊完的電焊口，不允許雨水直接淋濕。

（3）嚴(yán)禁雨天在無遮擋的情況下進(jìn)行焊接，要注意焊接材料保管，確保焊材不受潮，焊機(jī)要求有防雨棚，且接地良好。

5.2 冬季施工措施

（1）焊接所使用的焊條必須烘焙1～2h，然后置于80～100℃的烘箱中保存，使用時應(yīng)裝入保溫溫度為80～110℃的焊條保溫桶內(nèi)，并接上電源通電恒溫，隨用隨取。如在外面超過4h，亦應(yīng)重新烘焙。焊條的烘焙次數(shù)不宜超過兩次。

（2）當(dāng)進(jìn)行管道焊接時，為減少溫度梯度，防止裂紋產(chǎn)生，使管道始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，焊縫區(qū)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械性能，須提高施工環(huán)境溫度到0℃以上。在提高壞境溫度的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行預(yù)熱、焊接、熱處理工作。

（3）為更好的防風(fēng)及提高環(huán)境溫度，保溫棚內(nèi)安裝電暖器，在焊接區(qū)域附近安裝溫度表進(jìn)行溫度監(jiān)控。

（4）對保溫棚的搭設(shè)采取全封閉形式，尤其對底部均用保溫材料填實，不留空隙。

（5）當(dāng)環(huán)境溫度低于5℃時，焊接前用氧.乙炔焰對焊縫坡口兩側(cè)100mmm 范圍內(nèi)進(jìn)行加熱烘干，驅(qū)除坡口內(nèi)的露水潮氣，火焰采用中性焰。

（6）當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時，除奧氏體不銹鋼外，無預(yù)熱要求的鋼種，在始焊處100mm 范圍內(nèi)，預(yù)熱到15℃以上。

（7）焊接須連續(xù)進(jìn)行，中斷焊接時，要采取保溫措施，立即用石棉布或巖棉被將焊口包裹，重新焊接時再對焊口進(jìn)行預(yù)熱，焊接過程中層間溫度不低于預(yù)熱溫度，焊接完畢對焊口進(jìn)行保溫緩冷。

6 機(jī)具設(shè)備

機(jī)具設(shè)備情況如表4 所示。

表4 機(jī)具設(shè)備

7 質(zhì)量檢驗

7.1 質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)及方法

7.1.1 外觀檢查用肉眼或放大鏡現(xiàn)察罡否有缺陷，如咬邊、燒穿、未焊透及裂紋等，檢查焊縫外形尺寸是否符合要求。

7.1.2 密封性檢驗

儲罐進(jìn)行焊縫的密封密封性試驗，密封性試驗有：水壓試驗和氣密性試驗。

（1）水壓試驗。用來檢查焊縫的密封性，是焊縫中用的最多的一種密封性試驗。

（2）氣壓試驗。比水壓試更靈敏迅速，多用于檢查低壓容器及管道的密封性。將壓縮空氣通入容器內(nèi)，焊縫表面涂抹肥皂水，如果肥皂泡顯現(xiàn)，即為缺陷所在。

（3）真空試驗。儲罐底板進(jìn)行真空箱試驗。

7.1.3 焊內(nèi)部缺陷的無損檢測

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及設(shè)計圖紙進(jìn)行相應(yīng)比例的射線探傷。

7.2 質(zhì)量控制點

質(zhì)量控制點如表5 所示。

表5 質(zhì)量控制點

7.3 質(zhì)量記錄

施工現(xiàn)場應(yīng)該如實做好施工記錄、質(zhì)量驗收記錄、各道工序間的交接檢查記錄，以及監(jiān)理驗收記錄等。

8 效益分析

本方法通過采用陶瓷襯墊熔化極氬弧焊焊接提高了施工效率，以四臺10000m3S31608 材質(zhì)拱頂儲罐為例：依據(jù)現(xiàn)場施工實際情況，本工法無需背面清根、打磨及焊接，共計節(jié)省人工：105 工日/ 臺罐，4 臺共計420 工日。按現(xiàn)在人工市場價計算節(jié)約人工成本約8.4 萬元；陶瓷襯墊的應(yīng)用相比與單面焊雙面無需使用背面保護(hù)氣體及碳弧氣刨相關(guān)材料及用電節(jié)約，成本合計約：5500 元/ 臺，4臺共計2.2 萬元。4 臺合計降低成本10.6 萬元。

本方法減輕了焊工勞動強(qiáng)度，使焊接生產(chǎn)效率成倍提高，焊接質(zhì)量得到保障，同時焊接過程中沒有用到碳弧氣刨，降低了煙塵對人體及環(huán)境造成的危害。與傳統(tǒng)焊接方法相比，是一種適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展潮流的“綠色”焊接方法。

本方法在天津渤化化工發(fā)展有限公司兩化搬遷改造項目——專用罐區(qū)項目37 罐組及VCM 項目得到應(yīng)用，一次焊接合格率達(dá)98%以上；焊縫外觀成形好，得到業(yè)主和監(jiān)理單位的高度認(rèn)可。