鋼制壓力容器焊接工藝方法分析

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摘要：焊接是鋼制壓力容器制造和安裝中重要的工序，焊接質(zhì)量直接關(guān)系到鋼制壓力容器在使用過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性，并且對(duì)壓力容器的工作性能和使用壽命具有決定性的影響。所以在焊接之前，應(yīng)該對(duì)焊件的材質(zhì)、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)類型以及焊接性能等進(jìn)行全面的分析，然后制定出科學(xué)合理的焊接工藝，并且做好焊后熱處理工作，確保鋼制壓力容器的焊接質(zhì)量。文章主要對(duì)鋼制壓力容器（不銹鋼復(fù)合鋼板）的焊接工藝以及焊后熱處理方法進(jìn)行分析，為進(jìn)一步提升鋼制壓力容器的焊接質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼制；壓力容器；焊接工藝；焊后熱處理

壓力容器主要是指盛裝氣體或者液體且需要承載一定壓力的密閉設(shè)備，對(duì)安全性有較高的要求。其應(yīng)用范圍較廣，主要應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)中。焊接作為鋼制壓力容器制造和安裝中的重要工序，焊接技術(shù)會(huì)對(duì)壓力容器的安全性有直接的影響。在焊接的過(guò)程中，不同的焊接方法有不同的焊接工藝，同時(shí)，焊件的材質(zhì)、焊接環(huán)境、焊件結(jié)構(gòu)等都會(huì)影響到焊接質(zhì)量。焊接是一個(gè)局部迅速加熱和冷卻的過(guò)程，這種在短時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷較大溫差變化的情況下，容易在焊件中產(chǎn)生應(yīng)力和變形，從而影響到焊接接頭的強(qiáng)度、塑性和韌性。為了消除這種應(yīng)力，避免焊接變形現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)該采取焊后熱處理工藝，減緩焊接后的冷卻速度，提高焊接質(zhì)量。

1鋼制壓力容器焊接工藝

1.1焊接方法。鋼制壓力容器的使用范圍比較廣泛，所以焊接方法也相對(duì)比較成熟，比較適應(yīng)的焊接方法有氣焊、焊條電弧焊、埋弧焊、等離子焊等。對(duì)于不銹鋼復(fù)合鋼板的焊接方法，焊條電弧焊、鎢極氬弧焊、埋弧焊是比較常用的方法。在實(shí)際焊接過(guò)程中，還應(yīng)該根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)形式、形狀以及焊接位置等條件來(lái)選擇適宜的焊接方法。比如有些換熱器中的管箱和浮頭蓋基本都是復(fù)合材料，且焊接空間有限，直焊縫不長(zhǎng)，就可以采取雙面焊的形式。使用焊條電弧焊的焊接方法，操作比較簡(jiǎn)單，受焊件形狀與焊接位置的影響較小，焊接成本低且焊接品質(zhì)高。所以焊接方法的確定比較靈活，要根據(jù)實(shí)際情況具體分析采用哪種焊接方法更適合，從經(jīng)濟(jì)性、可行性、簡(jiǎn)便性等方面綜合考慮，但是最基本的要素是保證焊接質(zhì)量。1.2焊接材料的選擇。因?yàn)殇撝茐毫θ萜鞯牟牧媳容^復(fù)雜，所以在選擇焊接材料時(shí)應(yīng)該根據(jù)母材的性能以及焊接方法而決定。不銹復(fù)合鋼板是由不銹鋼和碳鋼或者低合金鋼組成的，不銹鋼主要承擔(dān)抗腐蝕性能，碳鋼或者低合金鋼板主要承擔(dān)結(jié)構(gòu)所需要的強(qiáng)度和剛度，所以不銹復(fù)合鋼板在物理性能和化學(xué)成分方面存在很大的差異性。對(duì)于不銹復(fù)合鋼板而言，在選擇焊接材料時(shí)可以遵循基層等強(qiáng)度和復(fù)層保證耐蝕性的原則。在對(duì)耐熱型低合金鋼相同鋼號(hào)相焊時(shí)，在焊接完成后焊縫金屬中的Cr、Mo的含量應(yīng)該與母材規(guī)定相當(dāng)，或者是與設(shè)計(jì)文件中規(guī)定的技術(shù)要求相符合；在高合金鋼相同鋼號(hào)相焊時(shí)，通常情況下需要考慮焊接材料的耐腐蝕性；不同鋼號(hào)的鋼材相焊時(shí)，因?yàn)閮蓚?cè)母材的抗拉強(qiáng)度不同，所以對(duì)焊接完成后焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度值有一定的要求，要介于抗拉強(qiáng)度較低母材的下限值與抗拉強(qiáng)度較高母材的上限值之間，以確保焊接接頭的強(qiáng)度；如果使用能夠生成奧氏體焊縫金屬的焊接材料與非奧氏體母材進(jìn)行焊接時(shí)，因?yàn)槟覆呐c焊縫金屬之間的膨脹系數(shù)不同，所以應(yīng)該充分考慮到焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力作用；在奧氏體高合金鋼與碳素鋼、低合金鋼相焊時(shí)，應(yīng)該充分考慮焊縫金屬的抗裂性能和力學(xué)性能。以上是對(duì)鋼制壓力容器焊接時(shí)選擇焊接材料可能遇到的不同情況進(jìn)行的簡(jiǎn)要分析，在實(shí)際選擇時(shí)考慮的問(wèn)題會(huì)更加全面。1.3焊接坡口制備、形式與接頭組對(duì)。鋼制壓力容器在進(jìn)行焊接坡口制備時(shí)，對(duì)于碳素鋼和標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值低于540MPa的強(qiáng)度型低合金鋼，冷加工或者熱加工都比較適用；對(duì)于耐熱型低合金鋼、高合金鋼和標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值大于540MPa的強(qiáng)度型低合金鋼，冷加工方法比較適用。焊接前，將坡口表面的油污、銹跡和灰塵等清除干凈，可在不銹鋼坡口兩側(cè)采取一定的防護(hù)措施。坡口的形式一般有V形、X形、V和U聯(lián)合形，在具體選擇坡口形式時(shí)應(yīng)該充分考慮到焊接過(guò)渡層的特點(diǎn)。X形坡口比較常見(jiàn)，可以采用雙面焊的形式，焊接順序?yàn)橄群富鶎印⒃俸高^(guò)渡層，最后焊復(fù)層。在實(shí)際焊接過(guò)程中，為了提高復(fù)層焊縫的耐腐蝕性能，降低復(fù)層表面的鏟磨工作量，避免復(fù)層焊縫多次受熱，應(yīng)該盡量減少?gòu)?fù)層焊接的工作量。復(fù)層是焊件組對(duì)的參考基準(zhǔn)，所以應(yīng)該嚴(yán)格控制復(fù)層錯(cuò)邊量的誤差，避免因?yàn)殄e(cuò)邊量過(guò)大而降低復(fù)層的焊縫質(zhì)量。1.4焊接設(shè)備與環(huán)境。對(duì)于不銹鋼復(fù)合板焊接可以采用焊條電弧焊的方法，直流焊機(jī)在基層、過(guò)渡層和復(fù)層三種焊縫中都可適用，可選擇逆變焊接電源。焊接環(huán)境是焊接工藝中需要控制的內(nèi)容之一，因?yàn)楹附迎h(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速等會(huì)影響焊縫的焊接質(zhì)量。所以在焊接施工開(kāi)始前，應(yīng)該對(duì)環(huán)境中的溫濕度以及風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，一般在不銹鋼復(fù)合板表面0.5～1m的范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。一般情況下，溫度在0℃以上，且風(fēng)速低于2m/s的環(huán)境下，可以進(jìn)行焊接。如果在雨雪天氣，焊接溫度在0℃～-20℃之間時(shí)，應(yīng)該在焊點(diǎn)100mm范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，在溫度達(dá)到15℃以上時(shí)再進(jìn)行焊接。不同的焊接方法對(duì)風(fēng)速有不同的要求，如果風(fēng)速超過(guò)要求范圍時(shí)，應(yīng)該采取相應(yīng)的防風(fēng)措施。

2鋼制壓力容器焊后熱處理

2.1焊后熱處理的作用。因?yàn)楹附邮┕な菍?duì)焊件的局部區(qū)域進(jìn)行加熱與冷卻的過(guò)程，在較短的時(shí)間內(nèi)施焊區(qū)域會(huì)受到高溫?zé)嵩春途植考s束應(yīng)力的共同作用，所以焊接接頭的各個(gè)位置在經(jīng)受不均勻的熱冷變化后，在焊接接頭中會(huì)存在焊接殘余應(yīng)力，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)內(nèi)的金屬在化學(xué)成分和金相組織都會(huì)發(fā)生很大的改變。為了改善焊接接頭的組織、性能和穩(wěn)定性，就需要采用焊后熱處理的方式，可以消除焊接接頭內(nèi)的殘余應(yīng)力，提高焊縫的耐腐蝕性能、沖擊韌性、強(qiáng)度和抗蠕變性能。2.2焊后熱處理的保溫溫度和保溫時(shí)間。保溫溫度和保溫時(shí)間是焊后熱處理工藝的重要參數(shù)，直接影響到焊后熱處理的效果。保溫溫度的確定首先要高于行業(yè)規(guī)定的最低溫度值，然后要判斷鋼材的屈服強(qiáng)度，確保在適宜的溫度下能夠使焊接接頭金屬產(chǎn)生一定的塑性變形，從而消除接頭中的殘余應(yīng)力。保溫溫度的控制還要考慮到鋼材中的氫能夠處于活躍狀態(tài)，使氫從鋼材中溢出，降低氫含量，防止焊縫出現(xiàn)冷裂紋。為了使鋼材的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性都能夠得到恢復(fù)，一般會(huì)將溫度控制在450℃以上，此時(shí)晶粒會(huì)再結(jié)晶，鋼材性能得以恢復(fù)。由于焊件的厚度、結(jié)構(gòu)不同，所以焊后熱處理的保溫時(shí)間會(huì)有所不同，在焊件較厚，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況下，為了減少溫差應(yīng)力的發(fā)生，應(yīng)該適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，以確保焊件內(nèi)外的溫度能夠達(dá)到均勻的狀態(tài)。對(duì)于碳鋼、低合金鋼來(lái)講，當(dāng)焊件加熱到某一溫度值后，組織轉(zhuǎn)變會(huì)經(jīng)歷孕育、轉(zhuǎn)變和轉(zhuǎn)變結(jié)束三個(gè)時(shí)間段，為了獲得較為理想的組織和性能，在確定保溫溫度后就要確定最短保溫時(shí)間為實(shí)現(xiàn)組織轉(zhuǎn)變提供充足的時(shí)間。我國(guó)在對(duì)鋼制焊件焊后熱處理中，對(duì)于最低保溫溫度和最短保溫時(shí)間有明確的規(guī)定，但是對(duì)于最高保溫溫度以及最長(zhǎng)保溫時(shí)間卻沒(méi)有明確的規(guī)定，所以在焊后熱處理的實(shí)際操作中，工藝人員應(yīng)該充分發(fā)揮自己的專業(yè)性和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在綜合各項(xiàng)要素的基礎(chǔ)上合理確定熱處理規(guī)程。2.3焊后熱處理方法。2.3.1整體熱處理。整體熱處理常用于現(xiàn)場(chǎng)返修的直徑與容積都不大的壓力容器中，一般會(huì)采用燒嘴加熱或者電加熱的方式。如果采用燒嘴加熱，一般會(huì)在容器開(kāi)口的位置放置一個(gè)或者多個(gè)燃油、燃?xì)鉄欤詮?qiáng)制對(duì)流的方式均勻的加熱容器的殼體。為了能夠使殼體保持在一定的溫度范圍內(nèi)，一般會(huì)在容器外表面鋪設(shè)一層保溫層以減少溫度的流失。2.3.2局部熱處理。對(duì)于很多大型的鋼制壓力容器，在運(yùn)輸時(shí)會(huì)受到體積的制約而無(wú)法進(jìn)行整體運(yùn)輸，所以需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行筒體、管道的焊接安裝，對(duì)于這類焊縫以及需要對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行局部修理的焊縫，都可以采用局部熱處理的方式。因?yàn)榫植考訜釙?huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，所以應(yīng)該在筒體、接管的焊區(qū)采用焊后熱處理。局部熱處理一般會(huì)采用電加熱的方式，操作簡(jiǎn)單，容易控制，具體的操作規(guī)范可以參照國(guó)內(nèi)壓力容器制造標(biāo)準(zhǔn)。

3結(jié)束語(yǔ)

壓力容器作為焊接成型設(shè)備，焊接質(zhì)量對(duì)壓力容器使用的安全性至關(guān)重要。而不同的材料所采用的焊接方法和焊接工藝也不相同，針對(duì)鋼制壓力容器的焊接工藝，應(yīng)該根據(jù)鋼制壓力容器在材質(zhì)、性能等方面的特點(diǎn)，選擇適宜的焊接方法，然后制定相應(yīng)的焊接工藝。在制定焊接工藝時(shí)，對(duì)于焊接方法的確定，焊材的選用，焊接工藝參數(shù)的確定等都應(yīng)該嚴(yán)格按照國(guó)家和行業(yè)的工藝標(biāo)準(zhǔn)操作，并且做好各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制。焊后熱處理是焊接工藝中最為重要的步驟，是消除焊接應(yīng)力的重要手段，所以要選擇適宜的焊后熱處理方法，并且做好質(zhì)量控制工作。

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作者:于瑛琦 磊 賈思洋 單位:哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司