厚壁压力容器焊接质量的控制

　　摘要：通过对16MnR低合金钢的特性及焊接特点进行分析。确定合适的焊接方法和工艺措施，选择合理的焊接材料，制定焊接工艺评定。焊接质量达到了设备的设计要求。
　　
　　关键词：16MnR低合金钢，厚壁，焊接，压力容器
　　前言
　　随着社会的发展，工业生产建设中对厚壁压力容器的需求越来越多，由于压力容器质量要求高，而焊接是压力容器制造中的关键工序，焊缝质量直接影响到压力容器的运行和安全。一些大型企业通常会采用高科技焊接设备来完成此类设备的焊接工作，但我公司目前现有的设备为普通埋弧自动焊机，因此我们在制作厚壁压力容器时，须从焊接工艺上着手，严格执行焊接工艺规范，以保证设备质量满足设计要求。
　　1、设备概况
　　保温罐是氧化铝厂溶出系统的主要生产设备，该设备设计压力为8.7MPa，设计温度为295℃，介质为腐蚀较强的铝土矿碱性矿浆。封头、筒体采用16MnR正火状态钢板，厚度为90mm，内直径为2200mm。人孔、法兰、接管均采用JB4726-2000标准的16MnⅢ级锻件（正火）。设备总高度为19532mm，总重量为95.5吨。设计要求该设备制造完毕后A、B焊缝须经100%射线探伤，检查结果符合JB4730-2005Ⅱ级合格，合格后再以每条焊缝长度的20%进行超声波检测复验，按JB4730-2005标准Ⅰ级合格。C、D类焊缝需进行磁粉检测，按JB4730-2005标准Ⅰ级合格。焊后设备须进行整体热处理，以消除焊接应力。其技术特性详见表一。
　　表一技术特性表

　　保温罐主要由两个椭圆封头、简体、人孔以及各种工艺接管组成。该设备属Ⅱ类压力容器，按GB150-1998《钢制压力容器》进行制造、试验和验收，并符合《压力容器安全技术监察规程》的规定。由于设备工作压力大，制造要求高，因此焊接工作成为该设备制造的关键技术之一。
　　2、 焊接性分析
　　16MnR钢是低合金高强钢，其化学成份及机械性能见表二、表三。
　　表二：16MnR钢化学成分（%）
　　
　　表三：16MnR钢力学性能

　　根据国际焊接学会提供的碳当量计算公式可计算出16MnR钢的碳当量为：Ceq=c=++(%)
　　=0.20+1.6/6%=0.47%
　　根据经验，当Ceq=0.4～0.60%时，钢材的淬硬倾向逐渐明显，随着板厚的增加，其冷裂倾向也随之增大，同时，厚壁压力容器焊接时，焊缝金属热裂纹易于在高稀释率焊道中出现，焊接性较差。需采取适当措施，选择适当的坡口形式和焊接参数，制定合适的焊接工艺，才能进行焊接。
　　3、保证焊接质量的措施
　　3.1焊接方法
　　根据16MnR钢的特点和板厚，A、B类焊缝采用手工焊打底，埋弧自动焊填充及盖面，多层多道焊接；背面清根，将手工焊部份清除，然后用埋弧自动焊填充盖面。C、D类焊缝采用手工电弧焊，多层多道焊接。本文不多加阐述。
　　3.2焊接材料
　　为了保证焊缝性能同母材匹配，焊缝成分应力求与母材相近。但为了防止焊缝有较大的热裂倾向，焊缝含碳量往往比母材要低一些。焊缝金属的强度不宜过高，否则将导致焊缝的塑性，韧性以至抗裂性能下降。
　　参考JB/T4709-2000《钢制压力容器焊接规程》的推荐，焊丝选用H10Mn2,焊剂选用HJ431，焊条选用J507.
　　3.3坡口的选择
　　
　　筒体对接环缝及筒体与封头对接环缝采用上图所示坡口型式；筒体对接纵缝原采用上对称的X型或U型坡口型式，但在进行焊接试验时，内纵缝焊完后，以外纵缝的首道或第二道焊缝后，马上在焊缝中心与焊缝平行部位出现裂纹。经分析为凝固裂纹。凝固裂纹是一种热裂纹，出现在焊缝金属凝固前后。这是由于埋弧自动焊熔深大，熔池金属中母材的有害元素渗入过多，较易偏析出低熔点的共晶体，这些低熔点的共晶往往最后凝固，凝固后强度也较低，而且厚壁的X型坡口拘束应力较大，当首道外纵缝焊接时，巨大的刚性拘束作用将焊缝拉开，因此外纵缝根部易于出现凝固裂纹。对此，我们修改了坡口型式，坡口型式选用上图的不对称坡坡口形式，重新进行评定，将正面焊接时根部的缺陷在反面焊接前清除掉，减少了凝固裂纹的倾向，同时减少了焊接时的根部缺陷。获得良好的焊接接头质量。
　　3.4焊接工艺参数的确定
　　焊接工艺参数确定，是根据16MnR的焊接特性及其厚度比较厚的特点，经过多次焊接工艺评定后，确定了如下的焊接工艺参数，作为产品施焊的指导。
　　焊接参数表

　　对接纵、环缝的焊接
　　所有筒体的对接纵、环缝以及与封头对接的环缝，均采用手工电弧焊打底，埋弧自动焊填充焊接、盖面，筒体纵缝带产品试板一块。
　　3.1.3焊接工艺参数的选择
　　（1）环缝的焊接
　　先施焊内环缝，采用手工电弧焊，φ4mm，E5016焊条打底，电流160~180A，电弧电压22~24V，然后采用自动埋焊进行填充盖面，首道焊接采用450~500A电流，28~30V电压，焊接速度400~450mm/min。以后参照上表参数进行多层多道焊接。然后进行外环缝焊接，先用碳弧气刨清根，将内面手工焊部份清除干净，采用埋弧自动焊填充盖面，H10Mn2+HJ431，焊丝直径φ4mm，首道焊缝焊接电流550A，电弧电压30～32V，焊接速度450mm/min，其余焊道焊接电流650A，电弧电压32~34V，焊接速度450mm/min，盖面焊接电流650A，电弧电压34~35V，焊速450mm/min。
　　3.1.4焊缝质量及焊接试板接头的力学性能
　　按上述焊接工艺规范参数施焊的焊缝，按JB4744-2000《钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验》标准评定，均达到合格。产品试板焊接接头力学性能试验的结果见表6。
　　表六产品试板焊接接头力学性能

　　3.3焊前准备
　　为确保焊接质量，焊前还需作好下列准备工作：
　　（1）在施焊前，焊丝、焊剂必须进行烘焙，烘焙温度为350～450℃，保温时间为2h。烘焙后放在100～150℃的恒温箱内，随用随取：HJ431进行200～250℃烘焙，保温时间2小时，随用随取。避免因焊材的受潮在焊接过程中产生气体，从而使焊缝产生气孔。
　　（2）用风动手砂轮机清除坡口及周围25mm以内的油、锈、氧化皮等。避免焊接时产生气孔、夹渣等缺陷。
　　（3）手工电弧焊选用AX-320直流焊机，埋弧自动焊先用MZ-100型直流埋弧焊机，均采用反极性。
　　3.4施焊过程中的关键环节
　　3.4.1预热温度的选择
　　预热是防止裂纹的有效措施,也有助于改善接头性能，根据设备的材质及钢板厚度，参照JB/T4709-2000，选择预热温度为≥150℃。且保证整个焊件在焊接过程中的层间温度不低于预热温度。如有低于预热温度时，必须采用辅助加热措施。
　　3.4.2焊接参数的控制
　　焊接时,应严格参照工艺评定确定的参数，选择正确的焊接电流、焊接速度和装配间隙。避免因焊接电流过小或焊接速度太快，基本金属未得到充分熔化而产生未熔合、未焊透现象。
　　3.4.3焊后保温及后热
　　由于本设备的材质为16MnR，属冷裂纹敏感性较大的低合金钢，且钢板厚度达90mm，卷制后的拘束度较大。因此，设备的纵环缝焊接完成后应进行后热处理。后热温度在200~350℃，保温时间在0.5小时后,保温缓冷，以防止冷裂纹的产生。
　　4热处理
　　设备焊接完毕后，为清除焊接应力，采用整体炉内退火处理，产品试板随设备同炉进行热处理，并进行产品试板的力学性能检验。
　　5结束语
　　因该设备在制造过程中，选择了正确的工艺，并注意关键环节的控制，因此，设备经省技术监督局的监检，一次合格率达100%，设备达到了标准和图纸设计要求。这也证明了制造中拟定的焊接工艺科学、合理性。
　　
　　参考文献
　　1《钢制压力容器》GB150-1998
　　2《钢制压力容器焊接工艺评定》JB4708-2000
　　3《钢制压力容器焊接规程》JB4709-2000
　　4《钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验》JB4744-2000
　　5《焊接手册》机械工业出版社