人孔凸緣與厚壁壓力容器封頭的焊接技術(shù)

鄭道杰，董建峰，隋如冰，李國宋

（河南油田油建工程建設(shè)有限責(zé)任公司，河南 南陽 473132）

1 簡介

2010年3月，我公司為冀東油田制造了一臺規(guī)格為φ1 200 mm×5 300 mm×34 mm 三相分離器（臥式），設(shè)備殼體材料為Q245R，壁厚34 mm，設(shè)計壓力：6.3 MPa，設(shè)計溫度：80 ℃，工作介質(zhì)：油氣水混合物（介質(zhì)中H2S含量1.4 g/m3）。容器的A、B類焊縫要求100 %無損檢測，合格級別Ⅱ級，執(zhí)行JB/T4730－2005標準，并要求進行600 ℃±20 ℃整體熱處理，熱處理后的硬度合格要求HB≤185。本設(shè)備的焊接難點在于人孔凸緣與封頭的焊接，人孔位置在左封頭中軸線上，人孔接管的補強形式為整體鍛件補強（嵌入式接管），人孔凸緣與封頭的裝配，見圖1。

圖1 人孔凸緣與封頭的裝配

就設(shè)計角度來說，人孔凸緣補強效果最好，但是此種補強形式，GB150規(guī)定屬A類焊縫，且對接環(huán)焊縫直徑變大，使接管內(nèi)外變形自由度增大。如果使用常規(guī)焊接方法，封頭易發(fā)生內(nèi)塌陷變形。另外，采用人孔凸緣厚度變化大，焊接應(yīng)力大，易產(chǎn)生焊接裂紋。針對這一技術(shù)難題，結(jié)合我單位實際生產(chǎn)能力和已有的生產(chǎn)經(jīng)驗，采取一系列合理防變形措施和正確的焊接方法，不僅一次探傷合格率為100 %，同時也滿足了下部工序的裝配要求。

2 組裝工序的確定

人孔凸緣和設(shè)備封頭組對、焊接工序有以下兩種流程可以選擇：①考慮到設(shè)備內(nèi)徑為φ1 200 mm，人孔凸緣內(nèi)徑為φ376 mm，人孔凸緣與封頭的對接直徑為φ746 mm，法蘭與人孔凸緣組焊后高度約400 mm。在進行殼體的封口組焊時，為方便施工人員進出和防止因焊接導(dǎo)致封頭變形，把人孔凸緣與封頭的組焊作為殼體附件安裝最后一道工序，只進行開孔。但在進行此環(huán)焊縫焊接時，處于立焊位置，為防止焊接變形，要求施焊人員操作時對稱分段退步焊接，對焊工的技能要求十分苛刻，另外由于空間有限，內(nèi)側(cè)焊縫的處理難度大，同時后期的焊縫返修難度也大大增加；②人孔凸緣與封頭焊接后，再進行封頭與筒體裝配。人孔凸緣與封頭在平臺上單獨組焊，此種工藝在平焊位置，施焊位置最好，操作空間大，最易進行焊縫處理，因此更易保證焊接質(zhì)量。

通過對以上兩種工藝進行比較，并結(jié)合我公司現(xiàn)有的設(shè)備和生產(chǎn)能力，第二種工藝較優(yōu)化的施工工藝，但為了確保人孔凸緣與封頭的焊接質(zhì)量和下一道工序的順利進行，我們采取可靠的防變形措施和適當(dāng)?shù)暮附蛹夹g(shù)。

3 焊接技術(shù)要點

3.1 坡口形式及控制要點

從最大限度減少焊接變形和施工方便考慮，確定坡口形式為對稱X形坡口，見圖2。封頭號孔后，用數(shù)控切割機開孔，火焰切割或碳弧氣刨加工坡口，坡口表面用砂輪機去除氧化鐵，并進行滲透無損檢測，以防止坡口表面存在裂紋、分層、夾渣等缺陷。

圖2 對稱X形坡口

圖3 剛性固定法簡圖

3.2 焊條的控制

由于大厚度焊縫要求嚴格控制含氫量，因此焊條使用含氫量低的堿性焊條，使用前應(yīng)嚴格按廠家說明進行烘干和保溫，施工人員用保溫筒領(lǐng)取焊條，每次領(lǐng)取不得超過5 kg，隨取隨用，剩余焊條進行回收，不得用于此焊縫的焊接。

3.3 焊前預(yù)熱

焊前預(yù)熱的目的是減緩焊接接頭的冷卻速度，適當(dāng)延長從800 ℃到500 ℃的冷卻時間（預(yù)熱溫度越高，冷卻時間越長），從而減少了產(chǎn)生淬硬組織，減少了焊接應(yīng)力，有利于氫的逸出，有助于防止冷裂紋的出現(xiàn)，但預(yù)熱溫度不要過高，否則，會使焊縫產(chǎn)生附加熱應(yīng)力，反而惡化接頭的抗裂性能。

現(xiàn)場焊接局部預(yù)熱更便于操作，對這種大拘束度人孔凸緣的局部預(yù)熱時，預(yù)熱溫度在150 ℃～200 ℃范圍內(nèi)為宜。尤其是當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃時應(yīng)嚴格控制預(yù)熱溫度，預(yù)熱方式可采用乙炔火焰，由兩人對稱同時同向加熱，加熱區(qū)域為坡口兩側(cè)各100 mm范圍內(nèi)，用紅外線測溫儀測量達到要求的溫度后進行焊接。測溫點要均勻，確保坡口要求的范圍能夠達到要求的預(yù)熱溫度。

3.4 剛性固定法（見圖3）防變形措施

首先組焊法蘭和人孔凸緣，檢驗合格后，再進行人孔凸緣與封頭的組焊。組焊前，用同材質(zhì)Q245R，厚度為12 mm的鋼板，數(shù)控下料出內(nèi)徑φ600 mm，外徑φ1 200 mm的環(huán)板，點焊在封頭的內(nèi)壁上，電焊點至少為四點，并均勻分布，每個點固點約40 mm～50 mm，并且焊接在外側(cè)，以方便施工后去除（注意：去除后封頭的點固點用砂輪機打磨，并滲透檢測，表面不應(yīng)存在裂紋、分層等缺陷，否則必須補焊）。

3.5 焊接的關(guān)鍵點

在進行人孔凸緣與厚壁壓力容器封頭焊接接頭的焊接時，先進行內(nèi)坡口的焊接，然后焊外坡口，這樣內(nèi)坡口填充焊縫金屬對焊縫有一定的拘束作用，進一步減小了焊接變形和焊接應(yīng)力。

在進行內(nèi)坡口的焊接時宜從坡口兩側(cè)開始施焊，使填充金屬充分熔化，再填充焊縫中間部位，從而避免了熱影響區(qū)（焊縫與母材過渡處）裂紋，從而改善了坡口與焊縫過渡處的受力條件，提高其抗裂性能，達到防止過渡處裂紋產(chǎn)生的目的。打底焊用小電流，快速焊，每層焊的焊接連續(xù)完成，打底焊完成后，開始熱焊和填充焊的焊接，每層所焊的厚度4 mm～5 mm，這樣氫能夠充分逸出，避免了冷裂紋的產(chǎn)生。

內(nèi)坡口焊接完畢后，在進行外坡口的焊接前，焊道的清根宜采用砂輪機打磨，去除焊渣、未焊透、氣孔等缺陷，減少焊縫加熱次數(shù)，進一步降低了焊接變形。填充焊時同樣要注意用小電流，快速焊，薄焊層的焊接方法。

內(nèi)外坡口，施焊時，由兩焊工同時、同步、同向?qū)ΨQ施焊。

3.6 焊后熱處理

對于大壁厚壓力容器的焊接來說，由于氫在鋼材中的溶解度隨著鋼材溫度的下降而迅速降低，如果后很快冷卻至100 ℃以下，氫來不及從焊縫中逸出，這樣就在經(jīng)過一段時間（幾小時，幾天甚至更長的時間）后，由于氫擴散在熱影響區(qū)（或焊接金屬）中的聚集，產(chǎn)生極大的壓力，導(dǎo)致產(chǎn)生危害較大的延遲裂紋，消氫處理就是為了避免產(chǎn)生延遲裂紋而進行的。

內(nèi)外坡口焊接完畢，焊后立即進行熱處理，焊后熱處理溫度宜為250 ℃～350 ℃，保溫時間為1 h～2 h。焊后熱處理的方法，采用局部后熱，范圍在坡口兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)，保持一個均熱帶，并用電加熱片固定在內(nèi)外焊縫處，并放置熱電偶來控制檢測溫度，最后用100 mm厚的巖棉包裹，使焊縫緩慢冷卻，從而使氫充分逸出。

4 消除應(yīng)力熱處理

人孔凸緣與封頭焊接后，很大的殘余應(yīng)力。雖然無損檢測合格后，但由于殘余應(yīng)力的存在，會對有腐蝕介質(zhì)容器引起接管焊縫應(yīng)力腐蝕裂紋和疲勞裂紋。因此，人孔凸緣和設(shè)備整體進行消除應(yīng)力熱處理，熱處理溫度嚴格按照圖紙設(shè)計的要求進行，保溫時間不應(yīng)小于1 h。

5 效果

通過工藝的優(yōu)化、焊前充分準備，焊接過程的嚴格控制和焊后消氫熱處理，人孔凸緣與封頭焊縫一次射線探傷評片結(jié)果如下：

（1）從以上評片的結(jié)果可以看出，不僅100 %一次合格，而且焊縫質(zhì)量等級高于設(shè)計要求。

（2）很好的控制了焊接變形，避免了封頭塌陷，完全滿足下步工序的施工。

（3）此種施工工藝，對焊工技術(shù)要求相對降低，焊接質(zhì)量更易保證；同時焊接環(huán)境好和勞動強度低，也是該工藝的優(yōu)點。

（4）該工藝也為類似嵌入式接管與厚壁壓力容器的焊接，提供了很好的經(jīng)驗。