復雜焊接接頭在焊接工藝指導文件中的邏輯表達

馮愛秀 韓亞霖 張 麗 郭 晶

（大連日立機械設備有限公司)

復雜焊接接頭在焊接工藝指導文件中的邏輯表達

馮愛秀*韓亞霖 張 麗 郭 晶

（大連日立機械設備有限公司)

以一臺鈦-鋼復合鋼板壓力容器為例，提出了一種在焊接工藝指導文件中表達復雜焊接接頭的方法。

焊接接頭 子接頭 焊接 焊接工藝文件 壓力容器 復合鋼板

0 前言

按照現今通行慣例，指導鍋爐、壓力容器和核設備制造的焊接工藝文件一般由以下三部分組成：

（1）接頭識別圖 （weld map）；

（2）接頭識別卡 （joint identification card）;

（3）一組經過評定的焊接工藝規程 （WPS）和（或）釬焊工藝規程 （BPS）[1-3]。

除了上述的第 （3）項是適用于眾多適宜產品，因而是可以長期使用的通用文件外，第 （1）項和第 （2）項都是針對具體產品項目編制的專用文件。在接頭識別圖中，所有承壓或需要在受控條件下完成的焊接接頭和 （或）釬焊接頭都應該一一標示出來，并由一個編號代表；在接頭識別卡中，按接頭編號列出了焊接和 （或）釬焊所有承壓和受控接頭使用的焊接和 （或）釬焊工藝規程編號、需要補充或選擇確定的其他操作指導信息。根據接頭識別圖和接頭識別卡中的引導信息可以從一組經過評定的焊接工藝規程和 （或）釬焊工藝規程中找到完成每條或每類接頭使用的WPS和 （或）BPS，并按其中規定的變數 （variables）完成指定接頭的焊接和（或） 釬焊。

接頭編號是在設計階段由設計工程師確定的。其目的是界定控制范圍、統一對象標識和實現在各類相關文件中的對象識別，不僅適用于設備制造安裝階段，而且在設備最終廢棄前的定期檢驗、剩余壽命估算中都要用到它。

對大多數壓力容器，除了個別例外，一般一個接頭就是一條接縫 （焊縫或釬接縫），例如非復合材料壓力容器本體上的縱向和環向接頭。在這些情況下，一個接頭就是一條焊縫，因而接頭編號就是接縫編號。但也有一些產品，其上一個接頭由多條接縫構成，例如由鈦復合鋼板制造的壓力容器就是這樣。對這類結構復雜的接頭，按接頭編號和按接縫編號，結果就不一致。對制造過程中的多數活動和操作，按接頭識別可能就足夠了，但對焊接操作卻不行，因為這些接頭是按焊縫逐一完成的，因而其指導工藝文件自然也需要按接縫編制。為編制這類具有復雜結構焊接 （釬焊）接頭產品焊接 （釬焊）工藝指導文件的特殊需要，本文通過對一臺鈦復合鋼板壓力容器上連接接頭的結構分析，提出了一種解決方法。

1 樣本產品簡介

圖1是某PTA項目中的第一CTA結晶器，高13 699 mm,內徑4500 mm。用戶設計要求規定按ASME規范第Ⅷ卷第1分卷建造[4]。

容器主體厚度為38+2 mm，材料為SA-516,Gr. 70+SB265,Gr.1碳鋼-鈦復合鋼板。筒體分3段制造，每段上有3條焊接接頭，共9條縱向焊接接頭，即L-1至L-9。兩個封頭由材料厚度為42+3 mm、相同等級的碳鋼和鈦復合鋼板制造，以保證成型后封頭最薄處厚度不小于38+2 mm。每個封頭由8塊瓣片和一塊頂冠拼焊而成。這樣每個封頭上就有9條焊接接頭，左右兩個封頭共18條焊接接頭，即HL-1至HL-18。其中HL-1和HL-10為連接頂冠與8塊瓣片的接頭。上下封頭和3段筒節由4條環形焊接接頭連接，即由接頭C-1至C-4連接成一個整體，見圖1。

容器上有不同公稱直徑的接管16個，接管編號為N1至N16，見表1。

圖1 樣本容器的結構

2 接頭結構分析

2.1 容器本體上的對接接頭及其構成

圖2左面部分示出了兩條呈 “丁”字形交匯的焊接接頭，它反映的是容器筒體上縱向接頭L-1至L-9與連接各筒節和上下封頭的環向接頭C-0至C-4間的關系，同時也是上下封頭上各瓣片間接頭HL-C2至HL-9和HL-11至HL-18與頂冠間接頭HL-1和HL-10的關系。

表1 樣本容器上的接管 （按公稱直徑大小排列）

容器本體上的這些對接接頭都具有復雜的結構，至少是由四個子接頭 （sub-joints）A、B、C和D構成的，見圖2中間和右面部分。

在圖2中，子接頭A是鈦-鋼復合鋼板基層碳鋼板之間的連接接頭，是承壓接頭，受ASME規范控制。用于該子接頭的焊接工藝規程 （WPS）必須按ASME規范第Ⅸ卷要求進行評定[5]。子接頭B是把嵌入板條與鈦復層材料連接起來的焊縫，兩側各一條，共兩條。該焊縫一定不能焊透，一點也不能把基層碳鋼板熔化，否則會形成脆性金屬間化合物。該焊縫斷續焊就行。嵌入板條是為填補因焊接基層碳鋼焊縫，即子接頭A時，為防止把鈦復層材料熔入碳鋼焊縫，預先把坡口兩側鈦復層材料剝離了一定寬度形成的空缺而植入的。在本例中，嵌入板條也是鈦材，用GTAW方法與復合板復層材料焊接在一起。但是也可以用銅做嵌入板條，這時就不能用電弧焊，而需要用釬焊 （brazing）方法連接了。子接頭C是兩條角焊縫，通過它們把鈦蓋板焊接到復合鋼板鈦復層材料上，以實現鈦復合層的完整和密封。這兩條角焊縫必須達到氣密要求，不能有絲毫泄漏，所以雖然焊腳尺寸不大，也要求至少焊兩道 （見圖2中子接頭C的 “C局部”）。兩條呈丁字形交匯的焊接接頭在交匯處，蓋板是要連接起來的，這就是圖2左面部分b-b那條焊縫。另外環向接頭上，鈦蓋板對頭處也需要焊接起來，這就是圖2的左面部分a-a表示的那條短焊縫。這樣的對頭焊縫在一條環焊縫上可能還不止一處。但不管多少，都屬同類焊縫，標識出一處就夠了。無論a-a還是b-b都是在焊接環向接頭時完成的，所以后面我們把它們看作是環向接頭的構成部分。該類接頭為對接接頭，見圖2子接頭D及 “D局部”。同樣為了保證達到密封無泄漏的質量標準，雖然焊縫厚度不大，也要求至少焊兩道。

圖2 容器本體上對接接頭的基本形式和構成

2.2 容器上與接管有關的連接接頭及其構成

樣本容器上的16個接管都為自補強型鍛件，其典型結構如圖3所示。可以看出一個接管上最多可能包含焊縫A、B、C、D、E、F和G共 7條（類）焊縫。照前面的辦法，把它們也稱之為子接頭。這樣把一個接管焊接到容器本體 （筒體或封頭）上，就需要完成最多7個子接頭，即完成7條焊縫的焊接。

其中子接頭 A是鈦襯筒上 （sleeve）的縱焊縫，襯筒由鈦板卷制焊接而成，適用于公稱直徑150 mm和150 mm以上的接管。公稱直徑再小的接管，襯筒則由鈦管制作，就沒有子接頭A了。子接頭B是連接鈦襯筒和鈦喇叭口成型件的焊縫。子接頭A和B都在襯入鋼接管內之前焊成一體。坡口朝向容器內面。至少要焊2層。背面焊縫余高去除，使與外表面齊平，以便實現與鋼接管內表面的無間隙配合。子接頭C是接管鋼鍛件與容器本體鋼基層材料間連接的焊接接頭,為承壓接頭。子接頭 D是在襯筒裝進鋼接管里面后與法蘭襯面（鈦）焊接形成的接頭，因為背面是鋼，需要加鈦嵌環隔離。子接頭E是角焊縫，同樣要求至少焊2道，以保證氣密。子接頭F是把固定鈦法蘭襯面的沉頭螺釘 （鈦）固定，使其密封無泄漏的塞焊焊縫。子接頭G是一條沿鈦法蘭襯面圓周的釬焊接頭，目的也是實現無泄漏的密封。

3 焊接和釬焊工藝問題及焊接工藝指導文件編制

3.1 焊接和釬焊工藝方面的一些問題

3.1.1 各類接頭的性質

根據ASME規范第Ⅷ卷第1分卷，鈦-鋼復合鋼板壓力容器屬于 “襯里”型壓力容器 （appliedlined type）。這類容器的鈦襯里只起抗腐蝕作用，在計算容器壁厚時不能考慮襯里厚度，所以只有連接基層材料的焊縫才是承壓焊縫，即圖2中的子接頭A和圖3中的子接頭C。焊接這類接頭的焊接工藝規程 （WPS）必須嚴格按ASME規范第Ⅸ卷的要求進行評定。其余子接頭都不屬于承壓接頭。但接觸設備工作介質的鈦與鈦之間的焊接接頭，屬于重要接頭，需滿足用戶 “建造規格書”的要求。其焊接工藝規程 （WPS）可參照ASME規范進行評定。圖3中的子接頭G只起密封作用，其釬焊工藝規程 （BPS） 可參照 ASME規范Ⅸ卷 QB-182（workmanship）進行評定。

圖3 接管的典型結構

3.1.2 使用的焊接及釬焊方法

（1）基層材料的焊接

基層材料的焊接，即碳鋼與碳鋼之間的焊接。封頭上各瓣片之間的焊接 （即接頭HA-2至HA-9和HA-11至HA-18中的子接頭A，如圖1和圖2所示）可考慮使用熔化極氣體保護焊 （GMAW或FCAW），在立焊位置上行方向完成。各瓣片與冠頂間的那條焊縫 （即接頭HA-1和HA-10中的子接頭A，見圖1和圖2）可用相同焊接方法，于平焊位置完成。

各筒節間的縱焊縫 （L-1至L-9中的子接頭A）和環向接頭C-1、C-2和C-4中的子接頭A可用埋弧自動焊 （SAW）焊接。最后合攏的那道環焊縫，即接頭C-3中的子接頭A（如圖1和圖2所示），里側坡口可用熔化極氣體保護焊 （GMAW或FCAW），外側用埋弧自動焊 （SAW）完成。

接管與容器本體間連接的子接頭C(見圖3)，可按公稱直徑大小分別用熔化極氣體保護焊（GMAW或FCAW）或手工電弧焊 （SMAW）焊接。不管用何種方法，用戶建造規格書都希望能用鎢極氬弧焊 （GTAW）打底。

（2）鈦與鈦之間焊接

鈦與鈦的焊接只能使用鎢極氬弧焊（GNAW）。

（3）鈦與鋼之間釬焊

圖3中，各接管上的子接頭G為釬焊接頭，使用火焰釬焊 （torch brazing，即TB）法完成。

這樣完成該容器焊接和釬焊最多需要5份焊接工藝規程 （WPS）和1份釬焊工藝規程 （BPS），見表2。

表2 需要的焊接工藝規程（WPS）和釬焊工藝規程（BPS）

3.2 產品焊接 （釬焊）工藝文件的編制

本節討論產品焊接 （釬焊）工藝文件的內容，包括接頭識別圖、接頭識別表 (見表3)以及焊接和釬焊工藝規程等。

3.2.1 接頭識別圖

由前面的分析可以看出，在鈦復合鋼板制造的壓力容器上，絕大部分接頭都是由很多個子接頭構成的復雜接頭，要想和通常情況一樣，把這些接頭

在一份像圖1那樣的接頭識別圖 （weld map）上一一表示出來是相當困難的，甚至是不可能的。為此作者提出在通常的接頭識別圖基礎上，再補充像圖2和圖3那樣的兩份子接頭劃分圖，情況就清晰了。圖2和圖3具有圖例 （legend）的性質，可以通用。只要是鈦復合鋼板產品，都可以用。例如PTA項目中，還有其他由鈦復合鋼板制造的壓力容器，如第1和第2脫水塔 （dehydration tower）。在編制這些容器的焊接工藝文件時，這兩份圖照樣還能用，就是以后遇到同類產品也能用。這是一勞永逸的事。

表3 樣本容器的接頭識別表

有了像圖2和圖3那樣的具有圖例性質的結構劃分圖后，在像圖1那樣的接頭識別圖上標識接頭編號就可以大大簡化，就像非復合材料壓力容器一樣，而直接使用設計圖樣上的接管編號就行。

在為鈦復合鋼板壓力容器編制的焊接 （釬焊）工藝指導文件中，接頭識別圖應該包括像本文圖1、圖2和圖3那樣三部分。

3.2.2 接頭識別表

表3是為樣本容器編制的接頭識別表。從表3中可以找到焊接 （或釬焊）每個接頭或子接頭使用的焊接或釬焊工藝規程，以及焊接或釬焊工藝規程中需要具體化的信息，或供選擇的其他指導性信息（表3中 “其他” 欄）。

在表3中，序號1和序號2是對兩個封頭上拼接焊縫的規定。它們的差別在焊接位置上。

序號3至序號5是對容器筒體上縱環焊縫的規定。它們與封頭上拼接焊縫的差別是，焊接都是在平捍位置完成的。基層碳鋼焊縫 （子接頭A）的焊接方法，除C-3內側采用GMAW （或FCAW）外，其余都用埋弧自動焊。另外，雙面全采用埋弧焊和僅內側才用埋弧焊 （C-3），坡口間隙和鈍邊大小也不同。

序號6至序號7是關于與接管有關的各個連接接頭的施焊規定。序號4中的接管大，最小公稱直徑為150 mm，序號5中的接管公稱直徑都較小。它們之間的差別在于填充坡口的焊接方法分別為GMAW（或FCAW）和SMAW上。其余都相同。

接管上的子接頭A、B和C是在鈦襯里還沒有裝入鋼接管內之前焊接的，都可以在平焊位置完成。其余子接頭的焊接或釬焊，都是在通過子接頭C把接管焊接到容器本體上以后進行的，焊接或釬焊位置各處不一樣，其中最困難的是仰焊（U）和釬料向上流動方向（C）（參見文獻[4]的QB-461.1）。

3.2.3 焊接和釬焊工藝規程

焊接樣本容器需要的焊接和釬焊工藝規程（WPS和BPS）就是表2中所列的那6項。它們都需要附在接頭識別圖和接頭識別表后面，以供焊工和釬焊工實際操作時使用。

至此，加上封面 （供樣本容器制造使用），一份完整的焊接工藝指導文件就完成了。遵照接頭識別表 （表3）中指定的焊接工藝規程 （WPS）和釬焊工藝規程 （BPS）中規定的參數和表中的補充信息，每個接頭及子接頭的焊接或釬焊操作就完全有效地被置于控制之下了。這正是ASME規范所要求達到的目的。

4 結束語

（1）鍋爐、壓力容器和核設備上的受控焊接（釬接）接頭必須編號，以便識別，這是絕對要求。但只要表達清楚，對編號方法和表達方式并沒有統一規定。

（2）面對表達復雜接頭的困難，本文提出了一種解決辦法。它的特點體現在繪制接頭識別圖上。

（3）按本文提出的方法繪制接頭識別圖的要點是，總體簡化（如圖1），局部細化（如圖2、 圖 3），以局部補充整體，從而實現邏輯跟蹤識別的目的。

[1]2W-001,Rev.1,Spec ification for General Welding Requirements,Fluor Daniel International Inc[S].

[2]郭晶，李艷，史雪芬.焊接工藝規程編制、評定和應用中的若干問題 [J].石油化工設備，2010，39（4）：46-52.

[3]郭晶，古敏.焊接工藝規程的編制、評定和應用 [J].石油化工設備，2010，39（5）：83-89.

[4]ASME Code,Section VIII,Division 1， Rulesfor Construction of Pressure Vessels[S].2010 Edition with 2011 Addenda,ASME,New York.

[5]ASME Code,Section IX， Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures,Welders,Brazers,and Welding and Brazing Operators[S].2010 Edition with 2011 Addenda,ASME,New York.

Logical Expression of Complex Welded Joints in Welding Process Guidance Document

Feng Aixiu Han Yalin Zhang Li Guo Jing

Taking a pressure vessel made of Ti-steel clad plate as an example,put forward the method to express the complex welded joints in welding process guidance document.

Weld joint;Sub-joint;Welding;Welding procedural document;Pressure vessel;Clad steel plate

TG 441

2013-02-27）

*馮愛秀，女，1981年生，工程師。大連市，116032。