壓力容器封頭焊接工藝試驗(yàn)與實(shí)踐

陳建軍

海洋石油工程股份有限公司特種設(shè)備分公司 廣東惠州 516082

壓力容器在石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，隨著技術(shù)的進(jìn)步，各類壓力容器的規(guī)格尺寸越來越大，對(duì)壓力容器的力學(xué)性能要求也越來越高，必須不斷提升壓力容器加工制造質(zhì)量才能滿足實(shí)際使用需求。

1 焊接工藝試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)用材料

選用13MnNiMoR鋼板作為試驗(yàn)用材料，13MnNiMoR具有較好的力學(xué)性能、強(qiáng)度及韌性，同時(shí)焊接性能優(yōu)良。試驗(yàn)用材料尺寸（長度×寬度×厚度）為2800mm×400mm×98mm[1]。采用埋弧焊工藝進(jìn)行焊接試驗(yàn)，分別選用H10Mn2NiMoA（H10）和H09MnNiMoG（H09）這2種焊接材料進(jìn)行對(duì)比分析，總計(jì)開展了4組焊接試驗(yàn)，其中2組采用H10進(jìn)行焊接，試樣編號(hào)分別為H10-1、H10-2；2組采用H09進(jìn)行焊接，試樣編號(hào)分別為H09-1、H09-2。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了最大程度降低焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力、約束度以及填充量，采用窄間隙坡口對(duì)板材進(jìn)行焊接，焊接板材對(duì)接示意圖見圖1。

圖1 焊接板材對(duì)接示圖

在整個(gè)焊接過程中對(duì)焊縫成型情況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)調(diào)整，確保所有焊縫能夠一次性焊接完成且合格，不得對(duì)焊縫進(jìn)行返修。焊接具體工藝參數(shù)：焊接電流480-530A、電弧電壓28-32V、焊絲直徑4mm、線能量不超過30kJ/cm、焊接速度36-42cm/min。相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，13MnNiMoR在焊接過程中容易產(chǎn)生熱裂紋。為避免焊接過程中溫度升高過快引發(fā)材料熱裂紋問題，正式焊接前需對(duì)板材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在180-220℃。焊接完成后還需將板材在250-400℃保溫超過2h，以達(dá)到消氫的目的[2]。

1.3 焊接過程操作要點(diǎn)

（1）溫度檢測(cè)。溫度是焊接過程中的重要工藝參數(shù)之一，需要檢測(cè)的溫度包括預(yù)熱溫度、層間溫度以及后熱溫度。結(jié)合實(shí)際情況，每間隔75mm采用測(cè)溫筆對(duì)溫度進(jìn)行1次檢測(cè)，確保相關(guān)溫度都在對(duì)應(yīng)的合理范圍內(nèi)。

（2）加熱方法。通過火焰加熱方法對(duì)焊接試驗(yàn)板材進(jìn)行預(yù)熱處理，能夠保證預(yù)熱的均勻性，且不會(huì)對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。火焰加熱時(shí)應(yīng)用外焰對(duì)試樣進(jìn)行加熱，加熱過程不得引入其他有害雜質(zhì)。加熱寬度不得小于試樣厚度的2倍，考慮試驗(yàn)過程中可能存在操作誤差，試驗(yàn)中將加熱寬度設(shè)置為試樣厚度的2倍再加20mm，即216mm[3]。

2 焊接工藝試驗(yàn)試樣質(zhì)量檢測(cè)與分析

2.1 焊縫無損檢測(cè)

（1）目視檢測(cè)。采用簡單的測(cè)量工具分別對(duì)H10-1、H10-2、H09-1、H09-2這4個(gè)試樣進(jìn)行目視檢測(cè)，所有試樣表面均不存在氧化物、焊渣及飛濺等雜質(zhì)，4個(gè)試樣的焊縫寬度依次為46mm、47mm、45mm、46mm，焊縫余高依次為2.3mm、2.8mm、2.5mm、2.4mm，所有數(shù)據(jù)均滿足NB/T47013.1-47013.6-2015《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》中焊縫余高不得超過3mm的要求。目視檢測(cè)還發(fā)現(xiàn)，采用H10焊接得到的試樣接頭側(cè)邊出現(xiàn)了微小裂紋，而采用H09焊接得到的試樣不存在此類問題。究其原因，可能是因?yàn)镠10的塑性不滿足使用要求而導(dǎo)致試樣接頭側(cè)邊出現(xiàn)微裂紋。

（2）超聲檢測(cè)。超聲檢測(cè)方法的準(zhǔn)確度很高，超聲檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4個(gè)焊接試樣焊縫內(nèi)部均未出現(xiàn)明顯的焊接缺陷，表明試樣的整體焊接質(zhì)量良好，完全能夠滿足NB/T47013-2015中的要求。

（3）磁粉檢測(cè)。磁粉檢測(cè)能夠快速檢測(cè)出試樣表面存在的裂紋。對(duì)試樣進(jìn)行的磁粉檢測(cè)同樣發(fā)現(xiàn)，除了目視檢測(cè)的微裂紋外，4個(gè)焊接試樣焊縫表面和內(nèi)部不存在缺陷。

2.2 焊縫拉伸試驗(yàn)檢測(cè)

焊縫部位的拉伸力學(xué)性能能夠很好地反映焊接質(zhì)量?；贕B/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》中的要求對(duì)焊接試樣進(jìn)行加工，焊縫部位的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣結(jié)構(gòu)尺寸見圖2。

圖2 焊接部位標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣結(jié)構(gòu)尺寸

3 結(jié)語

采用H10和H09這2種焊接材料，通過埋弧焊工藝對(duì)壓力容器封頭常用材料13MnNiMoR的焊接工藝進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)采用H09得到的焊縫質(zhì)量更加優(yōu)良。因此，在工程實(shí)踐中利用H09焊接材料對(duì)壓力容器封頭進(jìn)行了焊接施工。經(jīng)過無損檢測(cè)表明，壓力容器封頭焊接質(zhì)量良好，完全能夠滿足實(shí)際使用需求，保障了壓力容器的安全運(yùn)行。