高壓儲氫罐封頭與接管的焊接工藝

摘要： 在高壓儲氫罐焊接工藝中，Q345R低合金鋼的封頭與S31603奧氏體不銹鋼的接管進行焊接時，由于材質不同及大尺寸的原因，容易產生裂紋。針對此問題開展了異種鋼焊接工藝的研究和試驗，主要包括裂紋產生原因的分析、對焊接工藝方法和參數進行研究以及焊接試驗。結果表明，采用焊條電弧焊對封頭過渡層進行焊接，然后采用鎢極氬弧焊打底、焊條電弧焊填充的焊接方案，可有效防止裂紋的產生。

關鍵詞： 異種鋼焊接； 焊接工藝； 焊接接頭

中圖分類號： TG 442

Welding process of vessel head and connecting tube of high-pressure hydrogen storage tank

Shen Shunxi

（Fujian Environmental Protection Design Institute Co.， Ltd.， Fuzhou 350001， Fujian， China）

Abstract： In welding process of high-pressure hydrogen storage tank， low alloy steel Q345R vessel head and S31603 austenitic stainless steel nozzle were easy to crack due to different materials and large size. To solve this problem， welding process of dissimilar steels was studied and tested， which included analysis of causes of major cracks， research on welding process methods and parameters， and welding tests. The result showed that welding scheme of using shielded metal arc welding to weld transition layer of vessel head， and then using argon tungsten arc welding to backing weld and using shielded metal arc welding to filling weld could effectively prevent occurrence of cracks.

Key words：? dissimilar steel welding; welding process; welded joint

0 前言近年來，氫能成為最具發展潛力的可再生能源，而安全儲運是其發展的關鍵技術。在各種儲運技術中，高壓儲運最為成熟，但隨著技術的發展，容器壓力越來越高，市場上已經出現98 MPa的儲氫罐。因此，儲氫罐的壁厚不斷增大，技術要求增高，采用單一材料焊接的封頭與接管結構已無法滿足工程要求，故使用異種鋼材焊接，然而在焊接工藝上存在諸多難題，如碳遷移、熱應力及金屬的稀釋等，影響了焊接的質量［1-3］。

該研究所研制封頭材質為Q345R，直徑為1 200 mm，封頭厚度為150 mm，接管材質為S31603，外徑為240 mm，壁厚80 mm，屬于大直徑、大厚度異種鋼焊接結構，焊接過程容易產生裂紋。為此，該文從S31603與Q345R異種鋼的焊接性、焊接工藝等出發，分析、研究裂紋產生的原因，尋求合適的焊接工藝以確保焊接接頭的質量。

1 封頭與接管的化學成分及性能

封頭采用Q345R材料，屬于低合金鋼，常溫下顯微組織是珠光體組織，而接管是S31603材料，其標準牌號為022Cr17Ni12Mo2，屬于奧氏體不銹鋼，它們的化學成分及力學性能、物理性能分別見表1、表2。

2 焊接性分析

封頭與接管的焊接是大尺寸異種鋼焊接，容易造成焊接接頭（焊縫及熱影響區）產生應力和組織變形，導致裂紋產生［4-6］，如圖1所示。封頭是大直徑、大厚度結構，接管位于中間，這相當于在焊縫四周疊加一個強剛性的結構，產生結構應力。異種鋼焊接過程產生復雜的熱應力。由于厚度過大，封頭受到不均勻的加熱（熱影響區溫度高，其余區域溫度低），產生分布不規律變形，導致熱應力產生；從表2看出，S31603的熱膨脹系數是Q345的1.7倍左右，而熱導率只有Q345R的1/3左右，所以在冷卻過程中熱影響區域的收縮程度不同，造成焊縫的殘余熱應力產生；異種鋼焊接存在碳遷移現象，使焊縫及熱影響區域處金屬組織發生固相轉變，導致體積變化，產生應力。

綜上所述，為防止裂紋產生，焊接工藝需考慮以下問題：采用內外整體加熱，降低整體結構應力；為了防止焊接溫度過高，應采用小熱輸入的焊接方法，減小收縮應力；在Q345R側預先堆焊過渡層，增加焊縫塑性；焊接過程使用錘擊法進行消應力處理，降低熱應力、結構應力對焊縫的不良影響。

3 焊接工藝確定

焊接工藝根據焊接母材的結構特點及焊接性分析，制定合適的焊接工藝，防止焊接裂紋產生。其中，焊接工藝包括焊接方法、焊接坡口及焊接材料等參數。

3.1 焊接方法

目前，異種鋼焊接主要方法有焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氬弧焊、等離子弧焊及熔化極氣體保護焊等。

根據封頭結構特性、焊接性及電弧焊接特點，結合制造經驗，提出以下方案：采用焊條電弧焊在Q345R側焊接過渡層，方法采用多層多道、分段退焊（每段50 mm），然后在主焊層（打底層+填充層）上采用鎢極氬弧焊打底、焊條電弧焊填充，也采用多層多道、分段退焊（每段50 mm）的方法。

3.2 焊接坡口

坡口的選擇取決于母材加工性能、焊接方法和工藝要求。封頭與接管的焊接接頭屬于T形接口，根據坡口形式不同，分為不開坡口、單邊V形、K形和雙U形，其特點見表3［7］。綜合考慮，選用K形坡口，坡口角度45°，其焊縫填充金屬量較少，坡口形狀容易加工，且焊槍容易擺動，焊后應力和變形較小，有利于減小裂小紋發生的概率。

3.3 焊接材料

為了保證封頭結構的使用要求以及力學性能，焊接材料應根據封頭化學成分、力學性能、接頭形式及焊接工藝要求，選用不同焊材進行打底層、過渡層、填充層的焊接，且嚴禁混用。

3.3.1 打底層焊材的選用

打底層與封頭直接接觸，保證后續焊接的穩定性，應考慮強度等級，保證力學性能。選取鎢極氬弧焊進行焊接，焊材牌號為ER316L的奧氏體不銹鋼焊絲，直徑為2.4 mm。焊接時通過改變焊接工藝參數，減少熱輸入。

3.3.2 過渡層焊材的選用

過渡層主要用來補償由于稀釋作用造成封頭金屬元素Cr，Ni等降低。采用高鎳焊材，同時考慮減小接頭處變形產生的應力，應使用線膨脹系數介于Q345R與S31603之間的焊材。采用焊條電弧焊進行堆焊過渡層，焊條選用E309MoL-16（A042），焊條直徑3.2 mm。

3.3.3 填充層焊材的選用

填充的焊材與打底層焊材、S31603鋼材的化學成分近似，同時考慮到加工難度、焊接速度及價格等原因，在確保焊接質量前提下，選擇焊條電弧焊的焊接方法，使用E316L-16（A022）焊條進行堆焊焊接，焊條直徑4 mm。

3.4 焊接熱輸入、預熱與層間溫度

焊接熱輸入應考慮焊接溫度對焊縫及熱影響區的影響。雖然加大電流使高鎳的焊絲、焊條熔化后的液體不易流動，有利于焊接成形，但大電流、大熱量也會產生焊接變形和應力，更容易導致熱裂紋及脆性組織產生［8-9］。此外，在焊接過渡層時，應減小熔液流動性，防止中間熔液向兩邊流動，使熔液均勻分布在封頭處。因此，在焊接時應采用小電流、快速度的焊接工藝。

S31603屬于奧氏體不銹鋼，碳當量較低，焊接性優良，淬硬傾向不明顯，焊接時不需要預熱，而Q345R為低合金鋼，焊接需要較高的預熱溫度和嚴格工藝控制措施;但預熱溫度不能過高，否則導致Q345R過熱，產生脆硬組織，最終導致裂紋產生。主焊層為S31603鋼材，焊接可以不預熱，過渡層的預熱溫度為100～120 ℃。

在焊接主焊層時，應控制層間溫度。過高的溫度導致焊縫及熱影響區域的晶體粗大，致使韌性及塑性下降；然而要使焊接層間溫度小，在不影響焊接時間下，冷卻速度就要快，這樣容易形成淬硬組織以及影響擴散氫的逸出。結合實際焊接經驗，選擇層間溫度為50～60 ℃，冷卻采用保溫棉包扎緩慢冷卻，既保證焊接效率又防止裂紋產生。

3.5 焊接工藝整體方案

3.5.1 坡口加工

焊接接頭示意圖如圖2所示。加工接頭坡口，并檢查其厚度尺寸、裂紋等缺陷是否存在。

3.5.2 焊接過渡層

對封頭進行內外整體預熱至100～120 ℃，升溫速度Vu-T≤5 ℃/min，測溫點在封頭內側坡口邊；對封頭采用小電流、快速度、多層多道、分段退焊法（每段50 mm）堆焊過渡層，厚度為10 mm，過程保持溫度在80～120 ℃，焊接工藝參數見表4；堆焊后用保溫棉包扎緩慢冷卻至室溫，降溫速度Vd-T≤5 ℃/min；去除焊渣、檢查是否有裂紋等缺陷。3.5.3 接管焊接

安裝接管時不預熱，用鎢極氬弧焊進行打底層焊接，焊接工藝參數見表4；采用小電流、快速度、多層多道、分段退焊法（每段50 mm）焊接填充層，從中間開始進行內外交替焊接，厚度為20 mm，過程保持溫度在80～120 ℃，焊接工藝參數見表4；堆焊后用保溫棉包扎緩慢冷卻至層間溫度（50～60 ℃）左右，降溫速度Vd-T≤5℃/min；用錘擊法進行消應力處理；去除焊渣、檢查是否有裂紋等缺陷產生；反復上述填充層焊接，直至焊完；去除焊渣，焊縫打磨。

3.5.4 焊后熱處理

堆焊完成后，進行焊后熱處理。低溫回火：溫度按照Q345R鋼焊接要求的620 ℃±20 ℃，保溫3 h；對焊接完成件進行質量檢測及分析。

4 焊接質量檢測及分析

焊接質量檢測是保證焊接工藝、產品優良，防止廢品產生的重要保證。大直徑、大厚度、大質量的焊接件進行力學性能試驗成本較高、試驗難度大，所以根據NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》的標準，封頭焊接質量檢測其主要包括焊接前、中、后期的外觀和尺寸的檢查及進行無損檢測［10］。

焊前對加工后的坡口進行表面及尺寸檢查，坡口不得有裂紋、雜質、缺陷等；焊接過程中檢查焊縫是否有缺陷產生，并及時打磨、補焊；焊后進行變形量、表面雜質、粗糙度、對接錯邊量等表面外觀及尺寸檢查。

焊前、焊后進行無損檢測，選用顯示直觀、操作方便、檢測費用低，敏捷度高的100%PT檢測方式，如圖3所示。在焊接前進行外觀檢查，表面沒有氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，100%PT檢測加工后的封頭坡口處，根據NB/T 47013.4—2015《承壓容器無損檢測》標準，結果I級合格；焊接過渡層及焊接填充層的每一層，外觀檢查合格，100%PT檢測結果I級合格；焊后整體外觀檢查合格，100%PT檢測結果I級合格。所以封頭與接管的焊接質量符合要求，制定的焊接工藝合理。

5 結論

在大尺寸、大厚度的壓力容器焊接流程中，焊接工藝很大程度上影響了裂紋的產生。通過合理的焊接工藝確保焊接質量：采用小電流、快速度、多層多道、分段退焊法，工件整體預熱及采用含高鎳焊材堆焊過渡層，增加了焊縫的塑性、自由伸縮狀態，降低焊接裂紋的產生傾向。根據封頭與接管的焊接檢測結果表明：選用的焊接工藝合適，焊接質量滿足高壓儲氫罐焊接要求。

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收稿日期： 2022-10-17

沈順喜簡介： 學士，高級工程師；主要從事壓力容器、壓力管道設計；15985705866@163.com。