关于高压缓冲器的焊接技术研究

摘 要：辽河石油勘探局油建一公司是全国石油基建系统具有A1A2级压力容器生产资质的极少数企业之一。2005年10月，首次为某石化厂成功地焊接制造了一批高压缓冲器。在制造过程中，对容器的焊接特性进行了理论分析，制定了GTAW＋SMAW和多层多道焊的工艺方法，采取预热＋PWHT的措施。有效地控制了焊接缺陷，保证了焊接质量。截止到目前为止已经成功焊接上百台高压缓冲器，取得了很好的效果。

关键词：缓冲器 焊接特性 GTAW＋SMAW 预热＋PWHT RT

高压缓冲器由两个冲压半球和数根丝头接管组装焊接而成，直径600mm，壁厚42mm，材质为16MnR，设计压力34.3Mpa，设计温度150℃，工作介质为H2、N2，是Ⅲ类压力容器，焊接质量要求严格，其中A、B类接头100%RT检验，按JB4730－94《压力容器无损检测》执行，Ⅱ级合格，C、D类焊接接头进行MT或PT检测Ⅰ级合格，容器按GB150－1998《钢制压力容器》制造检验与验收。

一、焊接特性

在制订焊接工艺前，对16MnR的焊接特性和缓冲器的焊接特点进行详细的理论分析和研究。

1. 16MnR的主要焊接特性

1.1可焊性

根据IIW推荐的碳当量计算法，16MnR的CE值较小（0.29%），其材质的可焊性较好。但是，由于16MnR含有少量合金元素，其淬硬倾向较低碳钢要大。

1.2裂纹

在焊接16MnR时，一般情况下，不会产生裂纹。但是，在低温环境、或在大刚性和钢板厚度较大（＞25mm）时焊接，因冷却速度过快而出现马氏体组织，增大了冷裂倾向，产生热裂纹。

1.3脆化

当HAZ达到1100℃时，粗晶区将因晶粒长大或出现魏氏体组织而产生脆化，因此，焊接工艺参数要适中。

2.缓冲器的焊接特点

缓冲器的结构为球体，直径小（D＝600mm）、壁厚大（δ＝42mm），焊缝形式为对接和对接＋角接，坡口深而窄，焊接工作量大，如果整体组装后焊接，焊接过程中，容易产生夹渣（或未熔合）、气孔和裂纹等缺陷，一旦造成焊缝返修，经济损失严重。

按常规，对于D＝600mm，δ＝42mm的球体环缝探伤，采用γ源外曝，为便于返修，至少要分两个层次进行，拍片张数多、时间长，成本高，且影响生产。

二、 焊接工艺评定和焊工资质

根据上述焊接特性，按JB4708－2000《钢制压力容器焊接工艺评定》规则，国家质检总局颁发的《锅炉压力容器压力管道焊工考试管理规则》经考试合格的焊工，才能参加容器的焊接，

三、焊接工艺

对拟定的焊接工艺，经模拟焊接和工艺评定合格后，根据容器组装后的实际情况，稍加修改并应用于焊接生产中。

1.焊接方法

根据缓冲器的焊接特点和质量要求，通过对其他焊接方法的比较，选用GTAW＋SMAW的组合焊接工艺方法，接管与球体角焊缝在环缝组对前焊接，并采用双面焊，环缝采用单面焊。

2.焊接设备

美国Mailler.602型焊机、GTAW＋SMAW两用直流电源、威尔斯通水冷GTAW焊炬、氧一乙炔火焰预热工具、红外线温度检测仪。

3.焊接材料

根据16MnR的焊接特性，遵照焊缝强度等于或稍高于母材的低合金高强度钢焊条的选用原则，选择如下：

GTAW：焊丝H10Mnsi 直径Φ2.5mm，铈钨棒Φ3mm，Ar气纯度99.98%，长型号喷嘴；SMAW：E5015，Φ3.2mm和Φ4mm，烘烤温度（350～450）℃，保温时间（1～2）h。

4.坡口型式和加工方法

缓冲器直径小、壁厚大，球体环缝只能采用单面焊双面成形的工艺，而两个半球上的接管可以进行双面焊后再组装。

5.焊接工艺参数

为了降低冷却速度，防止冷裂纹和夹渣的产生，考虑施工季节的环境温度（20℃）、球体组装后刚度增加和预热使焊工劳动条件恶化的原因，焊前预热温度选择（100～150）℃。氩气流量Q＝（9－10）L/min，其他主要焊接参数见下表：

环缝焊接参数

6.焊接工序

接管焊接：坡口清理——接管组对——预热——正面GTAW——反面SMAW——正面SMAW M T

环缝焊接：坡口清理—— 球体组对——预热——GTAW——SMAW——RT—— PWHT—— 试压。

四、焊接操作

1.接管的焊接

施焊前要对坡口进行预热，当温度达到（100－150）℃时，才能开始焊接。GTAW打底时，电弧应对准接管一侧稍加稳弧，适当添加焊丝，防止产生裂纹。

2.环缝的焊接

接管焊接完毕，并检验合格后，在两个半球上，按与环缝截面相垂直的轴线上分别焊接一根2吋的管子，架空一定高度，使整条环缝都能处于转动焊位置，再按焊序进行焊接。

2.1打底焊

采用GTAW时，受U型坡口陡、窄而深的影响，只能使用（8－10）mm的长型喷嘴。

引弧时，应把焊枪和输Ar管内的空气排放干净，待5－6秒后，Ar气流量正常再进行焊接。

2.2填充盖面焊

因GTAW焊层薄，为防止烧穿，用φ3.2mm焊条焊第2层，电流不要太大，层间温度不能低于预热温度。第3、4层焊道宽度适中，在坡口两侧稍做稳弧，注意焊条角度，选择合适的焊接参数。第5－10层，采用一层两道的排焊方法。

五、PWHT

焊缝RT检验和容器外观检验合格后，为了消除焊接应力，减小冷裂倾向，提高焊缝的韧性，按图4方法对缓冲器进行整体PWHT。

六、结论

1.遵守上述焊接工艺和操作方法，共焊接制造了7台高压缓冲器，经检测，各项技术指标均达到设计要求，并交付使用，证明本工艺方法是合理的。

2.采用一次性RT检验的方法，如果一次合格，与常规的二个层次的拍片方法比较，可节约成本50%。即使有少量的一次焊缝返修，也是经济的，但该方法对焊工的操作技术和成功率要求高。

参考文献

[1]中国焊接学会.焊接手册（第2卷）北京.机械工业出版社.1992.