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看专家如何采用窄间隙焊 攻克120mm壁厚容器

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分析了SA516—70钢的焊接性,并对其进行了焊接性试验和焊接工艺评定,采用窄间隙焊接方法焊接了120mm大型厚壁容器,产品达到设计各项要求,实际运行可靠。


我公司承制的某煤制甲醇项目中超高压氮气储罐筒体厚度120mm ,筒体内径3 700mm,长度为17 800mm。采用常规焊条电弧焊和埋弧焊难以满足生产效率要求,而窄间隙埋弧焊具有焊缝截面积小,填充金属少,可以实现焊接过程自动化等特点,因此是一种优质、高效的厚壁容器焊接技术。通过进行焊接试验获取最佳焊接参数,经过现场实际应用取得了良好的效果。


1. 焊接性试验


窄间隙焊前预热是防止产生焊接裂纹的有效措施,对ASME SA516 Gr—70(89~123mm)材料进行了焊接性试验,并最终确定该种材料的预热温度。试验内容主要包括斜y、直Y及窗形拘束等。


(1)斜y、直Y裂纹试验 共进行4组试验,每组各2件斜y、直Y试样,共16件。根据《斜y型坡口焊接裂纹试验方法》附录A.2.1 “试件的厚度不作限制,一般常用厚度为9~38mm”之规定,试验采用22mm厚同材质钢板进行。


通过母材碳当量及冷裂纹敏感指数,计算预热温度T0=142℃(扩散氢按3mL/100g计)。通过四组斜y、直Y裂纹试验(50℃、100℃、150℃、200℃)来加以验证,按不同预热温度施焊,试验结果如表1所示,因此最低预热温度选为150℃。



(2)窗形拘束试验 窗形拘束试验主要用来评价焊缝对热裂纹的敏感性,共进行一组试验。由于预热温度已经确定,本次试验直接采用150℃作为窗形拘束的试验温度,试验采用35mm厚同材质钢板进行。


试验按照标准要求,焊后试板进行表面探伤和X射线探伤,未发现裂纹。对试板焊缝中心纵向剖开并打磨,作焊缝内剖面金相检查,也未发现裂纹。说明此种钢材在150℃预热条件下,对热裂纹的敏感性较低。


2. 窄间隙埋弧焊接工艺研究


ASME SA516 Gr—70为试验母材,厚度为60~123mm。焊丝选用与母材强度、成分相匹配的KD—50。母材及焊丝化学成分如表2所示。



(1)焊剂的选择 在深而窄的坡口内进行埋弧焊接,焊剂的选择必须满足以下条件:在较高的温度下容易脱渣;焊道向母材过渡平滑,成形良好,无缺口和咬肉;与特定的焊丝配合,能获得化学成分和力学性能均满足使用要求的焊缝金属。基于对比的考虑,本次试验焊剂选用窄间隙专用焊剂及普通焊剂(SJ101)分别进行焊接试验,以验证脱渣性、焊缝成形等。


(2)坡口形式的选择 坡口形式对制造工序、焊接效率和焊接质量都有很大的影响,窄间隙焊的3种坡口如图1所示。图1a为垫板单面焊坡口,如果有错边,根部很容易产生缺陷,而且焊后要去掉垫板,加工量比较大;图1b焊缝底部质量容易保证,背面清根工作量大;图1c为内部封底焊坡口,这种坡口无法清理焊根,因此窄间隙埋弧焊的第一道焊缝,要严格选定焊接参数,保证焊透,相对于图1b来说,可免去背面清根量。


图 1


为了保证焊道与侧壁、焊道与焊道之间熔合良好,坡口宽度应在20~30mm内较为合适。为防止焊接过程中焊件收缩变形,导致焊缝脱渣困难,设计了2°~3°的坡口角度(见图2)。


图 2

(3)后热及焊后热处理温度的确定 依据JB/T4709—2000《钢制压力容器焊接规程》,后热温度定为200~300℃,保温时间一般≥0.5h。焊后热处理温度结合JB/T4709—2000标准规定,暂定620℃。保温时间则根据经验公式计算确定。焊后热处理加热方式则采用履带式加热片外加保温棉捆绑固定进行。


(4)不同板厚窄间隙焊接试验 共进行了60mm、89mm、110mm三种厚度,合计11道口窄间隙焊接试验。窄间隙焊在中厚板上的试用,通过调整焊接工艺、焊剂等因素,解决如焊道排列、脱渣性、工艺匹配及缺陷防控等难题,最终实现大厚板的窄间隙焊接应用。


第一,焊道排列试验。该试验采用SA516Gr—70,60mm低合金高强钢为母材。试板尺寸600mm×200mm(单件),数量4块(2道口)。焊前背面用焊条电弧焊焊满,并焊上加强筋。


试验采用多层单道焊和多层双道焊各焊接一对试板,主要进行焊道排列情况、焊缝成形及缺陷情况对比。两块试板正面焊接时第一层和第二层焊道全部采用单道焊,从第三层开始分别采用单道焊和双道焊进行焊接,共焊接10层。从焊接过程看,单道焊对焊接参数要求较严,允许变动的范围较双道焊窄。由于采用相对较高的电弧电压及焊道较宽,因此易造成焊道两边熔合不良、气孔和咬边。而双道焊由于焊道较窄,电弧电压较低,且焊丝中心更偏向于两侧,因而形成咬边、气孔、熔合不良等缺陷的几率也较单道焊低,焊道更容易形成凹形焊道。根部最初几道焊缝应尽量连续焊完,提高抗收缩能力,另外,不论是单道焊还是双道焊,,这一点在试验过程中已得到体现。


第二,脱渣性试验。选择焊剂时,既要考虑与相应的焊丝匹配后其化学成分及力学性能能满足使用要求,又要比传统宽坡口埋弧焊焊剂具备更优良的焊道成形和脱渣性。试验分别使用普通焊剂和窄间隙专用焊剂进行脱渣性比较。两块试板全部采用双道焊进行,其中一块采用窄间隙专用焊剂,另一块采用普通焊剂(SJ101)。就脱渣情况来看,两者表现都能满足要求,专用焊剂的脱渣性在侧壁尖角处较普通焊剂要好一些,脱渣更容易,焊道两边形成夹渣的几率也较低,这对以后大厚板单道焊前两层焊接来说尤为重要。


通过以上对比,试验最终确定采用双道焊配合脱渣良好的专用焊剂进行窄间隙焊接试板工艺试验。


第三,焊接工艺试验。进行了60mm、89mm、110mm三种厚度的焊接工艺试验。经过多次试验,发现在窄间隙埋弧焊中焊接电压对焊缝成形影响较大。当电压<25V时,致使焊道凸起;当电压>35V时,则会产生咬肉。而且在这两种情况下脱渣都较困难,因此,合适的焊接电压应为28~32V。通过试验所得60mm窄间隙焊接参数如表3所示。



110mm试板焊接与60mm、89mm试板不同,焊接变形更为严重,焊前需采取适当的反变形及强度更高的背面拉筋固定。试板尺寸600mm×250mm(单件),数量4块。坡口角度采用图1a样式,背面采用与母材同材质垫板。焊接过程中,由于拉筋强度不够,试板在焊到70mm左右厚度时,发现试板角变形已超出标准要求(≤3°),为此针对第一块试板变形超标,后续试板焊前适当增大了反变形,并增加了拉筋数量。110mm窄间隙焊接参数如表4所示,焊前预热150~200℃,共焊接19层。


采取以上措施后,试板焊接较为顺利,从外观检测到X射线探伤,结果均较好,按照NB47014—2011《承压设备焊接工艺评定》分别对试件进行拉伸、弯曲和冲击试验。通过与普通埋弧焊对比,窄间隙埋弧焊可缩短焊接时间30%左右。总之,对于壁厚≥60mm的容器,采用窄间隙焊接非常必要,可以大大降低焊接时间,提高生产效率。


3. 现场筒体焊接


试验结果确定后,进行了超高压氮气CO2缓冲罐筒体(120mm)的焊接。该筒体为φ3.7m×17.8m,由7段筒节组成,施焊顺序为先焊接纵缝后施焊环缝。


(1)纵缝焊接 纵缝焊接时为保证质量,在筒节一侧定位与母材同材质、同批号的产品试板。坡口形式如图3所示,内壁预热200℃,预热方式电加热,焊接过程注意保持层间温度不低于预热温度。先焊接正面,反面清根后焊接反面,120mm纵缝焊接参数如表5所示。 焊后进行250~300℃,2.5h后热消氢处理。


图 3


(2)环缝焊接 纵缝焊接完成后,进行校圆、组对,准备进行窄间隙埋弧焊(坡口形式见图2)。焊前重新预热,为保证预热质量,使筒体加热均匀,必须对筒体外侧和内侧同时加热,当温度达到要求时,拆掉待焊接一侧的加热装置进行焊接,一侧焊接完成后,焊接另一侧时应该保证焊缝的层间温度,否则重新加热。120mm环缝焊接参数如表6所示,需连续焊完,焊后进行250~300℃,2.5h后热消氢处理。


(3)焊后热处理 容器焊接完成后整体进行热处理,由于其体积过大,厂内原有的热处理炉无法满足使用要求,为此自行设计建造一个内截面宽6.5m、高6m、长13m的简易加热炉,为便于吊装,炉体分成两段。其加热功率为2 000kW、最高加热温度为1 000℃、保温层厚约80mm,测温采用4个K形嵌装式热电偶,其结构如图4所示,热处理工艺曲线如图5所示。


图 4


图 5


4. 窄间隙焊接工艺要点


大厚度深窄坡口埋弧焊接的最大特点是深宽比数值较大,一般可达5~15,因此实际操作过程中尤其注意每个焊道的焊渣清除问题,这是保证焊缝合格率的关键。


焊接过程中还需要注意以下焊接工艺要点:

第一,选用脱渣性良好的适用于窄间隙埋弧焊工艺的焊剂。

第二,选用可移动调节的偏离中心准线的导电嘴,以获得“鱼鳞状”易脱渣焊道。

第三,制定合适的可背面易清根的焊缝坡口,以保证焊缝底部质量。

第四,制定合理的焊缝坡口间隙(18~24mm),以保证熔合良好并有效地防止夹渣。

第五,焊前预热一定要均匀,焊接过程尽量连续以保证稳定的层间温度,焊后消氢要及时,温度合理,使焊道的氢能充分逸出。

第六,焊接参数要合理,既不能过大也不宜过小,要保证焊接过程热输入的稳定性。


5. 结语


通过以上焊接工艺研究和配套工装的研制,完成了厚壁容器窄间隙埋弧焊接技术的研究,在焊缝成形及缺陷控制方面取得了技术突破,为厚壁容器产品质量提供了技术保障。


本文作者:官云胜、郭晓春、刘庆忠,大庆油田工程建设有限公司。





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