壓力容器焊接缺陷的產(chǎn)生和預(yù)防

婁旭耀（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院 河南 鄭州450016）

一、 前言

壓力容器是當(dāng)前現(xiàn)代化工產(chǎn)業(yè)中的重要設(shè)備之一， 應(yīng)用于很多行業(yè)和領(lǐng)域，常見的應(yīng)用主要是在石油化工、國(guó)防、科研、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。 壓力容器焊接技術(shù)是保證壓力容器的強(qiáng)度的重要手段，是壓力容器安全使用的重要保障。 壓力容器的焊接質(zhì)量存在著缺陷，出現(xiàn)的后果有滲漏、泄漏，甚至引起壓力容器爆炸事故，造成人民安全和重大的財(cái)產(chǎn)損失。 為此，保證壓力容器在制造過程中的焊接質(zhì)量，是保證壓力容器安全運(yùn)行的重要手段。在對(duì)壓力容器進(jìn)行定期檢驗(yàn)檢測(cè)的過程中， 對(duì)在用壓力容器的對(duì)接焊縫及角焊縫的檢驗(yàn)也是必不可少的程序。

壓力容器制造過程中所產(chǎn)生的焊接缺陷主要有：裂紋、未熔合、未焊透等面積型缺陷；氣孔、夾渣類體積性缺陷；咬邊、焊瘤、弧坑等表面缺陷。 下面就此情況詳細(xì)論述。

二、壓力容器表面缺陷

表面缺陷是指用眼睛從壓力容器表面就可以發(fā)現(xiàn)的缺陷，一般常見的表現(xiàn)形式是咬邊、 焊瘤和凹陷， 另外也有其它的形式，比如焊接變形、表面裂紋以及壓力容器單面焊的根部未焊透等。

1、咬邊

咬邊是指由于焊接工藝參數(shù)選擇不正確，或操作方法不當(dāng)，沿焊趾部位產(chǎn)生的溝槽或凹陷。 產(chǎn)生咬邊的主要原因是由于作業(yè)人員操作方法不當(dāng)引起的。 作業(yè)人員焊接規(guī)范選擇不正確，例如焊接電流的過大、焊接電弧的過長(zhǎng)、作業(yè)人員運(yùn)條方式和角度不正確、 在壓力容器坡口兩側(cè)停留的時(shí)間太長(zhǎng)或太短等均有可能產(chǎn)生焊縫咬邊。 同時(shí)，在壓力容器焊接過程中當(dāng)填充的金屬未能及時(shí)填滿焊接熔池時(shí)也容易造成焊縫咬邊。 焊縫的咬邊缺陷實(shí)際上減小了焊接接頭的有效截面積， 從而在咬邊處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象， 進(jìn)而會(huì)引發(fā)壓力容器安全事故。 依據(jù)國(guó)標(biāo)GB150-2011《壓力容器》的相關(guān)規(guī)定，來規(guī)范在焊縫表面的咬邊現(xiàn)象。

2、焊瘤

焊瘤是指焊縫中的液態(tài)金屬流到未熔化的母材上， 或者液態(tài)金屬?gòu)暮缚p根部溢出，這樣冷卻后的金屬瘤即為焊瘤。 焊接規(guī)范過高、焊條熔化速度過快、焊條質(zhì)量不好，焊接電源性能不穩(wěn)定以及作業(yè)人員操作方法不正確等都容易產(chǎn)生焊瘤。 在橫焊、立焊、仰焊位置更容易產(chǎn)生焊瘤。 焊瘤的產(chǎn)生經(jīng)常伴有未熔合、夾渣等缺陷，容易產(chǎn)生裂紋。 另外因?yàn)楹噶銮闆r的出現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。 管子內(nèi)部焊瘤減小了管子的流通直徑，容易造成介質(zhì)的堵塞。 所以一定要選擇正確的操作方式來防止產(chǎn)生焊瘤。

3、凹坑

壓力容器焊縫的表面局部焊縫低于母材的部分稱為凹坑，在收弧時(shí)焊條或焊絲未作短時(shí)間停留造成凹坑也稱呼為弧坑。弧坑的產(chǎn)生減小了焊縫的有效截面積， 另外常出現(xiàn)弧坑裂紋和弧坑縮孔的現(xiàn)象。 一般采取下面的方式來防范：選擇有電流衰減系統(tǒng)的焊機(jī)；使用平焊位置施焊；在收弧時(shí)讓焊條在熔池內(nèi)短時(shí)間停留或環(huán)形擺動(dòng)，保證填滿弧坑。

4、其他表面缺陷

未焊滿、燒穿、錯(cuò)邊、表面氣孔等缺陷也是壓力容器焊接過程中常見的外觀缺陷形式，通常是由于焊接電流、焊接速度不當(dāng)或者焊接過程中的人為因素造成的， 這些缺陷的存在降低焊縫的完整性和質(zhì)量，使焊接接頭喪失聯(lián)接性和承載能力，是鍋爐壓力容器類產(chǎn)品應(yīng)該避免的缺陷。

三、壓力容器焊縫缺陷

焊縫是壓力容器檢測(cè)過程的重中之重， 而焊縫處缺陷的數(shù)量和種類直接影響到壓力容器的使用和安全，為此，作者依據(jù)實(shí)際檢測(cè)過程中常見的焊縫缺陷進(jìn)行分類概括，并提出預(yù)防措施，以對(duì)壓力容器類產(chǎn)品的生產(chǎn)和使用提供技術(shù)參考。

1、氣孔

氣孔是指在壓力容器焊接時(shí)， 金屬熔池中的氣體在金屬凝固之前沒有完全逸出，使部分氣體殘存在焊縫中就形成了氣孔。產(chǎn)生氣孔的主要原因是由于母材或填充金屬表面產(chǎn)生銹蝕、表面背油污、水等污染。 此外，焊條及焊劑未能按規(guī)定進(jìn)行烘干處理也會(huì)增加產(chǎn)生氣孔的機(jī)率。 焊接線能量過小時(shí)，焊接熔池冷卻速度過大，也不利于氣體的逸出。 另外，由于焊縫金屬?zèng)]有完全脫氧也容易造成氣孔產(chǎn)生。氣孔的存在，會(huì)降低焊接接頭的強(qiáng)度,引起壓力容器泄漏。 同時(shí)，由于氣孔的存在，也容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。 預(yù)防焊接氣孔的辦法主要有：選擇正確的焊接電流以及適合的焊接速度；保證坡口邊緣的干燥、清潔；嚴(yán)格按照規(guī)定保管和烘干焊接材料；不使用變質(zhì)的焊條；如果在施焊之前發(fā)現(xiàn)焊條藥皮變質(zhì)、剝落以及焊芯銹蝕等時(shí)，應(yīng)注意嚴(yán)格禁止使用。 當(dāng)采用埋弧焊焊接壓力容器時(shí)應(yīng)選用正確的焊接工藝參數(shù)， 特別是薄板的自動(dòng)焊焊接時(shí)，施焊的焊接速度要盡可能減小。

2、夾渣

夾渣就是指在焊后溶渣殘存在焊縫中的現(xiàn)象。 夾渣不僅會(huì)降低焊接接頭的強(qiáng)度而且還會(huì)降低焊接接頭的致密性。 焊接過程中焊縫邊緣的熔渣是產(chǎn)生夾渣的主要原因， 當(dāng)坡口角度太小或則焊接電流太小時(shí)更容易產(chǎn)生熔渣而不利于排出。 另外，在施焊過程中由于電弧過長(zhǎng)、 極性不正確以及作業(yè)人員運(yùn)條不當(dāng)也常常造成夾渣。 防范措施主要有：正確選取坡口形式，施焊前要保證坡口的清潔，并選擇合適的焊接電流和施焊速度，還需保證正確的運(yùn)條擺動(dòng)。 在進(jìn)行多層焊接時(shí)，必須察看坡口兩側(cè)的金屬熔化情況，清理掉每層焊渣。

3、焊接裂紋

依據(jù)國(guó)標(biāo)NB/T 47014-2011 的要求， 裂紋是壓力容器檢驗(yàn)過程中所不允許的缺陷。 尺寸較大的裂紋在外觀檢驗(yàn)時(shí)即可發(fā)現(xiàn)，而表面細(xì)小裂紋可借助于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，如磁粉檢測(cè)（MT）、滲透檢測(cè)（PT）進(jìn)行觀察，內(nèi)部缺陷則可借助于射線檢測(cè)（RT）、超聲檢測(cè)（UT）進(jìn)行觀察，一旦發(fā)現(xiàn)裂紋，應(yīng)徹底清除，予以修補(bǔ)。

壓力容器焊接時(shí)最常見的焊接裂紋有熱裂紋和冷裂紋。 熱裂紋是指在焊接過程中， 焊縫和熱影響區(qū)金屬溫度降到固相線附近的高溫區(qū)時(shí)所產(chǎn)生的。 焊接熱裂紋一般沿晶界方向開裂，因此，又稱為晶間裂紋，裂紋大多數(shù)貫穿于金屬表面，斷口表面顏色呈現(xiàn)氧化色。 產(chǎn)生熱裂紋的主要原因是過熱區(qū)晶界存在低熔點(diǎn)雜質(zhì)。 這些雜質(zhì)熔點(diǎn)較低，最后結(jié)晶凝固，塑性和強(qiáng)度比較低。因此，在結(jié)構(gòu)約束應(yīng)力和焊縫金屬的凝固收縮作用下，容易造成金屬組織的晶間開裂。 對(duì)熱裂紋的防范措施一般有二種：一要嚴(yán)格按照焊接工藝參數(shù)施焊；二是要認(rèn)真按照焊接工藝規(guī)程作業(yè)，選取合理的焊接工藝參數(shù)，并且要減小焊接殘余應(yīng)力。

焊接接頭的焊縫金屬在冷卻過程或冷卻后， 在焊接接頭的熔合線處容易產(chǎn)生冷裂紋。 焊接過程中容易出現(xiàn)冷裂紋的情況是：高碳鋼、低合金鋼以及中合金鋼的焊接熱影響區(qū)。 常見的冷裂紋為延遲裂紋，也叫為氫致裂紋，裂紋產(chǎn)生的時(shí)間一般在焊接接頭施焊后。 這也是我們?cè)谶M(jìn)行壓力容器類產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)時(shí)，當(dāng)遇到焊后需熱處理時(shí)的情況， 應(yīng)該在焊后24h 或者熱處理后完全冷卻后進(jìn)行檢測(cè)的原因。產(chǎn)生冷裂紋的原因主要有：①焊接接頭中存在淬硬性組織；②焊接接頭內(nèi)擴(kuò)散氫含量較高，使焊接接頭性能脆化；③存在較大的焊接殘余應(yīng)力。 針對(duì)以上情況，可采取相應(yīng)的措施來進(jìn)行預(yù)防：①選用堿性焊條，減少接頭金屬中的氫含量、提高焊縫金屬的塑性；②保證焊材的干燥，減少氫的來源；③焊接接頭施焊時(shí)采取焊前預(yù)熱、焊后緩冷，避免施焊過程中產(chǎn)生淬硬組織；④采用合理的焊接工藝規(guī)范，焊后熱處理等，盡可能降低焊接殘余應(yīng)力；⑤焊后應(yīng)立即進(jìn)行消氫處理。

四、 總結(jié)

造成壓力容器焊接缺陷的原因有很多， 這就要求我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行， 對(duì)壓力容器焊接缺陷的處理要從實(shí)際情況出發(fā)， 理論聯(lián)系實(shí)際， 在驗(yàn)收過程中，應(yīng)依據(jù)壓力容器焊接工藝相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)級(jí)，選用一種或多種方法盡可能地發(fā)現(xiàn)缺陷，并及時(shí)修補(bǔ)，以確保壓力容器的安全運(yùn)行。

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