低溫球罐焊接缺陷原因及預(yù)防措施分析

張士峰　趙福臣

摘 要：低溫球罐在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，指的是設(shè)計(jì)溫度在-20℃以下的球罐，該類設(shè)備在焊接時(shí)容易存在出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。本文首先分析了焊接缺陷原因，然后總結(jié)了幾點(diǎn)預(yù)防措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：低溫球罐;焊接缺陷;原因;預(yù)防措施

在石油化工行業(yè)，低溫球罐是一種常用的儲(chǔ)存設(shè)備，由于長(zhǎng)期處于高壓、低溫狀態(tài)下，會(huì)對(duì)球罐本身造成損傷，縮短了使用壽命。為了保證安全使用，要求低溫球罐具有較強(qiáng)的抗拉性、抗沖擊能力，并對(duì)焊接工藝提出了更高要求。以下結(jié)合實(shí)踐，探討了焊接缺陷的形成原因和預(yù)防措施。

1 低溫球罐焊接缺陷原因分析

1.1 焊接性能

以07MnNiMoDR高強(qiáng)鋼板為例，它的淬硬傾向、焊接性能是重點(diǎn)，根據(jù)研究結(jié)果，影響淬硬傾向的因素，主要是鋼板的化學(xué)成分。以Pem指數(shù)為例，代表的是冷裂紋系數(shù)，鋼板中的碳當(dāng)量高低，決定了淬硬傾向的大小。如果含碳量較高，淬硬傾向越大，就會(huì)增加裂紋的形成風(fēng)險(xiǎn)。因此，碳當(dāng)量處于適宜水平，焊接過(guò)程中出現(xiàn)裂紋的概率會(huì)降低。結(jié)合以往實(shí)踐，碳當(dāng)量控制在0.35%以內(nèi)，能提高焊接性能，減少缺陷發(fā)生。

1.2 氫含量

氫含量是引起焊接裂縫的重要原因之一，且焊接后不會(huì)馬上出現(xiàn)裂縫，而是在球罐使用中逐漸出現(xiàn)。一般而言，在接頭部位的氫含量越高，出現(xiàn)裂縫的概率越大。分析認(rèn)為，焊接過(guò)程需要高溫環(huán)境，會(huì)有大量氫溶解在熔池內(nèi);然后環(huán)境溫度突然降低，此時(shí)氫元素就會(huì)快速逸出。但是，沒(méi)有及時(shí)逸出的氫元素，會(huì)增高接口部位的氫含量，變得脆化并出現(xiàn)裂縫。

1.3 接頭應(yīng)力

低溫球罐在焊接期間，接頭會(huì)產(chǎn)生多種應(yīng)力。以不均勻加熱產(chǎn)生的應(yīng)力為例，球罐表面會(huì)出現(xiàn)焊接應(yīng)力和變形。焊接作業(yè)時(shí)，金屬處于高溫下;焊接完成后，隨著環(huán)境溫度降低，金屬冷卻并沿著焊縫收縮，繼而出現(xiàn)裂縫。

2 低溫球罐焊接缺陷的預(yù)防措施

2.1 控制母材化學(xué)成分

對(duì)母材的化學(xué)成分進(jìn)行控制，是預(yù)防焊接缺陷的有效手段。07MnNiMoDR高強(qiáng)鋼板屬于低碳合金鋼，碳含量決定了硬度指標(biāo)，降低母材中的碳含量，有利于提高鋼板的抗斷裂能力，增強(qiáng)焊接性能。此外，還應(yīng)該對(duì)鉛、磷、硫、錫、砷等元素的含量進(jìn)行控制，尤其是磷和硫，含量過(guò)大會(huì)降低鋼板的強(qiáng)度和塑性。具體到07MnNiMoDR高強(qiáng)鋼板，碳含量應(yīng)該控制在0.09%以內(nèi)。

2.2 合理選擇焊接材料

低溫球罐在焊接時(shí)，需要使用專用焊條，例如直流電源低氫系堿性焊條，常用如LB-65L焊條、GER-N27M焊條等。這些焊條使用前，要按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)化學(xué)成分、力學(xué)性能，測(cè)定擴(kuò)散氫含量，看是否滿足技術(shù)要求。當(dāng)然，這兩種焊條在應(yīng)用期間，也存在一定缺點(diǎn)，即對(duì)水、油、銹蝕的敏感性強(qiáng)，使用不當(dāng)易產(chǎn)生夾渣和氣孔，會(huì)降低焊接質(zhì)量。對(duì)此，一般需要對(duì)焊條進(jìn)行預(yù)處理，使用前在350-400℃環(huán)境下烘干60min，然后放置在恒溫箱內(nèi)，溫度控制在100-150℃，方便技術(shù)人員取用。此外，焊接作業(yè)前，還要清理焊口周圍，徹底去除油污、灰塵、水分等雜質(zhì)，為焊接作業(yè)創(chuàng)建良好的環(huán)境。

2.3 規(guī)范焊接工序

對(duì)低溫球罐進(jìn)行焊接，首先要選擇合適的機(jī)具和工藝，不能強(qiáng)制性組對(duì)，避免增大裝配應(yīng)力、拘束應(yīng)力。還要規(guī)范焊接工序，采用對(duì)稱焊接法，控制焊接速度和應(yīng)力，按照先縱縫、后環(huán)縫，先外部、后內(nèi)部的順序完成，能減少殘余應(yīng)力和焊接變形。具體到球罐的焊接工序如下：中心帶縱縫→上/下級(jí)邊板縱縫→上級(jí)帶中心板縱縫→中心帶上/下環(huán)縫→上級(jí)帶環(huán)縫→下級(jí)帶中心板縱縫→下級(jí)帶環(huán)縫。按照規(guī)范的焊接工序進(jìn)行作業(yè)，是減少焊接缺陷的有效措施。

2.4 改進(jìn)焊接工藝

第一，提高工作溫度。工作溫度指的是預(yù)熱溫度、層間溫度，通過(guò)提高工作溫度，一方面可以降低焊后的冷卻速度，從而避免硬化、裂紋出現(xiàn)，降低淬硬傾向;另一方面可以控制接頭部位的氫含量，減少焊接應(yīng)力，降低裂紋出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)。值得注意的是，選擇預(yù)熱溫度時(shí)，應(yīng)該結(jié)合碳當(dāng)量水平，綜合分析板厚、化學(xué)成分、擴(kuò)散氫含量等，避免溫度過(guò)高或過(guò)低。第二，減小接頭應(yīng)力。降低接頭的應(yīng)力系數(shù)，能提高接頭疲勞強(qiáng)度，具體措施如下：①焊縫處理完成后，及時(shí)清理表面，可使用砂輪打磨，實(shí)現(xiàn)焊縫和母材的圓滑過(guò)渡;②控制焊縫的余高，露出的接頭比較平滑，不會(huì)出現(xiàn)凹陷現(xiàn)象;③提高焊接工藝水平，對(duì)焊工的技能進(jìn)行考核，落實(shí)培訓(xùn)活動(dòng)。第三，焊后熱處理。球罐焊接作業(yè)，是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的重要原因，焊后進(jìn)行熱處理，可以對(duì)這部分應(yīng)力進(jìn)行消除或減小，提高焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)裂紋。實(shí)踐證實(shí)，焊后進(jìn)行整體熱處理，可以提高熱影響區(qū)的塑性，增強(qiáng)沖擊韌性和抗腐蝕性能。具體處理時(shí)，將溫度控制在575±15℃，處理時(shí)間持續(xù)3小時(shí);當(dāng)溫度降低至400℃，即可自然冷卻。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，低溫球罐是工業(yè)生產(chǎn)中的常見(jiàn)設(shè)備，尤其是在石油化工企業(yè)應(yīng)用廣泛。分析可知，低溫球罐在焊接作業(yè)中，容易出現(xiàn)一些缺陷，影響因素包括焊接性能、氫含量、接頭應(yīng)力等。對(duì)此，控制母材化學(xué)成分，合理選擇焊接材料，規(guī)范焊接工序，改進(jìn)焊接工藝，可以預(yù)防焊接缺陷，提高低溫球罐的使用性能。

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