304H高溫反應(yīng)器焊接質(zhì)量控制

李平建

摘? 要：文章以304H高溫反應(yīng)器為例，探討項(xiàng)目要求對(duì)其焊接質(zhì)量控制的具體措施：對(duì)焊工培訓(xùn)和施焊通過(guò)焊接數(shù)據(jù)表提出控制點(diǎn)要求以及主要返修的解決措施，通過(guò)制度化的設(shè)計(jì)確保每一條焊縫焊接質(zhì)量滿足項(xiàng)目規(guī)范工藝條件及設(shè)計(jì)圖樣要求。目前該設(shè)備安全運(yùn)行5周年，無(wú)焊接質(zhì)量問(wèn)題，客戶對(duì)產(chǎn)品滿意。

關(guān)鍵詞：304H;反應(yīng)器;焊接;質(zhì)量控制

中圖分類號(hào)：TG457.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）18-0109-05

Abstract： Taking 304H high temperature reactor as an example， this paper discusses the specific measures required by the project to control its welding quality： the requirements of control points for welder training and welding through the welding data table and the solutions to the main repair measures. Through institutionalized design to ensure that the welding quality of each weld meets the requirements of the project specification， process conditions and design drawings. At present， the equipment has been running safely for 5 years， there are no welding quality problems， and customers are satisfied with the products.

Keywords： 304H; reactor; welding; quality control

本文立足于以某項(xiàng)目304H高溫反應(yīng)器為例，探討焊接質(zhì)量控制的具體實(shí)施過(guò)程。某工廠承接一項(xiàng)目4臺(tái)核心反應(yīng)器的制造任務(wù)，該反應(yīng)器為立式結(jié)構(gòu)，總高度為30500～35500mm，總重量130～180t，材質(zhì)為304H，規(guī)格DN3800～4700mm×22/40/66mm不等。設(shè)計(jì)溫度為670°C左右，運(yùn)行溫度650°C左右。設(shè)備主體材料304H鋼板為耐熱奧氏體不銹鋼，該種不銹鋼具有良好的高溫力學(xué)性能和抗高溫蠕變性能，材料符合ASME-SA240標(biāo)準(zhǔn)，固溶狀態(tài)交貨。[1]

為確保產(chǎn)品質(zhì)量，特別是焊接質(zhì)量，項(xiàng)目部和業(yè)主來(lái)自歐洲和北美的設(shè)計(jì)、材料、焊接和檢驗(yàn)方面的SME技術(shù)專家提前6個(gè)月在容器制造廠開預(yù)檢會(huì)，在全程6天的預(yù)檢會(huì)上，項(xiàng)目檢驗(yàn)工程師和業(yè)主SME團(tuán)隊(duì)對(duì)合同及技術(shù)規(guī)范的每一個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行廣泛深入討論、釋疑及澄清。對(duì)供應(yīng)商的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（ITP）每一條進(jìn)行審核，明確每一個(gè)檢驗(yàn)要求，對(duì)板材、鍛件、封頭成型、熱處理單獨(dú)提出ITP的要求。以使容器制造廠能完全明白項(xiàng)目要求，并且有合理的時(shí)間進(jìn)行消化技術(shù)要求和進(jìn)行相關(guān)的準(zhǔn)備工作。

1 原材料及制造技術(shù)要求

1.1 304H板材及鍛件

為確保鋼板滿足技術(shù)要求，在容器廠采購(gòu)前要求提交鋼板采購(gòu)技術(shù)文件并經(jīng)項(xiàng)目部和業(yè)主SME批準(zhǔn)。304H鋼板從太原某鋼廠采購(gòu)。鋼廠投料之前，項(xiàng)目部和業(yè)主SME團(tuán)隊(duì)開預(yù)檢會(huì)并進(jìn)行工廠考察，重申項(xiàng)目的技術(shù)要求并評(píng)估鋼廠的生產(chǎn)技術(shù)能力。筆者作為EPC駐廠監(jiān)造工程師之一，在鋼板生產(chǎn)初期，依據(jù)ASME BPVC， Section II SA-240 304H要求見(jiàn)證每一張鋼板取樣切割及力學(xué)性能、鋼板晶粒度，UT和PT檢驗(yàn)/復(fù)驗(yàn)并對(duì)C，Ni，Cr，Mn，P，S和Si元素含量檢查，且Ti含量要求低于0.16%。在第一批鋼板運(yùn)到容器廠后返回，后期鋼板檢驗(yàn)有其他同事全程跟進(jìn)。

反應(yīng)器接管均為翻邊鍛件，采購(gòu)無(wú)錫某鍛件廠，為確保設(shè)備法蘭等鍛件滿足技術(shù)要求，在容器廠采購(gòu)前要求提交鍛件采購(gòu)技術(shù)文件并經(jīng)項(xiàng)目部和業(yè)主SME批準(zhǔn)。投料前，項(xiàng)目部和業(yè)主SME團(tuán)隊(duì)去無(wú)錫開預(yù)檢會(huì)并進(jìn)行工廠考察，重申項(xiàng)目的技術(shù)要求并評(píng)估工廠的生產(chǎn)技術(shù)能力，筆者見(jiàn)證設(shè)備法蘭的鍛造和固溶處理，后期檢驗(yàn)有其他同事全程跟進(jìn)。

1.2 材料隔離要求

在設(shè)備的制造過(guò)程前、中和后不同時(shí)期提出材料隔離要求，比如金屬鏈鉤子吊索等不能直接與材料相接觸，特別注意304H材料的表面清潔，防止打磨清理的粉塵污染表面，尤其注意防止低熔點(diǎn)的材料接觸表面。必須使用全新的用于不銹鋼的鋼絲刷和砂輪片等。為此容器廠特地劃定專門區(qū)域作為反應(yīng)器場(chǎng)地，并采購(gòu)專用吊鉤等設(shè)備。

1.3 焊接填充金屬和耗材

304H填充金屬和耗材為：SFA 5.4，AWS classification E308H或SFA 5.9，AWS classification ER308H。填充金屬按 EN10204-3.1，SFA5.01 Schedule H采購(gòu)。[2]

1.4 焊接方法

批準(zhǔn)3種：SMAW、GTAW和SAW。焊條直徑最大3.2mm和焊道最大寬度12.5mm;氬弧焊絲直徑最大2.4mm和焊道最大寬度12.5mm;埋弧焊絲直徑最大2.4mm和焊道最大寬度25mm。

除密封焊外，所有的焊道要多層多道焊，單面焊的接頭根部焊道必須用GTAW，工藝參數(shù)的選擇盡可能減小熱輸入和盡可能小的HAZ.GTAW用于根部焊道以及用于厚度低于10mm母材的焊接，保護(hù)氣純度不低于99.97%Ar氣。背部Ar氣保護(hù)至少到3層，當(dāng)材料厚度低于10 mm時(shí)，比如一些非受壓附件焊縫，材料背部也需要Ar氣保護(hù)防止氧化。

焊縫不允許有表面缺陷，比如裂紋、氣孔、夾渣及不規(guī)則表面。不允許使用墊板;環(huán)縫在360度錯(cuò)邊量均布，層間溫度不超過(guò)150度，焊縫和母材不允許過(guò)氧化，蓋面層必須使用回火焊道方法，蓋面層的最終焊道不與母材相接觸，除非蓋面層太窄不能焊3道。

1.5 PT要求

合適的無(wú)損檢測(cè)方法在合適的時(shí)機(jī)實(shí)施也可以提高缺陷的檢出率與檢測(cè)精度，避免制造時(shí)遺留缺陷到使用階段。本項(xiàng)目對(duì)PT提出了更高的要求，對(duì)滲透材料和工藝須滿足ISO3452μ1um×20μm Ni-Cr試塊的靈敏度要求。滲透操作人員每班次工作前至少一次來(lái)確認(rèn)其操作能滿足靈敏度要求。檢驗(yàn)區(qū)域：要求檢驗(yàn)區(qū)域及周邊25mm。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：ASME VIII Div 1 附錄8。在焊工培訓(xùn)中曾向PT操作人員提出：規(guī)范要求1.5mm以下的線性顯示是合格不需返修的，比如1.4mm不需要返修而1.6mm需要返修，操作人員是如何判定線性顯示的長(zhǎng)度的。

1.6 焊接數(shù)據(jù)表

每一條受壓件或非受壓件的焊縫在接頭準(zhǔn)備階段須提交焊接數(shù)據(jù)表給項(xiàng)目工程師審批，焊接數(shù)據(jù)表貫徹焊接的始終，在制造過(guò)程中作為一個(gè)溝通和檢驗(yàn)的工具，在焊接后，焊接數(shù)據(jù)表作為檔案資料存入工廠的交工資料，焊接數(shù)據(jù)表通常還要包括其他典型的附件，比如典型的照片、無(wú)損檢測(cè)報(bào)告檢驗(yàn)報(bào)告、射線評(píng)片和問(wèn)題的處理方案。

1.7 焊接接頭

焊接接頭要雙面焊，不能雙面焊的可以單面焊，目視檢查鈍邊和組對(duì)間隙，盡量用最低的熱輸入且確保全焊透，打磨清根的最大和最小深度列入焊接數(shù)據(jù)表。最終焊道寬度不超過(guò)接頭處薄板厚度+6mm，接頭設(shè)計(jì)焊接工藝焊接技術(shù)的設(shè)置力求減少熱輸入、減少焊道寬度及減少熔敷金屬的體積和變形。

2 焊工考核要求

反應(yīng)器工作預(yù)敏化溫度區(qū)間，焊縫鐵素體范圍的控制是焊接監(jiān)控的核心和重點(diǎn)，焊工技能是確保焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素，本產(chǎn)品按ASME IX要求考核。項(xiàng)目規(guī)范要求使用專用焊接材料和母材，焊接試板能覆蓋產(chǎn)品的最小及最大厚度的單面焊全拘束試板，模擬坡口的幾何尺寸及評(píng)定1G2G3G位置，進(jìn)行PT/UT無(wú)損檢驗(yàn)，[3]光譜檢查熔敷金屬的化學(xué)成分。

為此，項(xiàng)目設(shè)計(jì)焊接數(shù)據(jù)表用于焊工考核，及培訓(xùn)QC及PT操作人員，并要求工廠檢驗(yàn)員、EPC檢驗(yàn)員在每一個(gè)步驟后在數(shù)據(jù)表簽字確認(rèn)。對(duì)入選項(xiàng)目的每一個(gè)焊工及PT操作人員進(jìn)行培訓(xùn)考試，確保項(xiàng)目從業(yè)人員能完全明白合同的技術(shù)要求。

2.1 鐵素體要求

鐵素體的測(cè)量，每個(gè)爐批號(hào)焊材進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，在鋼板上堆焊3層，F(xiàn)N 3～5合格。產(chǎn)品上每條焊縫測(cè)試鐵素體含量，根部焊道和蓋面焊道必須測(cè)量，對(duì)于厚度大于25.4mm的，在6mm厚處加測(cè)一次，測(cè)量足夠多的點(diǎn)以確保焊縫金屬有合適的鐵素體含量，沿焊縫整個(gè)長(zhǎng)度每150mm測(cè)一次，F(xiàn)N2～6合格。產(chǎn)品用德國(guó)產(chǎn)FMP30型磁性鐵素體儀，按照AWS A4.2進(jìn)行標(biāo)定。[4]EPC監(jiān)造可以要求以更小的間隔測(cè)試更多的點(diǎn)，所有不在范圍內(nèi)的讀數(shù)都必須匯報(bào)給業(yè)主。在整個(gè)制造過(guò)程中EPC監(jiān)造/SME可隨時(shí)隨機(jī)測(cè)量鐵素體，合格標(biāo)準(zhǔn)FN2～6。供應(yīng)商須提供至少一個(gè)經(jīng)校驗(yàn)合格的鐵素體檢測(cè)儀在現(xiàn)場(chǎng)，以便隨時(shí)使用。當(dāng)焊縫使用多種焊接方法時(shí)，每種方法的第一道和最后一道必須測(cè)試。鐵素體的測(cè)量必須在打磨拋光后熱處理前測(cè)試，在室溫情況下測(cè)試熔敷金屬的表面。焊縫的測(cè)試值代表從上一次測(cè)試合格后焊接熔敷金屬鐵素體含量。

2.2 焊工GTAW/SMAW/SAW技能測(cè)試要求

為確保生產(chǎn)的順利進(jìn)行，供應(yīng)商提前4個(gè)月進(jìn)行焊工培訓(xùn)預(yù)備工作。每一個(gè)入場(chǎng)焊工須進(jìn)行技能測(cè)試，確保產(chǎn)品上每一條焊縫金屬能有符合規(guī)范要求的鐵素體，設(shè)計(jì)的焊接數(shù)據(jù)表如圖1和表1。

因66mm鋼板無(wú)庫(kù)存，焊工考試用304超過(guò)0.04%含碳量的52mm厚鋼板代替，并取得業(yè)主同意。

2.3 焊工考核發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

容器廠內(nèi)部培訓(xùn)發(fā)現(xiàn)GTAW/SAW鐵素體容易滿足FN2～6要求。但SMAW問(wèn)題較多：

（1）不同焊工施焊的鐵素體含量與FN3～5出入較大。

為使接頭獲得良好的力學(xué)性能，避免產(chǎn)生熱裂紋等缺陷，[5]在多次實(shí)驗(yàn)后工廠總結(jié)出熔敷金屬中的鐵素體含量隨焊接電流增加而降低，盡量采用小電流、窄焊道快速焊，嚴(yán)格控制熱輸入，焊接時(shí)保持小電流焊接。

（2）304H熔敷金屬中的鐵素體含量隨焊接電壓增加而降低，而電弧電壓是隨著電弧長(zhǎng)短而變化，焊接時(shí)盡量保持短弧焊接。[6]焊材廠家建議的主要工藝參數(shù)電流90～110A，電壓28～31V，焊接速度24～30cm/min。

在實(shí)際考核中的問(wèn)題主要有：

（1）部分焊工在GTAW打底一道后沒(méi)有通知鐵素體檢驗(yàn)。這種情況，允許焊工本人用專用于不銹鋼的砂輪片打磨去除已焊部分，通知PT檢測(cè)。EPC檢驗(yàn)員見(jiàn)證PT檢測(cè)過(guò)程，PT合格后進(jìn)入正常焊工考核。

（2）部分焊工在SMAW打底焊道鐵素體檢驗(yàn)不合格。這種情況，給予焊工一次補(bǔ)考機(jī)會(huì)，允許焊工本人打磨去除已焊部分，通知PT檢測(cè)。EPC檢驗(yàn)員見(jiàn)證PT檢測(cè)過(guò)程，PT合格后進(jìn)入正常焊工考核。

（3）部分焊工打底加熱焊兩道鐵素體合格后，沒(méi)有通知PT檢驗(yàn)繼續(xù)焊接。這種情況，給予焊工一次機(jī)會(huì)，允許焊工本人打磨去除到已檢鐵素體合格位置，通知PT檢測(cè)。EPC檢驗(yàn)員見(jiàn)證PT檢測(cè)過(guò)程，PT合格后進(jìn)入正常焊工考核。

（4）部分焊工在1/4深度1/2深度或蓋面焊縫檢測(cè)素體不合格。這種情況，給予焊工一次機(jī)會(huì)，允許焊工本人打磨去除到上一次已檢鐵素體合格位置，通知PT檢測(cè)。EPC檢驗(yàn)員見(jiàn)證PT檢測(cè)過(guò)程，PT合格后進(jìn)入正常焊工考核。

（5）項(xiàng)目規(guī)范要求蓋面焊道要用回火焊道，部分焊工沒(méi)有回火焊道。允許焊工本人打磨去除蓋面焊道，重新進(jìn)行回火焊道的焊接。