壓力容器焊接新技術(shù)及其應(yīng)用

韓光華，王 興

（廊坊廣廈新源石化設(shè)備制造有限公司，河北 廊坊 065600）

0 引言

壓力容器一般在高溫高壓下運(yùn)行，通常包含易燃、易爆和有毒介質(zhì)。如果由于設(shè)備故障而發(fā)生事故，很容易威脅到人員、設(shè)備和財產(chǎn)的安全，并可能引起環(huán)境污染事故，因此被列為重要管制產(chǎn)品，由國家指定的專門機(jī)構(gòu)根據(jù)國家法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全監(jiān)督和技術(shù)檢查。焊接技術(shù)是壓力容器制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)，焊接質(zhì)量直接關(guān)系到壓力容器制造質(zhì)量安全。因此，高質(zhì)量、高效率的焊接新技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)壓力容器制造的高效率，并確保本質(zhì)安全。

1 壓力容器的概念

壓力容器主要是指由圓柱體、支撐件、法蘭、密封元件、開孔、封頭和接管等組成的承壓設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、醫(yī)藥、核電熱電以及機(jī)械等領(lǐng)域。壓力容器的工作環(huán)境惡劣，常年在高溫高壓、腐蝕等惡劣條件下服役。因此，壓力容器的質(zhì)量是否符合要求極其重要，焊接工藝亦是檢驗其質(zhì)量的重要一環(huán)。在現(xiàn)在的壓力容器生產(chǎn)企業(yè)中，通常需要專業(yè)人員根據(jù)具體需求去查找相關(guān)的焊接工藝文件，這樣難免會造成浪費(fèi)時間和產(chǎn)生誤差，管理人員的過度干預(yù)、上下級傳達(dá)時出現(xiàn)的誤差等主觀因素，制訂的不同焊接檢驗標(biāo)準(zhǔn)都會影響焊接質(zhì)量。通過建立壓力容器焊接數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)使專業(yè)技術(shù)人員更便于評定焊接工藝查找相關(guān)焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)，將現(xiàn)有的合格焊接工藝評定建成數(shù)據(jù)庫。根據(jù)新的壓力容器焊接工藝評定項且由計算機(jī)對比查詢合格的焊接工藝評定報告并輸出對應(yīng)的焊接工藝卡，大大節(jié)省時間、人力和物力，從而提高工作效率。

2 壓力容器焊接過程概述

2.1 壓力容器焊接技術(shù)的主要特點(diǎn)

由于壓力容器用于容納不同的物品，壓力容器的制造要求也不同。低壓、高壓和超高壓容器必須使用不同的焊接材料，并且由于對厚度的要求不同，所以，壓力容器焊接技能表現(xiàn)出不同的特征，如當(dāng)前使用最廣泛的是金屬連接技術(shù)。

2.2 壓力容器的焊接工藝流程

壓力容器焊接技術(shù)的主要過程是焊接設(shè)備的使用、工作檢查、材料管理等。為了提高壓力容器的耐用性，必須定期維護(hù)焊接設(shè)備，使設(shè)備能夠安全運(yùn)行。此外，應(yīng)維護(hù)和檢查電流表和電壓表，以確保設(shè)備正常運(yùn)行。另外，有必要選擇合適的焊接材料并滿足壓力容器的要求，以避免諸如材料混淆和錯誤之類的問題；有必要檢查焊接操作，詳細(xì)檢查焊接材料，準(zhǔn)確控制焊接速度、時間、溫度等數(shù)據(jù)，并按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接；有必要在焊接后檢查壓力容器的耐壓性，并確保壓力容器可以有效使用。

3 壓力容器焊接技術(shù)

3.1 厚壁壓力容器的焊接技術(shù)

焊接操作經(jīng)常會涉及高空焊接工藝，如大型塔架的空中焊接、大直徑容器噴嘴和殼體的焊接、密閉空間（例如高壓小直徑厚壁容器）的焊接、極度危險介質(zhì)容器的焊接以及內(nèi)部維修等，這會給焊接操作人員帶來安全隱患，因此迫切需要安全、高度自動化和高效的焊接技術(shù)。厚壁壓力容器的傳統(tǒng)焊接技術(shù)是單絲埋弧焊和電渣焊，使用窄間隙焊接技術(shù)，通過減小凹槽的橫截面積來減少焊接熱量輸入。

3.2 不銹鋼復(fù)合板壓力容器的焊接技術(shù)

不銹鋼復(fù)合板是以碳素鋼或低合金鋼為基層，以不銹鋼為復(fù)層的雙金屬復(fù)合板。通常，雙金屬復(fù)合板通過爆炸法、冷軋法或爆炸冷軋法制成，具有不銹鋼的耐腐蝕性，并且碳鋼和低合金鋼具有低成本的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地用于冶煉、石油、化工等領(lǐng)域的塔槽設(shè)備材料。復(fù)合板的焊接不同于單金屬的焊接，是對兩種具有大的物理性能、化學(xué)成分和組織的材料進(jìn)行焊接。由于兩種金屬的膨脹系數(shù)不同，因此在焊縫附近會引起焊接熱應(yīng)力。

3.3 承裝腐蝕介質(zhì)的壓力容器焊接技術(shù)

當(dāng)前的新表面處理方法是電渣表面處理，與以前使用的帶極埋弧堆焊表面處理相比，其具有熔化效率高、均勻的滲透和稀釋率低于帶極埋弧堆焊的優(yōu)點(diǎn)。單層表面處理可以滿足性能要求，同時減少工作量，表面處理層形成良好，不容易產(chǎn)生夾渣、表面質(zhì)量差、平坦度低等缺陷。助焊劑只需要在焊接方向的正面遮蓋，而埋弧焊必須用焊劑覆蓋整個焊接區(qū)域。

3.4 彎管內(nèi)壁堆焊技術(shù)

在化工行業(yè)，壓力容器由于長期承裝各類化學(xué)藥品，在使用中幾乎無時不刻不受到腐蝕，為延長壓力容器使用壽命，防止出現(xiàn)腐蝕事故，就需要在壓力容器內(nèi)壁進(jìn)行耐腐蝕層堆焊。一般而言，壓力容器直管耐腐蝕層堆焊工作難度較低，相對而言存在較高操作難度的就是彎管堆焊。根據(jù)彎管角度不同，彎管堆焊可分為30°堆焊與90°堆焊兩種。30°彎管堆焊所使用的堆焊機(jī)具有五軸協(xié)動功能，可以通過構(gòu)建簡單的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制，從而使內(nèi)壁焊道更為整齊，焊接也更為穩(wěn)定。其采用的焊接工藝主要為TIG 焊和等離子弧焊，可以沿彎管內(nèi)壁自動堆焊。90°彎管堆焊出現(xiàn)較晚，過去常將90°彎管進(jìn)行分割后使用30°堆焊。與30°堆焊不同的是，90°堆焊并非環(huán)向堆焊，而是縱向堆焊。在焊接過程中通過控制工件的二維運(yùn)動確保焊道的穩(wěn)定性，所采用的焊接工藝為GMAW 焊。

3.5 窄間隙埋弧焊技術(shù)

根據(jù)用途不同，壓力容器的設(shè)計承受壓力也不相同，承壓要求較高的壓力容器的容器壁也更厚，而傳統(tǒng)的焊接技術(shù)就會難以滿足要求，無法保證容器使用的可靠性。針對容器壁較厚（＞100mm）的壓力容器，更為先進(jìn)的窄間隙技術(shù)則比傳統(tǒng)UV 焊更能滿足要求，其中使用最為廣泛的是窄間隙埋弧焊。部分企業(yè)為使焊縫更窄，采用了窄間隙TIG 焊，與窄間隙埋弧焊相比，窄間隙TIG 焊在效率及焊縫上都存在優(yōu)勢，這一技術(shù)容錯率低，由于焊縫太窄，因此焊接出現(xiàn)問題修復(fù)的難度較高，窄間隙埋弧焊更加適用于厚壁容器的焊接。在焊接工作中使用窄間隙埋弧焊應(yīng)注意焊道的穩(wěn)定性與熔合狀態(tài)，同時應(yīng)使焊道盡可能薄而寬，充分利用焊接所產(chǎn)生的熱量，可以有效提高焊接效率，同時也可以避免母材過熱而影響其金屬性能。目前窄間隙埋弧焊在我國使用極為廣泛，技術(shù)較為成熟，同時還發(fā)展出了更為先進(jìn)、穩(wěn)定、高效的雙絲窄間隙埋弧焊，可以更好地滿足厚壁壓力容器的制造需求。

3.6 接管自動焊接技術(shù)

3.6.1 接管筒體焊接

接管筒體自動焊接一般采用馬鞍形埋弧自動焊機(jī)，而過去我國所采用的焊機(jī)主要通過機(jī)械方式實(shí)現(xiàn)焊槍的馬鞍形軌跡運(yùn)動，在實(shí)際運(yùn)用中存在一定缺陷，如厚度過大、焊縫坡口過大等?，F(xiàn)今主要使用的均為數(shù)控自動焊機(jī)，可以根據(jù)接管和筒體的具體尺寸，通過計算生成相應(yīng)的馬鞍形軌跡，在操作中只需要手動輸入相關(guān)參數(shù)，即可開始焊接。數(shù)控馬鞍形埋弧自動焊機(jī)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)自動焊機(jī)的缺陷，可以適應(yīng)不同厚度工件的焊接工作。

3.6.2 接管封頭焊接

根據(jù)接管方向不同，接管封頭焊接可以分為向心與非向心兩類。接管封頭焊接使用封頭接管埋弧自動焊機(jī)，可以對焊接容器進(jìn)行自動定心，消除了過去人工定心的誤差，有效提高了焊接的準(zhǔn)確度。在焊接過程中，封頭自動焊機(jī)可以對整個過程進(jìn)行實(shí)時跟蹤調(diào)整，從未可以確保焊接的穩(wěn)定性。

3.7 TIG 焊與MIG 焊

3.7.1 TIG 焊

TIG 焊（熔化極惰性氣體保護(hù)焊），常用的鎢極氬弧焊就是一種TIG 焊，在尺寸較小或器壁較薄的壓力容器焊接中較為常用。TIG 焊可以較好地保證容器的密閉性，由于使用了氬氣保護(hù)與鎢電極，TIG 焊穩(wěn)定性較高，不通電的焊絲則不會發(fā)生濺射，從而可以防止容器在焊接中出現(xiàn)氣孔。TIG 焊操作程序較為復(fù)雜，在工作效率上不具優(yōu)勢，相比于其他焊接方式，TIG 焊的成本也要稍高一些。

3.7.2 MIG 焊

MIG 焊（熔化極惰性氣體保護(hù)焊）也是一種惰氣保護(hù)焊，與TIG 焊不同的是MIG 焊用焊絲取代了TIG 焊中的鎢電極，在焊接過程中，焊絲電極會在高溫下融化并融入焊縫。MIG 焊可以適應(yīng)不同位置的焊接工作，具有較高的焊接效率，焊縫美觀性也較高，相比于TIG 焊，MIG 焊得到了更為廣泛的應(yīng)用。

3.8 激光復(fù)合焊接技術(shù)

盡管TIG 焊與MIG 焊具有許多有點(diǎn)，但依然存在不足，如TIG 焊焊接效率較低，而MIG 焊使用氬氣保護(hù)時電弧控制難度較大等，為滿足壓力容器生產(chǎn)需求，更為先進(jìn)的激光符合焊接技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目前應(yīng)用較多的激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)可以提高電弧的控制性，使焊接穩(wěn)定性大大提高，并具有與MIG 焊相當(dāng)?shù)墓ぷ餍?。近年來，隨著數(shù)字化技術(shù)的融入，復(fù)合焊接技術(shù)的優(yōu)勢愈發(fā)明顯，而其應(yīng)用也越來越廣泛。

4 結(jié)語

壓力容器需要保證在承壓條件下的密閉性，在制造過程中需要采取多種新型焊接技術(shù)將材料嚴(yán)密結(jié)合，確保壓力容器正常使用。在壓力容器的制造過程中，焊接占據(jù)了相當(dāng)大的比重，而焊接工作的質(zhì)量一定程度上也決定著壓力容器的可靠性。為提升壓力容器的可靠性，降低其使用風(fēng)險，提升焊接技術(shù)、改良焊接方法很有必要。