劉杰,廖桂新
(德陽(yáng)市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所,四川 德陽(yáng) 618000)
目前,大型加氫反應(yīng)器選用的主體材料一般為2.25Cr1Mo-0.25V,此種材料相比以前的Cr-Mo鋼焊接性較差,但具有優(yōu)良的耐熱性、高溫抗腐蝕性能以及力學(xué)性能。所以,隨著加氫反應(yīng)器使用材料的發(fā)展進(jìn)步,制造過(guò)程中對(duì)焊接工序提出了更高的要求。在某臺(tái)容器產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中,該焊縫焊接完后產(chǎn)生了很多裂紋,嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)工序的推進(jìn)。
主體材料為2.25Cr1Mo-0.25V大型加氫反應(yīng)器中,殼體部分(包括上封頭+上過(guò)渡段+筒體+下過(guò)渡段+下封頭)均為鍛件,與之相焊的裙座筒體(Ⅱ)為同材質(zhì)的鋼板卷制而成。該產(chǎn)品殼體外徑φ4449mm,最小壁厚δ=217mm,容器總重580t?,F(xiàn)殼體部分已經(jīng)裝焊完成,之后組焊裙座筒體(Ⅱ)與下過(guò)渡段,其外徑與殼體相同,用同材質(zhì)66mm厚的鋼板卷制而成,如下圖1。
圖1 某臺(tái)加氫反應(yīng)器裝焊過(guò)程簡(jiǎn)圖
裙座筒體(Ⅱ)卷制完成后縱縫先進(jìn)行點(diǎn)焊固定,然后,通過(guò)工裝吊耳與殼體下過(guò)渡段組裝。下過(guò)渡段坡口有一圈寬24mm的直邊(厚度4mm),裙座筒體(Ⅱ)裝配時(shí)將其卡緊。裝配后,采用焊條電弧焊進(jìn)行點(diǎn)焊固定,這樣裙座筒體(Ⅱ)與下過(guò)渡段之間就形成“V”形坡口,之后采用埋弧焊進(jìn)行焊接。焊接完成后,將直邊氣刨去除,打磨平滑,最后再焊接裙座筒體(Ⅱ)上的縱縫。
在某臺(tái)容器的實(shí)際生產(chǎn)中,該環(huán)焊縫按工藝進(jìn)行消氫后,出現(xiàn)很多裂紋,且肉眼可見(jiàn),垂直于焊縫方向,為橫向裂紋,長(zhǎng)度約80mm,共8處,無(wú)規(guī)則地分布在環(huán)焊縫圓周上,貫穿于整個(gè)焊縫寬度。在清除裂紋的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)裂紋延伸到焊縫根部。如下圖2、圖3所示(圖3是圖2中裂紋局部放大圖)。
圖2 產(chǎn)生裂紋的焊縫
此前,該廠生產(chǎn)的容器產(chǎn)品母材大多數(shù)為16MnR或2.25Cr1Mo。前者材料焊接性非常好,焊接工藝參數(shù)范圍大,且一般不會(huì)產(chǎn)生裂紋;后者材料焊接性也較好,焊接過(guò)程中注意預(yù)熱溫度、焊接層間溫度以及焊后熱處理等,產(chǎn)生裂紋傾向也不大。
圖3 焊縫裂紋
現(xiàn)在該廠生產(chǎn)的加氫容器母材一般都為2.25Cr1Mo-0.25V,相比上述2.25Cr1Mo材料,加入了金屬元素”V”。在增加了母材耐熱性和高溫抗腐蝕性的同時(shí),使材料本身的焊接性變差,即焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋(特別是熱裂紋、冷裂紋及再熱裂紋)傾向大大增加,如果焊前裝配不當(dāng)或焊接過(guò)程中溫度控制不好都會(huì)引發(fā)裂紋的出現(xiàn)。
在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,原工藝對(duì)下過(guò)渡段與裙座焊縫采用的焊接工藝如下表1所示。該焊接規(guī)范與之前做的焊接工藝評(píng)定中參數(shù)并無(wú)區(qū)別,由此可見(jiàn),采用的焊接工藝參數(shù)是符合要求的,關(guān)鍵是該焊縫在焊接過(guò)程中工藝執(zhí)行情況是否嚴(yán)格。
表1 下過(guò)渡段與裙座焊縫的焊接工藝參數(shù)
(1)焊接材料選用。在焊接過(guò)程中,使用的焊材為德國(guó)進(jìn)口的蒂森埋弧焊絲和配對(duì)的焊劑,焊材入庫(kù)的復(fù)驗(yàn)結(jié)果均符合相應(yīng)技術(shù)條件。但是,在焊接的過(guò)程中,焊縫成型不是很美觀,焊道脫渣也較困難,尤其是焊道兩邊的熔合線部位,容易造成夾渣的焊接缺陷,為下道焊縫熔合埋下病根,引起裂紋的產(chǎn)生。(2)焊接過(guò)程中溫度控制。工藝要求采用天然氣加熱的方式進(jìn)行焊前預(yù)熱和保證焊接層間溫度。按照以前操作人員的加熱方法,使用約為筒體1/6的圓弧形加熱工裝,在底部中心圓周上進(jìn)行加熱,在焊接過(guò)程中,筒體在慢慢轉(zhuǎn)動(dòng),加熱工裝不能覆蓋全部焊縫,會(huì)影響焊縫在圓周方向受熱均勻性。
焊縫的焊接過(guò)程中,存在著拘束應(yīng)力、熱應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力,這些都是影響焊縫的重要因素。(1)受拘束力。下過(guò)渡段為鍛件,所有尺寸都是通過(guò)立車機(jī)械加工符圖,而裙座是由采購(gòu)的同材質(zhì)鋼板下料,在三輥卷板機(jī)上卷制成型,坡口也是在鋼板下料時(shí)數(shù)控氣割而成。鋼板成型時(shí),必然會(huì)存在一定的橢圓度,在與下過(guò)渡段裝配后,裙座筒體(Ⅱ)限制了焊接過(guò)程中下過(guò)渡段的自由收縮,受拘束度較大。在裙座筒體與下過(guò)渡段裝配完后,在焊縫背面采用焊條點(diǎn)焊固定,之后直接進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊接。下過(guò)渡段直邊厚度只有4mm,在進(jìn)行埋弧自動(dòng)打底焊接時(shí),由于結(jié)構(gòu)限制及焊接應(yīng)力的存在,第一層打底焊后很容易產(chǎn)生微裂紋,且焊接操作者無(wú)法看見(jiàn)。(2)熱應(yīng)力。該焊縫是相同厚度的鍛件和鋼板相連接,材質(zhì)相近,雖然下過(guò)渡段鍛件壁厚存在一定長(zhǎng)度的過(guò)渡區(qū),但是,焊接受熱時(shí),熱膨脹速度仍有一定差異。另外,雖然鋼的牌號(hào)都一樣,但鍛件的化學(xué)成分和各種物理性能與采購(gòu)的鋼板也存在較大區(qū)別,所以,使得下過(guò)渡段與裙座筒體的線膨脹系數(shù)存在差異。熱膨脹的不同會(huì)引起更大的熱應(yīng)力。
通過(guò)上述分析,加釩鋼壓力容器在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中,下過(guò)渡段與裙座焊縫的裂紋主要是由于焊前裝配(點(diǎn)焊固定)、焊接材料以及焊接過(guò)程中溫度的控制造成焊縫缺陷所致。在后續(xù)產(chǎn)品的制造中,我們主要做了以下改進(jìn)。
(1)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況,使用更好的焊材,使焊縫成型優(yōu)良,容易脫渣。
(2)采用圖8中改進(jìn)后的裝焊方式,小焊條多道多層焊打底,打底焊過(guò)程中,不允許焊條做橫向擺動(dòng),盡可能采用小電流焊接,之后將焊縫打磨圓滑。
(3)在加熱時(shí),盡量使整條圓周焊縫受熱均勻。
經(jīng)過(guò)以上措施的實(shí)施,后續(xù)過(guò)渡段與裙座筒體的焊縫未出現(xiàn)過(guò)裂紋,大大提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。