壓力容器焊接生產中的質量控制＊

杜立明，牟宗佺

(青島市鍋爐壓力容器檢驗所，山東青島 266071)

焊接是壓力容器等承壓設備制造過程中的一種主要加工成形方法。在焊接過程中，焊接接頭經歷了短時高溫加熱和快速冷卻的熱循環(huán)過程，其組織、成分發(fā)生了變化，存在一定的不均勻性，在產品結構中處于薄弱環(huán)節(jié)，始終是壓力容器這類重要焊接結構失效的主要區(qū)域。國內外有關資料表明:在鍋爐壓力容器的失效事故中，焊縫是主要的失效源，而制造質量的優(yōu)劣是事故的重要原因［1］。因此，作為產品的關鍵制造工藝，針對焊接技術文件編制、焊工培訓考試、焊材選擇及管理、焊接過程控制、焊接檢驗等環(huán)節(jié)，對焊接生產進行嚴格的全過程控制，以保證壓力容器的焊接質量符合標準、法規(guī)的要求。

1 壓力容器焊接特點

由于壓力容器制造周期長，參與人員多，需要不同工種協同作業(yè)，環(huán)境因素影響比較復雜。而且焊接本身的特點，受焊工操作水平、身體狀態(tài)等人為主觀因素影響較大，造成有些焊接缺陷具有延時性，即使在焊接操作過程中違反了焊接工藝，比如焊接超低碳奧氏體不銹鋼時用錯了焊材，在焊后進行的外觀檢驗、無損檢驗及耐壓試驗中并不容易被發(fā)現，但在以后的使用中，用錯焊材的焊縫在強腐蝕介質作用下會較早產生腐蝕，造成局部減薄，甚至開裂。因此，應對焊接過程連續(xù)監(jiān)視，對焊接參數加以控制。

在產品實施焊接之前，需做大量的焊前準備，包括材料的采購、驗收和切削加工，工裝的設計，焊接工藝評定和焊工培訓考試。當母材類別、材料厚度、焊接方法、焊接參數等重要因素或附加因素發(fā)生改變時，還要重新進行焊接工藝評定，焊工也要重新考試。

2 材料選用及焊接性

2.1 材料的選用

壓力容器所用的材料一般為碳鋼、低合金鋼和高合金鋼。為了滿足使用條件下的力學性能要求(主要包括強度和塑韌性的要求)，一般規(guī)定壓力容器專用鋼中 C≤0.25%、P≤0.030%、S≤0.020%。在GB 150—2011中規(guī)定: “選擇壓力容器受壓元件用鋼時應考慮容器的使用條件 (如設計溫度、設計壓力、介質特性和操作特點等)、材料的性能 (力學性能、工藝性能、化學性能和物理性能)、容器的制造工藝以及經濟合理性”。所用的材料都應有供應廠商提供的完整質量證明書原件，并按照質量證明書對鋼材進行驗收。

在鋼材的冶煉方式上，要求所用的專用鋼材符合標準規(guī)定。對標準抗拉強度下限值大于或者等于540 MPa的低合金鋼鋼板和奧氏體—鐵素體型不銹鋼鋼板，以及用于設計溫度低于－20℃的低溫鋼板和低溫鋼鍛件，還應當采用爐外精煉工藝。

2.2 材料的焊接性

低碳鋼的含碳量低 (碳含量為0.04% ～0.25%)，錳、硅元素含量少，在一般情況下，焊接時不會引起嚴重的組織硬化，塑性和沖擊韌性優(yōu)良。焊接時一般不需焊前預熱，也無需焊后熱處理，即可獲得質量滿意的焊接接頭，故低碳鋼具有優(yōu)良的焊接性能，是所有鋼材中焊接性能最好的鋼種。

低合金高強鋼含有一定量的合金元素，具有較高的淬硬傾向，其焊接性能與碳鋼相比有一定的差別，其焊接特點表現在焊接熱影響區(qū)的組織變化。由于淬硬組織的增加，對冷裂紋的敏感性增加，接頭的塑韌性降低。碳化物形成元素較多時，再加上高的熱輸入量，就會造成接頭晶間偏析嚴重，大大提高了接頭的熱裂紋、再熱裂紋敏感性，容易出現各種形式的熱裂紋，如結晶裂紋、液化裂紋和高溫低塑性裂紋。因此，在制定焊接工藝時要充分考慮這些影響因素。

3 焊接工藝文件的編制

3.1 焊接工藝評定的制定

焊接工藝評定 (WPQ/Welding Procedure Qualification)是評定擬定的焊接工藝是否正確、適用的試驗性工作，目的在于檢驗按照該工藝是否能夠獲得滿足使用性能的焊接接頭，為下一步焊接工藝規(guī)程的編制提供主要依據。《容規(guī)》中明確規(guī)定在焊接之前這是一項必不可少的工作，也是對制造單位是否有能力焊接出符合要求的焊接接頭的一項評定。焊接工藝評定件必須按產品技術條件規(guī)定的標準進行焊前準備和焊接。常用的標準有NB/T47014、ASME第Ⅸ卷以及EN288-2Ⅲ標準。焊接完成后，試件須按照所選用標準規(guī)定的檢驗、試驗項目 (包括外觀檢查、無損檢驗、力學性能試驗)進行檢驗，根據產品的特殊要求，必要時可增加其他的檢驗項目，比如對奧氏體不銹鋼焊接試件還需要增加化學成分分析和晶間腐蝕試驗。如果焊接工藝評定試驗結果不合格，應分析并找出原因，修改WPQ參數重新焊接，直到評定合格為止。

3.2 焊接工藝規(guī)程的編制

焊接工藝規(guī)程 (WPS/Welding Procedure Specification)是指導焊接生產、保證焊接接頭質量的關鍵工藝文件，也是指導焊工實際焊接操作的主要依據。按照產品制造法規(guī)的規(guī)定，需要進行焊接工藝評定的焊接接頭，都要求編制焊接工藝規(guī)程。一份WPS可以由一個或幾個經評定合格的WPQ提供支持，一份WPQ也可以支持幾份WPS。檢驗人員須根據WPS的要求對產品焊縫的焊接過程進行現場檢驗。因此，WPS在焊接質量管理體系中處于重要的地位。制造廠商必須確保WPS的正確性及可靠性，必須是由本單位技術熟練的焊接人員使用本單位的焊接設備焊接試件，即提供支持的焊接工藝評定不允許借用或交換［2］。

3.3 焊接能量參數的選擇

焊接線能量是指熔焊時，由焊接能源輸入給單位長度焊縫上的熱能，用以表征焊接能量參數。線能量對焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度有著重要影響，由此影響到低合金鋼和中合金鋼焊接接頭的淬硬程度、氫的擴散速度以及焊接殘余應力水平，最終影響到接頭的冷裂傾向［3］。

焊接能量參數的選擇比較復雜，要綜合考慮各種因素，包括材料 (母材和焊材)、焊接方法、預熱溫度以及層間溫度等等。一般來說，焊接線能量越大，焊后冷卻速度就越慢，如果預熱和層間溫度選擇較高，焊縫金屬在高溫停留的時間延長，從而使得接頭各區(qū)的晶粒粗大，形成魏氏組織，降低了接頭的強度和韌性。所以，要合理選擇焊接能量參數，控制線能量在一定范圍之內，防止出現不合格的焊接接頭。

不同的材料對焊接線能量敏感性不同，即使是同種材料由于選擇的焊接方法不同，敏感程度也不一樣。對奧氏體不銹鋼，焊接時要嚴格控制線能量和層間溫度，防止σ相形成引起接頭脆化，降低使用壽命。對于低合金鋼而言，在一定范圍內，適當增大線能量是有益的，只有當線能量過大時，才會明顯降低接頭的強度和沖擊韌性。在相同線能量下采用不同的焊接方法時，埋弧焊的冷卻速度最慢，手弧焊最快，氬弧焊比埋弧焊的冷卻速度快一些，不同的焊接方法冷卻速度不同，因而得到的最終焊縫組織和性能也不相同。

3.4 焊接溫度參數的確定

焊接工藝中的溫度參數包括預熱溫度、層間溫度、后熱溫度和消氫處理溫度。這些溫度參數對焊接接頭的力學性能、抗裂性能及耐蝕性能都會產生重要影響。

預熱可以改變焊接過程中的熱循環(huán)，降低焊后冷卻速度、避免或減少淬硬組織的形成。在確定預熱溫度時應充分考慮母材的碳當量、焊材的擴散氫含量，以及采用的焊接方法、試件溫度和環(huán)境溫度等因素。

焊接接頭在高溫下持續(xù)時間過長，熱影響區(qū)部分晶粒急劇長大，導致接頭的塑性和沖擊韌性下降。當構件的剛度足夠時，室溫下可能出現脆裂，即焊接接頭的脆化現象，因此焊接時要嚴格控制層間溫度。例如，在焊接奧氏體不銹鋼時，必須將焊件保持較低的層間溫度，最好不超過150℃［4］。

后熱主要用于進行過焊前預熱仍然不足以防止冷裂紋的形成且焊接性較差的低合金鋼或高拘束度接頭。

消氫處理針對的是焊前預熱及后熱處理仍然不足以完全消除厚壁接頭冷裂紋的情況，要求焊后立即進行。溫度和時間視接頭的厚度而定，一般取為300 ～400 ℃，時間為1 ～2 h［5］。

4 焊工培訓和考試

無論是焊接工藝評定試件的制備，還是產品制造過程中的焊接，都需要擁有相當數量的操作熟練、評定合格的焊工予以保證。當使用材料及工藝條件確定后，焊工在焊接過程中將起到關鍵作用?！度菀?guī)》中明確規(guī)定:壓力容器受壓元件的焊接，必須由考試合格的焊工擔任。焊工培訓和評定也是焊接質量管理體系中的重要部分，按TSG Z6002—2010《特種設備焊接操作人員考核細則》的要求，對焊工進行培訓與評定考試，目的在于評定焊工具有焊接優(yōu)質焊縫的能力。

當焊工能熟練掌握基本理論知識和操作技能，并經考試合格后，才能按合格證允許的項目范圍施焊。焊接過程中，為了保證焊接質量，焊接檢驗人員應當嚴格審查焊工合格證上的項目 (包括焊接方法、焊接位置以及所覆蓋的厚度范圍)與他所從事的工作是否一致，并在有效期內。

5 焊材的選用與管理

5.1 焊材的選用

焊材的選用一般遵守兩個原則，即等強匹配原則和等成分匹配原則。對于碳素鋼及低合金鋼制做的用于承載和受壓的壓力容器，一般按等強性原則來選用;低溫下工作的容器，或承受交變載荷的容器，需保證接頭的低溫沖擊韌性不低于母材，在這種情況下，保證韌性比強度更重要;高溫容器和有耐腐蝕容器，焊材的選擇應與母材化學成分大致相同;不同強度級別的鋼材，原則上應選擇低強度等級的焊接材料;形狀復雜、結構剛性大以及大厚度的焊件，由于焊接過程中產生較大的焊接應力，容易產生裂紋，應選用抗裂性好的低氫焊條［3］。

5.2 焊材的管理

焊材的管理包括焊材的采購、驗收、保管、烘焙、發(fā)放和回收，其目的在于確保焊工領取的焊材正確、合格，按照焊接工藝可以焊出合格的焊縫。

焊接材料是否合格由焊材的采購、驗收和復驗來保證。檢驗人員首先檢查材料質量證明書和合格證是否正確、齊全，并按照采購合同、訂貨技術條件及相關標準進行驗收。檢驗合格后方可辦理入庫手續(xù)。

焊材的使用正確性由倉庫保管員和焊工通過保管、烘焙、領用、發(fā)放、回收等環(huán)節(jié)來保證。焊材入庫后按其類別、型號、牌號及批號分別安排位置存放保管。焊材庫應保持干燥，通風良好。焊條、焊劑發(fā)放之前，保管員應提前按照焊材烘焙工藝卡進行烘焙，烘好后放在保溫箱內保存，隨用隨取。焊工憑焊材領用單領取后將焊條置于保溫筒中，保溫筒應提前通電加熱。如果一批焊材在空氣中的暴露時間超過了4 h，則需要重新烘干，但烘干次數不得超過兩次，且將當班未用完的焊條退庫。

6 施焊過程控制

在施焊之前，檢驗人員應檢查待焊部件的標識是否正確，組對間隙、錯邊量和坡口的形狀、尺寸以及表面狀況是否符合圖紙及工藝文件要求，焊材是否按要求烘焙、領用是否正確，焊接設備及測量儀器儀表是否正常工作并在檢驗有效期內，焊工是否持有覆蓋該項目的合格證并在有效期內。在焊接過程中，檢驗人員要監(jiān)督焊工嚴格遵守工藝紀律，完全按照WPS規(guī)定的電流、電壓、焊接方法、層間溫度等工藝參數和操作要求 (包括焊接方向、焊接順序、焊條擺寬等)進行焊接。每焊完一道焊縫，焊工應首先自檢，發(fā)現缺陷后立即打磨，清除干凈后再進行焊接。同時，檢驗人員還應監(jiān)督保溫桶是否接通電源，焊材是否被保溫，焊接環(huán)境(包括溫度、風速、相對濕度)是否適合焊接操作，并做好相應的記錄。

7 焊接檢驗

焊接檢驗對產品的焊縫質量起著嚴格的“把關”的作用，是確保壓力容器可靠性必不可少的過程。焊接檢驗包括焊前檢驗、焊接過程檢驗及焊后檢驗，所依據的檢驗文件主要是WPS、技術標準、圖紙、焊工資料及其他質保資料。焊前檢驗及焊接過程檢驗的內容在上一節(jié)中已有所提及，在此不再贅述。焊接完成后即可以進行焊后檢驗，但對有延遲裂紋傾向的材料，比如高強鋼、鉻鉬耐熱鋼、低溫鋼，應在焊后延遲一段時間 (通常24 h后)進行。焊后檢驗一般包括外觀檢查、無損檢測和力學性能試驗，當容器全部焊接完成后還要做耐壓試驗，有特殊要求的還應做氣密性試驗。檢驗按照標準規(guī)定進行，對于不合格的焊縫要按照規(guī)定進行返修。

8 小結

以上從6個方面論述了壓力容器焊接生產過程中涉及到的焊接質量的管理內容。這6個方面相互聯系、缺一不可，共同組成焊接質量管理體系。壓力容器制造廠應加強焊接工藝、焊接材料、焊接人員和焊接檢驗等方面的控制管理，首先應提供經評定合格、正確的 WPS，并在生產中嚴格執(zhí)行;焊材應正確選用，經驗收合格后科學管理;嚴格按照《特種設備焊接操作人員考核細則》要求培訓一定數量的合格焊工實施焊接工作;焊前、焊接過程中及焊后做好各項檢查工作，對于檢驗發(fā)現的超標缺陷應通過打磨或返修補焊的方法消除，從而保證產品的焊接質量，提高壓力容器的安全性能。

［1］邱葭菲.鍋爐壓力容器焊接質量控制 ［J］.電焊機，2004，34(5):1-5.

［2］全國壓力容器標準化技術委員會.JB 4708—2000標準釋疑 ［M］.昆明:云南科技出版社，2000.

［3］蘇琳，周恒洋.淺談壓力容器焊接質量控制 ［J］.低溫與特氣，2006，24(6):22-23.

［4］王璐，齊愛霞，王琳.奧氏體不銹鋼的焊接特點及焊接工藝［J］.農機使用與維修，2008(4):16-17.

［5］陳裕川.焊接工藝設計與實例分析［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.