試分析壓力容器異種鋼焊接工藝

＊郝艷波

（陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 陜西 716000）

引言

壓力容器是一種能夠承受一定壓力的密封容器，被人們廣泛地應(yīng)用到石油化工、航空航天、核電等領(lǐng)域中。壓力容器的發(fā)展速度關(guān)系到整個(gè)國(guó)家的工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程，也對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、政治的發(fā)展有著十分重要的作用，關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及國(guó)計(jì)民生安全。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，壓力容器會(huì)在各個(gè)復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行，經(jīng)常和其它設(shè)備配合使用，壓力容器在安裝、改造和運(yùn)行管理時(shí)會(huì)因?yàn)橥饨缫蛩氐母蓴_而出現(xiàn)各個(gè)缺陷，并會(huì)伴隨出現(xiàn)韌性破裂、疲勞、腐蝕和蠕變等破壞性問題，這些問題的存在會(huì)威脅到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，如何防范壓力容器損傷成為相關(guān)人員需要思考和解決的問題。

1.壓力容器異種鋼焊接接頭的基本特點(diǎn)分析

按照鋼材種類是否相同進(jìn)行劃分，壓力容器異種鋼焊接接頭可以劃分為同類異種鋼接頭和異類鋼接頭兩個(gè)類型，受母材材料化學(xué)成分構(gòu)成不同的影響，壓力容器異種鋼焊接接頭呈現(xiàn)出以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：第一，化學(xué)成分不均勻。兩種母材、填充材料金屬元素含量和壓力容器異種焊接工藝的選擇和使用不同，由此在實(shí)施焊接操作時(shí)會(huì)使得各個(gè)區(qū)域的化學(xué)成分出現(xiàn)不同程度的變化。第二，組織不均勻和性能不穩(wěn)定。在壓力容器焊接使用操作中，除了母材和填充材料之外，焊接方法、焊接工藝的選擇和使用也會(huì)影響壓力容器組織的均勻性。在母材和焊縫金屬融合區(qū)存在明顯宏觀化學(xué)成分不均勻的情況下會(huì)使得壓力容器異種鋼焊接接頭的組織出現(xiàn)較大的不均勻性，最終會(huì)為接頭的物理化學(xué)性能、力學(xué)性能帶來(lái)較大的影響。第三，性能的不均勻性。受焊接接頭化學(xué)成分構(gòu)成不同的影響，各個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)的力學(xué)性能、化學(xué)性能和物理性能也會(huì)呈現(xiàn)出比較大的差異。第四，焊接接頭各個(gè)區(qū)域之間的性能差異。在焊接接頭之間存在性能差異的情況下會(huì)因?yàn)闅埩魬?yīng)力分布不均勻而出現(xiàn)維護(hù)管理問題，加劇了鋼焊接材料的不確定性因素。在焊接接頭不均勻時(shí)如果實(shí)施焊接操作就會(huì)為壓力容器的使用留下更多的安全隱患。

2.壓力容器異種鋼焊接工藝應(yīng)用要點(diǎn)分析

(1)焊接方法

壓力容器異種鋼加工中的常用焊接技術(shù)離不開加熱、加壓等復(fù)合原理，在這個(gè)過程中不需要添加其它關(guān)聯(lián)材料就能夠?qū)⒉煌饘俸附釉谝黄?。在壓力容器加工制造的過程中，異種鋼焊接方法普遍適合應(yīng)用在各個(gè)材質(zhì)鋼材的焊接加工中，在焊接操作中會(huì)牽扯到多個(gè)種類的焊條，不同材質(zhì)的焊條加工操作能夠打造出靈活多樣的異種鋼。為此，在選擇鋼焊接材料的過程中需要相關(guān)人員結(jié)合母材的特點(diǎn)和設(shè)備的結(jié)構(gòu)來(lái)選擇適合的加工操作方式。

(2)焊接材料

在金相組織結(jié)構(gòu)接近情況下所尋找的焊接材料對(duì)焊接金屬力學(xué)性能會(huì)提出要求，在這個(gè)過程中，最關(guān)鍵的條件是，焊接材料的耐熱性能不能夠低于母材性能要求中較低材料的參數(shù)指標(biāo)。在金相組織差異較大時(shí)要注重調(diào)節(jié)和保證填充金屬稀釋后的焊接接頭性能質(zhì)量，密切關(guān)注焊接接頭抵抗腐蝕和抵抗高溫的能力。在選擇焊接材料時(shí)要嚴(yán)格遵循以下幾個(gè)方面的基本原則：

第一，在焊接接頭不產(chǎn)生裂紋缺陷的情況下，如果焊縫金屬的強(qiáng)度、可塑性無(wú)法兼顧，需要在焊接操作時(shí)選擇塑性和韌性較好的焊接材料。第二，焊縫金屬性能在滿足兩個(gè)母材中的一種的時(shí)候，就可以認(rèn)為其滿足焊接技術(shù)的應(yīng)用要求。一般情況下，所選擇焊接材料的焊縫金屬力學(xué)性能、其它性能不能夠低于母材中性能較低的指標(biāo)。第三，結(jié)構(gòu)鋼異種鋼號(hào)焊接時(shí)對(duì)相同強(qiáng)度等級(jí)結(jié)構(gòu)的鋼焊條一般需要選擇抗裂性能良好的低氫焊條。對(duì)于金相組織差別較大的異種鋼接頭，比如常見的珠光體奧氏體異種焊接頭，在選擇好之后要充分考慮填充金屬在遭受稀釋之后的焊接接頭的性能。第四，在滿足基本性能要求的條件下，盡可能的選擇價(jià)格低廉、容易獲得、工藝性能良好的焊接材料。第五，對(duì)于異類異種鋼接頭，適合選用烙鎳奧氏體不銹鋼焊條或者鎳基合金焊條。對(duì)于工作條件苛刻的重要接頭，可以優(yōu)先使用鎳基合焊條，在具體使用中雖然這類材料的價(jià)格較高，但是在使用時(shí)能夠減少碳遷移，且焊縫金屬線膨脹系數(shù)在鐵素體鋼和奧氏體鋼之間，焊接金屬線膨脹系數(shù)在鐵素鋼和奧氏體鋼之間，參數(shù)設(shè)定的接頭組織和力學(xué)性能展現(xiàn)都會(huì)顯示出良好的效果。

(3)焊接參數(shù)

在壓力容器異種鋼焊接操作中，焊接材料的熔合比和縫層數(shù)呈現(xiàn)出來(lái)的是反比的關(guān)系，也就是說(shuō)縫層數(shù)越多熔合比數(shù)值就越小?；谌酆媳群秃附訉訑?shù)的關(guān)系，在壓力容器焊接操作中人們提出了多層焊的操作方式。在這個(gè)期間，為了能夠減少熔深，在實(shí)施焊接操作時(shí)要采取恰當(dāng)?shù)拇胧┫♂尯缚p大小，與此同時(shí)，使用小電流、快速焊接的操作方式來(lái)完成一系列的焊接操作。

(4)坡口角度

在設(shè)置焊接坡口角度時(shí)，需要在全面把握母材厚度的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮熔合比的大小。因?yàn)楫惙N鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能受熔合比性能的影響，為此，在實(shí)施材質(zhì)焊接操作時(shí)需要相關(guān)人員能夠采取積極的措施去降低熔合比，通過調(diào)節(jié)熔合比來(lái)使得焊接金屬的化學(xué)組成、材質(zhì)性能波動(dòng)在最小化的狀態(tài)，由此會(huì)使得熔敷金屬的性能能夠滿足工業(yè)發(fā)展需求。

(5)預(yù)熱和焊接后的熱處理

在壓力容器焊接操作過程中，預(yù)熱會(huì)根據(jù)淬硬傾向較高的鋼種來(lái)進(jìn)行確定，目的是通過萃熱來(lái)降低焊接接頭出現(xiàn)淬火裂紋的可能。焊接后熱處理工作的實(shí)施能夠進(jìn)一步提升接頭的性能，改善壓力容器的組織結(jié)構(gòu)，并在這個(gè)過程中加速鋼材殘余應(yīng)力的消散。在焊接縫隙金相組織和母體材料相同時(shí)，可以根據(jù)金含量較高的鋼種來(lái)確定熱處理工藝參數(shù)，最終來(lái)有效提升焊接接頭的力學(xué)性能。

(6)采用預(yù)堆邊焊的方式來(lái)完成焊接

為了能夠更好的解決異種鋼接頭余熱、焊后熱處理困難的問題，會(huì)采用預(yù)堆邊焊的方法來(lái)完成焊接操作，具體焊接操作的工藝順序表現(xiàn)如下：在需要進(jìn)行熱處理的母材坡口位置上預(yù)先堆邊焊接1層到2層的和焊縫同種類型的鋼焊條，在確定好的位置實(shí)施冷態(tài)焊接處理，接頭不再繼續(xù)進(jìn)行PWHT。通過這樣的處理方式能夠減少熔合區(qū)域范圍內(nèi)成分不均勻所誘發(fā)的一系列問題，也會(huì)為接頭的熱處理帶來(lái)方便，從而起到重要的隔離層作用。

3.壓力容器異種鋼焊接缺陷產(chǎn)生的原因分析

(1)材料原因

壓力容器在使用的過程中需要長(zhǎng)期保持一種高壓狀態(tài)，因此，在容器使用的過程中對(duì)容器材料的強(qiáng)度、荷載能力等會(huì)提出較高的要求。從實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，基本上所有壓力容器的外觀材質(zhì)都是金屬材料，在壓力容器異種鋼焊接操作時(shí)如果材料本身存在質(zhì)量問題，就會(huì)直接影響到壓力容器管道材料的焊接質(zhì)量。

(2)沒有焊透和熔合的原因

如果壓力容器異種鋼焊接焊縫沒有熔合，那么還會(huì)伴隨出現(xiàn)沒有焊透的問題。從實(shí)際情況來(lái)看，在壓力容器異種焊鋼沒有焊透的原因包含焊接速度過快或者是在沒有打底的情況下就使用手工焊接的操作方式，最終會(huì)使得焊件無(wú)法實(shí)現(xiàn)熔融。不管是沒有焊透還是沒有焊熔都會(huì)對(duì)壓力容器的焊接產(chǎn)生十分不利的影響，最好會(huì)直接削弱壓力容器的承壓強(qiáng)度。

(3)環(huán)境原因

壓力容器異種鋼焊接操作對(duì)周圍環(huán)境有著較高的要求，在具體實(shí)施操作時(shí)如果沒有對(duì)周圍環(huán)境、天氣、設(shè)備選擇和使用等進(jìn)行全面的考核分析，就會(huì)使得壓力容器異種鋼焊接質(zhì)量受到嚴(yán)重的影響。比如在暴雨、沙塵、大風(fēng)等天氣環(huán)境中，空氣中的粉塵和水會(huì)干擾到壓力容器鋼焊接操作的緊密性，嚴(yán)重的情況下還會(huì)誘發(fā)一系列的安全隱患。

4.壓力容器異種鋼焊接技術(shù)的應(yīng)用

(1)激光復(fù)合焊接技術(shù)

鎢絲填絲氬弧焊技術(shù)在壓力容器焊接質(zhì)量提升和性能保證方面起到了十分重要的作用。且在實(shí)施焊接操作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生飛濺和壓力容器材料受損的問題。為此，在壓力容器異種鋼的加工使用中，鋼焊接是一項(xiàng)十分重要的措施，通過必要的鋼焊接能夠保證壓力容器的使用質(zhì)量。

在壓力容器異種鋼焊接操作中，激光復(fù)合焊接技術(shù)是一種能夠保證焊接穩(wěn)定的基礎(chǔ)形式。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，激光復(fù)合焊接是在傳統(tǒng)鎢極填絲氬弧焊技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型技術(shù)形式，這類技術(shù)能夠在熔池中形成空隙，空隙內(nèi)部會(huì)充滿金屬蒸汽等電離子，借助這些等離子能夠達(dá)到調(diào)控電弧強(qiáng)度的作用，最終會(huì)有效提升焊接電弧的安全性和穩(wěn)定性。

(2)窄間隙埋弧焊技術(shù)

窄焊接技術(shù)被人們廣泛的應(yīng)用在板材比較厚實(shí)，焊接縫隙寬度較小的壓力容器異種鋼中，窄間隙技術(shù)在100mm的操作空間內(nèi)會(huì)充分顯示出自身的焊接優(yōu)勢(shì)，因而被人們廣泛的應(yīng)用到質(zhì)地較厚的壓力容器中。

窄間隙埋弧焊技術(shù)能夠有效提高各個(gè)材料的加工利用率，并在較短的時(shí)間內(nèi)完成一系列的焊接操作，最終使得壓力容器異種鋼的焊接工藝技術(shù)滿足人們對(duì)壓力容器異種鋼高效率、穩(wěn)定、強(qiáng)度較高的使用需求。

(3)底層焊接

壓力容器的焊接加工會(huì)遵循從內(nèi)到外的加工順序，底層焊接打底焊是壓力容器焊接操作的第一個(gè)步驟，通過實(shí)施打底焊操作能夠有效保證壓力容器底層施工質(zhì)量。在具體實(shí)施焊接操作時(shí)候根據(jù)零部件的不同來(lái)選擇不同的焊接加工方法。比如對(duì)于筒體對(duì)接接頭一般會(huì)使用埋弧自動(dòng)焊接的加工操作方法。

(4)中層焊接

在完成底層焊接操作后就需要開展中層焊接，也就是完成填充焊操作。為了能夠保證焊接操作質(zhì)量，需要在每一層的焊接操作完成后就進(jìn)行表面清理，目的是避免下一層焊接操作夾渣缺陷對(duì)壓力容器鋼焊接操作所產(chǎn)生的不利影響。同時(shí)，在實(shí)施壓力容器焊接操作時(shí)還需要能夠錯(cuò)開每道焊接接頭和下一層焊接接頭之前的間隔距離，目的是避免出現(xiàn)因?yàn)楹傅澜宇^重疊所誘發(fā)的應(yīng)力集中問題。

(5)軟件焊接技術(shù)

壓力容器異種鋼焊接無(wú)損檢測(cè)工作的開展離不開系統(tǒng)軟件的支持，在保證檢測(cè)工作順利開展的同時(shí)節(jié)省人力、物力和財(cái)力的消耗，在這個(gè)期間有效提升焊接技術(shù)的安全性和穩(wěn)定性。軟件焊接控制技術(shù)的實(shí)施離不開指定的控制操作程序，即由技術(shù)人員使用計(jì)算機(jī)來(lái)操作壓力容器異種鋼焊接檢測(cè)，全面了解壓力容器的運(yùn)行情況，結(jié)合壓力容器運(yùn)行和異種鋼的華為手機(jī)情況來(lái)合理調(diào)整檢測(cè)參數(shù)。同時(shí)，在軟件焊接技術(shù)的支持下還能夠進(jìn)一步提升焊接技術(shù)應(yīng)用的安全性和穩(wěn)定性，使得一系列焊接檢測(cè)工作的開展?jié)M足規(guī)范的檢測(cè)操作標(biāo)準(zhǔn)。

(6)人工智能系統(tǒng)

在現(xiàn)有壓力容器異種鋼焊接系統(tǒng)軟件建設(shè)基礎(chǔ)上通過對(duì)控制系統(tǒng)的升級(jí)處理會(huì)形成專業(yè)的人工智能系統(tǒng)，依托人工智能操作系統(tǒng)管理軟件能夠在壓力容器異種鋼焊接檢測(cè)工作中實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)容器的有效控制，合理把控各個(gè)零部件的使用銜接問題，并在這個(gè)過程中，將編訂好的程序放入到控制模板數(shù)據(jù)中，合理把控壓力容器異種鋼焊接技術(shù)加熱時(shí)間，并在焊接加熱操作中采取恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)保護(hù)措施，有效提升壓力容器異種鋼焊接檢測(cè)效率。

(7)復(fù)合鋼板的焊接

復(fù)合鋼板是由不銹鋼、鎳基合金、銅基合金或鈦板作為復(fù)層，通過爆炸焊、復(fù)合軋制、堆焊等方式來(lái)加工形成雙金屬板材。復(fù)合鋼板的基層設(shè)置能夠滿足接頭強(qiáng)度和剛度的要求，復(fù)合鋼板能夠滿足耐腐蝕的要求。為了能夠確保復(fù)合鋼板不失去原本的綜合性能，需要在基層和復(fù)層位置上開展焊接，期間，焊接材料的選擇、焊接工藝的確定由基層和復(fù)層材料來(lái)決定?；鶎雍蛷?fù)層交接位置上焊接異種鋼材料，焊接性深受基層、復(fù)層物理性能、化學(xué)成本、接頭形式、填充金屬成分組成。第一，焊接方法。結(jié)合復(fù)合鋼板材質(zhì)、接頭厚度、坡口尺寸大小來(lái)選擇適合的焊接方式方法，具體包含埋弧焊接、焊條電弧焊、二氧化碳?xì)鈶B(tài)保護(hù)焊、等離子弧焊等。第二，坡口的形式。按照鋼制壓力容器焊接標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定對(duì)接接口坡口的形式，同時(shí)，可以在接頭背面一小段距離內(nèi)開展機(jī)械施工，去掉上面的復(fù)合金屬層，目的是保證焊基層焊道時(shí)不讓基層焊肉焊到復(fù)層上。在焊接時(shí)可以先焊接基層，再焊接過渡層，最后焊接復(fù)層，目的是確保焊接接頭具有良好的耐腐蝕性。第三，合理選擇填充金屬。基層位置上可以選擇適合的填充金屬來(lái)完成焊接，多數(shù)情況下可以選擇適合的中間填充金屬來(lái)作為鋼的過渡層，由此來(lái)更好的控制復(fù)合層金屬焊道的鐵元素含量。

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在壓力容器鋼焊接母材成分和焊縫之間存在較大差異時(shí)會(huì)使得母材焊縫之間出現(xiàn)碳遷移的現(xiàn)象，會(huì)誘發(fā)金屬韌性下降、熔合線周圍影響區(qū)組織和性能的變化等。為此，就某種異種金屬實(shí)施焊接操作時(shí)需要相關(guān)人員能夠充分了解壓力容器異種焊接金屬的基本屬性，在了解材質(zhì)屬性的基礎(chǔ)上選擇適合的焊接方法，提高壓力容器異種鋼焊接操作的有效性。