不锈钢复合板球形储罐现场组焊工艺要点
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1 概述
球形储罐是化工、冶金、燃气、石油及其它一些行业中广泛使用的重要化工设备，随着我国工业技术的飞跃发展，各类球形储罐需求量不断增加，球形储罐的制作安装技术也随之不断创新和进步。常规球形储罐大多采用低合金钢材料，不锈钢复合板球罐一般采用奥氏体或双相不锈钢复合板，不锈钢复合板具有低合金钢和不锈钢的综合特性，因此使得其焊接工艺与常规做法不同，对于它的现场组焊就有着特殊的要求，来保障其焊接质量。而目前国内采用该材料制造球形储罐的技术文献和技术资料很少见，能借鉴的成功经验也不多，且复合板的下料、成型、安装、组对、焊接等工艺复杂，能否满足球罐的设计要求，保证过渡层与复层的焊接质量是球形储罐现场组焊的关键。为此，本文结合现行压力容器和球形储罐相关标准、规范和资料，针对球形储罐的形式、结构、尺寸与施工特点，提出不锈钢复合板球形储罐现场组焊的工艺方法。
2组焊工艺要点
2.1适用对象
本工艺方法主要适用于低合金钢（或低碳钢）+奥氏体（或双相不锈钢）复合板（以下简称不锈钢复合板）制球形储罐现场组焊的焊接施工及质量控制。
2.2基本焊接条件
从事不锈钢复合板球罐焊接的焊工，必须按有关焊接安全技术及操作技能的规定经培训、考核合格，并应取得相应资格的合格证后，方可在有效期间内担任合格项目范围内的焊接工作。
不锈钢复合板球罐的焊接方法宜采用焊条电弧焊，选用的焊接设备应符合焊接工艺的要求，选用逆变焊接电源为宜。
当出现雨、雪环境，气体保护焊时风速大于2 m/s，其他方法焊接时大于8 m/s，焊接环境温度在-5℃及以下，焊接环境相对湿度在90%及以上等任一情况时，应采取有效防护措施，否则禁止施焊。焊接环境温度和相对湿度应在距不锈钢复合板球罐表面0.5～1 m处测量。
当焊件温度低于0 ℃但不低于-20 ℃时，应在施焊处100 mm范围内预热到15℃以上。覆层焊缝与基层焊缝之间，以及覆层焊缝与基层母材交界处宜采用过渡焊缝。焊接施工前球罐球壳板组对质量必须合格。与壳体相关的焊接施工和修补都应在焊后热处理（当要求时）与耐压试验前完成。焊后检查合格后，才能进行后道工序。
不锈钢复合板球罐焊接前，施工单位必须有合格的焊接工艺评定报告，焊接工艺评定应符合现行行业标准《承压设备焊接工艺评定》NB/T 47014的有关规定。若不锈钢复合板球罐设计文件规定有其它特殊要求时，评定方法和试验项目超出《承压设备焊接工艺评定》NB/T 47014的规定范围，评定前应当取得监检人员的认可。焊接施工前应根据评定合格的焊接工艺规程或焊接工艺评定报告，针对相应焊接部位与焊接工艺，编制具体的焊接作业指导书或焊接工艺卡。焊接作业相关人员都应熟悉并遵守有关焊接作业指导性文件。
2.3焊接材料现场管理
不锈钢复合板球罐施焊选用的焊接材料应符合设计图纸的要求，球壳板间的对接焊缝（基层）以及直接与球壳板焊接的焊缝（基层），采用焊条电弧焊时应选用低氢型药皮焊条。在焊接施工前，基层用焊接材料应按批号进行熔敷金属扩散氢含量的复验测定。复验测定前，焊接材料应按产品说明书的要求烘干，测定方法应符合《熔敷金属中扩散氢测定方法》GB/T 3965，熔敷金属扩散氢含量应符合《承压设备用焊接材料订货技术条件》NB/T 47018以及设计文件的相应要求。
在焊接材料的现场管理中，焊接材料应有专人负责保管、烘干、发放和回收，焊接材料库房设置和管理应符合《焊接材料质量管理规程》JB/T 3223的有关规定。焊接材料库房应保持干燥，相对湿度不得大于60%。焊接前，焊接材料应按产品说明书的要求进行烘干。不同型号（牌号）、规格的焊接材料应分别烘干，当同时符合烘干要求完全相同，不同焊接材料有明显标记，且标记牢固，不至于混杂，不同焊接材料之间实施有效分隔这几个情况时，允许同炉烘干。焊条烘干时应注意防止因骤冷骤热而导致药皮开裂或脱落，烘干后的焊接材料应保存在100～150 ℃的恒温箱中，随用随取。使用时，焊条表面药皮应无脱落和明显裂纹，并应存放在合格的保温筒内，不同规格的焊条应有明显的标记和分隔措施。焊工应按焊接作业指导书的要求使用相应型号（牌号）的焊接材料，一次只能领用一种型号（牌号）的焊接材料，不允许同一名焊工同时使用两种或两种以上型号（牌号）的焊接材料。焊条在保温筒内存放时间不应超过4 h，当超过时应回收，并重新烘干后才能使用，焊条累计烘干次数不应超过3次。在焊接材料烘干、发放、回收过程中应做好相应记录。
2.4焊前准备
焊接前应检查焊接环境、焊接部位的清理及组对情况。焊接接头坡口表面和两侧至少20 mm范围内应无铁锈、水分、油污、灰尘及其他污物，组对质量（包括间隙、错边量和棱角，以及定位焊）必须符合相应要求。施焊前将不锈钢覆层用石灰或石棉布等材料隔离盖好，以防电弧飞溅伤及表面。焊前应准备磨制不锈钢的专用砂轮片、不锈钢钢丝刷及不锈钢制打渣锤，用于不锈钢覆层焊缝表面的打磨清理。
2.5预热和道间温度控制
预热温度可参考相关标准推荐，具体执行焊接作业指导书。当基层或覆层需要预热时，应以总厚度作为确定预热温度的厚度参数。施焊过程中，应控制道间温度不得超过焊接作业指导书规定的范围。当规定预热时，应控制道间温度不得低于预热温度。若覆层为奥氏体不锈钢，过渡层和覆层施焊时最高道间温度不宜大于150 ℃，有晶间腐蚀敏感性检验要求时，不宜大于100 ℃。预热和道间温度应保持均匀，加热面宜在基层侧，加热宽度应为焊缝中心线两侧各取3倍板厚，且每侧不少于100 mm。定位焊、工卡具焊接、返修气刨、补焊需要预热时，应在以焊接处为中心，半径至少150 mm范围内进行预热。
预热和道间温度测量宜在加热面的背面进行，应在焊接接头两侧距焊缝中心50 mm处对称测量，每段焊缝长度方向测量不应少于始焊端、中部、终焊端这3个位置。预热和后热可选用电加热法或火焰加热法。当中断焊接，重新施焊时，仍需按原规定预热。
2.6定位焊
定位焊应在球罐直径、圆度、组对间隙、错边量和棱角等调整合格后进行，只允许在基层侧坡口内进行定位焊。定位焊长度不应小于80 mm，间距宜为300～500 mm，焊肉厚度应≥4 mm，定位焊的引弧和熄弧都应在坡口内。定位焊缝不得有裂纹、夹渣、气孔、咬边、凹坑、未熔合、未焊透、弧坑、焊瘤等缺陷，出现不合格缺陷时，应在正式焊接前及时清除后再定位补焊。
2.7工卡具的焊接与去除
需与覆层焊接的工卡具宜采用和覆层材质一致的不锈钢。应在工卡具上引弧和熄弧，工卡具与球壳板之间的焊缝不得有裂纹、夹渣、气孔、咬边、凹坑、未熔合、根部未焊透、未焊满、弧坑、焊瘤等缺陷。临时性工装夹具去除时不应损伤球壳板，宜采用火焰切割后砂轮磨平，严禁直接锤击拆除。
2.8焊接施工
不锈钢复合钢板是由两层不同性质的钢板复合而成，故在焊接时有它的特殊性，既要满足基层的焊接结构强度，又要使不锈钢复合板较薄的复层满足耐腐蚀性能要求。对于基层要避免铬、镍等合金含量增高，因铬、镍含量增高，基层焊缝中会形成硬脆组织，容易产生裂纹，影响焊缝强度；对于复层要避免含碳量增加，因含碳量增加会大大降低其耐腐蚀性。因此焊接工作要比单层钢板复杂，且难度很大，要采用复合钢板特殊的焊接工艺。施焊要点如下：
焊接时应采用先焊纵缝、后焊环缝的焊接顺序，先焊基层、再焊过渡层、最后焊覆层的焊接层次，基层为双面焊时，覆层侧基层坡口应先焊接、清根后再焊接基层外侧坡口，如图1所示。尤其是过渡层的焊接是整条焊缝的关键，其焊接顺序至关重要，过渡层的焊接分道顺序详见图2所示。
应采用多名焊工对称均布、分段退焊法，焊工应同步施焊，焊接进度应保持一致。宜采用多层多道焊，每段焊缝层间与道间接头部位都应呈阶梯状错开，终焊端应将弧坑填满。每层与每道焊后应进行清理，检查确认焊层与焊道间无焊渣、飞溅等物，没有裂纹、夹渣、气孔、凹坑、未熔合、未焊满、弧坑、焊瘤等缺陷，每层焊缝表面应平整，凸出部位用砂轮磨平，凹低部位应适当补焊。严禁用基层焊接材料在覆层母材、过渡焊缝和覆层焊缝上施焊，覆层侧基层焊缝表面宜比复合界面低1.5～2.5 mm，如图3所示。
焊接过渡层时，应采用较小直径的焊接材料，过渡层的厚度宜为2～4 mm，过渡焊缝应同时熔合基层焊缝、基材与覆材复合界面，且应盖住基层焊缝和复合界面。焊接热输入应不超过焊接作业指导书规定的范围，并在保证电弧正常燃烧、焊缝熔合良好的条件下，尽可能采用较小的焊接热输入。应采取适当措施，防止焊接飞溅损伤覆层表面，不得在基层、覆层母材表面随意引弧、焊接卡兰、吊环及临时支架等。每段基层焊缝的每侧坡口宜一次连续焊完，因故中断焊接时，应根据工艺要求采取防裂措施，再次施焊前应检查确认无裂纹后，方可按原工艺要求继续焊接。焊缝应与母材表面圆滑过渡，焊接接头表面质量应符合后续的要求。焊后应清除焊接区域内的焊渣、飞溅及其他污物，并记录焊工位置图和焊接记录，不得在覆层表面打焊工钢印。不锈钢覆层表面焊缝的清理，必须用磨制不锈钢的专用砂轮片与不锈钢钢丝刷及不锈钢制打渣锤。
2.9碳弧气刨
碳弧气刨宜在基层侧进行，气刨后应用砂轮修整刨槽。修整后的刨槽形状、宽窄、深度应一致，并呈敞口“U”型，底部应平整。若焊接需预热，采用碳弧气刨时也应预热。刨槽经打磨后，应进行检查，确认焊接区域内无影响焊接质量的缺陷、污物等。
2.10后热处理
焊接作业指导书确定需要后热处理者的焊接接头，焊后应立即进行后热处理。后热处理具体工艺规范应按焊接作业指导书执行。后热处理加热面、加热宽度和测量方法应与预热相同。
2.11修补
不锈钢复合板球罐在制造、运输和施工中所产生的表面损伤与工卡具焊迹，以及不合格表面缺陷与内部缺陷等，都应进行修整处理（补焊、返修）。对于超标缺陷（包括焊接接头与母材缺陷），应分析产生的原因，提出相应的返修方案，制定合理的返修工艺。表面大面积补焊以及内部缺陷修补的部位、次数和修补情况应作记录，同一部位补焊不宜超过两次，如超过两次，补焊前应经施工单位技术负责人批准。表面损伤与超标缺陷、工卡具焊迹宜采用砂轮修磨清除，当清除深度超过要求时，应进行补焊，补焊前应修整成便于焊接的凹槽或凹面。覆层侧修补时，如图4所示，去掉覆层后将基层表面去掉1～2 mm厚度，然后补焊过渡层及覆层，过渡层厚度宜为1.5～3 mm。
补焊后，其表面应修磨平缓。返修前宜采用超声检测确定缺陷的位置和深度，采用碳弧气刨清除内部缺陷时，应符合对于碳弧气刨的要求。返修长度不得小于50 mm，其两端应修整成利于焊接的缓坡状。返修深度不应超过板厚的2/3，当缺陷仍未清除时，应在补焊后，从另一侧返修。返修后其表面质量要求应符合下述要求。
2.12焊后检查
焊后检查应在焊接施工以及修补完成后进行，包括焊后尺寸检查、焊后外观检查。焊后尺寸检查按照相应标准规范执行。焊接接头外观检查应采用目视或4～8倍放大镜进行，内外表面都应检查。焊接区域内应无焊渣、飞溅等物，不得有裂纹、夹渣、气孔、咬边、凹坑、未熔合、未焊透、未焊满、弧坑、焊瘤等缺陷。焊接接头表面不应有急剧的形状变化，并与母材过渡平缓、圆滑。焊缝表面应比坡口每边增宽1～2 mm，按疲劳分析设计的不锈钢复合板球罐，对接焊缝表面应与母材表面平齐，不应保留余高，其他不锈钢复合板球罐的对接焊缝的余高应符合标准规范和设计文件的要求。
3结束语
焊接是球形储罐制造质量保证体系中一个重要控制系统，是制造球形储罐的重要工序，焊接质量在很大程度上决定了制造质量。焊接管理主要包括焊接质量过程控制和焊接质量结果检验两方面，焊接质量体现在产品整个制造过程中，从设计到材料选择，乃至制造以及随后检验的各方面。对于球形储罐现场组焊的焊接质量控制，主要有焊工管理、焊接设备管理、焊材管理、焊接工艺评定、焊接工艺管理、产品施焊管理、产品焊接试板管理、焊接返修八个控制环节，管控到每个环节的各个主要控制点。焊接质量控制应当通过对焊接质量控制系统中控制环节、控制点的控制来实现的。在进行焊接质量控制时，坚持TQC（全面质量管理）的基本思想，进行全员、全面、全过程质量控制，把握好焊前检验、焊中检验和焊后检验，从“人、机、料、法、环”五方面切实保证焊接工艺的成功实施，确保焊接工作的有序进行，才能实现优异的焊接质量。
4结束语
粘结焊剂在日本大量使用，在很多专利资料中有介绍，本文只给出了一项专利的内容提要。在我国很少生产这个类型的焊剂，过去曾批量生产过陶质焊剂，它与粘结焊剂是差不多的，主要是烧结温度的控制稍有不同，但都没有达到碳酸盐充分分解的温度。在这样的低温下烧结，一是可以降低制造成本，二是可以减少设备的投资费用，三是可以降低扩散氢量，在各种低合金结构上有广阔的应用前景。与高温烧结焊剂相比，它还可以过渡合金元素，有些特殊的焊缝成分不需要冶炼专用焊丝，通过焊剂过渡便可以实现。希望有关方面予以考虑和关注，使我国的粘结焊剂走出一条新的道路。