JFE-HITEN610U2L球罐焊接技术分析
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摘要：通过分析jfe-hiten610u2l钢制乙烯球罐球壳板材料和焊接材料的化学成分及其焊接性，通过采取严格控制焊接线能量、预热温度、层间温度以及后热消氢、消应处理等工艺措施，采用合理焊接工艺参数，优化施焊措施，确保了球罐整体焊接接头的性能，保证JFE-HITEN610U2L低温高强钢球罐的现场组焊质量。
关键词：JFE-HITEN610U2L钢；焊接；优化；措施
中图分类号： TK226+.2 文献标识码： A 文章编号：
0 引言
本人于2010年至2011年底在中国石油抚顺石化公司扩建80万吨/年乙烯工程化工压力罐区装置担任焊接专业工程师，主要负责球罐焊接技术管理，化工压力罐区有9台乙烯球罐，乙烯球罐主体材质选用了JFE-HITEN610U2L，其设计温度为50℃/-45℃，设计压力为1.9MPa，容积为2000m3，球壳板厚度38mm，JFE-HITEN610U2L钢板其化学成分见表1；焊条采用与钢板相匹配的日本神户LB-65L高强度、高韧性、超低氢性焊条。本文对该材质球罐群用钢材的焊接性进行了分析，并对焊接过程中的质量控制进行介绍。
1球壳板材料和焊接材料分析
1.1球壳板材料
中国石油抚顺石化公司扩建80万吨/年乙烯工程化工压力罐区装置，其中的9台2000m3JFE-HITEN610U2L钢板熔敷金属化学成分见表1；JFE-HITEN610U2L钢板复验力学性能指标见表2。
表1JFE-HITEN610U2L钢板化学成分指标（熔炼分析）（%）
表2 JFE-HITEN610U2L钢板的力学性能及冷弯性能要求
1.2焊接材料
乙烯球罐焊接采用与JFE-HITEN610U2L钢相匹配的LB-65L焊条，其熔敷金属化学成分见表3；熔敷金属力学性能的技术要求见表4。
表3 熔敷金属化学成分指标
C Si Mn P S Ni Mo 其他合金元素总量
≤0.10 ≤0.80 0.6~1.20 ≤0.015 ≤0.010 2.00~2.75 0.05~0.35 ≤1.5
表4 LB-65L焊条熔敷金属力学性能的技术要求
试样状态 拉伸试验 冲击试验
焊后经570±15℃X4hr Ra/Mpa Rel/Mpa A/% 试验温度/℃ 冲击功 AKV/J
平均值 单个值
≥490 610~740 ≥20 -50 ≥60 ≥42
2 JFE-HITEN610U2L钢的焊接性分析
球壳板采用的是日本CF系列JFE-HITEN610U2L钢，属于低裂纹敏感性低温高强，是在低碳高锰的基础上，通过加入微量镍、铬、钼、钒、铌等元素合金元素的方式，并通过一定的控制热加工工艺,获得了以针状铁素体为主的混合组织,具有较高的强韧性、良好的成型性和焊接性能,广泛用于制造各种低温球罐。该材质的冷裂纹敏感性低，该钢的焊接工艺重点是防止800℃冷却至500℃的时间过长导致奥氏体晶粒粗化以及上贝氏体的生成，从而引起过热区的脆化，使接头冲击韧性下降。因此，在焊接38mm厚的JFE-HITEN610U2L钢时，应采用预热、控制层间温度以及焊后及时消氢等工艺措施，在保证不产生焊接冷裂纹的前提下，尽可能采用低的焊接线能量施焊，以保证焊缝及热影响区有充足的塑性和韧性。
3焊接工艺选择
施工中严格按照JB/T4709-2000、JB4708-2000，并参考施工验收规范GB50094-1998和设计要求对38mm厚的JFE-HITEN610U2L钢板进行了焊接工艺评定工作，经评定合格的焊接工艺评定编写适用于现场施焊的焊接工艺规程：预热温度≥100℃；层间温度为不得低于预热温度且不得大于180℃；后热工艺为200~250℃/1h；严格控制焊接线能量不超过35KJ/cm；同时，根据选用的焊条直径及施焊位置选用适宜的焊接电流，选择合适的焊接速度，有效的控制焊接线能量，采用¢3.2焊条平焊位置、横焊位置电流宜控制在100-120A；立焊、仰焊控制在90-110A；。采用¢4.0焊条平焊位置、横焊位置电流宜控制在140-180A；立焊、仰焊控制在130-160A；焊接线能量平焊、立焊、仰焊宜控制在12-35KJ/cm;横焊位置控制在12-30KJ/cm。
3优化焊接控制措施
3.1 焊接环境控制
本工程位抚顺石化二厂毗邻的元龙山，处于风口地带，冬季漫长，平时气温偏低，焊接时需采取必要的防风，防雨等措施，保证球罐施焊质量.以下环境必须禁止施焊：（1）雨天、雪天；（2）焊接环境风速在8m/s及以上；（3）焊接环境湿度在85%以上；（4）环境温度在-5℃以下。
为保证球罐具备良好的焊接环境，球罐组装完后，采用防火篷布在脚手架搭设防火篷布，起到防风、临时防雨的措施，为球罐焊接创造良好的环境。同时，实时观看天气，阴雨天气禁止施焊，坚决防止施焊及后热时突发大雨。
3.2焊前准备
3.2.1球罐组装质量的检查和验收
球罐组装质量的将直接影响球罐焊接质量的好坏，我们要严格按照施工方案、关键工序作业指导书指导施工和验收；①采用合理的组装方法和组装顺序，减少组装应力，避免因应力造成裂纹等焊接缺陷；为减少组装应力，我公司采用多年总结出来的组装工艺采用分片散装法；②球罐定位焊安排4-6名焊工同时对称进行焊接，以减少焊接应力与变形，纵缝定位焊时，应从中间向两边进行。大环缝定位焊时，焊工要均匀分布并由左向右进行焊接。③球罐组装间隙过大，焊接填充量大，焊缝会因过热造成晶粒粗大接头的力学性能下降；同时工人施焊因组对间隙大会采用大电流进行堆焊，线能量严重超标接头力学性能下降；总结多年的工作经验，球罐组对坡口的工艺参数最合理为间隙1-2mm；钝边0-0.5mm；同时合理的坡口间隙将减少背面情根的量，有效防止焊缝再次过热。
3.2.2焊前准备工作：①编写球罐排版图，制定焊缝编号方法，协调焊工分配，编写焊工承担焊缝布置图并进行报审；②球罐焊接焊材用量大，焊条必须按照交底文件进行烘烤；焊接技术员或班长提前一天上报焊条使用卡，保证焊条总量的供给；③检查、维修焊机保证焊接性能良好，仪表示数正常；④脚手架操作平台搭设合格，便于焊工施工；⑤清理焊缝坡口及两侧20mm范围内的锈泽、油漆等杂物。
3.3选择合理的焊接顺序及运条方式
3.3.1焊接过程中应采用合理的焊接顺序，有效的控制焊接变形，减小焊接过程中的残余应力。根据多年施工经验，我公司球罐施焊顺序应遵循下列原则：（1）先焊接纵向焊缝，后焊接环向焊缝;（2）先焊接赤道带，后焊温带、极板。（3）先焊接大坡口面焊缝，后焊接小坡口面焊缝。（4）焊工均匀分布，并同步焊接。根据上述原则，可以制定如下具体施焊顺序：赤道带纵缝外口上极带拼缝外口下极带拼缝外口赤道带内口上极带拼缝内口下极带拼缝缝内口上极带口子缝外口上环缝外口上极带口子缝内口上环缝内口下极带口子缝外口下极带环缝外口下极带口子缝内口下极带环缝内口。
3.3.2球罐施焊时，严格遵守焊接工艺指导书的有关要求，严格控制焊接线能量，采用快速多层多道焊，严禁随意堆焊。根据板材厚度，球罐焊缝分层排道控制。每一道焊缝厚度控制在3～5mm，宽度控制在16～20mm；
3.3.3Y型交叉口焊接控制：球壳板的上、下极为足球瓣式，每个极各有4个Y型交叉口焊缝。由于该处焊缝密集，极易产生焊接变形。除了采取上述的控制变方法外，在焊接工艺上采取一定的运条方式。每层每道焊缝在Y型叉处不停弧，收弧于焊缝的直线段。既可以避免因在交叉口停弧过多而变形，又可以避免产生缺陷。
3.3.4焊缝交叉部位，应先将纵缝焊到环逢坡口内，然后将环逢坡口内的焊肉打磨干净除去焊缝终端缺陷。焊环缝时，不应在交叉部位引弧或灭弧。球罐焊接因故中断时，马上对焊缝进行后热。重新焊接时，应重新预热并仔细检查确认无裂纹后方可正常施焊。
4球罐施焊过程中的控制要点
4.1线能量控制
线能量增大，冷裂纹倾向减小，但线能量过大或过小也会增加冷裂纹倾向，JFE-HITEN610U2L钢制2000m3乙烯球罐全位置焊接的线能量控制在15-35KJ/cm。在现场施工中，焊工常常是在高温烘烤下作业，承受着很高的劳动强度，为此，许多焊工时常尽可能缩短工作时间，减轻劳动负担，而抛开评定合格的焊接参数，采用减少焊接层数，无控制的使用超过评定合格范围的焊接线能量进行焊接。采取的控制方法：（1）焊接线能量不应超过立焊工艺评定所确定的线能量范围。横焊或平焊时焊接层数可比其工艺评定所确定的层数减少1-2层，每一焊道宽度不大于焊芯直径的4倍，每一层焊道的厚度不超过3.5mm；（2）建立焊机电压和电流的巡检表格，专人负责，不定期抽检；（3）在线能量15-35KJ/cm范围内，计算平、横、立、仰四种焊接位置每根焊条的焊接长度，以此规定焊工的焊接长度。
4.2预热、层间温度、后热控制管理
根据规范及焊接工艺评定，在焊缝背面进行持续预热100℃-150℃，并保持层间温度大于预热温度，且小于180℃。预热是为了减缓冷却速度，避免淬硬组织，提高接头韧性，防止冷裂纹。预热范围是以焊缝中心为基准，两侧不小于3倍壁厚，且≥150mm。加热温度应距焊缝中心线50mm处对称测量，加热到温度后应保温5-10min，温度均匀后方能施焊。后热是在一条焊缝焊完后或中间停止焊接时，将焊缝加热到200-250℃，恒温60分钟，然后空中冷却。其目的是促使焊缝及热影响区吸收的扩散氢析出，减少焊缝的含氢量，防止延迟裂纹的产生。
在现场施工中，设立专人检查预热温度、层间温度、后热温度及时间，并填写巡检记录；焊接前，检查加热器的长度，保证加热长度覆盖焊接长度，每段预热的焊缝的端部温度是检查的重点；每次预热前，应检查加热器的喷嘴，确保各喷嘴燃烧正常，无堵塞情况，防止预热不均匀。
5 结语
通过分析JFE-HITEN610U2L钢制乙烯球罐球壳板的焊接性，严格控制线能量在15-35KJ/cm，采取严格控制预热温度、层间温度以及焊后及时消氢处理等施焊措施，采用合理的焊接工艺参数，严格控制焊接线能量及预热、后热工艺措施，有效保证施焊质量，使其9台JFE-HITEN610U2L钢制乙烯球罐取得了满意的效果。焊接一次合格率达到99.6%以上，产品试板力学性能指标符合设计、标准规范要求，有力的证明上述的焊接工艺和管理措施的正确性、可行性。
参考文献：
刘云龙．焊工技师手册[M]．北京：机械工业出版社.
张文钺．焊接物理冶金[M]．天津：天津大学出版社.
叶秀华．焊接施焊技术[M]．成都：四川科学技术出版社.