压力容器焊接生产中的质量控制＊

杜立明，牟宗佺

(青岛市锅炉压力容器检验所，山东青岛 266071)

焊接是压力容器等承压设备制造过程中的一种主要加工成形方法。在焊接过程中，焊接接头经历了短时高温加热和快速冷却的热循环过程，其组织、成分发生了变化，存在一定的不均匀性，在产品结构中处于薄弱环节，始终是压力容器这类重要焊接结构失效的主要区域。国内外有关资料表明:在锅炉压力容器的失效事故中，焊缝是主要的失效源，而制造质量的优劣是事故的重要原因［1］。因此，作为产品的关键制造工艺，针对焊接技术文件编制、焊工培训考试、焊材选择及管理、焊接过程控制、焊接检验等环节，对焊接生产进行严格的全过程控制，以保证压力容器的焊接质量符合标准、法规的要求。

1 压力容器焊接特点

由于压力容器制造周期长，参与人员多，需要不同工种协同作业，环境因素影响比较复杂。而且焊接本身的特点，受焊工操作水平、身体状态等人为主观因素影响较大，造成有些焊接缺陷具有延时性，即使在焊接操作过程中违反了焊接工艺，比如焊接超低碳奥氏体不锈钢时用错了焊材，在焊后进行的外观检验、无损检验及耐压试验中并不容易被发现，但在以后的使用中，用错焊材的焊缝在强腐蚀介质作用下会较早产生腐蚀，造成局部减薄，甚至开裂。因此，应对焊接过程连续监视，对焊接参数加以控制。

在产品实施焊接之前，需做大量的焊前准备，包括材料的采购、验收和切削加工，工装的设计，焊接工艺评定和焊工培训考试。当母材类别、材料厚度、焊接方法、焊接参数等重要因素或附加因素发生改变时，还要重新进行焊接工艺评定，焊工也要重新考试。

2 材料选用及焊接性

2.1 材料的选用

压力容器所用的材料一般为碳钢、低合金钢和高合金钢。为了满足使用条件下的力学性能要求(主要包括强度和塑韧性的要求)，一般规定压力容器专用钢中 C≤0.25%、P≤0.030%、S≤0.020%。在GB 150—2011中规定: “选择压力容器受压元件用钢时应考虑容器的使用条件 (如设计温度、设计压力、介质特性和操作特点等)、材料的性能 (力学性能、工艺性能、化学性能和物理性能)、容器的制造工艺以及经济合理性”。所用的材料都应有供应厂商提供的完整质量证明书原件，并按照质量证明书对钢材进行验收。

在钢材的冶炼方式上，要求所用的专用钢材符合标准规定。对标准抗拉强度下限值大于或者等于540 MPa的低合金钢钢板和奥氏体—铁素体型不锈钢钢板，以及用于设计温度低于－20℃的低温钢板和低温钢锻件，还应当采用炉外精炼工艺。

2.2 材料的焊接性

低碳钢的含碳量低 (碳含量为0.04% ～0.25%)，锰、硅元素含量少，在一般情况下，焊接时不会引起严重的组织硬化，塑性和冲击韧性优良。焊接时一般不需焊前预热，也无需焊后热处理，即可获得质量满意的焊接接头，故低碳钢具有优良的焊接性能，是所有钢材中焊接性能最好的钢种。

低合金高强钢含有一定量的合金元素，具有较高的淬硬倾向，其焊接性能与碳钢相比有一定的差别，其焊接特点表现在焊接热影响区的组织变化。由于淬硬组织的增加，对冷裂纹的敏感性增加，接头的塑韧性降低。碳化物形成元素较多时，再加上高的热输入量，就会造成接头晶间偏析严重，大大提高了接头的热裂纹、再热裂纹敏感性，容易出现各种形式的热裂纹，如结晶裂纹、液化裂纹和高温低塑性裂纹。因此，在制定焊接工艺时要充分考虑这些影响因素。

3 焊接工艺文件的编制

3.1 焊接工艺评定的制定

焊接工艺评定 (WPQ/Welding Procedure Qualification)是评定拟定的焊接工艺是否正确、适用的试验性工作，目的在于检验按照该工艺是否能够获得满足使用性能的焊接接头，为下一步焊接工艺规程的编制提供主要依据。《容规》中明确规定在焊接之前这是一项必不可少的工作，也是对制造单位是否有能力焊接出符合要求的焊接接头的一项评定。焊接工艺评定件必须按产品技术条件规定的标准进行焊前准备和焊接。常用的标准有NB/T47014、ASME第Ⅸ卷以及EN288-2Ⅲ标准。焊接完成后，试件须按照所选用标准规定的检验、试验项目 (包括外观检查、无损检验、力学性能试验)进行检验，根据产品的特殊要求，必要时可增加其他的检验项目，比如对奥氏体不锈钢焊接试件还需要增加化学成分分析和晶间腐蚀试验。如果焊接工艺评定试验结果不合格，应分析并找出原因，修改WPQ参数重新焊接，直到评定合格为止。

3.2 焊接工艺规程的编制

焊接工艺规程 (WPS/Welding Procedure Specification)是指导焊接生产、保证焊接接头质量的关键工艺文件，也是指导焊工实际焊接操作的主要依据。按照产品制造法规的规定，需要进行焊接工艺评定的焊接接头，都要求编制焊接工艺规程。一份WPS可以由一个或几个经评定合格的WPQ提供支持，一份WPQ也可以支持几份WPS。检验人员须根据WPS的要求对产品焊缝的焊接过程进行现场检验。因此，WPS在焊接质量管理体系中处于重要的地位。制造厂商必须确保WPS的正确性及可靠性，必须是由本单位技术熟练的焊接人员使用本单位的焊接设备焊接试件，即提供支持的焊接工艺评定不允许借用或交换［2］。

3.3 焊接能量参数的选择

焊接线能量是指熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热能，用以表征焊接能量参数。线能量对焊缝和热影响区的冷却速度有着重要影响，由此影响到低合金钢和中合金钢焊接接头的淬硬程度、氢的扩散速度以及焊接残余应力水平，最终影响到接头的冷裂倾向［3］。

焊接能量参数的选择比较复杂，要综合考虑各种因素，包括材料 (母材和焊材)、焊接方法、预热温度以及层间温度等等。一般来说，焊接线能量越大，焊后冷却速度就越慢，如果预热和层间温度选择较高，焊缝金属在高温停留的时间延长，从而使得接头各区的晶粒粗大，形成魏氏组织，降低了接头的强度和韧性。所以，要合理选择焊接能量参数，控制线能量在一定范围之内，防止出现不合格的焊接接头。

不同的材料对焊接线能量敏感性不同，即使是同种材料由于选择的焊接方法不同，敏感程度也不一样。对奥氏体不锈钢，焊接时要严格控制线能量和层间温度，防止σ相形成引起接头脆化，降低使用寿命。对于低合金钢而言，在一定范围内，适当增大线能量是有益的，只有当线能量过大时，才会明显降低接头的强度和冲击韧性。在相同线能量下采用不同的焊接方法时，埋弧焊的冷却速度最慢，手弧焊最快，氩弧焊比埋弧焊的冷却速度快一些，不同的焊接方法冷却速度不同，因而得到的最终焊缝组织和性能也不相同。

3.4 焊接温度参数的确定

焊接工艺中的温度参数包括预热温度、层间温度、后热温度和消氢处理温度。这些温度参数对焊接接头的力学性能、抗裂性能及耐蚀性能都会产生重要影响。

预热可以改变焊接过程中的热循环，降低焊后冷却速度、避免或减少淬硬组织的形成。在确定预热温度时应充分考虑母材的碳当量、焊材的扩散氢含量，以及采用的焊接方法、试件温度和环境温度等因素。

焊接接头在高温下持续时间过长，热影响区部分晶粒急剧长大，导致接头的塑性和冲击韧性下降。当构件的刚度足够时，室温下可能出现脆裂，即焊接接头的脆化现象，因此焊接时要严格控制层间温度。例如，在焊接奥氏体不锈钢时，必须将焊件保持较低的层间温度，最好不超过150℃［4］。

后热主要用于进行过焊前预热仍然不足以防止冷裂纹的形成且焊接性较差的低合金钢或高拘束度接头。

消氢处理针对的是焊前预热及后热处理仍然不足以完全消除厚壁接头冷裂纹的情况，要求焊后立即进行。温度和时间视接头的厚度而定，一般取为300 ～400 ℃，时间为1 ～2 h［5］。

4 焊工培训和考试

无论是焊接工艺评定试件的制备，还是产品制造过程中的焊接，都需要拥有相当数量的操作熟练、评定合格的焊工予以保证。当使用材料及工艺条件确定后，焊工在焊接过程中将起到关键作用。《容规》中明确规定:压力容器受压元件的焊接，必须由考试合格的焊工担任。焊工培训和评定也是焊接质量管理体系中的重要部分，按TSG Z6002—2010《特种设备焊接操作人员考核细则》的要求，对焊工进行培训与评定考试，目的在于评定焊工具有焊接优质焊缝的能力。

当焊工能熟练掌握基本理论知识和操作技能，并经考试合格后，才能按合格证允许的项目范围施焊。焊接过程中，为了保证焊接质量，焊接检验人员应当严格审查焊工合格证上的项目 (包括焊接方法、焊接位置以及所覆盖的厚度范围)与他所从事的工作是否一致，并在有效期内。

5 焊材的选用与管理

5.1 焊材的选用

焊材的选用一般遵守两个原则，即等强匹配原则和等成分匹配原则。对于碳素钢及低合金钢制做的用于承载和受压的压力容器，一般按等强性原则来选用;低温下工作的容器，或承受交变载荷的容器，需保证接头的低温冲击韧性不低于母材，在这种情况下，保证韧性比强度更重要;高温容器和有耐腐蚀容器，焊材的选择应与母材化学成分大致相同;不同强度级别的钢材，原则上应选择低强度等级的焊接材料;形状复杂、结构刚性大以及大厚度的焊件，由于焊接过程中产生较大的焊接应力，容易产生裂纹，应选用抗裂性好的低氢焊条［3］。

5.2 焊材的管理

焊材的管理包括焊材的采购、验收、保管、烘焙、发放和回收，其目的在于确保焊工领取的焊材正确、合格，按照焊接工艺可以焊出合格的焊缝。

焊接材料是否合格由焊材的采购、验收和复验来保证。检验人员首先检查材料质量证明书和合格证是否正确、齐全，并按照采购合同、订货技术条件及相关标准进行验收。检验合格后方可办理入库手续。

焊材的使用正确性由仓库保管员和焊工通过保管、烘焙、领用、发放、回收等环节来保证。焊材入库后按其类别、型号、牌号及批号分别安排位置存放保管。焊材库应保持干燥，通风良好。焊条、焊剂发放之前，保管员应提前按照焊材烘焙工艺卡进行烘焙，烘好后放在保温箱内保存，随用随取。焊工凭焊材领用单领取后将焊条置于保温筒中，保温筒应提前通电加热。如果一批焊材在空气中的暴露时间超过了4 h，则需要重新烘干，但烘干次数不得超过两次，且将当班未用完的焊条退库。

6 施焊过程控制

在施焊之前，检验人员应检查待焊部件的标识是否正确，组对间隙、错边量和坡口的形状、尺寸以及表面状况是否符合图纸及工艺文件要求，焊材是否按要求烘焙、领用是否正确，焊接设备及测量仪器仪表是否正常工作并在检验有效期内，焊工是否持有覆盖该项目的合格证并在有效期内。在焊接过程中，检验人员要监督焊工严格遵守工艺纪律，完全按照WPS规定的电流、电压、焊接方法、层间温度等工艺参数和操作要求 (包括焊接方向、焊接顺序、焊条摆宽等)进行焊接。每焊完一道焊缝，焊工应首先自检，发现缺陷后立即打磨，清除干净后再进行焊接。同时，检验人员还应监督保温桶是否接通电源，焊材是否被保温，焊接环境(包括温度、风速、相对湿度)是否适合焊接操作，并做好相应的记录。

7 焊接检验

焊接检验对产品的焊缝质量起着严格的“把关”的作用，是确保压力容器可靠性必不可少的过程。焊接检验包括焊前检验、焊接过程检验及焊后检验，所依据的检验文件主要是WPS、技术标准、图纸、焊工资料及其他质保资料。焊前检验及焊接过程检验的内容在上一节中已有所提及，在此不再赘述。焊接完成后即可以进行焊后检验，但对有延迟裂纹倾向的材料，比如高强钢、铬钼耐热钢、低温钢，应在焊后延迟一段时间 (通常24 h后)进行。焊后检验一般包括外观检查、无损检测和力学性能试验，当容器全部焊接完成后还要做耐压试验，有特殊要求的还应做气密性试验。检验按照标准规定进行，对于不合格的焊缝要按照规定进行返修。

8 小结

以上从6个方面论述了压力容器焊接生产过程中涉及到的焊接质量的管理内容。这6个方面相互联系、缺一不可，共同组成焊接质量管理体系。压力容器制造厂应加强焊接工艺、焊接材料、焊接人员和焊接检验等方面的控制管理，首先应提供经评定合格、正确的 WPS，并在生产中严格执行;焊材应正确选用，经验收合格后科学管理;严格按照《特种设备焊接操作人员考核细则》要求培训一定数量的合格焊工实施焊接工作;焊前、焊接过程中及焊后做好各项检查工作，对于检验发现的超标缺陷应通过打磨或返修补焊的方法消除，从而保证产品的焊接质量，提高压力容器的安全性能。

［1］邱葭菲.锅炉压力容器焊接质量控制 ［J］.电焊机，2004，34(5):1-5.

［2］全国压力容器标准化技术委员会.JB 4708—2000标准释疑 ［M］.昆明:云南科技出版社，2000.

［3］苏琳，周恒洋.浅谈压力容器焊接质量控制 ［J］.低温与特气，2006，24(6):22-23.

［4］王璐，齐爱霞，王琳.奥氏体不锈钢的焊接特点及焊接工艺［J］.农机使用与维修，2008(4):16-17.

［5］陈裕川.焊接工艺设计与实例分析［M］.北京:机械工业出版社，2009.