低温液态CO2球罐安装现场焊接质量控制

刘月龙

（芜湖市特种设备监督检验中心 安徽芜湖）

一、引言

球罐因其应力分布均匀，在相同载荷情况下，具有所需板材厚度最小，可节省大量材料等一系列优点，在众多领域已被广泛使用。目前，国内球罐球壳板基本采用桔瓣式和混合式两种结构形式，但不论采用哪种结构形式，球壳板与球壳板之间都是通过焊缝连接而成，焊接质量将直接影响球罐的安装质量。芜湖市某气体公司年产10万吨级食品级液态二氧化碳项目中有2台1000 m3低温液态CO2球罐，球罐的技术特性如表1所示。该球罐采用8柱3带30片混合式结构，板厚为48 mm，刚度大，现场拼装难度大；材料为低温钢，现场采用手工焊条电弧焊法进行焊接，球壳板焊接质量要求高。现简要介绍低温液态CO2球罐安装过程的焊接质量控制方式。

表1 1000 m3低温液态CO2球罐技术特性

二、施焊前准备工序的控制

1.焊工资格

施焊焊工必须持有在有效期内、由质监部门颁发的特种设备焊工资格证书方可进行相应项目的焊接工作，持证项目至少包括 SMAW-FeⅡ-2G-12-F3J、SMAW-FeⅡ-3G-12-F3J 及SMAW-FeⅡ-4G-12-F3J等，焊接前应对施焊焊工进行技术交底，务必使其充分认识到严格执行焊接工艺的严肃性和必要性。

2.焊接工艺评定

按NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》进行焊接工艺评定，由于该球罐设计温度为-40℃，采用手工焊条电弧焊的方法进行焊接，焊后焊接接头需要进行低温冲击试验，所以应至少按立焊焊接位置进行焊接工艺评定。工艺评定合格后应根据该球罐产品的焊接施工特点，编制相应的焊接工艺规程或焊接作业指导书。

3.焊材复验和现场管理

对焊材复验的目的主要是控制焊材中的扩散氢含量。众所周知，对于大多数金属及合金来讲，氢的存在对焊接质量是有害的，氢可导致氢致气孔或氢致延迟裂纹的产生。故GB 50094-2010《球形储罐施工规范》中要求球罐的对接焊缝以及直接与球罐焊接的焊缝，采用焊条电弧焊时应选用低氢型药皮焊条，并对焊条按批号进行扩散氢复验。该球罐焊接采用CHE507RH焊条，标准规定扩散氢含量应控制在＜6 mL/100 g（甘油法）和10 mL/100 g（气相色谱法和水银法）。

球罐组焊施工现场，焊材应有专人负责保管、烘干和发放，焊材库的设置和管理应符合JB/T 3223-1996《焊接材料质量管理规程》的有关规定。焊条应按产品说明书的要求烘干，若产品说明书无要求，应按350～400℃恒温1 h以上的要求烘干。烘干后的焊条应保存在100～150℃的恒温箱中，随用随取。施焊时，焊条应存放在合格的保温筒内，且保存时间应＜4 h；当＞4 h时，应按原烘干温度重新烘干。焊条重复烘干次数应≤2次。

4.球罐组对的检查

球罐组对对精度、整个球罐的焊接质量和最终成形质量都有很大影响，因此在球壳板组对完成后，应立即对支柱垂直度、球壳板对口间隙、错边量、圆度、上下口的平齐度等，均要进行检查、找正和反复调整，使其最终尺寸达到标准和设计要求。主要是避免强行装配的出现或由组装偏差引起的焊后应力集中。在调整过程中，应特别注意后调整球壳板间的累积误差。

5.定位焊与焊接坡口检查

定位焊接需先在相邻两带球壳板的纵缝上进行。为减小焊接应力与角变形，定位焊接采取了分组、对称、同时焊接等方式，以保证焊接质量。焊接前应检查坡口，并在坡口表面和两侧＞20 mm范围内清除铁锈、水分、油污和灰尘。

三、施焊过程中的质量控制

1.施焊环境控制

环境因素对球罐的焊接质量有很大影响，球罐焊接时应指定专门人员对天气情况进行监测和记录，如环境温度、空气相对湿度和风速等都需进行测定，测定地点距焊接处应＜1 m，凡环境条件不符合GB 50094-2010《球形储罐施工规范》要求时，严禁焊接。

2.焊接顺序控制

球罐焊接时应采用合理的焊接顺序，使整台球罐同时对称地收缩或膨胀，从而较好地控制焊接变形，减小焊接残余应力，防止产生冷裂纹。

一般的焊接顺序是先焊纵缝，后焊环缝；先焊大坡口面焊缝，再进行背面清根，最后焊小坡口面焊缝。本球罐的焊接顺序是：赤道带纵缝的焊接（外表面）→赤道带纵缝的焊接（内表面）→上、下极带小纵缝的焊接（外表面）→上、下极带小纵缝的焊接（内表面）→上、下极大环缝的焊接（外表面）→上、下大环缝的焊接（内表面）→上、下极带方环缝的焊接（外表面）→上、下极带方环缝的焊接（内表面）→上、下极带极中板焊缝的焊接（外表面）→上、下极带极中板焊缝的焊接（内表面）。

3.预热与后热管理

根据焊接工艺要求，球壳板焊接过程中需对焊缝及焊接热影响区域进行预热和后热处理，主要是防止焊接过程中及焊后的裂纹出现。也是防止裂纹产生的重要工艺措施之一。

（1）焊接时应按焊接工艺规程或焊接作业指导书进行预热和后热。预热对于防止低温裂纹及应变脆化裂纹效果明显。通过预热可以降低焊接接头的冷却速度，延长从800～500℃的冷却时间，从而减少或避免淬硬组织，增加韧性，同时促进扩散氢的排放，有效防止氢致裂纹的出现。后热是为了防止延迟裂纹，主要与氢的扩散和聚集有关。如果焊后很快冷却到＜100℃，氢来不及从焊缝中逸出，就会造成严重的氢致延迟裂纹。尤其是在厚板多层焊中，随着焊道数目增多焊缝金属中扩散氢的数量逐层增多，采用后热或将预热温度保持一段时间，使扩散氢能充分的从焊缝中逸出，对防止延迟裂纹具有明显效果。

（2）按焊接作业指导书要求进行预热和后热，预热温度为100～150℃，层间温度应＞100℃；后热在焊接结束后立即进行，后热温度为200℃，后热时间为1 h。

（3）预热和后热温度应均匀，需在焊缝中心的两侧，预热区和后热区宽度应是板厚的3倍以上，且＞100 mm。

（4）预热和后热宜在焊缝焊接侧的背面进行，可选用电加热法或火焰加热法。由于电加热法比较均匀，火焰加热法比较简单方便，为了较精确地控制预热和后热温度，可优先选用电加热法。

（5）预热和后热及层间温度的测量，应用表面温度计或测温笔在距焊缝中心50 mm处对称测量，每条焊缝的测量点数应＞3对，并做好记录。

预热和后热的升、降温速度应严格控制，在编制焊接工艺规程时还应充分考虑施工期间环境温度及相应的施工条件对焊接质量的影响，需要制定出具有针对性的施工要求，以指导预热和后热的实际操作。

4.焊接线能量控制

控制焊接线能量是控制焊缝热输入的重要手段，如果焊接线能量过大，会使焊缝及热影响区域形成脆性组织，从而造成焊接接头韧性损失，降低抵抗断裂的能力。焊接线能量过小，会导致焊接热输入不足，熔池温度不够，冷却速度过快，易产生淬硬组织，使焊缝应力集中，严重时会产生变形甚至开裂。因此，球罐施焊过程中需对焊接线能量进行控制，以获得最佳性能的焊接接头。

（1）焊接线能量应根据球壳板的材料、厚度、焊接位置和预热温度等，并依据焊接工艺规程或焊接作业指导书等来确定。

（2）焊接线能量控制应按照：焊接线能量（J/cm）＝电流（A）×电压（V）×60/焊接速度（cm/min）来计算结果。

（3）焊接线能量管理包括每条焊道的测定电流、电压和焊接速度，以求得最佳的焊接线能量。对同一种钢材的焊接，其电流、电压是相对稳定的，只要控制好焊接速度便能控制好焊接线能量。因此，焊条电弧焊时，可在允许焊接线能量范围内预先确定每根焊条的焊道长度，再由此来进行焊接线能量的控制。

（4）GB 50094-2010《球形储罐施工规范》要求高强钢、厚度＞38 mm的碳素钢及厚度＞25 mm的低合金钢，其焊接线能量应事先进行测定和严格控制。本球罐为低温球罐，因此在焊接作业指导书限定的范围内宜选用较小的焊接线能量，并采用多层多道施焊。

5.焊接施工要领

（1）焊接时必须在坡口内引弧，严禁在坡口外引弧或擦伤球壳板表面，防止产生淬硬的弧坑或弧坑裂纹。应采取多层多道焊接，每层焊道引弧点应依次错开，错开距离应＞50 mm，每段焊缝的接头处都要打磨，更换焊条速度要快，尽量减少接头的冷却时间。

（2）球壳板焊缝第1层焊道要采取分段后退法焊接，且应直线运条、短弧焊，尽量达到反面成形，收弧时需将弧坑填满，多层焊的层间接头应错开。

（3）每条焊缝单侧应一次连续焊完，若中断应进行消氢处理以防止产生裂纹。重新施焊前应检查焊缝有无裂纹，并按焊接工艺规程规定重新预热。

（4）焊接时，焊工应对称分布、同步均匀施焊，即每组焊工间的焊接速度要保持基本一致。应严格控制焊接线能量，使每条焊道的焊接线能量都小于评定合格的数值。

（5）双面焊时，在单侧焊接完成后应进行背面清根，露出正面打底的焊缝金属，接弧处应保证焊透与熔合。同时还应控制焊道间温度小于焊接工艺规程或焊接作业指导书规定的范围，且不得低于预热温度。

6.焊缝返修控制

（1）焊缝返修前应根据产生缺陷的原因，制定焊接修补工艺，修补前宜采用超声检测来确定缺陷的位置和深度，确定修补侧。

（2）当采用碳弧气刨清除焊缝内部缺陷时，气刨深度应小于板厚的2/3，刨后需用砂轮清除渗碳层，打磨成圆滑过渡，并经渗透检测合格后再进行焊接修补。

（3）碳弧气刨和焊接时应预热，预热温度应按要求值的上限焊接线能量，并控制在规定的范围内，焊后应立即进行后热处理。

（4）修补焊缝长度应＞50 mm，同一部位的返修次数应＜2次，对经过2次返修仍不合格的焊缝，应采取可靠的技术措施，并经施工单位技术负责人批准后再修补。

（5）焊缝的返修应在球罐整体热处理前完成，返修部位应采用与发现缺陷方法相同的无损检测方法进行检测。

四、结语

焊接是低温液态CO2球罐安装过程中的关键工序，焊接质量的好坏直接反映球罐的整体安装质量。为了获得满足使用要求的合格焊缝，必须对影响焊接质量的各种因素加以严格控制和层层把关。2台1000 m3低温液态CO2球罐，经严格按照以上技术措施进行施焊后，至今已安全运行2年多，并未发现任何质量问题和隐患，说明球罐的焊接质量是可靠的。实践证明，加强低温液态CO2球罐安装现场焊接质量控制，对球罐的安全使用具有重要的意义。