压力容器监造过程中的焊接控制途径

康高 张义(南京三方化工设备监理有限公司，江苏 南京 210003)

0 引言

压力容器的监造环节，焊接工艺可受到诸多因素的影响。因此，需要通过现场监造，以完善的监督流程，控制焊接工艺运用流程，实现对容器制造过程高效控制与监督，提升容器监造质量。

1 压力容器监造环节焊接控制要点

1.1 资质检查

在压力容器的监造环节，需要对焊工资质以及其技能掌握情况全面检查。焊工的资质是从事此项工作必要条件之一，检查过程重点审核焊工年龄，保证其年龄和劳动强度相匹配。结合其资质，焊接操作之前模拟试焊。在其技能方面的检查，应结合压力容器特点，分别考核焊工技能，在试件焊接环节组织评判；焊接高强材料之前，需要先行试焊，并且通过检验。还可结合焊工在其他设备焊接过程工作质量，掌握其焊接合格率，作为其技术能力评判标准，进而综合评定焊工人员的选择以及录用。若焊工在以往工作中出现过容器缺焊、外表焊瘤等问题时，禁止其从事压力容器关键位置焊接工作。

1.2 工艺审核

监造压力容器过程，对焊接工艺进行评定与审核也是重点，焊接过程若使用单一方法，需结合厚度、等级合理选取。并结合焊接材料、材质、热处理和厚度各项要求，保证焊接参数合理。针对特殊材料，应先试焊，提前掌握焊接过程技巧，并对焊接参数合理修正，保证焊接操作高度可行。试验项目需要和压力容器的焊接要求相符，保证技术满足容器力学性能要求，否则需要对工艺重新审核与评定。

1.3 过程控制

焊接过程，注意控制焊接参数，需和评定工艺一致，禁止以大电流形式展开焊接工作，并对环境温度合理控制，防止影响焊接质量。若在潮湿环境或者低温季节焊接，需结合要求采取预热措施，将焊道50mm 范围之内进行均匀预热，保证焊道位置温度差低于15℃。若在高温环境下焊接，切忌使用大功率风扇正对焊道。由于焊接人员技术水平存在差异，因此需要对容器薄壁位置和小直径管道位置的焊接质量进行检查，并安排技术水平较高的焊接人员负责容器背面成形的焊接工作。焊接容器环节需要对焊接顺序、空间和位置全面考虑，保证焊接空间充足，位置合理，便于焊接操作，确保质量。容器焊接对于方法的选择因材料和要求而不同，因此需要合理选择焊接方法，保证焊接合格率。

1.4 焊缝质检

焊接过程还需对焊缝尺寸进行检查，确保过渡圆滑，焊道余高和要求相符，若存在“尖角”，应进行打磨。保证焊缝不存在气孔、裂纹和咬边等各类缺陷。可使用无损检验方式，对局部位置进行质量检查，根据焊接工艺，统计不同位置焊接质量，建立台账，合理控制后续焊接施工。

1.5 质量验收

焊接结束之后，展开最终质量验收，检验焊接位置外观结构，不可出现重叠焊接问题，除特殊要求，应使用封闭方式，焊接位置无开口。可使用无损检验方式进行复核，检验比例和图纸要求相符，并汇总检验报告。

2 案例介绍

本项目为化工设备多晶硅冷氢化工艺应用的核心容器流化床反应器监造项目，该压力容器有4 个组成部分，即封头、支座、筒体和锥体，设备直径2200mm，筒体厚度58mm，总长度22000mm，由于容器规格较大，因此制造难度较高。在容器正式投产之前，由监造方参与制造厂各项制造工艺准备当中，完成焊接工艺的编制说明，并制定出制造文件，参与整体制造过程重要节点控制工作当中，下文对容器制造过程焊接、加工以及热处理重点工艺运用详细介绍。

某化工厂制氢装置当中，转化炉的下尾管外接管材质为0Cr18Ni10Ti，上端炉管选用2G4Cr25Ni35Nb 材质进行焊接，打底焊采取ERNiCr-3 氩弧焊工艺进行满焊，之后经过650℃的高温环境下，热处理2h。此装置试运行过程，由于存在泄漏之处导致停车，经检查，装置下端位置的焊接接头存在开裂，上端也有裂缝，并存在直径为1～5mm 气孔，综合分析，和容器焊接过程工艺运用不规范以及热处理不严格等操作相关[1]。

3 压力容器监造焊接控制途径

3.1 焊接工艺运用

3.1.1 焊接要点

由于该压力容器使用材质为NO8810，膨胀系数过大，在20℃时，热导率仅为10.9，因此焊接环节，处于焊缝位置部分低熔点物质以及杂质元素可能发生聚集或者晶界偏析等问题，凝固环节与镍金属之间形成晶体，形成焊接裂纹。镍合金焊缝当中，金属流动性相对较差，并且冷却速度快，熔池内气体难以及时排除，产生气孔。因此该压力容器焊接环节对裂纹、气孔等控制为焊接要点。

3.1.2 焊接工艺

该压力容器合金成分如下；C 含量0.05%～0.08%；Cr 含量在19.0%～201.0%；Ni 含量在30%～35.0%；Al 含量在0.15%～0.60%；Ti 含量在0.15%～0.60%；Fe 含量≥39.5%；Si 含量≤1.0%；Mn 含量≤1.5%。在容器的质保书中标明，含碳0.08%；含铬20.2%；含镍30.6%；含铝0.27%；含钛0.26%；含铁48.2%；含硒0.2%；含锰0.8%。经检测，合金中上述成分分别为，碳0.07%；铬20.06%；镍30.23%；铝0.24%；钛0.32%；铁46.71%；硒0.27%；锰0.81%。结合上述结果，选择ERNiCr-3、ENiCrFe-2 等作为焊接材料，提升容器的耐热性以及耐腐蚀性。

在焊接方法方面，选择TIG 与SMAW 两种成熟的焊接工艺，按照设备厚度、焊材等，使用TIG 焊接作为打底，之后中间层使用SMAW 焊接，之后利用TIG 焊接进行盖面，确保焊接质量，并且容器焊缝位置美观。因为液态合金的流动性较弱，因此需要对其坡口合理设计，避免发生熔合不良问题。在坡口位置需要将其角度适当增加，可确保其接头熔合性，同时，控制钝边宽度。按照焊接评定标准以及压力容器的焊接工艺要求，对容器焊接过程各项参数进行评定。ERNiCr-3 材料焊接过程，对于2.0mm 的焊缝，利用GTAW 焊接工艺，将焊接电流控制在90～110A 之间，电压为13～16V，焊接速度为12～15cm/min。ENiCrFe-2 材料焊接过程，对于3.2mm 的焊缝，利用SMAW 焊接工艺，将焊接电流控制在85～90A 之间，电压为20～22V，焊接速度为12～15cm/min。ENiCrFe-2 材料焊接4.0mm 焊缝时，仍然利用SMAW 焊接工艺，将焊接电流控制在110～120A 之间，电压为22～30V，焊接速度为12～15cm/min。

3.2 加工工艺

该设备由于整体结构简单，特殊之处为椎体翻边位置存在一个变径量较大部件，同时还有椭圆形的钢制封头，钢制板的厚度＞60mm。当前国内直径2200mm 封头加工工艺相对成熟，但是针对N08810 这类材料压制经验相对缺乏。故此，该部件压制工艺的运用十分重要。经过综合评估之后，最终选择外协厂展开封头与锥体的压制加工。在加工之前，封头位置与锥体的小口段呈现出纵向裂纹，并且面积较大。对上述缺陷重新展开分析，由于N08810 材料采用塑性热加工工艺加工，并且其加工热性能和奥氏体钢类似，加工温度要求在1000～1230℃之间，但实际上加工温度处于850℃左右，由于此材料在600～850℃下，极易产生开裂问题。因此，在加工前期由于封头制造厂没有考虑到此问题，参考奥氏体钢的封头加工工艺，未严格规定加热温度，造成部件表面存在裂纹[2]。

3.3 热处理工艺

设备使用过程，工况温度＞500℃，因此，对于设备自身不变性能有特定要求，需要对材料展开不同热处理，分析其不变性能。同时，按照设计图纸相关技术要求，将其置于1150℃，展开固溶处理。在此过程，确保其出炉之后可迅速冷却为关键要点。该封头厂改造了原有冷却装置。首先，将热处理炉、冷却间二者距离进行缩短；其次，使用高压泵进行加压打水；最后，增设喷淋嘴，保持上下均匀分布，确保即冷处理要求。经测试，冷却装置当中存在800 个喷头，1min 喷水量高达几十吨，可确保直径2000m、厚度26mm、304 不锈钢材质的封头在10min 之内，温度从1000℃骤降至100℃。在设备的整体热处理方面，控制温度885℃，由于设备处于高温环境下容易变形，因此需要设置内部支撑，以免筒体变形，导致椭圆度超出标准，在外部设置支撑装置之后，可避免材料变软，在结构自重影响下，出现凹痕。需要注意，支撑材料应耐高温，以免材料自身发生变形。

3.4 焊接质控措施

掌握上述设备焊接环节面临的重难点之后，在压力容器的监造环节，可制定出针对性质控措施。为确保容器焊接工艺运用质量，监造焊接现场，可要求相关人员使用平焊方式，在焊接环节保持短弧。由于镍合金焊接过程，焊缝位置金属流动性高于普通合金，实际焊接时需要稍加摆动，幅度控制在焊条直径3倍以内，单次摆动结束之后，还需做稍许停顿，为焊缝金属具备充足时间填充咬边提供环境。因为焊缝问题为压力容器焊接过程致命缺陷，因此，需要结合设计，科学安排焊接流程。

在坡口外侧使用直径2.4mm 的焊丝，在氩弧焊工艺运用下，进行打底焊接，共计4 层。在焊缝的外侧使用直径3.2mm 的焊条，共计焊接6～8 层。在焊缝的内侧经过PT 检测，通过之后，使用直径3.2mm 的焊条，共计焊接8 层，对焊缝位置展开无损检测，在焊缝外侧使用直径4mm 的焊条焊接，以无极氩弧焊进行封面。焊接环节应控制好不同焊层之间温度＜100℃，控制热裂纹问题的发生。还需保证焊接电流合理，降低热量输入，控制熔合比，在收弧位置处应该填满弧坑。

除此之外，镍合金在焊接环节，还可存在夹渣或者气孔等质量缺陷，因此，焊接之前，可利用丙酮将母材、焊材等进行清洗。在焊接时，控制电弧电压稳定性，合理控制氩弧焊引弧、收弧等工艺技巧。为防止焊接环节存在缩孔、气孔等问题，尽量选取衰减方式熄弧。在验收环节，可对压力容器展开无损检验，确认其各部分焊接比例是否和图纸要求相符，对于焊缝反复检验，不可遗漏，保证无损检验报告和检验单信息一致[3]。

4 结语

总之，通过上文对压力容器监造过程的全面监督，设备制造顺利完成，整体制造环节未出现返修问题，设备经过质量鉴定，并且顺利应用到生产当中。由此可见，压力容器的焊接过程，有效的监造流程，可保证容器焊接质量，通过工艺评定，选取科学的焊接工艺，落实焊接过程质控措施，并对焊缝展开全面检查，利用无损检验进行复核，汇总监造结果，为容器顺利制造完成提供良好保障。