压力容器用钢板焊接工艺及焊接质量控制

张全庆

（新余钢铁集团有限公司，江西 新余 338001）

在工业应用中，常见的压力容器有液化气罐、锅炉气包及原油储罐等、主要用来盛放一定压力的气体或液体。耐压性、耐腐蚀性和密闭性是压力容器的主要特点，在压力容器的生产制作的过程中钢板一般需要经过拉伸，弯曲，焊接等工艺确定形状，其中焊接是一个重要环节，对于保障压力容器密闭性和耐压性十分关键。由于压力容器中常盛放易燃易爆的高压气体或液体，因此首先压力容器用钢板应具有良好的韧性和焊接性能；其次，焊接方法应选择也十关键，合适的焊接方法，能够增强压力容器的安全性和稳定性，面对不同焊接方法也要有与之相配的焊接工艺，才能保证优良焊接效果；焊接质量还受焊接环境与钢板材质的影响，此外，焊接过程还会产生焊接应力和焊接变形，焊接应力会对焊接区域钢板的强度、塑形和局部稳定性造成影响。因此，还需要对焊接后焊缝区域进行焊后热处理以控制焊接变形和应力[1]。

1 压力容器用钢焊接工艺

1.1 焊接方法介绍

压力容器用钢板在工业生产应用十分广泛，主要有碳素钢板、低合金钢板、调质高强度钢板、低温用钢等类型材料。以常见的Q345R、Q370R等低合金钢钢为例，常用的焊接方法有埋弧焊、焊条电弧焊以及气体保护焊等；对于常见的16MnDR等低温压力容器用钢板，焊接可选方法有钨极氩弧焊、焊条电弧焊及埋弧焊等；而对于大型原油储罐用12MnNiVR钢板来说，气电立焊和埋弧焊都是常用的方法。在实际施工中，还应综合考虑焊接件结构特点，在保证焊接质量的前提下，根据焊接件的实际使用情况和现有焊接设备资源确定焊接方法。一般选择焊接能量较低的焊接方法以减小工件受热变形，焊接能量低则焊接热影响区、焊接变形区也会很小，从而对整体变形的影响很小，而且在焊接时还可以对焊接结构件的焊接变形进行实时调整。目前常用的低能量焊接方法有氩弧焊、CO2气体保护焊等方法。总之，焊接方法需要综合考虑，灵活多变。

1.2 焊接材料的选择

焊接材料由母材的材质决定，不同的母材其对应的焊接材料也各不相同。压力容器用途多样，使用环境复杂，制备所采用的钢板也各不相同，因此焊接材料的选择要考虑到焊接方法以及母材的性能。对于Q345R、Q370R等低合金钢而言，其制备的构件具有良好的强度、塑形，因此选择焊接材料时，需要保证焊接强度和塑性。其焊缝金属中的合金元素含量应尽可能与母材匹配，特别是Cr、Mn、Mo等主要合金元素；对于16MnDR等低温压力容器用钢，其低温韧性好，在焊接时还要求焊接材料也具有一定的低温韧性，焊接材料的选择要确保较小的热输出，选用Φ4mm的埋弧焊丝，能有效控制焊接工艺参数，满足焊接时减小热输出；对于12MnNiVR石油储罐用钢还应保证焊材具有较高强度。不同牌号的钢板焊接时，因为两材料抗拉强度不同，为了使材料避免应力集中作用，焊缝金属材料的强度应介于两材料的抗拉强度之间。根据以上分析，在实际焊接时选用材料需要综合考虑焊接应力、耐腐蚀性、力学性能以及抗裂性能等[2]。

1.3 焊接环境的控制

除了对焊接方法和焊接材料的控制，焊接环境也是焊接过程中值得注意的条件之一，特别是焊接环境中的温度和湿度会对焊接质量有较大的影响。一般在焊接施工前，要先对环境中的温湿度进行测量。温度＞0℃，湿度＜60%环境条件下适合焊接，否则应提前进行预热和除湿处理[3]。

2 压力容器用钢板焊缝热处理

2.1 热处理的作用

焊接是从局部进行的，焊接焊缝附近温度极高且分布不均匀，母材局部受热伸长产生塑性变形，而距离焊接点较远的温度较低部分不会发生伸长变化，从而导致焊缝及附近区域应力分布不均，当温度冷却时形成内应力，这对焊缝金属及焊缝周围的金相组织都会造成影响，进而影响两端母材的的稳定性和力学性能。因此需要进行热处理来消除焊缝及其周围的残余应力，提高焊缝的韧性、强度和稳定性。

2.2 热处理的参数控制

焊后热处理最主要的三个参数是保温温度、保温时间及升降温速度，其对焊后热处理的效果起到决定性作用。保温温度要根据母材以及焊缝焊材的屈服强度进行合理选择，保证能够消除焊接残余应力，保温温度还需要考虑氢元素的含量，如果钢材中氢元素含量过高，那么应该适当控制温度，使氢能从钢材中释放，防止出现冷焊裂纹，一般应加热至再结晶退火温度以上保温，晶粒会缓慢结晶，在消除残余应力的基础上使得钢材性能恢复，同时具有一定的强度，韧性和塑性；在保温时间选择上，如果压力容器用钢板规格较厚，那么为了减少温差带来的影响，确保焊缝处的性能得以恢复，还应该适当的延长保温时间，使得压力容器板内外温度均匀，以达到良好的热处理效果；而升降温速度一般和钢板的厚度成反比例关系。

根据热动力学曲线（CCT曲线）可知，冷却保温时间不同，金属转变得到的组织也不同，因此为了获得良好的组织和性能，需要对保温时间进行严格控制。根据我国国家标准规定，焊后热处理的最低保温时间和最低保温温度都要高于规定置。但高于多少并没有指示和参考，因此需要靠工艺人员发挥自己的实验经验，用来控制焊件热处理的综合效果。

2.3 热处理方法

一般根据操作方式的不同，将热处理分为整体热处理和局部热处理两种方法。整体热处理即对压力容器整体全部进行热处理，只适用于体积不大的压力容器，一般采用烧嘴喷射火焰加热方式。对于大型的压力容器，由于其体积大，不方便运输，只能在现场采用局部热处理的方法。局部热处理一般采用电加热方法，操作方便，安全性高。

3 压力容器用钢板焊接质量缺陷及其原因分析

在钢板焊接制备压力容器过程中，稍有不慎就会出现质量缺陷，常见的焊接质量缺陷可以通过焊接后的容器外部和容器内部两方面进行分析。

3.1 容器外部质量缺陷及其原因分析

容器外部质量缺陷主要有以下几种。①咬边现象，咬边现象是焊接中常常发生的一幕现象，或许由于焊接设备的电流控制不当，或者是没有选择合理的焊接工艺，都会导致咬边问题的发生。②焊接表面不平整，常常由于焊接过程不稳定而导致焊接表面出现凹坑或突起等等，影响到焊接外观质量。③错边问题，由于焊缝两端材料没有衔接对正，使得焊缝有交错现象，错边问题严重影响了焊接质量，会大大降低容器的承载能力。

3.2 容器内部质量缺陷及其原因分析

容器外部质量缺陷主要有以下几种。①焊缝有气孔，高温时焊缝中熔池的气泡没有来得及溢出，当温度冷却时气泡凝固，从而在焊缝中存在缺陷，进而影响焊缝的力学性能。②夹渣问题，焊缝中的熔渣没有及时清理就堆积在坡口边缘等位置，一般是由于焊接操作过快或者操作不规范导致。③焊缝裂纹，焊缝中出现裂纹是焊接中常见的问题，但对于压力容器而言，焊缝裂纹是危险程度最高的质量缺陷，由于压力容器压力高，因此焊缝开裂极大的降低了压力容器的安全性。造成此现象的原因可能是高温作用或者是焊缝金属有杂质。

4 压力容器用钢板焊接质量的控制措施

4.1 焊接前的准备工作

（1）确定合适的焊接方法及焊材。焊接前需要根据压力容器的实际使用情况和现有焊接设备资源确定焊接方法，一般选择焊接能量较低的焊接方法以减小工件受热变形。焊接能量低则焊接热影响区、焊接变形区也会很小，从而对整体变形的影响很小，而且在焊接时还可以对焊接结构件的焊接变形进行实时调整。其次在焊材选择时，应选择满足压力容器设计要求和力学性能的焊材，确保焊材安全可靠。

（2）焊接前预热。在焊接前对构件进行预热可以有效减小局部高温导致的热胀冷缩变形，防止焊接收缩应力过大产生裂纹，能够有效减小焊接件的焊接应力，一般对主焊缝和定位焊缝进行预热，预热温度通常在100℃～200℃之间，预热范围一般在焊接焊缝附近30mm～50mm内，预热的方法可以采用隔热板均匀加热、红外线加热、火焰加热等方法。

4.2 焊接时的操作规范

（1）合理设计焊接顺序。在焊接时，如果焊接件能够固定，则首先对焊接件进行定位焊，能够有效降低焊接变形，定位焊焊点应设置在对焊接件活动约束较大的位置。定位焊完成后焊接件位置便会固定，然后再对约束性小的焊缝进行焊接，这样才能更好地保证先焊接的部位可以进行自由收缩，减少焊接结构件的变形。

（2）合理的焊接方向。对于压力容器长度过长引起焊缝过长的情况，在焊缝的末端会产生较大的拉应力，在焊缝中间区段会产生较大的压应力。这是由于冷却速度不同和收缩是焊缝受到的约束不同引起的，在焊接时，要考虑到冷却后焊缝纵向横向应力的变化，使其收缩自如，从而减少残余应力。若是对接焊缝应从中间缓慢向两端焊接，这样能使焊缝收缩平稳自由；若是交叉焊缝应保证交叉点不出现应力集中和缺陷，合理设计焊接顺序。

4.3 焊接后的质量检测

焊接工作完成后，为了保证焊接质量需要对焊接区域进行检查，常用的检查方法有拉伸、冷弯、冲击等力学试验检测、外观检查及超声探测等。力学试验成本低，操作简单可靠，能够准确的检验出焊接区域的强度、塑形和韧性；外观检查更加直接，但只能检查焊接区域表面，缺乏可靠性；超声探测不仅可以焊接区域的外部缺陷，还能检测出内部缺陷，是目前探测焊接质量常用的方法。对于质量检测有问题的焊接件，需要对其进行补焊，保证压力容器能够正常工作。

5 结语

焊接质量关系到压力容器的安全性和稳定性，并对压力容器的工作质量和寿命具有决定性影响。焊接方法以及焊接材料的选择至关重要，在保证焊接质量的前提下，根据焊接件的实际使用情况和现有焊接设备资源确定焊接方法，综合考虑焊接应力、耐腐蚀性、力学性能以及抗裂性能选用焊接材料。为了改变焊接接头的组织性能，还需要对焊接区域进行热处理来消除焊缝及其周围的残余应力，提高焊缝的韧性、强度和稳定性。对于焊接工人而言，除了对压力容器用钢板、焊接工艺以及焊接区域热处理方法有所了解外，还应掌握压力容器用钢板板焊接容易出现的质量问题及其产生原因，增加焊接质量缺陷控制的经验，避免焊接出现质量问题。