试分析压力容器异种钢焊接工艺

＊郝艳波

（陕西延长石油（集团）有限责任公司 陕西 716000）

引言

压力容器是一种能够承受一定压力的密封容器，被人们广泛地应用到石油化工、航空航天、核电等领域中。压力容器的发展速度关系到整个国家的工业化发展进程，也对社会经济、政治的发展有着十分重要的作用，关系到国民经济以及国计民生安全。从实际应用情况来看，压力容器会在各个复杂的环境中进行，经常和其它设备配合使用，压力容器在安装、改造和运行管理时会因为外界因素的干扰而出现各个缺陷，并会伴随出现韧性破裂、疲劳、腐蚀和蠕变等破坏性问题，这些问题的存在会威胁到整个系统的稳定运行，如何防范压力容器损伤成为相关人员需要思考和解决的问题。

1.压力容器异种钢焊接接头的基本特点分析

按照钢材种类是否相同进行划分，压力容器异种钢焊接接头可以划分为同类异种钢接头和异类钢接头两个类型，受母材材料化学成分构成不同的影响，压力容器异种钢焊接接头呈现出以下几个方面的特点：第一，化学成分不均匀。两种母材、填充材料金属元素含量和压力容器异种焊接工艺的选择和使用不同，由此在实施焊接操作时会使得各个区域的化学成分出现不同程度的变化。第二，组织不均匀和性能不稳定。在压力容器焊接使用操作中，除了母材和填充材料之外，焊接方法、焊接工艺的选择和使用也会影响压力容器组织的均匀性。在母材和焊缝金属融合区存在明显宏观化学成分不均匀的情况下会使得压力容器异种钢焊接接头的组织出现较大的不均匀性，最终会为接头的物理化学性能、力学性能带来较大的影响。第三，性能的不均匀性。受焊接接头化学成分构成不同的影响，各个区域范围内的力学性能、化学性能和物理性能也会呈现出比较大的差异。第四，焊接接头各个区域之间的性能差异。在焊接接头之间存在性能差异的情况下会因为残留应力分布不均匀而出现维护管理问题，加剧了钢焊接材料的不确定性因素。在焊接接头不均匀时如果实施焊接操作就会为压力容器的使用留下更多的安全隐患。

2.压力容器异种钢焊接工艺应用要点分析

(1)焊接方法

压力容器异种钢加工中的常用焊接技术离不开加热、加压等复合原理，在这个过程中不需要添加其它关联材料就能够将不同金属焊接在一起。在压力容器加工制造的过程中，异种钢焊接方法普遍适合应用在各个材质钢材的焊接加工中，在焊接操作中会牵扯到多个种类的焊条，不同材质的焊条加工操作能够打造出灵活多样的异种钢。为此，在选择钢焊接材料的过程中需要相关人员结合母材的特点和设备的结构来选择适合的加工操作方式。

(2)焊接材料

在金相组织结构接近情况下所寻找的焊接材料对焊接金属力学性能会提出要求，在这个过程中，最关键的条件是，焊接材料的耐热性能不能够低于母材性能要求中较低材料的参数指标。在金相组织差异较大时要注重调节和保证填充金属稀释后的焊接接头性能质量，密切关注焊接接头抵抗腐蚀和抵抗高温的能力。在选择焊接材料时要严格遵循以下几个方面的基本原则：

第一，在焊接接头不产生裂纹缺陷的情况下，如果焊缝金属的强度、可塑性无法兼顾，需要在焊接操作时选择塑性和韧性较好的焊接材料。第二，焊缝金属性能在满足两个母材中的一种的时候，就可以认为其满足焊接技术的应用要求。一般情况下，所选择焊接材料的焊缝金属力学性能、其它性能不能够低于母材中性能较低的指标。第三，结构钢异种钢号焊接时对相同强度等级结构的钢焊条一般需要选择抗裂性能良好的低氢焊条。对于金相组织差别较大的异种钢接头，比如常见的珠光体奥氏体异种焊接头，在选择好之后要充分考虑填充金属在遭受稀释之后的焊接接头的性能。第四，在满足基本性能要求的条件下，尽可能的选择价格低廉、容易获得、工艺性能良好的焊接材料。第五，对于异类异种钢接头，适合选用烙镍奥氏体不锈钢焊条或者镍基合金焊条。对于工作条件苛刻的重要接头，可以优先使用镍基合焊条，在具体使用中虽然这类材料的价格较高，但是在使用时能够减少碳迁移，且焊缝金属线膨胀系数在铁素体钢和奥氏体钢之间，焊接金属线膨胀系数在铁素钢和奥氏体钢之间，参数设定的接头组织和力学性能展现都会显示出良好的效果。

(3)焊接参数

在压力容器异种钢焊接操作中，焊接材料的熔合比和缝层数呈现出来的是反比的关系，也就是说缝层数越多熔合比数值就越小。基于熔合比和焊接层数的关系，在压力容器焊接操作中人们提出了多层焊的操作方式。在这个期间，为了能够减少熔深，在实施焊接操作时要采取恰当的措施稀释焊缝大小，与此同时，使用小电流、快速焊接的操作方式来完成一系列的焊接操作。

(4)坡口角度

在设置焊接坡口角度时，需要在全面把握母材厚度的基础上进一步考虑熔合比的大小。因为异种钢的化学成分和力学性能受熔合比性能的影响，为此，在实施材质焊接操作时需要相关人员能够采取积极的措施去降低熔合比，通过调节熔合比来使得焊接金属的化学组成、材质性能波动在最小化的状态，由此会使得熔敷金属的性能能够满足工业发展需求。

(5)预热和焊接后的热处理

在压力容器焊接操作过程中，预热会根据淬硬倾向较高的钢种来进行确定，目的是通过萃热来降低焊接接头出现淬火裂纹的可能。焊接后热处理工作的实施能够进一步提升接头的性能，改善压力容器的组织结构，并在这个过程中加速钢材残余应力的消散。在焊接缝隙金相组织和母体材料相同时，可以根据金含量较高的钢种来确定热处理工艺参数，最终来有效提升焊接接头的力学性能。

(6)采用预堆边焊的方式来完成焊接

为了能够更好的解决异种钢接头余热、焊后热处理困难的问题，会采用预堆边焊的方法来完成焊接操作，具体焊接操作的工艺顺序表现如下：在需要进行热处理的母材坡口位置上预先堆边焊接1层到2层的和焊缝同种类型的钢焊条，在确定好的位置实施冷态焊接处理，接头不再继续进行PWHT。通过这样的处理方式能够减少熔合区域范围内成分不均匀所诱发的一系列问题，也会为接头的热处理带来方便，从而起到重要的隔离层作用。

3.压力容器异种钢焊接缺陷产生的原因分析

(1)材料原因

压力容器在使用的过程中需要长期保持一种高压状态，因此，在容器使用的过程中对容器材料的强度、荷载能力等会提出较高的要求。从实际应用情况来看，基本上所有压力容器的外观材质都是金属材料，在压力容器异种钢焊接操作时如果材料本身存在质量问题，就会直接影响到压力容器管道材料的焊接质量。

(2)没有焊透和熔合的原因

如果压力容器异种钢焊接焊缝没有熔合，那么还会伴随出现没有焊透的问题。从实际情况来看，在压力容器异种焊钢没有焊透的原因包含焊接速度过快或者是在没有打底的情况下就使用手工焊接的操作方式，最终会使得焊件无法实现熔融。不管是没有焊透还是没有焊熔都会对压力容器的焊接产生十分不利的影响，最好会直接削弱压力容器的承压强度。

(3)环境原因

压力容器异种钢焊接操作对周围环境有着较高的要求，在具体实施操作时如果没有对周围环境、天气、设备选择和使用等进行全面的考核分析，就会使得压力容器异种钢焊接质量受到严重的影响。比如在暴雨、沙尘、大风等天气环境中，空气中的粉尘和水会干扰到压力容器钢焊接操作的紧密性，严重的情况下还会诱发一系列的安全隐患。

4.压力容器异种钢焊接技术的应用

(1)激光复合焊接技术

钨丝填丝氩弧焊技术在压力容器焊接质量提升和性能保证方面起到了十分重要的作用。且在实施焊接操作时不会产生飞溅和压力容器材料受损的问题。为此，在压力容器异种钢的加工使用中，钢焊接是一项十分重要的措施，通过必要的钢焊接能够保证压力容器的使用质量。

在压力容器异种钢焊接操作中，激光复合焊接技术是一种能够保证焊接稳定的基础形式。从实际应用的角度来看，激光复合焊接是在传统钨极填丝氩弧焊技术基础上发展起来的新型技术形式，这类技术能够在熔池中形成空隙，空隙内部会充满金属蒸汽等电离子，借助这些等离子能够达到调控电弧强度的作用，最终会有效提升焊接电弧的安全性和稳定性。

(2)窄间隙埋弧焊技术

窄焊接技术被人们广泛的应用在板材比较厚实，焊接缝隙宽度较小的压力容器异种钢中，窄间隙技术在100mm的操作空间内会充分显示出自身的焊接优势，因而被人们广泛的应用到质地较厚的压力容器中。

窄间隙埋弧焊技术能够有效提高各个材料的加工利用率，并在较短的时间内完成一系列的焊接操作，最终使得压力容器异种钢的焊接工艺技术满足人们对压力容器异种钢高效率、稳定、强度较高的使用需求。

(3)底层焊接

压力容器的焊接加工会遵循从内到外的加工顺序，底层焊接打底焊是压力容器焊接操作的第一个步骤，通过实施打底焊操作能够有效保证压力容器底层施工质量。在具体实施焊接操作时候根据零部件的不同来选择不同的焊接加工方法。比如对于筒体对接接头一般会使用埋弧自动焊接的加工操作方法。

(4)中层焊接

在完成底层焊接操作后就需要开展中层焊接，也就是完成填充焊操作。为了能够保证焊接操作质量，需要在每一层的焊接操作完成后就进行表面清理，目的是避免下一层焊接操作夹渣缺陷对压力容器钢焊接操作所产生的不利影响。同时，在实施压力容器焊接操作时还需要能够错开每道焊接接头和下一层焊接接头之前的间隔距离，目的是避免出现因为焊道接头重叠所诱发的应力集中问题。

(5)软件焊接技术

压力容器异种钢焊接无损检测工作的开展离不开系统软件的支持，在保证检测工作顺利开展的同时节省人力、物力和财力的消耗，在这个期间有效提升焊接技术的安全性和稳定性。软件焊接控制技术的实施离不开指定的控制操作程序，即由技术人员使用计算机来操作压力容器异种钢焊接检测，全面了解压力容器的运行情况，结合压力容器运行和异种钢的华为手机情况来合理调整检测参数。同时，在软件焊接技术的支持下还能够进一步提升焊接技术应用的安全性和稳定性，使得一系列焊接检测工作的开展满足规范的检测操作标准。

(6)人工智能系统

在现有压力容器异种钢焊接系统软件建设基础上通过对控制系统的升级处理会形成专业的人工智能系统，依托人工智能操作系统管理软件能够在压力容器异种钢焊接检测工作中实现对各个容器的有效控制，合理把控各个零部件的使用衔接问题，并在这个过程中，将编订好的程序放入到控制模板数据中，合理把控压力容器异种钢焊接技术加热时间，并在焊接加热操作中采取恰当的技术保护措施，有效提升压力容器异种钢焊接检测效率。

(7)复合钢板的焊接

复合钢板是由不锈钢、镍基合金、铜基合金或钛板作为复层，通过爆炸焊、复合轧制、堆焊等方式来加工形成双金属板材。复合钢板的基层设置能够满足接头强度和刚度的要求，复合钢板能够满足耐腐蚀的要求。为了能够确保复合钢板不失去原本的综合性能，需要在基层和复层位置上开展焊接，期间，焊接材料的选择、焊接工艺的确定由基层和复层材料来决定。基层和复层交接位置上焊接异种钢材料，焊接性深受基层、复层物理性能、化学成本、接头形式、填充金属成分组成。第一，焊接方法。结合复合钢板材质、接头厚度、坡口尺寸大小来选择适合的焊接方式方法，具体包含埋弧焊接、焊条电弧焊、二氧化碳气态保护焊、等离子弧焊等。第二，坡口的形式。按照钢制压力容器焊接标准来确定对接接口坡口的形式，同时，可以在接头背面一小段距离内开展机械施工，去掉上面的复合金属层，目的是保证焊基层焊道时不让基层焊肉焊到复层上。在焊接时可以先焊接基层，再焊接过渡层，最后焊接复层，目的是确保焊接接头具有良好的耐腐蚀性。第三，合理选择填充金属。基层位置上可以选择适合的填充金属来完成焊接，多数情况下可以选择适合的中间填充金属来作为钢的过渡层，由此来更好的控制复合层金属焊道的铁元素含量。

5.结束语

综上所述，在压力容器钢焊接母材成分和焊缝之间存在较大差异时会使得母材焊缝之间出现碳迁移的现象，会诱发金属韧性下降、熔合线周围影响区组织和性能的变化等。为此，就某种异种金属实施焊接操作时需要相关人员能够充分了解压力容器异种焊接金属的基本属性，在了解材质属性的基础上选择适合的焊接方法，提高压力容器异种钢焊接操作的有效性。