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人孔凸缘与厚壁压力容器封头的焊接技术
作者：郑道杰,董建峰,隋如冰,李国宋 来源：《科学之友》2010年第14期
摘要:通过采用可靠的防变形措施和适当的焊接技术工艺,经过焊前的充分准备、焊接过程的严格控制和焊后消氢热处理,达到焊接功用。这种焊接技术对焊工要求相对降低,焊接质量更容易保证;同时焊接环境好和劳动强度低。也为类似嵌入式接管与厚壁压力容器的焊接提供了很好的经验。
关键词:人孔凸缘;封头;焊接
中图分类号:TG457 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)21-0047-02 1简介
2010年3月,我公司为冀东油田制造了一台规格为φ1 200 mm×5 300 mm×34 mm三相分离器(卧式),设备壳体材料为Q245R,壁厚34 mm,设计压力:6.3 MPa,设计温度:80 ℃,工作介质:油气水混合物(介质中H2S含量1.4 g/m³)。容器的A、B类焊缝要求100 %无损检测,合格级别Ⅱ级,执行JB/T4730-2005标准,并要求进行600 ℃±20 ℃整体热处理,热处理后的硬度合格要求HB≤185。本设备的焊接难点在于人孔凸缘与封头的焊接,人孔位置在左封头中轴线上,人孔接管的补强形式为整体锻件补强(嵌入式接管),人孔凸缘与封头的装配,见图1。
图1人孔凸缘与封头的装配
就设计角度来说,人孔凸缘补强效果最好,但是此种补强形式,GB150规定属A类焊缝,且对接环焊缝直径变大,使接管内外变形自由度增大。如果使用常规焊接方法,封头易发生内塌陷变形。另外,采用人孔凸缘厚度变化大,焊接应力大,易产生焊接裂纹。针对这一技术难题,结合我单位实际生产能力和已有的生产经验,采取一系列合理防变形措施和正确的焊接方法,不仅一次探伤合格率为100 %,同时也满足了下部工序的装配要求。 2组装工序的确定
人孔凸缘和设备封头组对、焊接工序有以下两种流程可以选择:①考虑到设备内径为φ1 200 mm,人孔凸缘内径为φ376 mm,人孔凸缘与封头的对接直径为φ746 mm,法兰与人孔凸缘组焊后高度约400 mm。在进行壳体的封口组焊时,为方便施工人员进出和防止因焊接导致封头变形,把人孔凸缘与封头的组焊作为壳体附件安装最后一道工序,只进行开孔。但在进行此环焊缝
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焊接时,处于立焊位置,为防止焊接变形,要求施焊人员操作时对称分段退步焊接,对焊工的技能要求十分苛刻,另外由于空间有限,内侧焊缝的处理难度大,同时后期的焊缝返修难度也大大增加;②人孔凸缘与封头焊接后,再进行封头与筒体装配。人孔凸缘与封头在平台上单独组焊,此种工艺在平焊位置,施焊位置最好,操作空间大,最易进行焊缝处理,因此更易保证焊接质量。
通过对以上两种工艺进行比较,并结合我公司现有的设备和生产能力,第二种工艺较优化的施工工艺,但为了确保人孔凸缘与封头的焊接质量和下一道工序的顺利进行,我们采取可靠的防变形措施和适当的焊接技术。 3焊接技术要点 3.1坡口形式及控制要点
从最大限度减少焊接变形和施工方便考虑,确定坡口形式为对称X形坡口,见图2。封头号孔后,用数控切割机开孔,火焰切割或碳弧气刨加工坡口,坡口表面用砂轮机去除氧化铁,并进行渗透无损检测,以防止坡口表面存在裂纹、分层、夹渣等缺陷。
(1. 封头;2. 固焊点;3. 加强环板)
图2对称X形坡口 图3刚性固定法简图 3.2焊条的控制
由于大厚度焊缝要求严格控制含氢量,因此焊条使用含氢量低的碱性焊条,使用前应严格按厂家说明进行烘干和保温,施工人员用保温筒领取焊条,每次领取不得超过5 kg,随取随用,剩余焊条进行回收,不得用于此焊缝的焊接。 3.3焊前预热
焊前预热的目的是减缓焊接接头的冷却速度,适当延长从800 ℃到500 ℃的冷却时间(预热温度越高,冷却时间越长),从而减少了产生淬硬组织,减少了焊接应力,有利于氢的逸出,有助于防止冷裂纹的出现,但预热温度不要过高,否则,会使焊缝产生附加热应力,反而恶化接头的抗裂性能。
现场焊接局部预热更便于操作,对这种大拘束度人孔凸缘的局部预热时,预热温度在150 ℃～200 ℃范围内为宜。尤其是当环境温度低于0 ℃时应严格控制预热温度,预热方式可采用乙炔火焰,由两人对称同时同向加热,加热区域为坡口两侧各100 mm范围内,用红外线测温仪测量达到要求的温度后进行焊接。测温点要均匀,确保坡口要求的范围能够达到要求的预热温度。
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3.4刚性固定法(见图3)防变形措施
首先组焊法兰和人孔凸缘,检验合格后,再进行人孔凸缘与封头的组焊。组焊前,用同材质Q245R,厚度为12 mm的钢板,数控下料出内径φ600 mm,外径φ1 200 mm的环板,点焊在封头的内壁上,电焊点至少为四点,并均匀分布,每个点固点约40 mm～50 mm,并且焊接在外侧,以方便施工后去除(注意:去除后封头的点固点用砂轮机打磨,并渗透检测,表面不应存在裂纹、分层等缺陷,否则必须补焊)。 3.5焊接的关键点
在进行人孔凸缘与厚壁压力容器封头焊接接头的焊接时,先进行内坡口的焊接,然后焊外坡口,这样内坡口填充焊缝金属对焊缝有一定的拘束作用,进一步减小了焊接变形和焊接应力。 在进行内坡口的焊接时宜从坡口两侧开始施焊,使填充金属充分熔化,再填充焊缝中间部位,从而避免了热影响区(焊缝与母材过渡处)裂纹,从而改善了坡口与焊缝过渡处的受力条件,提高其抗裂性能,达到防止过渡处裂纹产生的目的。打底焊用小电流,快速焊,每层焊的焊接连续完成,打底焊完成后,开始热焊和填充焊的焊接,每层所焊的厚度4 mm～5 mm,这样氢能够充分逸出,避免了冷裂纹的产生。
内坡口焊接完毕后,在进行外坡口的焊接前,焊道的清根宜采用砂轮机打磨,去除焊渣、未焊透、气孔等缺陷,减少焊缝加热次数,进一步降低了焊接变形。填充焊时同样要注意用小电流,快速焊,薄焊层的焊接方法。
内外坡口,施焊时,由两焊工同时、同步、同向对称施焊。 3.6焊后热处理
对于大壁厚压力容器的焊接来说,由于氢在钢材中的溶解度随着钢材温度的下降而迅速降低,如果后很快冷却至100 ℃以下,氢来不及从焊缝中逸出,这样就在经过一段时间(几小时,几天甚至更长的时间)后,由于氢扩散在热影响区(或焊接金属)中的聚集,产生极大的压力,导致产生危害较大的延迟裂纹,消氢处理就是为了避免产生延迟裂纹而进行的。
内外坡口焊接完毕,焊后立即进行热处理,焊后热处理温度宜为250 ℃～350 ℃,保温时间为1 h～2 h。焊后热处理的方法,采用局部后热,范围在坡口两侧100 mm范围内,保持一个均热带,并用电加热片固定在内外焊缝处,并放置热电偶来控制检测温度,最后用100 mm厚的岩棉包裹,使焊缝缓慢冷却,从而使氢充分逸出。 4消除应力热处理
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人孔凸缘与封头焊接后,很大的残余应力。虽然无损检测合格后,但由于残余应力的存在,会对有腐蚀介质容器引起接管焊缝应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹。因此,人孔凸缘和设备整体进行消除应力热处理,热处理温度严格按照图纸设计的要求进行,保温时间不应小于1 h。 5效果
通过工艺的优化、焊前充分准备,焊接过程的严格控制和焊后消氢热处理,人孔凸缘与封头焊缝一次射线探伤评片结果如下:
(1)从以上评片的结果可以看出,不仅100 %一次合格,而且焊缝质量等级高于设计要求。 (2)很好的控制了焊接变形,避免了封头塌陷,完全满足下步工序的施工。
(3)此种施工工艺,对焊工技术要求相对降低,焊接质量更易保证;同时焊接环境好和劳动强度低,也是该工艺的优点。
(4)该工艺也为类似嵌入式接管与厚壁压力容器的焊接,提供了很好的经验。
Manhole Flange and the Thick-walled Pressure Vessel Welding Technology Zheng Daojie, Dong Jianfeng, Sui Rubing, Li Guosong
Abstract:By using a reliable anti-distortion measures and appropriate in the welding process, after full preparation before welding, the welding process of strict control and elimination of hydrogen heat treatment after welding, to weld function. Requirements of this welding technique is relatively lower welder, welding quality assurance more easily; while welding a good environment and low labor
intensity. Also similar to the embedded receiver and thick welding of pressure vessels provided a good experience.
Key words:manhole flange; head; welding
