论文部分内容阅读
摘要：球罐为大容量、承压的球形储存容器，广泛应用于石油、化工、冶金等部门，它可以用来作为液化石油气、液化天然气、液氧、液氨、液氮及其他介质的储存容器。参考规范GB50094-2010和GB12337-98的对球罐焊接工艺的要求，经过我们的探讨，得出更加合理，能有效的消除Q370R材质球罐焊接冷裂纹的方法。本文主要论述新的Q370R材质球罐焊接工艺及顺序，以达到消除Q370R材质球罐焊接冷裂纹目的。
关键词：Q370R材质，球罐焊接顺序，消除焊接冷裂纹。
中图分类号： TU74 文献标识码： A
本文所探讨的球罐焊接顺序，分别为2台46mm厚的液化石油气球罐，球壳板采用冷压成型的方法制造，现场组焊，设计要求进行焊后整体消除应力热处理。球罐焊接时正处在风季，施工条件恶劣，焊接质量较难保证，Q370R钢存在一定的焊接冷裂倾向。大量的实践和理论研究表明，影响焊接冷裂纹的因素很多，钢种的淬硬倾向、接头扩散氢含量及其分布、接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的主要因素，这3个因素在一定条件下是相互联系和相互促进的。对于同一钢种使用相同的焊接规范和焊接材料，在焊件的厚度和预热温度相同的条件下，影响冷裂纹的主要因素是接头的应力状态，而接头扩散氢含量则成为了影响接头应力状态的决定因素。
球罐焊接前期准备工作
根据《球形储罐施工规范》GB/T50094-2010及焊接工艺评定报告，球罐施焊前采用电加热进行预热，预热温度为150~180℃，预热范围为焊缝两侧各不少于150mm，控制层间温度为150~180℃，层温的测温方法及要求与预热相同，焊接过程中应有专人对层温进行测量和控制。球罐焊接时采用手工电弧焊， 焊接应采用窄焊道，短弧及多层多道焊，多层焊时应使层间接头错开。焊条采用四川大西洋焊接材料股份有限公司的CHE557RH焊条，焊条药皮焊条实际扩散氢含量为Φ3.2：[H]=2.37ml/100g, Φ4.0：[H]=2.18 ml/100g。焊接极性为直流反接，电流范围：100-165（A），电弧电压23-28（V），焊接速度：7-11cm/min。采用碳弧气刨进行背面清根，焊接完成后，进行后热处理，后热温度为：200~250℃，后热时间为：0.5-1 h。焊接完成，经无损检测合格，然后进行整体热处理，水压气密试验。
球罐焊接顺序探讨
球罐本体对接焊缝焊接原则：球罐本体对接焊缝的焊接采用对称等速，同步施焊的方法进行，每台球罐均应由双数焊工对称均布施焊，先焊纵缝，再焊环缝；先焊大坡口侧，气刨清根，砂轮打磨并经检验确认无缺陷后方可进行另一侧（小坡口侧）的焊接施工。
纵焊缝焊接顺序
纵缝焊接采用对称焊法，双数焊工对称均布同时施焊，如图a所示。
焊接时，球罐所有外边焊缝，整条缝必须先焊完前两遍，然后可进行分段堆焊，等堆焊到填充层最后两层时（包括盖面层，最少的留盖面层），焊工进到球罐里面进行焊接。前两遍焊接时，第一层分为三段，第二层分为两段，按分段倒退法进行焊接。
赤道带纵缝焊接顺序：赤道带纵缝1000m3共16条（2000m3共24条），由8名焊工完成（2000m3由12名焊工完成），每名焊工分担两条缝，每隔一条缝，焊一条缝，对称同时焊接，焊接速度一致，第一、二层焊接速度快慢之差不得大于300mm，以后层数不得大于600mm，盖面层不分段一次焊接完成。
赤道带纵缝焊接顺序
极板侧板纵缝焊接应由4名焊工对称均布同时施焊，焊接工艺与赤道带纵缝焊接工艺相同。
极板纵缝的焊接顺序，4名从中心位置分开，按下图所示顺序焊接。平焊位置外侧12遍，内侧6遍。仰焊位置外侧为11遍，内侧为5遍，焊接工艺与赤道带纵缝焊接工艺相同。
極板纵缝焊接顺序 环缝焊接顺序
环缝的焊接
环缝焊接应在其两侧带板的纵缝焊接完成后进行。环缝应有双数焊工对称均布、同向等速追尾的方法施焊，采用多层多道压道焊方法。
焊接过程中应注意使层间接头铺开，尤其是两焊工相邻部位，尤应注意互相配合，错开接头，防止漏焊。如图示。
第一、二层采用分段退向焊，每段长度700-800mm，每段的三层连续焊完，然后再焊下一段的三层，依次类推。三层以后的填充层采取由左向右直通焊连续完成，盖面层仍采用分段退焊法，各段必须连续排焊完成在转段。每段长度800-1000mm。
横焊的接头：第一、二、三层的起弧、熄弧点、各焊工交界处及层间要错开50mm以上，其他各层的焊工交界处错开200mm，每层的各道要错开80mm以上。
特型焊缝“T”及“Y”型焊缝的焊接：
“T”型焊缝的焊接：
“T”型焊缝处纵缝的焊接应在其下部的环缝处起弧，在其上部的环缝离“Y”100~200mm处收弧。并应在环缝开始焊接前将起、收弧处的焊缝用气刨（砂轮）去除，修磨坡口。并经检查确认无缺陷后方可进行环缝的焊接施工。
“Y”型焊缝的焊接：
“T”型缝的焊接 “Y”型缝的焊接
球罐共有8只“Y”型焊缝接头，上、下极板处各有4只。由于结构特点“Y”型焊缝处清理修磨较困难。因此，为保证“Y”型接头处的焊缝质量，应绝对避免在三缝交接处引弧和熄弧。推荐按图示的方式，按最方便操作方向连续进入下一道焊缝100~200mm。
新旧焊接工艺及顺序的比较
焊接中，液态金属中会吸收一定含量的氢，其中一部分在熔池凝固过程中逸出，在熔池快速冷却后，来不及逸出的氢会保留到最终焊缝中。钢焊缝中，氢大多以原子或离子状态存在，这些半径相对较小的原子或离子可以在晶格中进行扩散，一般称之为扩散氢。扩散氢会导致焊缝或热影响区产生冷裂纹，由于氢的扩散聚集需要一定时间，所以由于扩散氢造成的裂纹有时也会延迟出现，氢对焊缝的危害较大。
传统的球罐焊接工艺采用的是分层堆焊，焊接时在第一层焊道熔池内的氢原子或氢离子还未完全扩散出时，就直接进行第二层焊道的焊接，导致焊缝和热影响区内的氢原子和氢离子增多，增大了焊缝和热影响区出现冷裂纹的风险，甚至导致球罐焊缝出现裂纹。
采用新的焊接工艺焊接时，球罐所有外侧焊缝，整条缝必须先焊完前两遍（打底一遍、填充一遍），然后可进行分段堆焊，等堆焊到填充层最后两层时（包括盖面层，最少的留盖面层），球罐焊缝经碳弧气刨清根，并检测合格后，焊工进到球罐里面进行焊接。前两遍焊接时，第一层（打底层）分为三段，第二层（填充层）分为两段，按分段倒退法进行焊接。新的焊接工艺中，在进行球罐打底焊接时，做好焊前预热，焊接时焊肉的厚度保持在3-5mm，焊接速度保持在7-11cm/min，在这种焊接工艺下，熔池的面积加大、深度减小，并且第一层焊道焊完后更好的保证了焊缝的后热处理，使得焊缝和热影响区内的氢原子和氢离子更有效扩散出，减小了焊缝和热影响区出现冷裂纹的风险。第一层打底焊接完后，第二层填充焊接时，焊肉的厚度继续保持在3-5mm，焊接速度保持在7-11cm/min，由于焊缝的预热，及焊接时产生的温度，相当于再次对第一层焊缝进行了后热处理，使第一层焊缝和热影响区中的氢原子和氢离子再次进行扩散，使得球罐焊接最重要的打底层中的氢原子和氢离子降到最低，保证了焊缝的质量。
综上所述，比较球罐新旧焊接工艺，新的焊接工艺只是在焊接打底及第一遍填充时，对焊接方法及顺序进行改动，就能更有效的降低焊缝及热影响区内的氢原子和氢离子，消除焊接冷裂纹，使得焊接接头应力能更好的分布，很好的保证了焊缝的质量及球罐的使用寿命。
关键词：Q370R材质，球罐焊接顺序，消除焊接冷裂纹。
中图分类号： TU74 文献标识码： A
本文所探讨的球罐焊接顺序，分别为2台46mm厚的液化石油气球罐，球壳板采用冷压成型的方法制造，现场组焊，设计要求进行焊后整体消除应力热处理。球罐焊接时正处在风季，施工条件恶劣，焊接质量较难保证，Q370R钢存在一定的焊接冷裂倾向。大量的实践和理论研究表明，影响焊接冷裂纹的因素很多，钢种的淬硬倾向、接头扩散氢含量及其分布、接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂纹的主要因素，这3个因素在一定条件下是相互联系和相互促进的。对于同一钢种使用相同的焊接规范和焊接材料，在焊件的厚度和预热温度相同的条件下，影响冷裂纹的主要因素是接头的应力状态，而接头扩散氢含量则成为了影响接头应力状态的决定因素。
球罐焊接前期准备工作
根据《球形储罐施工规范》GB/T50094-2010及焊接工艺评定报告，球罐施焊前采用电加热进行预热，预热温度为150~180℃，预热范围为焊缝两侧各不少于150mm，控制层间温度为150~180℃，层温的测温方法及要求与预热相同，焊接过程中应有专人对层温进行测量和控制。球罐焊接时采用手工电弧焊， 焊接应采用窄焊道，短弧及多层多道焊，多层焊时应使层间接头错开。焊条采用四川大西洋焊接材料股份有限公司的CHE557RH焊条，焊条药皮焊条实际扩散氢含量为Φ3.2：[H]=2.37ml/100g, Φ4.0：[H]=2.18 ml/100g。焊接极性为直流反接，电流范围：100-165（A），电弧电压23-28（V），焊接速度：7-11cm/min。采用碳弧气刨进行背面清根，焊接完成后，进行后热处理，后热温度为：200~250℃，后热时间为：0.5-1 h。焊接完成，经无损检测合格，然后进行整体热处理，水压气密试验。
球罐焊接顺序探讨
球罐本体对接焊缝焊接原则：球罐本体对接焊缝的焊接采用对称等速，同步施焊的方法进行，每台球罐均应由双数焊工对称均布施焊，先焊纵缝，再焊环缝；先焊大坡口侧，气刨清根，砂轮打磨并经检验确认无缺陷后方可进行另一侧（小坡口侧）的焊接施工。
纵焊缝焊接顺序
纵缝焊接采用对称焊法，双数焊工对称均布同时施焊，如图a所示。
焊接时，球罐所有外边焊缝，整条缝必须先焊完前两遍，然后可进行分段堆焊，等堆焊到填充层最后两层时（包括盖面层，最少的留盖面层），焊工进到球罐里面进行焊接。前两遍焊接时，第一层分为三段，第二层分为两段，按分段倒退法进行焊接。
赤道带纵缝焊接顺序：赤道带纵缝1000m3共16条（2000m3共24条），由8名焊工完成（2000m3由12名焊工完成），每名焊工分担两条缝，每隔一条缝，焊一条缝，对称同时焊接，焊接速度一致，第一、二层焊接速度快慢之差不得大于300mm，以后层数不得大于600mm，盖面层不分段一次焊接完成。
赤道带纵缝焊接顺序
极板侧板纵缝焊接应由4名焊工对称均布同时施焊，焊接工艺与赤道带纵缝焊接工艺相同。
极板纵缝的焊接顺序，4名从中心位置分开，按下图所示顺序焊接。平焊位置外侧12遍，内侧6遍。仰焊位置外侧为11遍，内侧为5遍，焊接工艺与赤道带纵缝焊接工艺相同。
極板纵缝焊接顺序 环缝焊接顺序
环缝的焊接
环缝焊接应在其两侧带板的纵缝焊接完成后进行。环缝应有双数焊工对称均布、同向等速追尾的方法施焊，采用多层多道压道焊方法。
焊接过程中应注意使层间接头铺开，尤其是两焊工相邻部位，尤应注意互相配合，错开接头，防止漏焊。如图示。
第一、二层采用分段退向焊，每段长度700-800mm，每段的三层连续焊完，然后再焊下一段的三层，依次类推。三层以后的填充层采取由左向右直通焊连续完成，盖面层仍采用分段退焊法，各段必须连续排焊完成在转段。每段长度800-1000mm。
横焊的接头：第一、二、三层的起弧、熄弧点、各焊工交界处及层间要错开50mm以上，其他各层的焊工交界处错开200mm，每层的各道要错开80mm以上。
特型焊缝“T”及“Y”型焊缝的焊接：
“T”型焊缝的焊接：
“T”型焊缝处纵缝的焊接应在其下部的环缝处起弧，在其上部的环缝离“Y”100~200mm处收弧。并应在环缝开始焊接前将起、收弧处的焊缝用气刨（砂轮）去除，修磨坡口。并经检查确认无缺陷后方可进行环缝的焊接施工。
“Y”型焊缝的焊接：
“T”型缝的焊接 “Y”型缝的焊接
球罐共有8只“Y”型焊缝接头，上、下极板处各有4只。由于结构特点“Y”型焊缝处清理修磨较困难。因此，为保证“Y”型接头处的焊缝质量，应绝对避免在三缝交接处引弧和熄弧。推荐按图示的方式，按最方便操作方向连续进入下一道焊缝100~200mm。
新旧焊接工艺及顺序的比较
焊接中，液态金属中会吸收一定含量的氢，其中一部分在熔池凝固过程中逸出，在熔池快速冷却后，来不及逸出的氢会保留到最终焊缝中。钢焊缝中，氢大多以原子或离子状态存在，这些半径相对较小的原子或离子可以在晶格中进行扩散，一般称之为扩散氢。扩散氢会导致焊缝或热影响区产生冷裂纹，由于氢的扩散聚集需要一定时间，所以由于扩散氢造成的裂纹有时也会延迟出现，氢对焊缝的危害较大。
传统的球罐焊接工艺采用的是分层堆焊，焊接时在第一层焊道熔池内的氢原子或氢离子还未完全扩散出时，就直接进行第二层焊道的焊接，导致焊缝和热影响区内的氢原子和氢离子增多，增大了焊缝和热影响区出现冷裂纹的风险，甚至导致球罐焊缝出现裂纹。
采用新的焊接工艺焊接时，球罐所有外侧焊缝，整条缝必须先焊完前两遍（打底一遍、填充一遍），然后可进行分段堆焊，等堆焊到填充层最后两层时（包括盖面层，最少的留盖面层），球罐焊缝经碳弧气刨清根，并检测合格后，焊工进到球罐里面进行焊接。前两遍焊接时，第一层（打底层）分为三段，第二层（填充层）分为两段，按分段倒退法进行焊接。新的焊接工艺中，在进行球罐打底焊接时，做好焊前预热，焊接时焊肉的厚度保持在3-5mm，焊接速度保持在7-11cm/min，在这种焊接工艺下，熔池的面积加大、深度减小，并且第一层焊道焊完后更好的保证了焊缝的后热处理，使得焊缝和热影响区内的氢原子和氢离子更有效扩散出，减小了焊缝和热影响区出现冷裂纹的风险。第一层打底焊接完后，第二层填充焊接时，焊肉的厚度继续保持在3-5mm，焊接速度保持在7-11cm/min，由于焊缝的预热，及焊接时产生的温度，相当于再次对第一层焊缝进行了后热处理，使第一层焊缝和热影响区中的氢原子和氢离子再次进行扩散，使得球罐焊接最重要的打底层中的氢原子和氢离子降到最低，保证了焊缝的质量。
综上所述，比较球罐新旧焊接工艺，新的焊接工艺只是在焊接打底及第一遍填充时，对焊接方法及顺序进行改动，就能更有效的降低焊缝及热影响区内的氢原子和氢离子，消除焊接冷裂纹，使得焊接接头应力能更好的分布，很好的保证了焊缝的质量及球罐的使用寿命。