馮愛(ài)秀 韓亞霖 張 麗 郭 晶

（大連日立機(jī)械設(shè)備有限公司)

復(fù)雜焊接接頭在焊接工藝指導(dǎo)文件中的邏輯表達(dá)

馮愛(ài)秀*韓亞霖 張 麗 郭 晶

（大連日立機(jī)械設(shè)備有限公司)

以一臺(tái)鈦-鋼復(fù)合鋼板壓力容器為例，提出了一種在焊接工藝指導(dǎo)文件中表達(dá)復(fù)雜焊接接頭的方法。

焊接接頭 子接頭 焊接 焊接工藝文件 壓力容器 復(fù)合鋼板

0 前言

按照現(xiàn)今通行慣例，指導(dǎo)鍋爐、壓力容器和核設(shè)備制造的焊接工藝文件一般由以下三部分組成：

（1）接頭識(shí)別圖 （weld map）；

（2）接頭識(shí)別卡 （joint identification card）;

（3）一組經(jīng)過(guò)評(píng)定的焊接工藝規(guī)程 （WPS）和（或）釬焊工藝規(guī)程 （BPS）[1-3]。

除了上述的第 （3）項(xiàng)是適用于眾多適宜產(chǎn)品，因而是可以長(zhǎng)期使用的通用文件外，第 （1）項(xiàng)和第 （2）項(xiàng)都是針對(duì)具體產(chǎn)品項(xiàng)目編制的專用文件。在接頭識(shí)別圖中，所有承壓或需要在受控條件下完成的焊接接頭和 （或）釬焊接頭都應(yīng)該一一標(biāo)示出來(lái)，并由一個(gè)編號(hào)代表；在接頭識(shí)別卡中，按接頭編號(hào)列出了焊接和 （或）釬焊所有承壓和受控接頭使用的焊接和 （或）釬焊工藝規(guī)程編號(hào)、需要補(bǔ)充或選擇確定的其他操作指導(dǎo)信息。根據(jù)接頭識(shí)別圖和接頭識(shí)別卡中的引導(dǎo)信息可以從一組經(jīng)過(guò)評(píng)定的焊接工藝規(guī)程和 （或）釬焊工藝規(guī)程中找到完成每條或每類接頭使用的WPS和 （或）BPS，并按其中規(guī)定的變數(shù) （variables）完成指定接頭的焊接和（或） 釬焊。

接頭編號(hào)是在設(shè)計(jì)階段由設(shè)計(jì)工程師確定的。其目的是界定控制范圍、統(tǒng)一對(duì)象標(biāo)識(shí)和實(shí)現(xiàn)在各類相關(guān)文件中的對(duì)象識(shí)別，不僅適用于設(shè)備制造安裝階段，而且在設(shè)備最終廢棄前的定期檢驗(yàn)、剩余壽命估算中都要用到它。

對(duì)大多數(shù)壓力容器，除了個(gè)別例外，一般一個(gè)接頭就是一條接縫 （焊縫或釬接縫），例如非復(fù)合材料壓力容器本體上的縱向和環(huán)向接頭。在這些情況下，一個(gè)接頭就是一條焊縫，因而接頭編號(hào)就是接縫編號(hào)。但也有一些產(chǎn)品，其上一個(gè)接頭由多條接縫構(gòu)成，例如由鈦復(fù)合鋼板制造的壓力容器就是這樣。對(duì)這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的接頭，按接頭編號(hào)和按接縫編號(hào)，結(jié)果就不一致。對(duì)制造過(guò)程中的多數(shù)活動(dòng)和操作，按接頭識(shí)別可能就足夠了，但對(duì)焊接操作卻不行，因?yàn)檫@些接頭是按焊縫逐一完成的，因而其指導(dǎo)工藝文件自然也需要按接縫編制。為編制這類具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接 （釬焊）接頭產(chǎn)品焊接 （釬焊）工藝指導(dǎo)文件的特殊需要，本文通過(guò)對(duì)一臺(tái)鈦復(fù)合鋼板壓力容器上連接接頭的結(jié)構(gòu)分析，提出了一種解決方法。

1 樣本產(chǎn)品簡(jiǎn)介

圖1是某PTA項(xiàng)目中的第一CTA結(jié)晶器，高13 699 mm,內(nèi)徑4500 mm。用戶設(shè)計(jì)要求規(guī)定按ASME規(guī)范第Ⅷ卷第1分卷建造[4]。

容器主體厚度為38+2 mm，材料為SA-516,Gr. 70+SB265,Gr.1碳鋼-鈦復(fù)合鋼板。筒體分3段制造，每段上有3條焊接接頭，共9條縱向焊接接頭，即L-1至L-9。兩個(gè)封頭由材料厚度為42+3 mm、相同等級(jí)的碳鋼和鈦復(fù)合鋼板制造，以保證成型后封頭最薄處厚度不小于38+2 mm。每個(gè)封頭由8塊瓣片和一塊頂冠拼焊而成。這樣每個(gè)封頭上就有9條焊接接頭，左右兩個(gè)封頭共18條焊接接頭，即HL-1至HL-18。其中HL-1和HL-10為連接頂冠與8塊瓣片的接頭。上下封頭和3段筒節(jié)由4條環(huán)形焊接接頭連接，即由接頭C-1至C-4連接成一個(gè)整體，見(jiàn)圖1。

容器上有不同公稱直徑的接管16個(gè)，接管編號(hào)為N1至N16，見(jiàn)表1。

圖1 樣本容器的結(jié)構(gòu)

2 接頭結(jié)構(gòu)分析

2.1 容器本體上的對(duì)接接頭及其構(gòu)成

圖2左面部分示出了兩條呈 “丁”字形交匯的焊接接頭，它反映的是容器筒體上縱向接頭L-1至L-9與連接各筒節(jié)和上下封頭的環(huán)向接頭C-0至C-4間的關(guān)系，同時(shí)也是上下封頭上各瓣片間接頭HL-C2至HL-9和HL-11至HL-18與頂冠間接頭HL-1和HL-10的關(guān)系。

表1 樣本容器上的接管 （按公稱直徑大小排列）

容器本體上的這些對(duì)接接頭都具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，至少是由四個(gè)子接頭 （sub-joints）A、B、C和D構(gòu)成的，見(jiàn)圖2中間和右面部分。

在圖2中，子接頭A是鈦-鋼復(fù)合鋼板基層碳鋼板之間的連接接頭，是承壓接頭，受ASME規(guī)范控制。用于該子接頭的焊接工藝規(guī)程 （WPS）必須按ASME規(guī)范第Ⅸ卷要求進(jìn)行評(píng)定[5]。子接頭B是把嵌入板條與鈦復(fù)層材料連接起來(lái)的焊縫，兩側(cè)各一條，共兩條。該焊縫一定不能焊透，一點(diǎn)也不能把基層碳鋼板熔化，否則會(huì)形成脆性金屬間化合物。該焊縫斷續(xù)焊就行。嵌入板條是為填補(bǔ)因焊接基層碳鋼焊縫，即子接頭A時(shí)，為防止把鈦復(fù)層材料熔入碳鋼焊縫，預(yù)先把坡口兩側(cè)鈦復(fù)層材料剝離了一定寬度形成的空缺而植入的。在本例中，嵌入板條也是鈦材，用GTAW方法與復(fù)合板復(fù)層材料焊接在一起。但是也可以用銅做嵌入板條，這時(shí)就不能用電弧焊，而需要用釬焊 （brazing）方法連接了。子接頭C是兩條角焊縫，通過(guò)它們把鈦蓋板焊接到復(fù)合鋼板鈦復(fù)層材料上，以實(shí)現(xiàn)鈦復(fù)合層的完整和密封。這兩條角焊縫必須達(dá)到氣密要求，不能有絲毫泄漏，所以雖然焊腳尺寸不大，也要求至少焊兩道 （見(jiàn)圖2中子接頭C的 “C局部”）。兩條呈丁字形交匯的焊接接頭在交匯處，蓋板是要連接起來(lái)的，這就是圖2左面部分b-b那條焊縫。另外環(huán)向接頭上，鈦蓋板對(duì)頭處也需要焊接起來(lái)，這就是圖2的左面部分a-a表示的那條短焊縫。這樣的對(duì)頭焊縫在一條環(huán)焊縫上可能還不止一處。但不管多少，都屬同類焊縫，標(biāo)識(shí)出一處就夠了。無(wú)論a-a還是b-b都是在焊接環(huán)向接頭時(shí)完成的，所以后面我們把它們看作是環(huán)向接頭的構(gòu)成部分。該類接頭為對(duì)接接頭，見(jiàn)圖2子接頭D及 “D局部”。同樣為了保證達(dá)到密封無(wú)泄漏的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，雖然焊縫厚度不大，也要求至少焊兩道。

圖2 容器本體上對(duì)接接頭的基本形式和構(gòu)成

2.2 容器上與接管有關(guān)的連接接頭及其構(gòu)成

樣本容器上的16個(gè)接管都為自補(bǔ)強(qiáng)型鍛件，其典型結(jié)構(gòu)如圖3所示?？梢钥闯鲆粋€(gè)接管上最多可能包含焊縫A、B、C、D、E、F和G共 7條（類）焊縫。照前面的辦法，把它們也稱之為子接頭。這樣把一個(gè)接管焊接到容器本體 （筒體或封頭）上，就需要完成最多7個(gè)子接頭，即完成7條焊縫的焊接。

其中子接頭 A是鈦襯筒上 （sleeve）的縱焊縫，襯筒由鈦板卷制焊接而成，適用于公稱直徑150 mm和150 mm以上的接管。公稱直徑再小的接管，襯筒則由鈦管制作，就沒(méi)有子接頭A了。子接頭B是連接鈦襯筒和鈦喇叭口成型件的焊縫。子接頭A和B都在襯入鋼接管內(nèi)之前焊成一體。坡口朝向容器內(nèi)面。至少要焊2層。背面焊縫余高去除，使與外表面齊平，以便實(shí)現(xiàn)與鋼接管內(nèi)表面的無(wú)間隙配合。子接頭C是接管鋼鍛件與容器本體鋼基層材料間連接的焊接接頭,為承壓接頭。子接頭 D是在襯筒裝進(jìn)鋼接管里面后與法蘭襯面（鈦）焊接形成的接頭，因?yàn)楸趁媸卿摚枰逾伹董h(huán)隔離。子接頭E是角焊縫，同樣要求至少焊2道，以保證氣密。子接頭F是把固定鈦法蘭襯面的沉頭螺釘 （鈦）固定，使其密封無(wú)泄漏的塞焊焊縫。子接頭G是一條沿鈦法蘭襯面圓周的釬焊接頭，目的也是實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏的密封。

3 焊接和釬焊工藝問(wèn)題及焊接工藝指導(dǎo)文件編制

3.1 焊接和釬焊工藝方面的一些問(wèn)題

3.1.1 各類接頭的性質(zhì)

根據(jù)ASME規(guī)范第Ⅷ卷第1分卷，鈦-鋼復(fù)合鋼板壓力容器屬于 “襯里”型壓力容器 （appliedlined type）。這類容器的鈦襯里只起抗腐蝕作用，在計(jì)算容器壁厚時(shí)不能考慮襯里厚度，所以只有連接基層材料的焊縫才是承壓焊縫，即圖2中的子接頭A和圖3中的子接頭C。焊接這類接頭的焊接工藝規(guī)程 （WPS）必須嚴(yán)格按ASME規(guī)范第Ⅸ卷的要求進(jìn)行評(píng)定。其余子接頭都不屬于承壓接頭。但接觸設(shè)備工作介質(zhì)的鈦與鈦之間的焊接接頭，屬于重要接頭，需滿足用戶 “建造規(guī)格書”的要求。其焊接工藝規(guī)程 （WPS）可參照ASME規(guī)范進(jìn)行評(píng)定。圖3中的子接頭G只起密封作用，其釬焊工藝規(guī)程 （BPS） 可參照 ASME規(guī)范Ⅸ卷 QB-182（workmanship）進(jìn)行評(píng)定。

圖3 接管的典型結(jié)構(gòu)

3.1.2 使用的焊接及釬焊方法

（1）基層材料的焊接

基層材料的焊接，即碳鋼與碳鋼之間的焊接。封頭上各瓣片之間的焊接 （即接頭HA-2至HA-9和HA-11至HA-18中的子接頭A，如圖1和圖2所示）可考慮使用熔化極氣體保護(hù)焊 （GMAW或FCAW），在立焊位置上行方向完成。各瓣片與冠頂間的那條焊縫 （即接頭HA-1和HA-10中的子接頭A，見(jiàn)圖1和圖2）可用相同焊接方法，于平焊位置完成。

各筒節(jié)間的縱焊縫 （L-1至L-9中的子接頭A）和環(huán)向接頭C-1、C-2和C-4中的子接頭A可用埋弧自動(dòng)焊 （SAW）焊接。最后合攏的那道環(huán)焊縫，即接頭C-3中的子接頭A（如圖1和圖2所示），里側(cè)坡口可用熔化極氣體保護(hù)焊 （GMAW或FCAW），外側(cè)用埋弧自動(dòng)焊 （SAW）完成。

接管與容器本體間連接的子接頭C(見(jiàn)圖3)，可按公稱直徑大小分別用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW或FCAW）或手工電弧焊 （SMAW）焊接。不管用何種方法，用戶建造規(guī)格書都希望能用鎢極氬弧焊 （GTAW）打底。

（2）鈦與鈦之間焊接

鈦與鈦的焊接只能使用鎢極氬弧焊（GNAW）。

（3）鈦與鋼之間釬焊

圖3中，各接管上的子接頭G為釬焊接頭，使用火焰釬焊 （torch brazing，即TB）法完成。

這樣完成該容器焊接和釬焊最多需要5份焊接工藝規(guī)程 （WPS）和1份釬焊工藝規(guī)程 （BPS），見(jiàn)表2。

表2 需要的焊接工藝規(guī)程（WPS）和釬焊工藝規(guī)程（BPS）

3.2 產(chǎn)品焊接 （釬焊）工藝文件的編制

本節(jié)討論產(chǎn)品焊接 （釬焊）工藝文件的內(nèi)容，包括接頭識(shí)別圖、接頭識(shí)別表 (見(jiàn)表3)以及焊接和釬焊工藝規(guī)程等。

3.2.1 接頭識(shí)別圖

由前面的分析可以看出，在鈦復(fù)合鋼板制造的壓力容器上，絕大部分接頭都是由很多個(gè)子接頭構(gòu)成的復(fù)雜接頭，要想和通常情況一樣，把這些接頭

在一份像圖1那樣的接頭識(shí)別圖 （weld map）上一一表示出來(lái)是相當(dāng)困難的，甚至是不可能的。為此作者提出在通常的接頭識(shí)別圖基礎(chǔ)上，再補(bǔ)充像圖2和圖3那樣的兩份子接頭劃分圖，情況就清晰了。圖2和圖3具有圖例 （legend）的性質(zhì)，可以通用。只要是鈦復(fù)合鋼板產(chǎn)品，都可以用。例如PTA項(xiàng)目中，還有其他由鈦復(fù)合鋼板制造的壓力容器，如第1和第2脫水塔 （dehydration tower）。在編制這些容器的焊接工藝文件時(shí)，這兩份圖照樣還能用，就是以后遇到同類產(chǎn)品也能用。這是一勞永逸的事。

表3 樣本容器的接頭識(shí)別表

有了像圖2和圖3那樣的具有圖例性質(zhì)的結(jié)構(gòu)劃分圖后，在像圖1那樣的接頭識(shí)別圖上標(biāo)識(shí)接頭編號(hào)就可以大大簡(jiǎn)化，就像非復(fù)合材料壓力容器一樣，而直接使用設(shè)計(jì)圖樣上的接管編號(hào)就行。

在為鈦復(fù)合鋼板壓力容器編制的焊接 （釬焊）工藝指導(dǎo)文件中，接頭識(shí)別圖應(yīng)該包括像本文圖1、圖2和圖3那樣三部分。

3.2.2 接頭識(shí)別表

表3是為樣本容器編制的接頭識(shí)別表。從表3中可以找到焊接 （或釬焊）每個(gè)接頭或子接頭使用的焊接或釬焊工藝規(guī)程，以及焊接或釬焊工藝規(guī)程中需要具體化的信息，或供選擇的其他指導(dǎo)性信息（表3中 “其他” 欄）。

在表3中，序號(hào)1和序號(hào)2是對(duì)兩個(gè)封頭上拼接焊縫的規(guī)定。它們的差別在焊接位置上。

序號(hào)3至序號(hào)5是對(duì)容器筒體上縱環(huán)焊縫的規(guī)定。它們與封頭上拼接焊縫的差別是，焊接都是在平捍位置完成的?；鶎犹间摵缚p （子接頭A）的焊接方法，除C-3內(nèi)側(cè)采用GMAW （或FCAW）外，其余都用埋弧自動(dòng)焊。另外，雙面全采用埋弧焊和僅內(nèi)側(cè)才用埋弧焊 （C-3），坡口間隙和鈍邊大小也不同。

序號(hào)6至序號(hào)7是關(guān)于與接管有關(guān)的各個(gè)連接接頭的施焊規(guī)定。序號(hào)4中的接管大，最小公稱直徑為150 mm，序號(hào)5中的接管公稱直徑都較小。它們之間的差別在于填充坡口的焊接方法分別為GMAW（或FCAW）和SMAW上。其余都相同。

接管上的子接頭A、B和C是在鈦襯里還沒(méi)有裝入鋼接管內(nèi)之前焊接的，都可以在平焊位置完成。其余子接頭的焊接或釬焊，都是在通過(guò)子接頭C把接管焊接到容器本體上以后進(jìn)行的，焊接或釬焊位置各處不一樣，其中最困難的是仰焊（U）和釬料向上流動(dòng)方向（C）（參見(jiàn)文獻(xiàn)[4]的QB-461.1）。

3.2.3 焊接和釬焊工藝規(guī)程

焊接樣本容器需要的焊接和釬焊工藝規(guī)程（WPS和BPS）就是表2中所列的那6項(xiàng)。它們都需要附在接頭識(shí)別圖和接頭識(shí)別表后面，以供焊工和釬焊工實(shí)際操作時(shí)使用。

至此，加上封面 （供樣本容器制造使用），一份完整的焊接工藝指導(dǎo)文件就完成了。遵照接頭識(shí)別表 （表3）中指定的焊接工藝規(guī)程 （WPS）和釬焊工藝規(guī)程 （BPS）中規(guī)定的參數(shù)和表中的補(bǔ)充信息，每個(gè)接頭及子接頭的焊接或釬焊操作就完全有效地被置于控制之下了。這正是ASME規(guī)范所要求達(dá)到的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）鍋爐、壓力容器和核設(shè)備上的受控焊接（釬接）接頭必須編號(hào)，以便識(shí)別，這是絕對(duì)要求。但只要表達(dá)清楚，對(duì)編號(hào)方法和表達(dá)方式并沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)定。

（2）面對(duì)表達(dá)復(fù)雜接頭的困難，本文提出了一種解決辦法。它的特點(diǎn)體現(xiàn)在繪制接頭識(shí)別圖上。

（3）按本文提出的方法繪制接頭識(shí)別圖的要點(diǎn)是，總體簡(jiǎn)化（如圖1），局部細(xì)化（如圖2、 圖 3），以局部補(bǔ)充整體，從而實(shí)現(xiàn)邏輯跟蹤識(shí)別的目的。

[1]2W-001,Rev.1,Spec ification for General Welding Requirements,Fluor Daniel International Inc[S].

[2]郭晶，李艷，史雪芬.焊接工藝規(guī)程編制、評(píng)定和應(yīng)用中的若干問(wèn)題 [J].石油化工設(shè)備，2010，39（4）：46-52.

[3]郭晶，古敏.焊接工藝規(guī)程的編制、評(píng)定和應(yīng)用 [J].石油化工設(shè)備，2010，39（5）：83-89.

[4]ASME Code,Section VIII,Division 1， Rulesfor Construction of Pressure Vessels[S].2010 Edition with 2011 Addenda,ASME,New York.

[5]ASME Code,Section IX， Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures,Welders,Brazers,and Welding and Brazing Operators[S].2010 Edition with 2011 Addenda,ASME,New York.

Logical Expression of Complex Welded Joints in Welding Process Guidance Document

Feng Aixiu Han Yalin Zhang Li Guo Jing

Taking a pressure vessel made of Ti-steel clad plate as an example,put forward the method to express the complex welded joints in welding process guidance document.

Weld joint;Sub-joint;Welding;Welding procedural document;Pressure vessel;Clad steel plate

TG 441

2013-02-27）

*馮愛(ài)秀，女，1981年生，工程師。大連市，116032。