熊從貴 何 靜 林 翔 林 通

(臺(tái)州龍江化工機(jī)械科技有限公司)

基于焊接工藝評(píng)定規(guī)則的承壓設(shè)備焊接質(zhì)量管理

熊從貴*何 靜 林 翔 林 通

(臺(tái)州龍江化工機(jī)械科技有限公司)

從母材、填充材料、焊接方法和焊后熱處理4個(gè)方面介紹了焊接工藝評(píng)定規(guī)則在實(shí)際焊接工藝工作中容易出現(xiàn)偏差的部分，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施和注意事項(xiàng)。最后根據(jù)焊接工藝評(píng)定中的影響因素建立焊接工藝評(píng)定匯總表，用于指導(dǎo)實(shí)際焊接工作。

承壓設(shè)備 焊接工藝 評(píng)定規(guī)則 焊接工藝文件 焊接質(zhì)量

焊接是承壓設(shè)備制造過程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是承壓設(shè)備加工的一種主要方法。卷焊承壓設(shè)備的焊接工作量常大于整臺(tái)設(shè)備加工工作量的一半，因此，焊接質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備整體質(zhì)量。影響焊接質(zhì)量的因素主要有焊接材料、焊接設(shè)備、焊接環(huán)境、焊工技能水平及焊接工藝等，而在影響承壓設(shè)備焊接質(zhì)量的各種因素中，焊接工藝占有重要地位。其主要有兩方面：一是工藝制訂，二是工藝執(zhí)行。焊接工藝制訂是事前行為，由合格的焊接工藝評(píng)定作為保障；焊接工藝執(zhí)行是事中行為，由嚴(yán)格的工藝紀(jì)律和規(guī)章制度作為保障。承壓設(shè)備的焊接工藝評(píng)定是否合格須用《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》規(guī)則進(jìn)行判別[1]。焊接工藝評(píng)定是焊接質(zhì)量控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，焊接工藝評(píng)定是否符合法定規(guī)則也是判定焊接質(zhì)量是否受控的一個(gè)重要方面。在此，筆者從母材、填充材料、焊接方法和焊后熱處理4個(gè)方面對(duì)直接影響焊接工藝評(píng)定的重要因素進(jìn)行分析，防止其中一些評(píng)定規(guī)則在執(zhí)行過程中出現(xiàn)偏差，影響產(chǎn)品的焊接質(zhì)量或者造成資源浪費(fèi)。

1 母材

母材是焊接工作的施焊對(duì)象，是加工承壓設(shè)備用的原材料。承壓設(shè)備用鋼材主要有碳素鋼、低合金鋼、低溫鋼、耐熱鋼和抗氫鋼，常用的承壓設(shè)備用材料已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化[2～4]。不同類別或不同組別的材料，其材料性能和焊接工藝性能不同，而焊接加工的最終目的就是要獲得與母材化學(xué)成分、力學(xué)性能和耐腐蝕能力相當(dāng)?shù)暮附咏宇^，因此焊接工藝評(píng)定要遵守母材分類、分組的評(píng)定規(guī)則。

在實(shí)際焊接工藝工作中，Q235-B、Q245R、Q345R或09MnNiDR與S30408相焊的情況比較常見，其中Q235-B、Q245R為Fe-1-1組材料，Q345R、09MnNiDR為Fe-1-2組材料，S30408為Fe-8-1組材料。是做Q235-B、Q245R與S30408相焊以及Q345R、09MnNiDR與S30408相焊兩組焊接工藝評(píng)定，還是只做Q345R、09MnNiDR與S30408相焊一組焊接工藝評(píng)定，需要結(jié)合評(píng)定規(guī)則仔細(xì)分析。

文獻(xiàn)[1]中的母材類別評(píng)定規(guī)則為“6.1.2.1 c)采用焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊或鎢極氣體保護(hù)焊，對(duì)Fe-1～Fe-5A類別的母材進(jìn)行焊接工藝評(píng)定時(shí)，高類別號(hào)母材相焊評(píng)定合格的焊接工藝，適用于該高類別號(hào)母材與低類別號(hào)母材相焊；d)除b)、c)款以外，當(dāng)不同類別號(hào)的母材相焊時(shí)，即使母材各自的焊接工藝都已評(píng)定合格，其焊接接頭仍需進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。”

文獻(xiàn)[1]中的母材組別評(píng)定規(guī)則為“6.1.2.2 c)同類別號(hào)中，高組別號(hào)母材評(píng)定合格的焊接工藝，適用于該高組別號(hào)母材與低組別號(hào)母材相焊；d)組別號(hào)為Fe-1-2的母材的評(píng)定合格焊接工藝，適用于組別號(hào)為Fe-1-1的母材?！?/p>

從母材類別評(píng)定規(guī)則來看，需要做Q235-B、Q245R與S30408相焊、Q345R、09MnNiDR與S30408相焊兩組焊接工藝評(píng)定；從母材組別評(píng)定規(guī)則來看，則只需做Q345R、09MnNiDR與S30408相焊一組焊接工藝評(píng)定，避免了由焊接工藝評(píng)定產(chǎn)生的資源浪費(fèi)。

由文獻(xiàn)[1]中的“6.1.2.2 b)某一母材評(píng)定合格的焊接工藝，適用于同類別號(hào)同組別號(hào)的其他母材。”可知，除Fe-1-1和Fe-1-2兩組母材只需要做Fe-1-2中的任意一個(gè)牌號(hào)的焊接工藝評(píng)定外，其他每個(gè)類別號(hào)中的每個(gè)組別號(hào)只需要做任意一個(gè)牌號(hào)的焊接工藝評(píng)定即可覆蓋全部母材(異種鋼相焊除外)。焊條必須是低氫型，否則應(yīng)補(bǔ)加沖擊試驗(yàn)。如此，無論是焊接Q235-B或者Q345R，還是焊接16MnDR，只需要一組焊接工藝評(píng)定即可，節(jié)約了大量工藝評(píng)定用鋼材和加工成本。

基于上述評(píng)定規(guī)則，Q345R母材、J507焊條的焊接工藝評(píng)定顯然已經(jīng)覆蓋了Q245R母材、J427焊條的焊接工藝。J507焊條的強(qiáng)度級(jí)別比J427焊條高，按照文獻(xiàn)[1]中6.1.3.1 a)的規(guī)定，是符合工藝評(píng)定代替規(guī)則的。然而焊接工藝評(píng)定僅通過保證焊接接頭的力學(xué)性能來保證承壓設(shè)備焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，但不是所有的承壓設(shè)備只保證焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度就能滿足要求。設(shè)備的服役環(huán)境不同，對(duì)焊接接頭的具體要求就不同。例如液氨儲(chǔ)存設(shè)備，由于液氨在低合金鋼中具有應(yīng)力腐蝕傾向，所以要求液氨儲(chǔ)存設(shè)備的焊接接頭需具有優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕能力。根據(jù)研究表明，鋼材中Mn含量越高，對(duì)耐液氨應(yīng)力腐蝕越是不利，而且Mn含量越高，材料的強(qiáng)度級(jí)別越高，液氨應(yīng)力腐蝕傾向越大[5,6]。查閱文獻(xiàn)[7]可知，J427焊條的熔敷金屬M(fèi)n的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.2%，J507焊條的熔敷金屬M(fèi)n的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.6%，比J427焊條高出33.3%；J427焊條熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度不小于430MPa，J507焊條熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度不小于490MPa，比J427焊條高出約14.0%。用J507焊條焊接Q245R鋼材，會(huì)因母材的稀釋作用，導(dǎo)致焊縫的抗拉強(qiáng)度比J507焊條熔敷金屬抗拉強(qiáng)度低，比J427焊條熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度高，然而這對(duì)抗液氨應(yīng)力腐蝕都是不利的。因此對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)而言，一般采用等強(qiáng)度連接，即焊接接頭的強(qiáng)度和化學(xué)成分應(yīng)盡量與母材接近，這對(duì)于一般的氣體儲(chǔ)罐承壓設(shè)備而言，強(qiáng)度級(jí)別較高的J507焊條焊接Q245R和Q235-B均是可行的。

2 填充材料

填充材料是焊接接頭的重要組成部分，對(duì)焊接接頭的化學(xué)成分、力學(xué)性能和耐腐蝕性能起決定性作用。填充金屬包括焊條、焊絲、焊劑、極板及熔嘴等，焊接時(shí)填充材料首先應(yīng)對(duì)焊接區(qū)進(jìn)行良好的保護(hù)，防止有害氣體侵入，然后通過冶金反應(yīng)使焊縫金屬合金化，使它符合各項(xiàng)性能要求。

結(jié)合文獻(xiàn)[1]中6.1.5.1的規(guī)定，采用25mm厚母材的埋弧焊試件評(píng)定合格的焊接工藝適用最大焊件厚度為50mm?；诖?，在評(píng)定合格的焊接工藝適用范圍內(nèi)，填充金屬的體積超過10%是常見的。開坡口的焊接接頭如圖1所示。試件母材厚25mm，鈍邊高12mm，單面60°V形坡口，坡口內(nèi)填充金屬體積約110mm3；焊接工藝適用的焊件母材最大厚度為50mm，鈍邊高度為12mm，雙面60°V形坡口，單面坡口內(nèi)填充金屬體積約228mm3，已遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[1]中6.1.3.1 c)規(guī)定的“超過10%”，需要重新進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。因此，如果是埋弧焊或熔化極氣體保護(hù)焊，焊接工藝人員在根據(jù)焊接工藝評(píng)定報(bào)告編制焊接工藝卡或焊接工藝作業(yè)指導(dǎo)書時(shí)，應(yīng)特別注意焊件的坡口尺寸，以免出現(xiàn)焊接工藝評(píng)定不能覆蓋的情況。

圖1 開坡口的焊接接頭

3 焊接方法

焊接方法是制訂焊接工藝時(shí)首先要考慮的工藝要素，焊接方法的選擇取決于焊接材料、焊接工作量、焊接位置、焊接結(jié)構(gòu)及焊件厚度等因素，原則是在保證焊接接頭質(zhì)量的前提下，提高焊接效率、降低焊接成本。同時(shí)，不同的焊接方法產(chǎn)生的溫度場(chǎng)不同，對(duì)焊接冶金的影響也不同。

文獻(xiàn)[1]中將焊接工藝評(píng)定因素分為重要因素、補(bǔ)加因素和次要因素，重要因素是影響焊接接頭除沖擊韌性以外的力學(xué)性能的因素，補(bǔ)加因素是影響焊接接頭沖擊韌性的因素。文獻(xiàn)[1]規(guī)定，熔化極氣體保護(hù)焊從噴射弧、熔滴弧或脈沖弧改為短路弧或反之為重要因素；GTAW、GMAW有無背面保護(hù)氣為重要因素；管板接頭評(píng)定合格的電流值變化10%、增加焊條直徑、焊前清理方法、焊道數(shù)、機(jī)動(dòng)焊或手工焊以及焊接位置(向上立焊、向下立焊)為重要因素。GTAW、GMAW、SMAW和SAW由每面多道焊改為每面單道焊為補(bǔ)加因素；GTAW、GMAW和SMAW從評(píng)定合格的位置改為向上立焊為補(bǔ)加因素。

基于上述焊接工藝評(píng)定規(guī)則，焊接工藝人員在編制產(chǎn)品的焊接工藝文件時(shí)需注意，GMAW和FCAW的電弧過渡形式應(yīng)能被所采用的焊接工藝評(píng)定適用范圍覆蓋；根據(jù)產(chǎn)品焊接要求確定是否采用背面保護(hù)氣體，否則評(píng)定重要因素改變，需要重做焊接工藝評(píng)定。管板接頭焊接時(shí)，增加焊接電流、增加焊條直徑、增加焊道數(shù)、焊接位置改變以及機(jī)動(dòng)焊或自動(dòng)焊的變化都直接影響管板接頭的焊接質(zhì)量。采用多道焊時(shí)，焊接接頭的熱輸入小，后面的焊道相對(duì)于前面的焊道做了一次回火處理，使接頭組織更均勻、綜合力學(xué)性能更好。

焊接工藝人員在編制完合格的焊接工藝文件后，應(yīng)注意對(duì)焊接工藝執(zhí)行情況的檢查，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量提供幫助。如實(shí)際焊接工作中焊接電流值的變化、熔化極氣體保護(hù)焊時(shí)采用的電弧過渡形式以及接焊管板接頭時(shí)采用的焊條直徑、焊道數(shù)及焊接位置等都應(yīng)該是實(shí)際焊接工藝紀(jì)律檢查的重點(diǎn)內(nèi)容。用檢查的實(shí)際數(shù)據(jù)來驗(yàn)證焊接工藝評(píng)定是否覆蓋才能真正起到提高焊接質(zhì)量的目的，真正體現(xiàn)焊接工藝評(píng)定是保障承壓設(shè)備焊接質(zhì)量的手段。

4 焊后熱處理

在承壓設(shè)備制造過程中，焊后熱處理主要用于消除焊接接頭的焊接殘余應(yīng)力，使焊縫中的氫完全向外擴(kuò)散，達(dá)到提高焊接接頭抗裂性和韌性的目的。焊后熱處理的加熱保溫溫度低于下轉(zhuǎn)變溫度，加熱溫度和保溫時(shí)間對(duì)焊后熱處理效果起決定性作用。試驗(yàn)表明，適宜的熱處理溫度為600～650℃、每1mm板厚保溫時(shí)間不少于2min、總保溫時(shí)間最短30min[8,9]。焊后熱處理溫度下限為550℃，可使焊接構(gòu)件應(yīng)力松弛率達(dá)80%以上；選擇620℃、保溫30min或1h的焊后熱處理規(guī)范，可使焊接構(gòu)件的應(yīng)力松弛率達(dá)90%以上；當(dāng)熱處理溫度低于規(guī)范溫度下限時(shí)，延長(zhǎng)保溫時(shí)間對(duì)焊接殘余應(yīng)力松弛影響不大。

文獻(xiàn)[1]規(guī)定“6.1.4.2 除氣焊、螺柱電弧焊和摩擦焊外，當(dāng)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，焊后熱處理的保溫溫度或保溫時(shí)間范圍改變后要重新進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。試件的焊后熱處理應(yīng)與焊件在制造過程中的焊后熱處理基本相同，即低于下轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行焊后熱處理，試件保溫時(shí)間不少于焊件在制造過程中累計(jì)保溫時(shí)間的80%。”

基于此，在焊后熱處理的保溫溫度范圍沒有改變的情況下，對(duì)試件與焊件的保溫時(shí)間比例提出了要求。實(shí)際焊接工藝評(píng)定過程中，為了使焊接工藝評(píng)定的覆蓋范圍更寬，即使試件的母材厚度只有6mm，也常將其焊后熱處理保溫時(shí)間延長(zhǎng)到2h或更長(zhǎng)，這種操作方法雖然在評(píng)定規(guī)則上不存在問題，但忽略了“試件的焊后熱處理應(yīng)與焊件在制造過程中的焊后熱處理基本相同”的要求。試驗(yàn)表明，隨著焊后熱處理保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊縫金屬的顯微組織碳化物彌散析出并粗大，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低，但隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，焊縫金屬的沖擊韌性得到提高，焊接接頭的塑性增強(qiáng)[10,11]。實(shí)際的焊件焊后熱處理保溫時(shí)間是按照文獻(xiàn)[12]的推薦保溫時(shí)間確定的，可能遠(yuǎn)低于焊接工藝評(píng)定的試件保溫時(shí)間，如此雖然焊接接頭的沖擊韌性得到了提高，但是可能導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度下降，甚至出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度不合格的情況。

5 焊接工藝文件

實(shí)際的焊接工藝工作中，如果預(yù)焊接工藝規(guī)程評(píng)定合格，再編制焊接工藝評(píng)定報(bào)告，然后根據(jù)合格的焊接工藝評(píng)定報(bào)告編制一份焊接工藝評(píng)定匯總表，最后根據(jù)焊接工藝評(píng)定匯總表編制產(chǎn)品焊接工藝作業(yè)指導(dǎo)書或產(chǎn)品焊接工藝卡。因此，焊接工藝評(píng)定匯總表的內(nèi)容必須顯示全部的焊接工藝評(píng)定要素，包括重要因素、補(bǔ)加因素和次要因素，這些評(píng)定要素必須體現(xiàn)在產(chǎn)品焊接工藝文件中，以指導(dǎo)焊接生產(chǎn)，否則無法根據(jù)焊接工藝評(píng)定匯總表編制產(chǎn)品焊接工藝文件。

表1為某公司的部分對(duì)接接頭焊接工藝評(píng)定匯總表。由表1可以看出，只有焊接方法、電源特性、母材規(guī)格、牌號(hào)、焊材規(guī)格、牌號(hào)及熱處理狀態(tài)等參數(shù)，未見焊后熱處理保溫溫度、保溫時(shí)間、填充金屬體積及焊道數(shù)等影響焊接工藝評(píng)定的主要因素。表2是某公司的部分管板角接頭焊接工藝評(píng)定匯總表，其中未見焊接電流、焊前清理方法及焊道數(shù)等影響管板焊接接頭工藝評(píng)定的重要參數(shù)。這種焊接工藝評(píng)定匯總表不能指導(dǎo)編制產(chǎn)品焊接工藝作業(yè)文件，如果編制則必須查閱焊接工藝評(píng)定報(bào)告，失去了焊接工藝評(píng)定匯總表存在的意義。

表1 某公司焊接工藝評(píng)定匯總表(部分對(duì)接接頭)

表2 某公司焊接工藝評(píng)定匯總表(部分管板角接頭)

6 結(jié)束語

焊接工藝評(píng)定是承壓設(shè)備焊接的基礎(chǔ)工作，用于指導(dǎo)編制產(chǎn)品焊接工藝文件。在焊接工作實(shí)踐中，既要遵守焊接工藝評(píng)定規(guī)則(即所編制的產(chǎn)品焊接工藝文件要有合格的焊接工藝評(píng)定支持)，又要結(jié)合產(chǎn)品的實(shí)際工作環(huán)境，全面考慮產(chǎn)品對(duì)焊接的要求，使焊接結(jié)構(gòu)滿足產(chǎn)品的使用要求。焊接工藝文件是記錄焊接質(zhì)量的載體，在焊接工藝文件上規(guī)范、全面地反映焊接工藝評(píng)定的重要因素、補(bǔ)加因素和次要因素，能有效指導(dǎo)產(chǎn)品焊接工作。同時(shí)，加強(qiáng)焊接工藝執(zhí)行情況的檢查是提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量的重要保障。

[1] NB/T 47014-2011,承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定[S].北京:國(guó)家能源局,2011.

[2] GB 713-2008,鍋爐和壓力容器用鋼板[S].北京:中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2008.

[3] GB 3531-2008,低溫壓力容器用低合金鋼鋼板[S].北京:中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2008.

[4] GB 24511-2009,承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶[S].北京:中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2009.

[5] 曹志明.氨制冷壓力容器應(yīng)力腐蝕開裂原因及其對(duì)策[J].壓力容器,2003,20(5):42～44.

[6] 王家輝.石油化工用液氨設(shè)備的應(yīng)力腐蝕開裂及其防護(hù)[J].石油工程建設(shè),2008,34(3):10～12.

[7] GB/T 5117-2012,非合金鋼及細(xì)晶粒鋼焊條[S].北京:中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2012.

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[9] 劉國(guó)偉,尚世顯,黃文龍.焊接后熱與焊后熱處理溫度對(duì)焊接殘余應(yīng)力松弛的試驗(yàn)研究[J].壓力容器,1994,11(5):23～27.

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[11] 王飛.熱處理保溫時(shí)間對(duì)焊接接頭性能的影響[J].鍋爐制造,2014,(5):50～51.

[12] NB/T 47015-2011,壓力容器焊接規(guī)程[S].北京:國(guó)家能源局,2011.

WeldingQualityManagementofPressureEquipmentBasedonWeldingProcedureQualificationRules

XIONG Cong-gui, HE Jing, LIN Xiang, LIN Tong

(TaizhouLongjiangChemicalMachineryScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Wenling317500,China)

Through analyzing the base metal, filling materials, welding method and the postweld heat treatment, the deviations in understanding the welding procedure qualification rules in operation process were described and both improvement measures and matters needing attention were proposed as well as the summary sheet of factors which influencing the welding procedure qualification was established to guide welding operation.

pressure equipment, welding procedure, qualification rules, documents on welding procedure, welding quality

TQ053

A

0254-6094(2016)01-0008-05

*熊從貴，男，1982年5月生，工程師。浙江省溫嶺市，317500。

2015-01-23，

2015-02-06)