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        壓力容器封頭焊接工藝試驗(yàn)與實(shí)踐

        2020-12-12 04:03:00田一宏
        石油化工設(shè)備 2020年6期
        關(guān)鍵詞:封頭板材力學(xué)性能

        田一宏,黃 斌,石 磊

        (1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 吉林石化分公司,吉林 吉林 132001;2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司 西南油氣田分公司,四川 成都 610051)

        壓力容器在石油、化工等工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛,隨著技術(shù)的進(jìn)步,各類(lèi)壓力容器的規(guī)格尺寸越來(lái)越大,對(duì)壓力容器的力學(xué)性能要求也越來(lái)越高,必須不斷提升壓力容器加工制造質(zhì)量才能滿足實(shí)際使用需求[1-2]。封頭的生產(chǎn)加工一直是壓力容器的制造重點(diǎn)[3-4],而封頭焊接是整個(gè)制造加工流程中的重要工序,其焊接質(zhì)量會(huì)對(duì)壓力容器的服役性能產(chǎn)生決定性影響[5]。焊接材料及焊接工藝對(duì)材料的焊接質(zhì)量影響顯著,合理選用焊接工藝和焊接材料是確保焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)[6]。文中以壓力容器封頭常用13MnNiMoR板材為試驗(yàn)材料,研究了埋弧焊工藝條件下不同焊接材料對(duì)13MnNiMoR焊接性能的影響,并將試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用到工程實(shí)踐中,效果良好。

        1 焊接工藝試驗(yàn)過(guò)程

        1.1 試驗(yàn)用材料

        選用13MnNiMoR鋼板作為試驗(yàn)用材料,13MnNiMoR具有較好的力學(xué)性能、強(qiáng)度及韌性[7-8],同時(shí)焊接性能優(yōu)良。試驗(yàn)用材料尺寸 (長(zhǎng)度×寬度×厚度)為2 800 mm×400 mm×98 mm。

        采用埋弧焊工藝進(jìn)行焊接試驗(yàn),分別選用H10Mn2NiMoA(H10)和 H09MnNiMoG(H09)這 2 種焊接材料進(jìn)行對(duì)比分析,總計(jì)開(kāi)展了4組焊接試驗(yàn),其中2組采用H10進(jìn)行焊接,試樣編號(hào)分別為H10-1、H10-2;2組采用H09進(jìn)行焊接,試樣編號(hào)分別為 H09-1、H09-2。

        1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        為了最大程度降低焊接過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力、約束度以及填充量,采用窄間隙坡口對(duì)板材進(jìn)行焊接,焊接板材對(duì)接示意圖見(jiàn)圖1。

        圖1 焊接板材對(duì)接示圖

        在整個(gè)焊接過(guò)程中對(duì)焊縫成型情況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)調(diào)整,確保所有焊縫能夠一次性焊接完成且合格,不得對(duì)焊縫進(jìn)行返修。焊接具體工藝參數(shù):焊接電流480~530 A、電弧電壓28~32 V、焊絲直徑4 mm、線能量不超過(guò)30 kJ/cm、焊接速度36~42 cm/min[9]。

        相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,13MnNiMoR在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生熱裂紋。為避免焊接過(guò)程中溫度升高過(guò)快引發(fā)材料熱裂紋問(wèn)題,正式焊接前需對(duì)板材進(jìn)行預(yù)熱,預(yù)熱溫度控制在180~220℃。焊接完成后還需將板材在250~400℃保溫超過(guò)2 h,以達(dá)到消氫的目的[10]。

        1.3 焊接過(guò)程操作要點(diǎn)

        1.3.1 溫度檢測(cè)

        溫度是焊接過(guò)程中的重要工藝參數(shù)之一,需要檢測(cè)的溫度包括預(yù)熱溫度、層間溫度以及后熱溫度。結(jié)合實(shí)際情況,每間隔75 mm采用測(cè)溫筆對(duì)溫度進(jìn)行1次檢測(cè),確保相關(guān)溫度都在對(duì)應(yīng)的合理范圍內(nèi)。

        1.3.2 加熱方法

        通過(guò)火焰加熱方法對(duì)焊接試驗(yàn)板材進(jìn)行預(yù)熱處理,能夠保證預(yù)熱的均勻性,且不會(huì)對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。火焰加熱時(shí)應(yīng)用外焰對(duì)試樣進(jìn)行加熱,加熱過(guò)程不得引入其他有害雜質(zhì)。加熱寬度不得小于試樣厚度的2倍,考慮試驗(yàn)過(guò)程中可能存在操作誤差,試驗(yàn)中將加熱寬度設(shè)置為試樣厚度的2倍再加20 mm,即216 mm。

        1.3.3 焊接前準(zhǔn)備

        焊接人員必須熟練掌握焊接工藝流程,并提前準(zhǔn)備好相關(guān)的設(shè)備和工具,調(diào)整好設(shè)備參數(shù),保證設(shè)備性能最優(yōu)。焊接前要清除坡口中的各類(lèi)雜質(zhì),保證板材清潔干凈。

        2 焊接工藝試驗(yàn)試樣質(zhì)量檢測(cè)與分析

        2.1 焊縫無(wú)損檢測(cè)

        2.1.1 目視檢測(cè)

        采用簡(jiǎn)單的測(cè)量工具分別對(duì)H10-1、H10-2、H09-1、H09-2這4個(gè)試樣進(jìn)行目視檢測(cè),所有試樣表面均不存在氧化物、焊渣及飛濺等雜質(zhì),4個(gè)試樣的焊縫寬度依次為46 mm、47 mm、45 mm、46 mm,焊縫余高依次為 2.3 mm、2.8 mm、2.5 mm、2.4 mm,所有數(shù)據(jù)均滿足NB/T 47013.1~47013.6—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》[11]中焊縫余高不得超過(guò)3 mm的要求。

        目視檢測(cè)還發(fā)現(xiàn),采用H10焊接得到的試樣接頭側(cè)邊出現(xiàn)了微小裂紋,而采用H09焊接得到的試樣不存在此類(lèi)問(wèn)題。究其原因,可能是因?yàn)镠10的塑性不滿足使用要求而導(dǎo)致試樣接頭側(cè)邊出現(xiàn)微裂紋。

        2.1.2 超聲檢測(cè)

        超聲檢測(cè)方法的準(zhǔn)確度很高[12],超聲檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),4個(gè)焊接試樣焊縫內(nèi)部均未出現(xiàn)明顯的焊接缺陷,表明試樣的整體焊接質(zhì)量良好,完全能夠滿足NB/T 47013—2015中的要求。

        2.1.3 磁粉檢測(cè)

        磁粉檢測(cè)能夠快速檢測(cè)出試樣表面存在的裂紋[13-15]。對(duì)試樣進(jìn)行的磁粉檢測(cè)同樣發(fā)現(xiàn),除了目視檢測(cè)的微裂紋外,4個(gè)焊接試樣焊縫表面和內(nèi)部不存在缺陷。

        2.2 焊縫拉伸試驗(yàn)檢測(cè)

        焊縫部位的拉伸力學(xué)性能能夠很好地反映焊接質(zhì)量?;贕B/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》[16]中的要求對(duì)焊接試樣進(jìn)行加工,焊縫部位的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖2。

        圖2 焊縫部位標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣結(jié)構(gòu)尺寸

        通過(guò)QX-W5502型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)完成試樣的拉伸試驗(yàn),得到的4個(gè)試樣焊縫拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 焊接試樣焊縫拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

        由表1可知,H10-1試樣在焊縫部位發(fā)生斷裂,其余3個(gè)試樣全部在母材部位發(fā)生斷裂,表明采用H09得到的焊接試樣性能更加穩(wěn)定。采用2種焊接材料得到的焊縫各項(xiàng)拉伸性能指標(biāo)都在NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[17]要求范圍內(nèi),焊縫力學(xué)性能均滿足使用要求。但不管是焊縫的拉伸強(qiáng)度還是延伸率,H09試樣都表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)。

        綜合考慮焊縫部位的無(wú)損檢測(cè)結(jié)果以及拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為采用H09得到的焊縫質(zhì)量更加優(yōu)良。因此,應(yīng)優(yōu)先選用H09對(duì)13MnNiMoR鋼板進(jìn)行焊接。

        3 壓力容器封頭焊接實(shí)踐

        某工程應(yīng)用的壓力容器材料為13MnNiMoR,整個(gè)壓力容器由中間筒體、上橢圓封頭和下錐形封頭3部分構(gòu)成,3個(gè)部分通過(guò)焊接進(jìn)行連接。該壓力容器的使用環(huán)境特殊,工作時(shí)需要承受較大的壓力,要求設(shè)備具備較高的力學(xué)性能,對(duì)焊接質(zhì)量要求非常高。該壓力容器的上封頭和下封頭結(jié)構(gòu)及尺寸見(jiàn)圖3。

        圖3 壓力容器上封頭和下封頭結(jié)構(gòu)及尺寸

        根據(jù)13MnNiMoR材料的焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果可以知道,采用H09焊接材料,通過(guò)埋弧焊工藝進(jìn)行焊接能夠得到理想的焊接效果,焊縫質(zhì)量完全滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的要求。因此,按照前述焊接工藝試驗(yàn)確定的焊接工藝參數(shù)對(duì)該壓力容器的封頭進(jìn)行埋弧焊焊接。焊接完成后對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)任何質(zhì)量缺陷,封頭焊接質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

        4 結(jié)語(yǔ)

        采用H10和H09這2種焊接材料,通過(guò)埋弧焊工藝對(duì)壓力容器封頭常用材料13MnNiMoR的焊接工藝進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)采用H09得到的焊縫質(zhì)量更加優(yōu)良。因此,在工程實(shí)踐中利用H09焊接材料對(duì)壓力容器封頭進(jìn)行了焊接施工。經(jīng)過(guò)無(wú)損檢測(cè)表明,壓力容器封頭焊接質(zhì)量良好,完全能夠滿足實(shí)際使用需求,保障了壓力容器的安全運(yùn)行。

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