李 祺,馬秀清,張 崢,徐 成,魏業(yè)奇
(1. 上海藍濱石化設備有限責任公司,上海 201518; 2. 機械工業(yè)上海藍亞石化設備檢測所有限公司,上海 201518)
在國內(nèi)壓力容器事故中,相當多的事故與焊縫的焊接質(zhì)量有關。壓力容器設計和制造時,應根據(jù)壓力高低、介質(zhì)特性、是否低溫以及交變載荷與疲勞破壞問題等來選擇合理的焊接結(jié)構。為了保證壓力容器焊縫質(zhì)量,焊縫常采用全熔透結(jié)構。壓力容器焊縫表面不得有表面裂紋、未焊透、未熔合、夾渣、表面氣孔、弧坑、咬邊、未填滿和肉眼可見的缺陷;焊縫與母材應圓滑過渡;角焊縫的外形應當凹形圓滑過渡;采用疲勞分析設計的壓力容器,應當去除縱、環(huán)焊縫的余高,使焊縫表面與母材齊平【1-2】。
焊縫表面裂紋具有擴展性,在一定的工作條件下,會不斷長大,直至金屬產(chǎn)生斷裂;焊縫未焊透和未熔合會降低焊接接頭的機械強度,在未焊透和未熔合處端部容易形成應力集中點,導致焊縫在承受載荷時開裂;夾渣和氣孔破壞了金屬的致密性,減小了焊縫金屬的有效截面積,導致焊縫強度降低;焊縫余高過高及焊瘤常引起應力集中,在交變載荷作用下容易誘發(fā)焊縫脆性破壞和疲勞破壞。
因此壓力容器在焊接制造過程中應當嚴格控制焊接質(zhì)量,盡量避免焊縫表面和內(nèi)部產(chǎn)生各種缺陷,對于承受交變載荷的容器,還應嚴格控制材料表面的形狀突變,減緩應力集中的程度,防止產(chǎn)生疲勞破壞。
對于殼體和接管直徑都較小的容器,由于焊接操作空間受限,焊縫成形不易控制,表面不易修磨,因此焊接質(zhì)量不易保證。通過編制合理的制造工藝方案,合理安排焊接順序,對接管與殼體角焊縫采用氬弧焊打底、焊條電弧焊填充和蓋面的焊接工藝,保證焊縫單面焊接雙面成形,同時采用機加工工裝對焊縫背面產(chǎn)生的焊瘤及焊縫余高進行切削去除,實現(xiàn)了小直徑厚壁高壓球形容器的焊接制造,保證了產(chǎn)品焊縫外觀質(zhì)量,可為小直徑厚壁高壓球形容器的焊接制造提供參考。
我公司為國內(nèi)某石化公司制造的壓縮機二級排氣緩沖器外形為球形結(jié)構, 按照JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》【3】進行疲勞分析設計。正常操作運行時持續(xù)不斷的充氣和排氣使該容器需要承受交變載荷的作用, 因此焊縫表面不允許存在焊瘤及焊縫余高, 以免引起應力集中。容器儲存介質(zhì)為CH4等, 設計溫度為180 ℃, 殼體材料為Q345R, 設計壓力為37 MPa, 水壓試驗壓力為59.1 MPa; 殼體內(nèi)徑為φ750 mm, 厚度為70 mm; 殼體表面有5個接管, 其尺寸和壁厚見表1。二級排氣緩沖器外觀見圖1。
此臺容器制造難點主要為:
1) 殼體直徑較小且壁厚大,表面無代替人孔的接管孔,內(nèi)部操作空間較小,不具備在殼體內(nèi)部焊接的條件,使得殼體對接焊縫和接管角焊縫無法采用雙面焊接進行操作。
表1 容器接管尺寸及接管壁厚 單位:mm
圖1 二級排氣緩沖器
2) 焊縫表面質(zhì)量要求高,不能保留焊縫余高,但焊接成形后,殼體內(nèi)部焊縫表面檢查和補焊修磨等操作受限,表面成形質(zhì)量不易保證。
1) 設備殼體采用2個球形封頭拼接成形,即先將鋼板壓制成2個內(nèi)徑為φ750 mm的球形封頭,然后將其組對在一起并點焊牢固,使之形成球形殼體。
2) 按照圖紙給定的接管位置對殼體進行劃線開孔。在選定接管位置時應注意合理布局,使各接管開孔位置避開殼體拼接焊縫。先組裝b、c、d、e 4個接管,并按照焊接工藝對接管和殼體的角焊縫進行焊接。接管a開孔后預留為檢查殼體內(nèi)部焊縫的檢查孔,因此對接管a暫時只進行劃線開孔,但不組裝接管。
3) 對2個封頭的對接位置進行標記后,去除2個封頭之間的點焊點,并將坡口點焊處打磨干凈。對b、c、d、e 4個接管與殼體的角焊縫正面和背面進行目視檢查和磁粉檢測,并對接管d與殼體的角焊縫進行超聲檢測,修磨和補焊焊縫外觀成形較差處,保證焊縫表面及內(nèi)部無超標缺陷。
4) 依據(jù)封頭標記位置重新組對殼體,并按照焊接工藝焊接殼體環(huán)縫,焊后通過接管a開孔檢查2個封頭對接環(huán)縫內(nèi)表面的焊縫外觀質(zhì)量。對殼體環(huán)縫內(nèi)、外表面的飛濺及焊瘤進行修磨處理,并對焊縫咬邊處進行補焊和修磨過渡,保證焊縫內(nèi)、外表面無超標缺陷。然后對環(huán)縫進行射線檢測和超聲檢測。
5) 按照焊接工藝焊接接管a與殼體角焊縫, 組裝時增大接管與殼體間隙, 保證焊縫全焊透。焊后采用內(nèi)窺鏡檢查殼體內(nèi)接管a角焊縫外觀質(zhì)量, 并將焊縫全熔透形成的焊瘤和余高采用機加工方法去除。最后對接管a角焊縫進行無損檢測。
6) 設備安裝并焊接附件后,入爐進行焊后消應力熱處理,最后按照GB/T 150.1~150.4—2011《壓力容器》進行水壓試驗,檢查焊縫及殼體的耐壓情況。水壓試驗檢查合格后,再次對焊縫外表面進行超聲檢測;超聲檢測合格后,對設備進行噴砂除銹和噴涂油漆。
對于殼體直徑較大且有人孔的容器,其接管與殼體角焊縫采用雙面焊接較為方便,焊縫正面焊接后,再在背面進行清根焊接,能夠保證焊縫質(zhì)量。但是當容器直徑較小時,焊工焊接操作條件受限,無法從殼體內(nèi)部進行清根焊接,因此應當選用單面焊接雙面成形的焊接結(jié)構形式,例如氬弧焊打底或帶墊板的坡口等形式。根據(jù)此臺產(chǎn)品的結(jié)構特點,殼體對接焊縫采用氬弧焊打底、手工電弧焊填充、埋弧焊蓋面的焊接方法;接管a與殼體的角接焊縫采用氬弧焊打底、手工電弧焊填充和蓋面的方式進行焊接。
焊接工藝見表2和表3。
表2 封頭對接焊縫焊接工藝
表3 接管與殼體角焊縫焊接工藝
1) 嚴格按照工藝方案制定的工序進行制造。封頭壓制成形嚴格按照GB/T 25198—2011《壓力容器封頭》【4】標準執(zhí)行,并且要求封頭的橢圓度小于2 mm,避免封頭拼接成球形時出現(xiàn)焊縫錯邊。封頭對接焊縫錯邊量應控制在3 mm以內(nèi)。
2) 封頭坡口及接管開孔坡口采用機加工成形,保證坡口表面干凈;施焊前,清除坡口及兩側(cè)母材表面200 mm范圍內(nèi)的氧化皮、油污、熔渣及其他有害雜質(zhì)。
3) 施焊過程嚴格按照焊接工藝要求進行。焊前采用火焰對坡口周邊200 mm范圍進行加熱,預熱至100 ℃以上再開始進行焊接;焊接保護氣做到提前送氣,滯后停氣。焊接過程中采用測溫槍測量焊縫層間溫度,保證其被控制在100~250 ℃;焊接時注意控制電流和焊接速度。焊接過程采用多層多道焊接,嚴格控制焊接線能量的輸出。焊縫完全凝固后進行清渣,各層各道間將熔渣清理干凈后再焊下一層,有缺陷時,及時處理。焊后對殼體進行焊后消應力熱處理,熱處理溫度620 ℃,保溫2 h。
4) 焊前和焊后無損檢測要求如下:施焊前坡口表面進行100%的MT檢測,Ⅰ級合格。殼體A類焊縫焊后進行100%MT和UT檢測,Ⅰ級合格;MT和UT檢測合格后再進行100%RT檢測,Ⅱ級合格,質(zhì)量等級AB級。接管與殼體D類焊縫焊后進行100%MT檢測,Ⅰ級合格;直徑大于等于80 mm 的接管與殼體角焊縫增加100%UT檢測,Ⅰ級合格。所有無損檢測均按照NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》【5】標準進行。
5) 焊縫周邊及母材表面在制造過程中采用油漆筆進行標記移植,在焊縫編號圖上記錄施焊焊工鋼印,不在容器表面采用硬印進行標記。
產(chǎn)品制造過程中制作了一件L形車刀工裝。車刀與車刀工裝采用垂直方式進行連接。車刀工裝夾持在車床夾頭上,其使用示意見圖2。接管與殼體焊縫焊接后,借助內(nèi)窺鏡對焊縫內(nèi)表面進行檢查,對檢查發(fā)現(xiàn)的焊縫背部焊瘤及焊縫余高過高等缺陷的位置在殼體外部進行標記;然后將車刀從接管口伸入殼體,通過調(diào)整車床夾頭位置,將車刀調(diào)整至合適位置,并用內(nèi)窺鏡進行位置確認;最后啟動車床將焊縫內(nèi)表面的焊瘤及過高的焊肉切削去除。通過不斷調(diào)整車刀位置完成整道焊縫內(nèi)表面多余焊肉的去除,使焊縫表面與殼體母材齊平。焊縫機加工后表面見圖3。
圖2 接管與殼體焊縫背部機加工工裝示意
圖3 接管與殼體焊縫背部機加工后外觀
1) 采用2個壓制球形封頭進行小直徑球形容器的制造;
2) 制定合理的制造工藝方案,確保了主體焊縫的對口錯邊量,并有效地控制了容器的焊接變形;
3) 嚴格控制焊前預熱溫度、層間溫度及焊接線能量,確定了最佳的焊后熱處理工藝,實現(xiàn)了產(chǎn)品制造過程的全面質(zhì)量控制,保障了產(chǎn)品的長周期安全運行;
4) 小直徑接管機加工工裝的設計實現(xiàn)了小直徑封閉焊縫的背面加工,確保達到設計要求,并為保證小直徑容器制造質(zhì)量提供了新的質(zhì)量控制手段。