韋寶成 楊尚玉 孫昕輝

摘要：著重討論目前大型LNG儲罐內(nèi)罐9%Ni鋼壁板立縫焊條電弧焊中存在的質(zhì)量隱患、安全隱患及健康風(fēng)險，通過分析和現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，造成這些隱患的原因在于焊接工藝可復(fù)制性差、焊工手工操作、碳弧氣刨清根、大量打磨、監(jiān)管不充分、高空作業(yè)難度大等，建議采用一種高效率的交流鎢極氬弧自動焊工藝來代替?zhèn)鹘y(tǒng)焊條電弧焊，這種焊接工藝應(yīng)具有焊接質(zhì)量高、適應(yīng)性強(qiáng)、清潔，且自動焊設(shè)備性價比高等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：9%Ni鋼;焊條電弧焊;質(zhì)量隱患;碳弧氣刨;滲碳層

中圖分類號：TG408 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1001-2303（2020）08-0110-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.23

0 前言

近年來，我國大力推廣清潔能源戰(zhàn)略，國內(nèi)中海油、中石油、中石化等大型能源公司和許多地方政府都開始了大型液態(tài)天然氣低溫（LNG）儲罐的建造。國內(nèi)外普遍采用9%Ni鋼作為LNG儲罐內(nèi)罐材料，設(shè)計(jì)工作溫度在-196～-165 ℃的超低溫范圍內(nèi)。

9%Ni鋼內(nèi)罐在超低溫復(fù)雜苛刻條件下工作，對其鋼板及焊縫的質(zhì)量要求很高。9%Ni鋼板的生產(chǎn)制造工藝較為成熟，板材的質(zhì)量控制較好，因此9%Ni鋼內(nèi)罐建造的質(zhì)量控制主要集中在焊接質(zhì)量上。目前LNG內(nèi)罐焊接的橫焊縫基本全部采用埋弧焊，立焊國外約80%采用手工電弧焊（SMAW），而國內(nèi)基本全部采用SMAW。

立焊縫與橫焊縫結(jié)構(gòu)相比載荷復(fù)雜，焊接質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)更高;立焊縫性能要求高，焊接難度大，低溫韌性要求高，在焊接時容易出現(xiàn)脆硬組織。SMAW焊全部是手工操作完成，人為可變因素多，加之焊接方法自身存在的缺陷、工藝技術(shù)水平以及現(xiàn)場施工條件等的限制，使得焊接接頭性能一致性差，質(zhì)量風(fēng)險增加;施工現(xiàn)場無損探傷（NDT）均采用射線探傷（RT），RT對內(nèi)在氣孔、夾渣之類的體積缺陷較為敏感且容易檢出，而對在坡口面上的未熔合或與射線透照方向垂直的裂紋等面缺陷有時是不易檢驗(yàn)出來的（據(jù)調(diào)查焊接缺陷檢出率約為80%）;且施工中實(shí)際的焊縫不會像工藝評定一樣進(jìn)行性能檢測;上述因素為立焊縫的質(zhì)量檢測和控制埋下隱患。同時，SMAW焊在施工安全、健康環(huán)境危害等方面也有不可忽視的影響。

文中結(jié)合大型LNG儲罐建造的現(xiàn)場施工實(shí)際狀況，探討了SMAW立焊焊接的質(zhì)量隱患。

1 質(zhì)量隱患

1.1 焊條管理

目前國內(nèi)大型LNG儲罐9%Ni鋼立焊縫全部采用SMAW工藝，焊接時會使用大量的焊條。焊條在儲存、運(yùn)輸期間藥皮會吸潮，增加藥皮中的水分，因此焊條使用前必須進(jìn)行烘干，烘干的目的為：（1）減少焊接過程中的飛濺，使焊接電弧能夠穩(wěn)定燃燒;（2）防止在焊縫中產(chǎn)生氣孔;（3）防止在焊接某些低合金鋼時產(chǎn)生氫致延遲裂紋。

焊條的藥皮容易吸潮，易引起焊接缺陷，因此其管理和使用必須有嚴(yán)格的規(guī)定，包括焊條的烘干溫度、時間、烘干記錄、烘干時焊條堆垛層數(shù)、再烘干次數(shù)、儲存的環(huán)境溫度、濕度等。一般SMAW要求焊工必須將焊條存于通電的保溫桶內(nèi);若保溫桶長時間未通電或者下班后未使用的焊條，必須回收到焊材庫重新進(jìn)行烘干處理。但在LNG儲罐現(xiàn)場焊接施工作業(yè)中，施工范圍大、焊位分散、手工立焊勞動強(qiáng)度大、持續(xù)高強(qiáng)度勞動作業(yè)的狀態(tài)，再加上有些焊工責(zé)任心缺乏、趕工期、懶惰、怕麻煩等，導(dǎo)致焊條回收再重新烘干的管理規(guī)定難以得到有效地執(zhí)行。若某一段焊縫使用了藥皮返潮的焊條，導(dǎo)致氫致延遲裂紋的產(chǎn)生，儲罐服役后，在超低溫、高壓工況下應(yīng)力集中，使得微裂紋擴(kuò)展，可能造成儲罐泄露，面臨造價昂貴的罐體整體報(bào)廢的重大風(fēng)險。

1.2 焊工技能水平

全球焊接行業(yè)正面臨焊工資源急缺的危機(jī)，優(yōu)秀焊工更是緊缺，美國未來2年焊工缺口約80萬，中國約為120萬，行業(yè)焊工平均年齡超過40歲，而焊工的現(xiàn)場作業(yè)年齡慣例要求小于35歲，因而施工方必須面對焊工越來越短缺的難題。

SMAW的焊接質(zhì)量高度依賴焊工技能水平、責(zé)任心、經(jīng)驗(yàn)、體力消耗、情緒和施工環(huán)境等。目前在焊工極度短缺的現(xiàn)狀下，LNG儲罐9%Ni鋼立焊縫SMAW焊接施工現(xiàn)場優(yōu)秀焊工缺乏，焊工技能水平參差不齊，絕大部分焊工操作水平有限，經(jīng)驗(yàn)不足，直接影響和制約著焊接質(zhì)量的提高。

1.3 焊接工藝執(zhí)行

（1）層間處理不徹底，容易造成夾渣等焊接缺陷。SMAW焊接時會產(chǎn)生藥皮附著在焊道表面，焊接下一層前須完全清理掉藥皮才可施焊，藥皮是否容易清理干凈與焊條的脫渣性關(guān)系密切。目前市場上各廠家的焊條脫渣性參差不齊，對于脫渣性不好的焊條，需要焊工焊后使用砂輪機(jī)進(jìn)行大量的打磨方能完全去除。有些焊工責(zé)任心較差，層間處理打磨藥皮不徹底，可能會造成夾渣等焊接缺陷。

（2）焊接熱輸入過大，影響焊縫-196 ℃低溫沖擊韌性。LNG儲罐9%Ni鋼材料及焊縫對-196 ℃低溫沖擊性能要求很高，為了確保其韌性，必須嚴(yán)格控制焊接熱輸入。焊接熱輸入過大，會導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)晶粒粗大，焊縫的低溫韌性變差，如果低溫韌性達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，LNG儲罐的安全性及使用壽命都會受到極大的影響。

隨著人力資源成本的不斷提高，很多大型企業(yè)不愿意花大量成本養(yǎng)焊工，有項(xiàng)目時將焊接工作以很低的價格分包，分包商為了控制成本，基本上全部采用按照工作量計(jì)薪的方法施工。施工現(xiàn)場的焊工為了每日獲得更高的報(bào)酬，大幅改變焊接工藝參數(shù)，采用很大的焊接熱輸入以提高每層的焊接厚度和熔覆效率，而很少考慮焊縫質(zhì)量，他們的目標(biāo)是只要射線檢測能通過即可。焊接參數(shù)超出焊接工藝規(guī)范要求，焊接工藝規(guī)范（WPS）無法得到嚴(yán)格執(zhí)行，導(dǎo)致實(shí)際施工焊縫性能與工藝評定記錄（PQR）中的焊縫性能指標(biāo)不一致，而現(xiàn)場施工中的無損探傷只能檢測焊接缺陷，沒有對焊縫性能進(jìn)行檢測和控制的有效技術(shù)手段，因此造成焊縫性能質(zhì)量風(fēng)險。目前普遍存在施工所使用的焊接參數(shù)與焊接工藝評定是兩張皮的現(xiàn)象和質(zhì)量憂患。

（3）局部連續(xù)多層焊，導(dǎo)致層間溫度過高、性能惡化。LNG儲罐9%Ni鋼立焊縫SMAW焊接時，焊工在焊接吊架中作業(yè)，焊接吊架極其簡陋，焊工站立的位置和身體活動范圍很有限，焊工要移動到更高的位置或者變換操作姿勢非常不方便（見圖1），所以在實(shí)際現(xiàn)場施工中幾乎不可能實(shí)現(xiàn)像焊接工藝評定時一樣，一層焊接完后再焊接下一層;實(shí)際情況是焊工操作時，在很有限的焊縫長度上連續(xù)多焊幾層，盡可能減少操作姿勢的轉(zhuǎn)換和操作者高低位置的變換。在很小的區(qū)域內(nèi)連續(xù)焊接，熱量持續(xù)輸入，局部層間溫度會非常高，一般標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都嚴(yán)格控制9%Ni鋼的焊接層間溫度不超過100 ℃。一道9%Ni鋼立焊縫一般長3.5 m，焊工按照上述方法焊接，整道3.5 m長的焊縫可看作是由每一段的層間溫度超標(biāo)、經(jīng)過不同冷熱循環(huán)形成的短小焊道連接而成，因而所得焊道的各個區(qū)域組織不均勻、性能惡化、差異大，且一致性差。

（4）焊接參數(shù)差異大造成焊縫性能不均勻。整個LNG建造施工周期較短，但SMAW焊接效率低，所以在9%Ni鋼立焊縫焊接時參與的焊工數(shù)量較多，各個焊工操作習(xí)慣不同，所使用的焊接參數(shù)差異也很大。大的焊接參數(shù)差異導(dǎo)致整個罐體的各區(qū)域各個焊道性能質(zhì)量差異很大，這對整個LNG儲罐的質(zhì)量和壽命極為不利。

1.4 碳弧氣刨清根

立焊縫SMAW打底焊時，先從正面進(jìn)行打底焊，打底焊對焊接工藝及焊工的技能水平要求最為嚴(yán)格，根部極易產(chǎn)生各種焊接缺陷，如氣孔、夾渣、凹坑、未焊透、焊瘤等（見圖2），因此在正面施焊完成后、背面施焊之前，需要從背面對焊縫進(jìn)行碳弧氣刨清根處理，清根深度要求不小于打底焊的焊接厚度。焊縫清根質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響焊縫性能，目前國內(nèi)焊縫清根主要采用手工碳弧氣刨方法。碳弧氣刨具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于焊接生產(chǎn)中，常用來進(jìn)行焊縫背部清根、返修時去除焊接缺陷等。

碳弧氣刨清根過程中，受操作工技能水平、刨削速度和碳棒送進(jìn)速度不穩(wěn)、壓縮空氣壓力偏小、碳棒鍍銅質(zhì)量不好等因素影響，容易引起夾碳、粘渣、銅斑及滲碳等問題，影響焊縫的性能質(zhì)量。

（1）粘渣、夾碳。

碳弧氣刨清根為手工操作，操作角度、弧柱的高低、操作的穩(wěn)定性都較難控制，操作技術(shù)要求較高，這些因素直接影響氣刨槽的尺寸、形狀和質(zhì)量。電弧電壓的穩(wěn)定最為關(guān)鍵，顯然人工操作無法保證其穩(wěn)定性（見圖3）。

碳弧氣刨時，采用大電流可提高刨削速度，但電流過大時碳極燒損蒸發(fā)快，刨槽表面粗糙，且易發(fā)生滲碳;電流過小時氣刨過程不穩(wěn)定、效率低、且容易造成粘渣現(xiàn)象。刨削速度太快會造成碳棒與金屬相碰，使碳粘在刨槽的頂端形成所謂“夾碳”缺陷。LNG儲罐施工現(xiàn)場，碳弧氣刨工的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)不足，碳弧氣刨的工藝參數(shù)幾乎無監(jiān)管和控制，完全依靠個人經(jīng)驗(yàn)選擇，導(dǎo)致粘渣、夾碳等現(xiàn)象常見，質(zhì)量風(fēng)險較高。

（2）夾銅引起熱裂紋風(fēng)險。

由于碳棒表面鍍銅，若鍍銅不好，電流過大，碳棒表面銅皮可能會成塊剝落熔覆到刨槽表面處形成銅斑，若后續(xù)打磨處理不徹底，焊接時該部位焊縫金屬的含銅量增加，在焊接結(jié)晶過程中偏析出低熔點(diǎn)的鐵-銅共晶，由于其熔點(diǎn)較低，在結(jié)晶過程中以液態(tài)間層存在，與此同時四周鐵水結(jié)晶形成的拉伸應(yīng)力開始作用，當(dāng)拉伸應(yīng)力達(dá)到一定時低熔點(diǎn)共晶間層無法承受即形成焊接熱裂紋[1]。

（3）滲碳。

碳弧氣刨后刨槽表面出現(xiàn)明顯的碳富集現(xiàn)象，形成硬化層，硬化層厚度約0.2 mm。硬化層的形成主要有三方面原因[2]：a. 碳弧氣刨過程中的碳或石墨電極會隨刨削的進(jìn)行而不斷燒損，電極中的碳元素會以細(xì)顆粒狀滲入被刨金屬中，增加刨槽表面碳含量。b. 同時滲入刨槽表面的部分碳元素會與母材或焊縫中大量存在的Cr等元素結(jié)合，在隨后冷卻過程中形成脆硬的金屬間化合物，脆硬的金屬間化合物危害巨大，此化合物析出后會使晶界附近區(qū)域貧鉻，導(dǎo)致材料性能變差，使材料在服役過程中過早失效[2]。c. 碳弧氣刨時高溫的表層金屬被急速冷后容易形成馬氏體組織，硬度較高。

硬化層硬度分布極不均勻，在很大范圍內(nèi)波動。其厚度與工藝參數(shù)、操作手法、碳棒材料等有關(guān)，碳含量越高硬化層的硬度越大，氣刨電流越大硬度越高。

（4）組織性能改變。

雖然碳弧氣刨的熱輸入量較大，但被刨金屬從加熱熔化到被壓縮空氣吹走整個過程極短，電弧對被刨材料作用時間短，因此在正常工藝參數(shù)下，碳弧氣刨后刨槽周圍會形成寬度約1 mm的較窄熱影響區(qū)[2]。

碳弧氣刨過程中溫度場變化十分劇烈，由于使用的工藝參數(shù)很大，導(dǎo)致熱影響區(qū)的晶粒變大，同時冷卻速度很快，最終形成脆硬的粗晶組織形態(tài)。碳弧氣刨電流越大，焊縫的硬度越高，韌性和延展性也變差[3]。

（5）磁偏吹風(fēng)險增加。

9%Ni鋼是一種極易被磁化的材料，在9%Ni鋼焊接施工時有大量的碳弧氣刨清根工作，碳弧氣刨一般都采用直流電源，工作電流約300～400 A，大量的直流電持續(xù)作用在焊縫上，以及氣刨清根后大量的砂輪機(jī)打磨，都會對焊縫附近區(qū)域9%Ni鋼進(jìn)一步磁化，增大焊接區(qū)域磁性，導(dǎo)致焊接時可能出現(xiàn)磁偏吹現(xiàn)象，容易產(chǎn)生氣孔、未熔合等焊接缺陷。

上述組織性能的改變在碳弧氣刨過程中均可能發(fā)生，因此在采用碳弧氣刨后必須將刨槽表面粘渣、夾碳、夾銅、硬化層、熱影響區(qū)等去除干凈，避免碳富集、脆硬組織及金屬間化合物大量殘留在材料中，降低焊縫性能質(zhì)量。一般焊接工藝中會要求碳弧氣刨清根后使用砂輪機(jī)打磨約2 mm直至完全露出金屬光澤;但在LNG儲罐9%Ni鋼焊接施工中，碳弧氣刨清根都是高空作業(yè)，施工環(huán)境簡陋、作業(yè)和監(jiān)管難度大，導(dǎo)致氣刨清根后的打磨狀況和質(zhì)量無法保證，存在很大的質(zhì)量隱患。

1.5 高空焊接作業(yè)，監(jiān)管不充分

LNG儲罐施工時所有的操作都是大范圍、高空作業(yè)，焊工通過直立爬梯（見圖4）爬到圓形操作平臺，然后進(jìn)入焊接吊架（見圖5），站立在吊架中作業(yè)，吊架中基本只夠一名焊工活動，所以現(xiàn)場施工管理、監(jiān)理等人員很難靠近焊接區(qū)域，形成監(jiān)控盲區(qū)。

2 安全隱患

綜合近年來焊接事故發(fā)現(xiàn)，LNG儲罐立焊縫SMAW的安全隱患主要集中在高處墜落、物體打擊、火災(zāi)爆炸、觸電、窒息、灼傷等方面，其中高處墜落和物體打擊是比例最高的焊接事故。主要存在以下幾方面的安全隱患：

（1）焊接吊架簡陋，焊工站立位置危險，晃動較大，容易踩空等。

（2）焊接吊架無處擺放工機(jī)具，周圍基本無護(hù)欄等，高空墜物風(fēng)險大。

（3）增加了砂輪機(jī)、氣刨等方面的危險事故發(fā)生的概率。

LNG儲罐內(nèi)罐的建造過程是從低到高逐層建造的，最高到達(dá)40～50 m，焊接作業(yè)大都在搭設(shè)的腳手架平臺、升降平臺、吊籃上進(jìn)行，屬于高處作業(yè)，發(fā)生高處墜落的風(fēng)險高。內(nèi)罐建造工序復(fù)雜，施工作業(yè)人員多，罐底部、施工平臺上、焊接吊藍(lán)中等不同的工序在不同高度同時立體交叉作業(yè)，極易發(fā)生物體打擊事故。一般焊接吊架中的焊工處于最高處作業(yè)點(diǎn)，由于焊接吊架簡陋、無處安放常用工具、焊接材料等（見圖5），而且焊接吊架未搭設(shè)安全防護(hù)網(wǎng)，容易發(fā)生物體高空墜落，很可能引起物體打擊事故的發(fā)生。

SMAW焊接會產(chǎn)生大量的飛濺、焊渣、熔渣等，高處焊接交叉作業(yè)時極易落在下面操作者身上，發(fā)生灼傷。SMAW施工工藝中有大量的碳弧氣刨清根和砂輪機(jī)打磨，碳弧氣刨熔渣、砂輪機(jī)打磨的金屬顆粒、以及砂輪片破損等造成的風(fēng)險因素?zé)o處不在。整個罐體為金屬結(jié)構(gòu)，焊接作業(yè)容易發(fā)生觸電事故，在吊架內(nèi)操作時， 操作人員活動受到空間限制，身體容易接觸艙壁， 構(gòu)成焊接回路引發(fā)觸電事故，尤其在更換焊條時要特別注意防止觸電。

3 健康環(huán)境危害

3.1 危害源

在LNG儲罐立焊縫施工中，SMAW焊接工藝帶來的健康環(huán)境危害主要有以下三方面：（1）碳弧氣刨清根帶來大量的金屬粉塵、噪聲、及有害氣體污染;（2）過渡打磨，包括層間處理、清根后打磨、蓋面余高打磨等造成的粉塵、噪聲污染;（3）焊接產(chǎn)生的有害氣體、煙塵污染。

罐內(nèi)施工時約90%的重度煙霧、粉塵和噪聲污染（見圖6）均來自碳弧氣刨和打磨，碳弧氣刨和打磨工遭受粉塵污染的危害遠(yuǎn)大于焊工，不容忽視。

3.2 密閉環(huán)境

受LNG儲罐建造工序的影響，在內(nèi)罐焊接時，儲罐的外罐及頂部已經(jīng)完成，僅有進(jìn)物料口，可以說內(nèi)罐的焊接幾乎是在密閉空間中進(jìn)行。由于儲罐的建造周期較短，所有工序幾乎同時進(jìn)行，大量的焊接、氣刨清根及打磨產(chǎn)生的煙塵、粉塵、有害物質(zhì)、噪聲等在密閉空間內(nèi)很難及時排出（SMAW焊接煙塵特別大，且內(nèi)罐所有焊口都需要背部碳弧氣刨清根;SMAW焊層間清理、焊縫余高打磨（射線檢測，內(nèi)罐中大量的輔助件、支撐件等的焊接的打磨）。造成罐內(nèi)有毒氣體、煙塵等有害物質(zhì)濃度極高，采用一般的通風(fēng)措施無法解決問題，嚴(yán)重危害罐內(nèi)作業(yè)人員的身心健康。

作業(yè)人員接觸的煙塵濃度往往高于作業(yè)工段環(huán)境中煙塵的平均濃度。有研究對比船廠各個作業(yè)面的煙塵濃度（見表1[4]），發(fā)現(xiàn)船體合攏、控制倉等密閉空間的煙塵濃度是開放空間的10倍以上。因此需要高度重視密閉空間的煙塵濃度問題。

3.3 職業(yè)病危害

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年消耗的金屬焊接材料約為100萬t，其中約有 0.5%（約5 000 t）的金屬焊接材料轉(zhuǎn)變?yōu)楹附訜焿m[5]。

焊接、碳弧氣刨及打磨等產(chǎn)生的粉塵、煙塵和有害氣體是作業(yè)人員面臨的重要職業(yè)危害風(fēng)險因素。焊接最常見的職業(yè)病包括焊工硅肺、錳中毒、氟中毒、金屬煙熱、神經(jīng)衰弱及電光性眼炎等。有害氣體、煙塵及粉塵可能引發(fā)哮喘、支氣管炎癥、肺炎、肺水腫、急性中毒、神經(jīng)系統(tǒng)疾病，甚至可能引發(fā)塵肺、金屬煙熱、呼吸功能改變及癌癥等疾病，國外尚有報(bào)道帕金氏綜合癥在電焊工人群中的發(fā)病年齡明顯比普通人提前約20年，近10年來國內(nèi)外展開生殖毒性研究，發(fā)現(xiàn)電焊作業(yè)對男女生殖系統(tǒng)有不利影響[4]。

3.4 Ni、Cr、Mn元素對健康的影響

流行病學(xué)的研究顯示焊工及相關(guān)作業(yè)人員為呼吸道疾病的高發(fā)人群，報(bào)道的疾病涉及呼吸道受刺激、支氣管炎、金屬熱、肺炎、呼吸功能改變及癌癥等。近20、30年來，人們的研究重點(diǎn)已移向了焊接煙塵對人體健康影響的長期效應(yīng)上，Cr6+、Ni在其他行業(yè)中已被證實(shí)是致癌的，美國職業(yè)安全與衛(wèi)生監(jiān)管局及美國政府工業(yè)衛(wèi)生專家協(xié)會已建議大大降低焊接煙塵中 Ni、Mn及Cr6+的容許極限。流行病學(xué)的研究顯示Cr、Ni是對身體最具傷害力和最危險的元素，長期接觸Cr、Mn、Ni等成分的焊接工人患癌癥（主要是肺癌）的風(fēng)險比普通人群高約30%[6]。

對焊接過程中煙塵散發(fā)的研究表明，形成焊接煙塵的高溫蒸氣主要來自焊條或焊絲端部的液態(tài)金屬及熔渣、過渡的熔滴及飛濺顆粒，數(shù)據(jù)表明近90%的焊接煙霧來自于填充金屬，來自母材的占約10%[6]。而LNG儲罐9%Ni鋼中母材的Ni含量約為9%，SMAW常用的焊材ENiCrMo-6中Ni含量約60%、Cr含量約15%，母材和焊材中都含有大量的Ni、Cr元素，即意味著LNG儲罐9%Ni鋼焊接，碳弧氣刨清根及打磨的煙塵、粉塵中的Cr及Ni元素含量要遠(yuǎn)高于普通材料，因此9%Ni鋼焊接、氣刨和打磨的施工人員其致癌風(fēng)險也遠(yuǎn)高于其他材料施工人員。

3.5 各焊接方法產(chǎn)塵率對比

在焊接作業(yè)過程中，焊條中的焊心、藥皮和金屬母材在電弧高溫下熔化、蒸發(fā)、氧化、凝集，產(chǎn)生大量金屬氧化物及其他物質(zhì)的煙塵。當(dāng)這些有害物質(zhì)超過容許濃度時，就會危害工人的身體健康。

焊接煙塵粒子尺度范圍可達(dá) 10-3～102 μm 5個量級，按其粒徑大小可分為三類：超細(xì)顆粒物（0.01<d≤0.1 μm）、細(xì)顆粒物（0.1<d≤2.5 μm）、粗顆粒物（d>2.5 μm）。國外學(xué)者 M. Oprya等的研究表明，焊接煙塵一般由超細(xì)顆粒物和細(xì)顆粒物組成。國內(nèi)的饒良平研究結(jié)果表明，粒子直徑小于 0.2 μm的焊接煙塵微粒占粉塵總數(shù)的 50% 以上，約95%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）煙塵微粒的粒徑小于7 μm。沈曉勤[6]等研究發(fā)現(xiàn)，粒徑小于 10 μm的微粒可以進(jìn)入氣管和支氣管，小于 2 μm的微粒可以進(jìn)入呼吸系統(tǒng)內(nèi)部，并且不容易被排出體外。大部分的焊接煙塵都可以進(jìn)入人體呼吸系統(tǒng)，其在肺部的沉積率高達(dá) 50% 以上。

焊接過程中產(chǎn)生的煙塵量大小用兩種方法來度量，一種是以焊接過程中單位時間產(chǎn)生的煙塵量來度量，用FFR（g/min，mg/s）來表示;另一種是以熔化單位質(zhì)量焊絲產(chǎn)生的煙塵量來度量，用FGR（mg/g，g/kg）來表示。各主要工業(yè)發(fā)達(dá)國家都已制定了焊接煙塵的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，總的焊接煙塵的時間加權(quán)平均容許濃度大都為5 mg/m3。我國焊接煙塵衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)（GB16194-96，GBZ2-2002）中規(guī)定總的焊接煙塵的最高容許濃度是 6 mg/m3，時間加權(quán)平均容許濃度4 mg/m3[6]。

不同焊接方法、保護(hù)氣氛圍、極性的改變、電流電壓的變化、焊接材料、表面涂覆情況以及送絲速度等都會對產(chǎn)塵率和焊接煙塵的化學(xué)成分產(chǎn)生影響。在其他因素不變的情況下，煙塵總量和輸入的能量有明顯的正相關(guān)聯(lián)系，即煙塵總量與焊接熱輸入有明顯的正相關(guān)系。各種焊接方法所產(chǎn)生的煙塵量差異較大，如表2所示。

4 大型LNG儲罐內(nèi)罐立焊縫普遍采用SMAW的原因分析

4.1 現(xiàn)有立焊自動焊接系統(tǒng)適應(yīng)性差

目前，現(xiàn)有的自動焊技術(shù)對組對和坡口加工精度要求高，難以適應(yīng)現(xiàn)存板材預(yù)制加工和安裝組對精度的現(xiàn)狀。

（1）現(xiàn)場施工建造時，大尺寸板材預(yù)制加工誤差、坡口加工誤差、高空安裝組對誤差等誤差累積，導(dǎo)致焊縫坡口開口寬度誤差和錯邊量誤差范圍大，因此在建造施工中，焊縫組對誤差大是自動焊必須要面臨的一個很大挑戰(zhàn)。

（2）普通的自動鎢極氬弧焊（GTAW），全位置焊接能力強(qiáng)、質(zhì)量高、成型好，但焊接效率太低（熔敷率約0.7 kg/h）;為提高效率，采用窄坡口，但現(xiàn)有的橫擺自動焊造成的側(cè)壁未熔合問題無法解決，同時對坡口的組對精度要求高，現(xiàn)有加工組對精度水平難以滿足，焊接適應(yīng)性差。

因此對于焊縫組對誤差的適應(yīng)性是評價自動焊接系統(tǒng)的一個關(guān)鍵因素。

4.2 9%Ni鋼焊接工藝加磁導(dǎo)致磁偏吹問題

9%Ni鋼在焊接過程中對焊接電流磁場敏感，特別是在自動焊接時，長時間連續(xù)焊接使得焊縫周圍工藝磁性累加導(dǎo)致電弧偏吹，因此如何穩(wěn)定控制電弧，減少工藝加磁，成為LNG儲罐9%Ni鋼自動焊接的挑戰(zhàn)。

4.3 安裝焊接工程建造預(yù)算費(fèi)用低

大型LNG儲罐的焊接和安裝的預(yù)算一直保持在約整罐建造費(fèi)用的25%，而實(shí)際施工中焊接人工和安裝費(fèi)用近兩年增長了約50%，施工承包方為了壓縮成本，通常采用簡陋傳統(tǒng)的焊接裝備，SMAW的焊接裝備每臺造價只有幾千元，雖然自動焊接系統(tǒng)的焊接質(zhì)量高，質(zhì)量控制有保證，但是每臺的造價上百萬;而業(yè)主對高質(zhì)量的焊接技術(shù)和工藝的采用沒有額外的預(yù)算鼓勵措施，造成施工方采用高質(zhì)量、先進(jìn)自動焊接技術(shù)的動力不足。相比幾億元造價昂貴的LNG儲罐工程，在關(guān)鍵核心質(zhì)量環(huán)節(jié)的低預(yù)算費(fèi)用卻承擔(dān)了無法與之匹配的高風(fēng)險。

5 解決問題的建議

針對以上采用SMAW焊接工藝所造成LNG儲罐9%Ni鋼立焊縫的諸多質(zhì)量、安全、健康及環(huán)境隱患，目前亟需一種高質(zhì)量、高效率，適應(yīng)性強(qiáng)，性價比高、清潔的焊接系統(tǒng)和工藝方法來替代手工電弧焊，此設(shè)備系統(tǒng)和工藝應(yīng)具備以下幾方面功能特點(diǎn)。

5.1 采用焊接質(zhì)量高、清潔的焊接工藝方法

采用焊接成型好、質(zhì)量高、單面焊雙面成型的焊接工藝來替代傳統(tǒng)SMAW，消除因碳弧氣刨清根、打磨和層間清理打磨等造成的焊接質(zhì)量風(fēng)險。

鎢極氬弧焊（GTAW）是全位置焊接能力和焊接質(zhì)量俱佳的非熔化極焊接方法，但焊接熔敷效率太低;焊接效率高的焊接方法目前最常見的埋弧焊（SAW）和熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW），但埋弧焊不能實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，而且目前技術(shù)水平只能實(shí)現(xiàn)平焊（1G）和橫焊（2G）位置的焊接;熔化極氣體保護(hù)焊焊接電弧不穩(wěn)定，焊縫性能和焊接質(zhì)量差，一般重要結(jié)構(gòu)的焊接都不采用GMAW焊。

因此基于目前的各種焊接方法的技術(shù)現(xiàn)狀對比，GTAW焊接過程產(chǎn)塵率最小，而且可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型，無需碳弧氣刨清根和層間打磨，唯一缺點(diǎn)是焊接效率低，若有焊接熔敷效率接近SAW和GMAW焊的新GTAW焊接技術(shù)和工藝，就能實(shí)現(xiàn)LNG儲罐9%Ni鋼立焊縫高質(zhì)量、高效率，清潔的焊接工藝。

5.2 實(shí)現(xiàn)自動化焊接

在實(shí)際施工中，用自動焊接設(shè)備系統(tǒng)來嚴(yán)格復(fù)制和完整執(zhí)行焊接工藝評定所制定的焊接工藝參數(shù)，只有授權(quán)工程師才能通過密碼修改焊接工藝參數(shù)，避免焊工為了提高焊接速度，隨意改變焊接工藝參數(shù)的情況發(fā)生，以保證實(shí)際施工和焊接工藝評定的接頭理化性能的高度一致性。采用自動化焊接系統(tǒng)，降低焊接質(zhì)量對焊工技能的高度依賴;在改善焊工勞動條件、降低勞動強(qiáng)度的同時，又提高了工作質(zhì)量。

5.3 焊接過程在線數(shù)字化監(jiān)控、管理

大型LNG儲罐的焊位分布范圍大、分散、高空作業(yè)，工程監(jiān)理很難實(shí)時監(jiān)理，自動焊接系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)將焊接過程的數(shù)據(jù)在線傳送到施工監(jiān)理和管理者終端的基礎(chǔ)條件，監(jiān)理和管理者能在線實(shí)時監(jiān)理焊接施工狀態(tài)，并能隨時查看每一道焊口存儲的全部焊接施工參數(shù)，使焊接全過程處于嚴(yán)格管理和受控狀態(tài)，從而保障罐體總體焊接質(zhì)量水平。

5.4 坡口加工、組對精度適應(yīng)性強(qiáng)

現(xiàn)有的自動焊對坡口加工和組對精度要求高，一般要求組對間隙0～1 mm，錯邊量<1.5 mm，需要采用專用設(shè)備進(jìn)行加工。LNG儲罐用9%Ni鋼板板幅大（12 m×3.5 m），高空組對困難，坡口組對間隙和錯邊量較大，現(xiàn)場條件不能滿足一般自動焊工藝要求。因此要求采用的自動焊工藝必須適應(yīng)LNG儲罐9%Ni鋼板的坡口加工精度、現(xiàn)場組對間隙和錯邊量。建議LNG儲罐9%Ni鋼立焊縫自動焊的坡口加工、鋼板彎曲在鋼廠進(jìn)行預(yù)制，現(xiàn)場設(shè)置與彎曲弧度相同的裝置存放鋼板，保證組對前鋼板弧度滿足設(shè)計(jì)要求，提高組對精度。

5.5 安全性高的焊吊架

針對目前SMAW焊接吊架簡陋、存在的安全隱患等的問題，可設(shè)計(jì)一款能搭載焊接設(shè)備系統(tǒng)，同時能實(shí)現(xiàn)焊工操作平臺自動升降，且可防止高空墜物的自動化程度高、安全性高的焊接吊架。

6 結(jié)論

綜上所述，LNG儲罐9%Ni鋼立焊縫焊條電弧焊在焊接質(zhì)量、安全、健康、環(huán)境方面存在重大隱患。建議采用一種高質(zhì)量、高效率，適應(yīng)性強(qiáng)，性價比高、清潔交流鎢極氬弧自動焊接設(shè)備系統(tǒng)和工藝方法來替代傳統(tǒng)手工電弧焊。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張宗寶. 不銹鋼焊縫碳弧氣刨清根討論[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2017，31（2）：1-6.

[2] 徐祥久，黃超. 碳弧氣刨對P91鋼及其焊縫的影響[J]. 焊接，2013（10）：65-68.

[3] Budiarto，Kimar，Turnip，Hantariksa. The effect of current gouging arc welding analysis of A283 Gr C steel to the tensile strength，hardness and microstructure[J]. IOP Conf. Series：Materials Science and Engineering，2018（420）： 012055.

[4] 歐澤兵. 焊接作業(yè)的呼氣防護(hù)[J]. 安全，2018（2）：32-35.

[5] 王漢青，李鋮駿，謝東，等. 受限空間焊接煙塵通風(fēng)凈化研究進(jìn)展[J]. 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，31（2）：1-6.

[6] 沈曉勤，蒙繼龍，宋永倫. 焊接過程中有害物質(zhì)問題的研究及進(jìn)展[J]. 焊接，2005（7）：5-8.

收稿日期：2020-03-23

作者簡介：韋寶成（1965— ），男，學(xué)士，主要從事新型焊接設(shè)備與工藝的研究和工程應(yīng)用。E-mail：weibc@cooec.com.cn。