不锈钢薄壁容器焊接工艺探讨.pdf

.-70-2023年第2 6 卷技术交流石油和化工设备不锈钢薄壁容器焊接工艺探讨季帅，李浩，陈新玛（东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川德阳，6 1 8 0 0 0)摘要不锈钢薄壁容器由于壁厚小、尺寸大，其自身刚性较差，又由于不锈钢焊接时热膨胀系数比碳钢大，因此焊接过程中极易出现焊接变形，导致尺寸超差。本文对薄壁容器上各典型焊接位置的焊接工艺进行了阐述，通过不同的焊接工艺达到了减小焊接变形的目的。【关键词】不锈钢；薄壁容器；焊接背景我司承制的某项目不锈钢薄壁容器，根据其结构特点可分为立式（卧式）带裙座或支腿容器、平底封头容器、双层套装容器等。筒身壁厚一般在6-1 2 mm之间，直径2 5 0 0 mm-5500mm。不锈钢薄壁容器由于壁厚较小、尺寸较大，其自身刚性较差，又由于不锈钢焊接时热膨胀系数比碳钢大，因此焊接过程中极易出现焊接变形，导致容器尺寸超差。针对制造过程中出现在不锈钢薄壁容器上的问题，对于不同结构特点的焊缝，我们采取了以下控制措施，有效的控制了焊接变形取得良好的效果。1筒身上人孔的焊接薄壁筒身上人孔或者大管座焊接时，由于筒身壁厚较薄自身刚性较差、人孔自重较大，焊接时焊缝位置会产生塌陷。因此筒身上人孔焊缝防塌陷是解决人孔与筒身焊缝尺寸超差的关键点。大管座及人孔与筒体焊缝，可以选择采用工装固定人孔位置，避免焊缝塌陷。根据前期试验，装焊人孔防塌陷工装后筒体塌陷6 7 mm，与筒体椭圆度公差范围土3mml1-2确定的变动区间6mm较接近，优于不装配防塌陷工装时筒体塌陷1020mm，可确定人孔防塌陷工装及相关控制措施有效。在装点人孔组件与筒体时由于组件自重大，对筒体椭圆度有较大的影响。因此可在装配人孔组件时设置一定的反变形量，即将人孔位置筒体椭圆度适当增大6 7 mm。同时为提高筒体刚性，可将人孔装焊防塌陷工装两侧的支撑环先与筒体装点固定，将筒体撑圆。如下图1 所示快人孔与图1 防塌陷工装大管座或人孔与筒体焊接坡口如下图2 所示，人孔焊缝位置装配工装后，工装位置支撑于坡口内表面，坡口内焊缝焊接后将人孔旋转至垂直向下并取出工装中支撑人孔自重部分进行对焊缝反面进行焊接。支撑环不影响焊缝焊接，可以在焊缝焊接及探伤完成后或封头组对后拆除。作者简介：季帅（1 9 9 0-），男，汉族，山西运城人，毕业于昆明理工大学过程装备与控制工程专业，工程师。现主要从事锅炉、化工、核电等压力容器制造的技术、生产管理工作。71季帅等不锈钢薄壁容器焊接工艺探讨第8 期0-3图2 大管座或人孔与筒体焊接坡口示意图对于薄壁筒体上人孔或大管座焊接的关键在于避免人孔自重及筒体刚性不足造成的焊缝位置塌陷，因此采用人孔支撑及筒体撑圆并行的方法可以有效防止焊接变形，经产品验证采用上述工装后，人孔与筒身焊接后筒体塌陷值在3mm之内，满足标准要求。2封头与筒身环缝的焊接2.1影响封头与筒身环缝棱角度的因素在不锈钢薄壁产品焊接过程中发现，环缝焊接时极易造成棱角度超差，如图3所示。这种现象随着环缝直径的增加而越发明显，特别是环缝由于直径大壁厚薄只能进行横焊时超差越发明显。图3薄壁环焊缝棱角度超差示意图对于环向焊接接头形成的棱角E，要求用弦长等于1/6 内径Di，且不小于30 0 mm的内外样板进行检查，其E值要求不大于（8 n/10+2）m m，且不大于5 mml-2。为验证减小棱角度超差的方法，采用规格为1000mm8mm，长度约为8 0 0 mm的S30408筒体按下表1 开展对比试验。试验发现环缝焊后变形大小与焊接热输入成正比，与焊接时清根的深度成正比，且加速焊缝冷却可以有效减小焊接变形。特别是环缝位置错变量大的地方会加剧棱角度超差，应此控制错边量是减小棱角度的首要因素。在产品焊接时，本项目严禁使用水冷控制环缝焊接变形，应此在方案制定时，薄壁环缝焊接的焊接方式拟订为氩弧焊打底加焊条电弧焊盖面的方式，氩弧焊打底不但可有效减少环缝焊接时的热输入量，同时可以通过控制根部成形大大减小清根深度从而减少焊接变形。由于氩弧焊打底的焊接方式效率较低，为进一步优化产品焊接质量与效率，根据产品焊后尺寸总结，薄壁容器环缝焊接方法总结如下：（1）壁厚8 mm及以下的薄壁不锈钢容器，采用氩弧焊打底的焊接方法，采用背气保护工装，以减少清根及反面焊接工作量，减少环缝变形；（2）壁厚8 mm以上薄壁不锈钢容器，采用3.2焊条焊接，注意根部质量并进行背气保护，提高效率的同时减少变形；（3）环缝应开内坡口进行焊接，焊接位置尽可能选择平焊位置；（4）当筒体直径过大或壁厚较小，环缝焊接需要采用横焊位置进行焊接时，由于环缝横焊极易发生棱角度超差且焊接成型一般较差，建议采用氩弧焊打底的焊接方式进行焊接，采用背气保护工装或双面氩弧焊的方式焊接以减少清根及反面焊接量，以减少环缝变形。表1 环缝焊接试验有无防变形T编号焊接方法是否清根冷却方式测量棱角度实验结果形加强圈打底后外侧水冷，清根侧焊1双面焊条焊无是2.54mm不合格接自然冷却打底后外侧水冷，清根侧焊2氩弧焊打底，焊条电弧焊盖面有是2.53mm不合格接自然冷却3氩弧焊打底，焊条电弧焊盖面有否打底后外侧水冷0.12mm合格4氩弧焊打底，焊条电弧焊盖面有否铜带贴覆，水冲铜带冷却0.62mm合格2023年第2 6 卷技术交流石油和化工设备2.2大直径薄壁容器环缝焊接过程控制（1）坡口间隙：大直径薄壁不锈钢环缝装配时，由于相关主要零件（封头、筒身）均为成型件，且薄壁零件刚性较差，尺寸精度难以同时保证焊缝错边及装配间隙满足要求，同时随着产品直径增大，坡口间隙的偏差范围越大。为了保证根部成形质量及装配尺寸要求，坡口间隙一般控制在0-4 mm或0-5mm，焊接坡口如下图4 所示。605(4)图4 焊接坡口示意图（2）装装配：大直径薄壁容器环缝装配时，采用先固定一点再逐段调整的顺序控制错边及坡口间隙。调整错边及坡口间隙至要求后，采用筋板固定焊缝位置。连续焊之前（装配）应沿圆周对称断续焊50mm长8-1 0 处，使焊缝区域具有一定刚性。(3）焊接：当焊缝处于横焊位置时，筒体环缝的焊接由4名焊工沿着同一方向对称分段跳焊，如下图5 所示。隔一段焊一端，每段长度为5 0 0 左右，4 名焊工同时进行打底、填充、盖面焊，且速度保持基本一致，焊接过程中在保证融合良好的情况下，焊接电流尽量小。图5 大直径薄壁容器环缝焊接当焊缝处于平焊位置时，产品置于滚轮架上，无法满足同步对称施焊要求。此时可由1 名焊工进行分段对称施焊。在打底焊过程中，后焊接的部分由于焊接变形会再次形成较大的错边。分段焊接时，每段焊接前及焊接过程中应注意复核错边量，施焊时产生错边应及时停止焊接并调整错变量。（4）焊接工装：为保证焊缝根部成形，减少清根后焊接工作量，环缝焊接时，应做好背气保护。当产品处于横焊位置时，可由人手持简易的保护工装在筒体跟随施焊人员做好背气保护，如下图6 所示。图6 背气保护当产品处于平焊位置，随着滚轮架的转动，打底焊在固定的空间位置，可在焊缝正下方布置下图7 所示背气保护工装。37.300图7 背气保护工装-73-季帅等不锈钢薄壁容器焊接工艺探讨第8 期3平底封头与筒身的焊接部分常压容器设备采用平底封头的形式，这类容器一般直径较大、壁厚较薄。例如某设备采用直径为直径5 0 0 0-6 0 0 0 mm，壁厚8-1 0 mm的钢板与筒身焊接。由于底板直径大壁厚薄，无法采用增加厚度余量的方式消除变形，只能采用刚性或焊接固定的方式减小变形。前期产品施焊时采用筋板连接底板与平台固定以防止变形，焊接后底板裙边发生波浪变形。因此对于此类焊缝焊接，应将底板校平后整圈焊接固定在平台上，若无法整圈固定，需要将不小于2/3周长采用焊接方式固定在平台上再焊接筒体与底板焊缝，如下图8 所示。焊接采用热输入量小的氩弧焊进行焊接，焊缝背面进行氩气保护避免焊缝氧化及辅助根部成型以减小清根量。图8 平底封头与筒身的焊接底板与筒体焊接完成后去除固定焊缝，由于去除时会打磨到裙边母材，底板在制造时外圆应预留打磨余量。固定焊缝去除后，再对底板裙边进行校正，即可满足图纸要求。4无人孔容器或管道环缝焊接4.1无人孔容器或管道环缝焊接难点对于无人孔容器或管道环焊缝焊接时，需要单面焊双面成型以保证焊缝质量满足体积探伤要求。不锈钢薄壁容器环缝在单面焊双面成型时主要存在以下两方面困难。（1）产品刚性较差，且不锈钢焊接时变形较大，环缝在焊接时由于错边及根部间隙变化极易造成根部成型不良导致焊缝不合格。这种现象随着环缝直径增加和壁厚降低越发明显。（2）不锈钢环缝单面焊双面成型时，需要对焊缝背面进行充氩保护，大部分设备只能采取容器内整体充氩的方式，容积越大氩气置换空气的时间越长，不仅对氩气造成大量浪费同时环缝焊接时背面保护效果也不理想，焊缝氧化严重且影响焊缝成型导致焊缝不合格。4.2解决措施为确保产品焊接的顺利进行、同时焊缝质量满足探伤要求，必须在坡口、背气保护、焊接工艺等方面做出特殊考虑。（1）坡口设计：管道类焊缝采用氩弧焊打底手工焊盖面的焊接形式，要求坡口适合单面焊双面成型要求。焊接过程中由于焊缝收缩，后焊部分根部间隙会逐渐减小，导致根部成型困难，因此坡口间隙应在适合焊接操作的前提下稍微增大，装配时一般控制在4-5 mm之间，推荐焊接坡口如下图所示。(2)背气保护方法：进行背气保护时应尽量选择位于容器底部的接管为进气口，出气口在容器上部接管。氩气的密度大于空气，在合理的背气保护其留下，氩气会在气室内较低位置沉积，提前冲氩后，随着时间的增加，氩气层将逐渐升高，直至将空气层排尽。背部冲氩保护前需测试进气点充气效果，确认进气路径通畅，管线中无残水并排除导致排气点、进气点、焊缝之间存在压差的一切可能因素。对于管道类焊缝，由于结构特点，为进一步获得更好的背气保护效果，应减少氩气室的容积，将氩气室边界建立在系统内部尽可能小的区域，以利于形成惰性气体氛围。可以在管道两侧距焊缝不远处设置两个气囊以形成氩气室，如下图9 所示。充气营充蜜气管图9 背气保护工装(下转6 9 页)(上接7 3页）-69-郝林等基于RCM与发电机维修决策第8 期用RCM的方法，分析了燃气发电机组典型失效模式以及检维修维护策略，同时采用XGBoost算法，拟合了监测参数，进行了参数变量重要性分析，进一步补充了基于RCM的维修策略。通过本文的研究，对类似燃气发电机组，提出如下结论：1）以实际故障为基础，重点关注机组的传感器、工艺管道、火花塞。2）部件失效率参考OREDA数据库，计算的检维修周期与机组操作手册中给出的周期基本一致，但汽缸垫、油封、气门略检维修时间略高于基于数据库计算的介入时间。3）根据机组参数变量重要性分析，应重点监控润滑油温度与Nox实际值，在实际运行中应重点保障两个运行参数平稳，以期达到较高的有功功率。参考文献1曹钟中,杨昆,顾煜炯等.汽轮机及其辅助设备系统以可靠性为中心的维修（RCM）的技术分析原则 .国际电力,2 0 0 2,3:30-352周新建,李志强.利用FMECA法的兆瓦级风力机故障模式分析 .华东交通大学学报,2 0 1 7,34(1):1 0 7-1 1 63杨波.2 4 0 火花塞式燃气机预然燃烧技术研究 .内燃机车,2 0 0 9(9):1-6（3）环缝焊接装配时调整好破口间隙及错边后采用筋板固定环缝，环缝用胶带密封后进行内部充氩，焊接前将不锈钢带贴在环缝位置试焊确认焊缝背面氩气保护效果是否良好。焊接采用氩弧焊进行焊接，过程中应逐步撕开胶带，一般一次揭开胶带长度不大于1 0 0 mm。焊接时采用对称焊，由于焊接过程中焊缝位置漏气严重，焊接两段后应重新密封冲氩至满足要求后再继续焊接，焊缝熔敷金属厚度大于5 mm可以不再进行背气保护。5结论4高青,金英爱,李明,方瑛.点燃式发动机临界爆震控制及其特性 .吉林大学学报(工学版),2 0 0 3(4):7-1 15陈东峰,G3520C燃气发电机组励磁系统的常见故障分析与预防 .电气技术与经济,2 0 1 9(4):4 1-4 36石志强,何艳玲等，5 0 0 GF-3RJ燃气发电机组连杆断裂分析.热处理技术与装备,2 0 1 6(1):31-357王军,燃气发电机组故障分析及防范措施 .机电信息2014(3):41-428郑仁武,燃气发电机组运行故障分析和维修措施 .设备管理与维修,2 0 0 6(1):1 8-1 99JMurthy DNP,Bulmer M,Eccleston J A.Weibull model selectionfor 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