壓力容器焊接技術研究

袁炳立 趙 輝

（1.中國石化河南油田分公司第二采油廠，河南 南陽 473400；2.中海油田服務股份有限公司油田技術事業部上?；?，上海 200120）

壓力容器焊接技術研究

袁炳立1趙 輝2

（1.中國石化河南油田分公司第二采油廠，河南 南陽 473400；2.中海油田服務股份有限公司油田技術事業部上?；?，上海 200120）

針對壓力容器焊接的特點及存在的問題，介紹了手工電弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護焊、熔化極氣體保護焊、等離子弧焊、電渣焊、激光焊、激光-電弧復合焊等焊接方法，并對壓力容器焊接技術的發展進行了展望。

壓力容器；焊接技術；研究現狀；展望

壓力容器在石油化學工業、能源工業、軍工和科研等國民經濟的各個領域都起著重要作用。焊接是壓力容器制造的關鍵工藝，它直接影響壓力容器的質量、可靠性、生產率和生產成本。隨著壓力容器向著高壓大型化、多用化的進展，也促使焊接技術和工藝向優質化、高效化的發展。另一方面，如何提高焊接熔敷率，提高焊接機械化、自動化程度以縮短制造周期，降低生產成本也是壓力容器焊接亟待解決的問題。本文綜述了各種焊接方法在壓力容器焊接上的運用，對國內外壓力容器焊接技術的研究現狀進行了介紹。

1 壓力容器的焊接特點

從常規的低壓儲罐到高壓、超高壓的化工設備加氫反應器、合成塔，大型核電站反應堆、蒸發器、穩壓器，火電站鍋爐集箱和汽包等，壓力容器的服役條件從低溫到高溫、從負壓到超高壓、從強腐蝕強輻射到無腐蝕無輻射，其對使用材料及板材厚度的要求不盡相同。從而壓力容器焊接具有不同的焊接特點，具體表現如下：

（1）低合金高強鋼由于含有一定量的使鋼材強化的C、Mn、V、Nb等元素在焊接時易淬硬，在剛性較大或拘束應力高的情況下，很容易產生冷裂紋，這種裂紋還具有一定的延遲性，危害極大。再者，由于焊接高溫使HAZ附近的C、Nb、Cr、Mo等碳化物固溶于奧氏體中，焊后冷卻時來不及析出，而在PWHT時呈彌散析出，從而強化了晶內，使應力松弛時的蠕變變形集中于晶界，從而使焊接接頭在靠近熔合線粗晶區產生沿晶開裂。另外，焊接時線能量過小，HAZ會出現馬氏體引起裂紋；線能量過大，WM和HAZ的晶粒粗大會造成接頭脆化。同時，焊接接頭HAZ由于焊接熱作用而導致的軟化如果處理不當也會嚴重影響壓力容器的使用安全性及壽命。

（2）壓力容器的高壓大型化使得其壁厚大幅增加，焊接厚壁容器所帶來的焊件預熱、金相組織控制、焊縫跟蹤控制等，使現代壓力容器焊接技術對焊接機械化、自動化、智能化的要求愈加的迫切。

2 壓力容器焊接技術

（1） 手 工 電 弧 焊（SMAW）。SMAW于1888年由俄羅斯人發明，是利用手工操縱焊條進行焊接的電弧焊方法。形成于焊條和工件之間的電弧熔化金屬棒和工件的表面，形成焊接熔池。同時，金屬棒上熔化的藥皮形成氣體和熔渣，保護焊接熔池不受周圍空氣的影響。受到單根焊條長度的限制，手工電弧焊過程只能完成短焊縫的焊接，并且在焊縫焊完或在熔敷下個焊道前必須從焊道上清除熔渣。手工電弧焊設備簡單，操作靈活方便，能進行全位置焊接適合焊接多種材料，但其焊縫熔深淺，生產效率低勞動強度大，熔敷質量取決于焊工的技術，因而其運用在逐漸減少。

（2）埋弧焊（SAW）。SAW是一種電弧在焊劑層下燃燒進行焊接的方法，可分為單絲埋弧焊、多絲埋弧焊、帶極埋弧焊、冷絲及熱絲埋弧焊、添加合金粉末埋弧焊以及埋弧堆焊等。埋弧焊接時引燃電弧、送絲、電弧沿焊接方向的移動及焊接收尾過程都由機械完成，使焊接過程的自動化和機械化成為現實。埋弧焊開始發展于20世紀40年代后期，埋弧焊在造船、鍋爐、化工容器、橋梁、起重機械、核電設備中應用最為廣泛，壓力容器焊接中主要用于拼板焊縫、筒節焊縫、筒節間相連接的環縫焊接等。其優點為：熔深大生產效率高；焊縫金屬中雜質較少，焊縫質量高對焊接熔池保護較完善，較易獲得穩定高質量的焊縫；勞動條件好，除了減輕手工操作的勞動強度外，電弧弧光埋在焊劑層下，沒有弧光輻射；適于大批量，較厚較長的直線及較大直徑的環形焊縫的焊接。其缺點是：不及手工焊靈活，一般只適合于水平位置或傾斜度不大的焊縫；工件邊緣準備和裝配質量要求較高、費工時；由于是埋弧操作，看不到熔池和焊縫形成過程，因此必須嚴格控制焊接規范。

（3）鎢極氣體保護電弧焊（TIG）。TIG 始于上世紀 30 年代， 是最早的氣體保護電弧焊方法，它是為了適應活潑金屬（鋁、錳、鈦等）的焊接而產生的。TIG屬于非熔化極氣體保護焊，是利用高熔點的純鎢（或含有鎢的氧化物金屬）電極與工件之間的電弧使金屬融化而形成焊縫。焊接時鎢極不熔化，只起電極作用，電焊柜的噴嘴送進惰性氣體（氬、氦或氬氦混合氣體）以隔絕空氣來保護電弧、 熔池及母材熱影響區，另外還可根據需要添加填充金屬。TIG主要用于焊縫密封性能和力學性能要求高的壓力容器焊接。其優點是：熱輸入容易調節，焊接過程穩定，焊接接頭保護效果好，焊后無需清渣，容易實現全方位和自動焊接，也是實現單面焊雙面成形的理想方法。其缺點是：焊前處理較麻煩，焊接接頭表面污物及氧化膜清除要求較高；熔深淺，熔敷速度小，生產效率低；鎢極承載電流能力較差，過大的電流可能造成夾鎢污染，適宜薄板焊接；惰性氣體較貴，生產成本高；可能有放射性危害。

（4）熔化極氣體保護焊（GMAW）。GMAW可分為氬弧焊（MIG）、二氧化碳氣體保護焊（MAG）以及藥芯二氧化碳氣體保護焊（FCAW）等。上世紀40年代，隨著焊接板厚度的增加，TIG已不能滿足要求，為了克服厚板的焊接尤其是導熱性能較強的金屬的焊接，產生了GMAW。GMAW是在電極間高溫電弧熱作用和氣體的保護下，利用焊絲和焊件兩個不同極性電極之間的電弧熔化連續送給的焊絲和母材，形成熔池和焊縫的焊接方法。其優點為：以焊絲作為電極，焊接過程與焊縫質量易于控制；不需焊后清渣，生產效率高；焊接熔深大，熔敷速度快，可焊大厚度板材，且易進行全位置焊及實現機械化和自動化。其缺點為：采用明弧和大電流密度，光輻射較強；對環境要求嚴格；設備較復雜。

（5）等離子弧焊（PAW）。PAW是利用等離子弧作為熱源的焊接方法。氣體由電弧加熱產生離解，在高速通過水冷噴嘴時受到壓縮，增大能量密度和離解度，形成等離子弧。常用的等離子弧焊基本方法有小孔型等離子弧焊、熔透型等離子弧焊、微束等離子弧焊以及粉末等離子弧焊，在國外一種采用反極性電極鎖孔技術等離子弧焊（VPPAW）也被發展起來。其優點是：焊接能量密度大，弧柱溫度高，穿透力強；10-12mm厚度鋼材無需開坡口，焊接速度快，生產效率高；熱影響區窄，應力變形??；能較好實現單面焊雙面自由成形。其缺點是：電源及電氣控制設備較復雜，氣體耗量大，焊接設備成本高，焊接參數的調節匹配較復雜，噴嘴使用壽命短，且只適合室內焊接。

（6）電渣焊（ESW）。ESW是利用電流通過熔渣所產生的電阻熱作為熱源，將填充金屬和母材熔化，凝固后形成金屬原子間牢固連接的焊接技術。其主要有熔嘴電渣焊、非熔嘴電渣焊、絲極電渣焊和板極電渣焊等。其優點是：適合厚板焊接；焊縫成形系數調節范圍大；加熱均勻，冷卻速度慢，有預熱作用，冷裂傾向小，不易造成氣孔、夾渣、裂紋等工藝缺陷；焊劑耗量小。其缺點是：HAZ在高溫停留時間過長，過熱現象較嚴重，會產生粗大的焊接金屬顆粒以及差的斷裂韌性出現；焊后需熱處理或焊接過程中需添加特殊的金屬元素，才能改善韌性、細化晶粒。

（7）激光焊（LBW）。LBW是利用經聚焦的高功率密度的激光束為熱源的特種焊接方法。目前，該方法主要應用于航空、汽車以及電子、精密儀器等高科技領域。其優點為：具有極高的能量密度，HAZ金相變化范圍小，且因熱傳導所致的變形很??；可焊材質種類范圍大；易于自動化進行高速焊接；不受磁場影響，焊接位置精確。其缺點為：價格昂貴，設備笨重；對焊件位置要求高；能量轉換效率低；焊道凝固快，有出現氣孔及脆化的風險；受激光器功率的限制，目前在厚壁焊接方面應用有限。

自1963年窄間隙焊接技術（NGW）在美國巴特萊研究所提出以來，這種采用厚板對接接頭，焊前不開坡口或只開小角度坡口，并留有窄而深的間隙，氣體保護焊或埋弧焊的多層焊完成整條焊縫的高效率焊接方法，由于其坡口形狀簡單，截面積小，母材、焊絲和能源消耗少，經濟效益良好；熔化的金屬體積較小、熱輸人較低和HAZ較小，所以焊后工件的殘余應力和變形較小，易于裝配；前道焊道對后道焊道起預熱作用，后道焊道對前道焊道有回火作用，改善了焊接接頭的機械性能，特別是斷裂韌性和疲勞強度特性；具有全位置焊接的可能性，易于實現生產過程自動化等特點，這種技術在各種焊接領域中的運用越來越多，越來越廣。這其中就包括：窄間隙焊條電弧焊（NG-SMAW）、窄間隙埋弧焊（NG-SAW）、窄間隙鎢極氬弧焊（NG-TIG）、 窄間隙熔化極氣體保護焊（NG-GMAW）、窄間隙電渣焊（NG-ESW）、窄間隙激光焊（NG-LBW）等。

3 壓力容器焊接新技術

隨著壓力容器在石油化工、核能源、航空航天、軍工等各個領域的應用越來越廣泛，其功能要求越來越嚴苛，這就需要新的焊接技術也不斷推陳出新。

雙TIG焊、雙脈沖MIG焊是對傳統焊接技術的改進及創新。雙 TIG焊是在電源正負極上分別接上兩把常規TIG焊槍，電流從一把焊槍穿過工件流向另一把焊槍，然后在工件與兩把焊槍之間各分別建立一個電弧。雙TIG焊比傳統TIG焊電弧更加集中，熔深更大，厚板焊接的層數也更少，而且其HAZ更窄，焊后變形更小，不易產生裂紋。因此在保證焊接質量的情況下也降低了成產成本，提高了生產率。雙脈沖MIG焊，用0.5-50Hz的低頻脈沖對單位脈沖的峰值和時間進行調制，使單位脈沖的強度在強和弱之間低頻周期性切換，得到周期性變化的強弱脈沖群。雙脈沖MIG焊具有焊縫表面美觀，可焊接頭間隙范圍寬，降低氣孔發生率，細化焊縫晶粒，降低裂紋敏感性等優點。

大功率激光器的出現，使得激光焊技術在厚壁壓力容器的焊接方面得到了長足的進步。相比于常用的CO2激光器，YAG激光器的功率得到了較大的提高。國外，法國F.Coste等人通過將2-3個YAG激光束耦合來提高光斑功率的辦法，采用多道焊技術實現了60mm厚不銹鋼的焊接；日本的X.D .Zhang等人采用6 kW的激光功率，在焊接速度0.4 m/min和送絲速度為5.5m/min時，共用8道焊道（純激光焊接和激光填絲焊）實現了50mm、316L鋼板的雙面對接焊接，均取得了性能良好的焊縫質量。國內由鞏水利等人率先將“雙光束激光焊接”技術引入到飛機制造中，在突破輕質合金激光焊接填絲精度控制等關鍵技術后，于2013年10月獲得焊接領域最高學術獎-布魯克獎。

為了解決常規MIG焊不能采用純氬氣作為保護氣而效率低的問題，近年來激光-電弧復合熱源焊接技術隨之而出現。這種焊接技術采用純氬氣作為保護氣體，在大功率激光使電弧熔池形成的小孔中充滿金屬蒸汽；另外激光使電弧的部分保護氣體電離而產生等離子體，這都將起到吸引電弧和引導電弧的作用，從而解決了電弧在純氬保護氣中極不穩定、剛性差、難以控制的缺點。

結語

當前國內大型高壓壓力容器的焊接技術、焊接設備與焊接材料都還處于研發階段，與世界先進水平還有很大的差距。因此，要滿足我國大型高壓壓力容器生產建設的快速發展需求，就必須加大壓力容器焊接技術的投入，使焊接工作者具有較高的理論水平，操作技藝；加強同國外具有高焊接技術的國家與公司合作與交流，積極吸收他們的先進技術，引進再消化再發展；加快本土具有自主知識產權的自動焊接技術、智能焊接系統以及高性能焊接材料的研發，快速提升我國焊接行業的國際競爭力，減輕對國外焊接技術的依賴。

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10.13612/j.cnki.cntp.2014.04.100