人孔凸缘与厚壁压力容器封头的焊接技术

郑道杰，董建峰，隋如冰，李国宋

（河南油田油建工程建设有限责任公司，河南 南阳 473132）

1 简介

2010年3月，我公司为冀东油田制造了一台规格为φ1 200 mm×5 300 mm×34 mm 三相分离器（卧式），设备壳体材料为Q245R，壁厚34 mm，设计压力：6.3 MPa，设计温度：80 ℃，工作介质：油气水混合物（介质中H2S含量1.4 g/m³）。容器的A、B类焊缝要求100 %无损检测，合格级别Ⅱ级，执行JB/T4730－2005标准，并要求进行600 ℃±20 ℃整体热处理，热处理后的硬度合格要求HB≤185。本设备的焊接难点在于人孔凸缘与封头的焊接，人孔位置在左封头中轴线上，人孔接管的补强形式为整体锻件补强（嵌入式接管），人孔凸缘与封头的装配，见图1。

图1 人孔凸缘与封头的装配

就设计角度来说，人孔凸缘补强效果最好，但是此种补强形式，GB150规定属A类焊缝，且对接环焊缝直径变大，使接管内外变形自由度增大。如果使用常规焊接方法，封头易发生内塌陷变形。另外，采用人孔凸缘厚度变化大，焊接应力大，易产生焊接裂纹。针对这一技术难题，结合我单位实际生产能力和已有的生产经验，采取一系列合理防变形措施和正确的焊接方法，不仅一次探伤合格率为100 %，同时也满足了下部工序的装配要求。

2 组装工序的确定

人孔凸缘和设备封头组对、焊接工序有以下两种流程可以选择：①考虑到设备内径为φ1 200 mm，人孔凸缘内径为φ376 mm，人孔凸缘与封头的对接直径为φ746 mm，法兰与人孔凸缘组焊后高度约400 mm。在进行壳体的封口组焊时，为方便施工人员进出和防止因焊接导致封头变形，把人孔凸缘与封头的组焊作为壳体附件安装最后一道工序，只进行开孔。但在进行此环焊缝焊接时，处于立焊位置，为防止焊接变形，要求施焊人员操作时对称分段退步焊接，对焊工的技能要求十分苛刻，另外由于空间有限，内侧焊缝的处理难度大，同时后期的焊缝返修难度也大大增加；②人孔凸缘与封头焊接后，再进行封头与筒体装配。人孔凸缘与封头在平台上单独组焊，此种工艺在平焊位置，施焊位置最好，操作空间大，最易进行焊缝处理，因此更易保证焊接质量。

通过对以上两种工艺进行比较，并结合我公司现有的设备和生产能力，第二种工艺较优化的施工工艺，但为了确保人孔凸缘与封头的焊接质量和下一道工序的顺利进行，我们采取可靠的防变形措施和适当的焊接技术。

3 焊接技术要点

3.1 坡口形式及控制要点

从最大限度减少焊接变形和施工方便考虑，确定坡口形式为对称X形坡口，见图2。封头号孔后，用数控切割机开孔，火焰切割或碳弧气刨加工坡口，坡口表面用砂轮机去除氧化铁，并进行渗透无损检测，以防止坡口表面存在裂纹、分层、夹渣等缺陷。

图2 对称X形坡口

图3 刚性固定法简图

3.2 焊条的控制

由于大厚度焊缝要求严格控制含氢量，因此焊条使用含氢量低的碱性焊条，使用前应严格按厂家说明进行烘干和保温，施工人员用保温筒领取焊条，每次领取不得超过5 kg，随取随用，剩余焊条进行回收，不得用于此焊缝的焊接。

3.3 焊前预热

焊前预热的目的是减缓焊接接头的冷却速度，适当延长从800 ℃到500 ℃的冷却时间（预热温度越高，冷却时间越长），从而减少了产生淬硬组织，减少了焊接应力，有利于氢的逸出，有助于防止冷裂纹的出现，但预热温度不要过高，否则，会使焊缝产生附加热应力，反而恶化接头的抗裂性能。

现场焊接局部预热更便于操作，对这种大拘束度人孔凸缘的局部预热时，预热温度在150 ℃～200 ℃范围内为宜。尤其是当环境温度低于0 ℃时应严格控制预热温度，预热方式可采用乙炔火焰，由两人对称同时同向加热，加热区域为坡口两侧各100 mm范围内，用红外线测温仪测量达到要求的温度后进行焊接。测温点要均匀，确保坡口要求的范围能够达到要求的预热温度。

3.4 刚性固定法（见图3）防变形措施

首先组焊法兰和人孔凸缘，检验合格后，再进行人孔凸缘与封头的组焊。组焊前，用同材质Q245R，厚度为12 mm的钢板，数控下料出内径φ600 mm，外径φ1 200 mm的环板，点焊在封头的内壁上，电焊点至少为四点，并均匀分布，每个点固点约40 mm～50 mm，并且焊接在外侧，以方便施工后去除（注意：去除后封头的点固点用砂轮机打磨，并渗透检测，表面不应存在裂纹、分层等缺陷，否则必须补焊）。

3.5 焊接的关键点

在进行人孔凸缘与厚壁压力容器封头焊接接头的焊接时，先进行内坡口的焊接，然后焊外坡口，这样内坡口填充焊缝金属对焊缝有一定的拘束作用，进一步减小了焊接变形和焊接应力。

在进行内坡口的焊接时宜从坡口两侧开始施焊，使填充金属充分熔化，再填充焊缝中间部位，从而避免了热影响区（焊缝与母材过渡处）裂纹，从而改善了坡口与焊缝过渡处的受力条件，提高其抗裂性能，达到防止过渡处裂纹产生的目的。打底焊用小电流，快速焊，每层焊的焊接连续完成，打底焊完成后，开始热焊和填充焊的焊接，每层所焊的厚度4 mm～5 mm，这样氢能够充分逸出，避免了冷裂纹的产生。

内坡口焊接完毕后，在进行外坡口的焊接前，焊道的清根宜采用砂轮机打磨，去除焊渣、未焊透、气孔等缺陷，减少焊缝加热次数，进一步降低了焊接变形。填充焊时同样要注意用小电流，快速焊，薄焊层的焊接方法。

内外坡口，施焊时，由两焊工同时、同步、同向对称施焊。

3.6 焊后热处理

对于大壁厚压力容器的焊接来说，由于氢在钢材中的溶解度随着钢材温度的下降而迅速降低，如果后很快冷却至100 ℃以下，氢来不及从焊缝中逸出，这样就在经过一段时间（几小时，几天甚至更长的时间）后，由于氢扩散在热影响区（或焊接金属）中的聚集，产生极大的压力，导致产生危害较大的延迟裂纹，消氢处理就是为了避免产生延迟裂纹而进行的。

内外坡口焊接完毕，焊后立即进行热处理，焊后热处理温度宜为250 ℃～350 ℃，保温时间为1 h～2 h。焊后热处理的方法，采用局部后热，范围在坡口两侧100 mm范围内，保持一个均热带，并用电加热片固定在内外焊缝处，并放置热电偶来控制检测温度，最后用100 mm厚的岩棉包裹，使焊缝缓慢冷却，从而使氢充分逸出。

4 消除应力热处理

人孔凸缘与封头焊接后，很大的残余应力。虽然无损检测合格后，但由于残余应力的存在，会对有腐蚀介质容器引起接管焊缝应力腐蚀裂纹和疲劳裂纹。因此，人孔凸缘和设备整体进行消除应力热处理，热处理温度严格按照图纸设计的要求进行，保温时间不应小于1 h。

5 效果

通过工艺的优化、焊前充分准备，焊接过程的严格控制和焊后消氢热处理，人孔凸缘与封头焊缝一次射线探伤评片结果如下：

（1）从以上评片的结果可以看出，不仅100 %一次合格，而且焊缝质量等级高于设计要求。

（2）很好的控制了焊接变形，避免了封头塌陷，完全满足下步工序的施工。

（3）此种施工工艺，对焊工技术要求相对降低，焊接质量更易保证；同时焊接环境好和劳动强度低，也是该工艺的优点。

（4）该工艺也为类似嵌入式接管与厚壁压力容器的焊接，提供了很好的经验。