汤荣跃 谭 婧 徐 炜
(衢州市特种设备检验中心)(浙安衢州压力容器制造厂)
焊接工艺评定是指为使焊接接头的力学性能、弯曲性能或堆焊层的化学成分符合规定,对预焊接工艺规程进行验证性试验和结果评价的过程,是压力容器焊接质量控制体系最重要的环节之一。有些压力容器制造单位由于焊接工艺人员对工艺评定标准理解不透彻,造成焊接工艺评定资料不齐全、内容不完整、结论不正确。为保证焊接工艺评定的真实性和正确性,《固定式压力容器安全技术监察规程》明确提出:“监检人员应当对焊接工艺的评定过程进行监督。”本文以采用焊条电弧焊且进行焊后消除应力热处理的Q345R板材的焊接工艺评定为例,就焊接工艺评定的监检内容和方法进行了详细的论述。
预焊接工艺规程的内容包括母材和焊接材料的牌号和规格、焊接接头形式、焊接位置、预热温度、焊接电特性、技术措施、焊后热处理温度和保温时间等方面,监检人员应认真审查上述内容的各参数是否齐全、合理。有些单位焊评项目繁多,焊评覆盖范围相互重叠,监检人员应指导其对焊评进行整合,以减少焊接工艺评定数量。对本文所述的焊接工艺评定而言,选用Q345R板材4 mm、8 mm、38 mm三种厚度规格的试件进行评定,即能覆盖厚度2~200 mm的焊件母材,其覆盖范围如表1所示。
表1 三种厚度规格的试件覆盖范围
预焊接工艺规程还应对一些重要因素和补加因素进行优化,如选用非低氢型药皮焊条、焊条直径选用大于6 mm、焊接位置采用向上立焊、较低的预热温度、较高的层间温度、较大的线能量、较长的热处理保温时间等,以尽量扩大焊接工艺评定的适用范围。
施焊试件应由本单位操作技能熟练的焊接人员使用本单位设备在本单位焊接。施焊前监检员应对母材和焊材是否符合相应标准以及焊接设备、焊接仪表 (电流表、电压表、流量计、表面温度计)的完好状态进行检查。在焊接工艺评定试件焊接过程中,监检人员必须对焊接工艺评定施焊过程中各焊道的所有重要因素和补加因素进行现场检查,核对是否都在拟定的预焊接工艺规程范围内,并对焊接施焊记录的真实性进行确认。
需要注意的是,预焊接工艺规程中的焊接电流、电弧电压和焊接速度等参数是一个范围,而在施焊时,应记录其实际测量值,而不是一个范围。对于焊条电弧焊来说,准确测量焊接速度是件很困难的事情,因而对线能量的监督也难以完成。在现场控制焊条电弧焊线能量最简单的方法是测定焊道平均长度。其原理是:在线能量和焊条头长度不变的情况下,单根同规格焊条所能焊的焊道长度基本相同。以后在施焊产品时,控制单根焊条焊接的每条焊道长度不小于规定长度,则也就控制了线能量。
监检员应对热处理记录曲线的进出炉温度、升降温速率、保温温度和保温时间是否符合NB/T 47015《压力容器焊接规程》进行审查。NB/T 47014《承压设备焊接工艺评定》规定:“试件的焊后热处理应与焊件在制造过程中的焊后热处理基本相同,低于下转变温度进行焊后热处理时,试件保温时间不得少于焊件在制造过程中累计保温时间的80%。”试件的最短保温时间与焊后热处理厚度成正比,焊后热处理厚度越小,最短保温时间也越短。对接管等厚度较薄的试件来说,其焊后热处理最短保温时间主要取决于较厚的壳体焊缝,焊接工艺评定应采用较长的保温时间,以避免热处理保温时间覆盖不上。根据经验,厚度较薄的试件保温时间采用2 h以上比较合适。
焊接工艺评定的射线检测不在于焊缝达到几级标准,监检员只需确认试件底片无裂纹即合格,其余气孔、夹渣、未焊透、未熔合等缺陷都允许存在。无损检测的另一个作用在于了解施焊情况,避开焊接缺陷取样。
试样的力学性能检验是焊接工艺评定的重要环节,监检人员应进行试验过程的现场监督。其内容包括下述几个方面。
应核查理化检验人员资质,检查理化检验设备的完好状态。理化检验设备的完好状态对试验结果有很大的影响,检验用设备应检定合格。理化检验人员应进行必要的培训,考核合格后方可持证上岗操作。
应审查试件上试样的取样位置以及冲击试样的取向和缺口位置。焊接接头的不同位置在焊接过程中受到的热循环不一样,其力学性能也不同,试验试样应在试件上性能最差的位置取样。就冲击试样而言,应在靠近板状对接焊缝试件的收弧端部取样;T≤40 mm的冲击试样应在距焊缝背面的材料表面0.5~2 mm处取样,其缺口轴线应垂直于母材表面;热影响区试样的缺口轴线应位于最后焊道的焊缝侧,并尽可能多地通过热影响区。取样时,应对试样做出标记,以保证始终能进行识别。对于重要因素、补加因素不同的组合评定,应对每种焊接工艺施焊的焊缝金属及其热影响区都取样,并进行力学性能和弯曲性能检验。
试样加工时,应防止其过热、加工硬化,以避免其力学性能受到影响。
(1)拉伸试样采用紧凑型试样,其受拉伸平行部分比板材复验采用的比例试样要短,等于焊缝宽度加12 mm,实质上是焊缝宽度加热影响区宽度。试样设计的目的是强迫其在焊接接头处断裂,以测定焊接接头的抗拉强度。另外,试样本身的形状不对称易在拉伸试验过程中产生附加弯曲应力,从而造成试验结果的偏差。拉伸试样表面的焊缝余高应用机械加工方法去除,使之与母材齐平。若有错边,可加工至与较低一侧的母材齐平。试样的受拉长度内,不应有横向刀痕和划痕。
(2)面弯和背弯试样应从受压面加工去除多余厚度。试样拉伸表面应齐平,不能有与试样宽度方向平行的切痕和刀痕。试样拉伸面棱角应倒圆,圆角半径不大于3 mm。
(3)冲击试样的缺口深度、缺口根部曲率半径和缺口角度决定着缺口附近的应力集中程度,从而影响该试样的冲击功,试验前应用光学投影仪检查缺口尺寸。冲击试样的宽度、厚度也对冲击功有较大影响,试验前应用最小分度值不大于0.02 mm的量具进行测量。此外,缺口底部应光滑,表面应去除加工硬化层,不应有与缺口轴线平行的加工痕迹和划痕,否则会使冲击功下降。
(4)必须注意,焊接工艺评定的力学性能检验的试样数量不要混同于板材力学性能复验、产品焊接试件的力学性能检验的试件数量,它们之间是有区别的,其不同之处如表2所示。
表2 不同类型试件的试样数量
(1)拉伸试验时拉伸速率增加,焊接接头的强度指标会升高。因此,拉伸试验应严格按照标准试验方法规定的拉伸速率进行。试样装夹的倾斜会使试样受到偏心力的作用,试验前应对其进行检查。
(2)必须注意,《承压设备焊接工艺评定》中弯曲试验引用的是GB/T 2653《焊接接头弯曲试验方法》,而非GB/T 232《金属材料 弯曲试验方法》。弯曲试验时应检查试样焊缝中心是否对准弯心轴线,弯心直径、支承辊之间距离和弯曲角度是否符合要求。
(3)冲击试验操作时,若试样缺口轴线偏离支座跨距中心,将会造成冲击值偏高。试验时应将试样紧贴支座放置,并使试样缺口背面朝向摆锤刀刃。试样缺口用专用的对中定位规收中,使缺口对称面位于两支座对称面上,其偏差不应大于0.5 mm。
工艺评定试样的拉伸、弯曲和冲击试验,无论其中何项不合格,均不许复验。
评定试样和余料应在进行防腐处理后妥善保管,保存期限不少于5年,以便于在鉴定评审时可以见证一个许可周期内的焊接工艺评定试样。
焊接工艺评定试样检验合格后,焊接工艺人员应将预焊接工艺规程、板材和焊材质量证明书、施焊记录、焊缝外观检查记录、射线检测报告及底片、热处理记录和热处理曲线图、试样取样图及加工图、力学性能和弯曲性能试验报告、焊接工艺评定流转卡等过程见证资料进行整理,填写焊接工艺评定报告,经焊接责任工程师审核和技术负责人批准后,交监检人员审查。监检人员对其完整性、真实性、正确性进行认真审查,并在相关工作见证上签字确认。制造单位将上述资料存入技术档案,并保存至该工艺评定失效为止。
焊接工艺评定监检是在制造单位自检合格的基础上对评定过程的监督验证,其目的是为确保焊接工艺评定的真实性。监检项目分为A类和B类。施焊试件和试样检验是A类项目,监检人员必须进行现场监督、实物检查,未经监检人员确认或者经监检人员确认不符合的,不得流转下一道工序。其余项目为B类项目,监检员可以进行现场监督、实物检查,或者对制造单位所提供的相关见证资料进行核查,最后在相应的工作见证上签字确认。
压力容器焊接工艺评定监检是专业性和实践性都非常强的工作,只有认真学习相关专业知识,积极参与焊评实践,注意总结提高,才能做好焊接工艺评定的监检工作。
[1] 全国锅炉压力容器标准化技术委员会.承压设备焊接工程师培训教程 [M].昆明:云南科技出版社,2004.
[2] 全国压力容器标准化技术委员会.钢制压力容器焊接工艺评定标准释义 [M].昆明:云南科技出版社,2000.
[3] NB/T 47014—2011.承压设备焊接工艺评定 [S].