压力容器焊接技术研究

袁炳立 赵 辉

（1.中国石化河南油田分公司第二采油厂，河南 南阳 473400；2.中海油田服务股份有限公司油田技术事业部上海基地，上海 200120）

压力容器焊接技术研究

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（1.中国石化河南油田分公司第二采油厂，河南 南阳 473400；2.中海油田服务股份有限公司油田技术事业部上海基地，上海 200120）

针对压力容器焊接的特点及存在的问题，介绍了手工电弧焊、埋弧焊、钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊、电渣焊、激光焊、激光-电弧复合焊等焊接方法，并对压力容器焊接技术的发展进行了展望。

压力容器；焊接技术；研究现状；展望

压力容器在石油化学工业、能源工业、军工和科研等国民经济的各个领域都起着重要作用。焊接是压力容器制造的关键工艺，它直接影响压力容器的质量、可靠性、生产率和生产成本。随着压力容器向着高压大型化、多用化的进展，也促使焊接技术和工艺向优质化、高效化的发展。另一方面，如何提高焊接熔敷率，提高焊接机械化、自动化程度以缩短制造周期，降低生产成本也是压力容器焊接亟待解决的问题。本文综述了各种焊接方法在压力容器焊接上的运用，对国内外压力容器焊接技术的研究现状进行了介绍。

1 压力容器的焊接特点

从常规的低压储罐到高压、超高压的化工设备加氢反应器、合成塔，大型核电站反应堆、蒸发器、稳压器，火电站锅炉集箱和汽包等，压力容器的服役条件从低温到高温、从负压到超高压、从强腐蚀强辐射到无腐蚀无辐射，其对使用材料及板材厚度的要求不尽相同。从而压力容器焊接具有不同的焊接特点，具体表现如下：

（1）低合金高强钢由于含有一定量的使钢材强化的C、Mn、V、Nb等元素在焊接时易淬硬，在刚性较大或拘束应力高的情况下，很容易产生冷裂纹，这种裂纹还具有一定的延迟性，危害极大。再者，由于焊接高温使HAZ附近的C、Nb、Cr、Mo等碳化物固溶于奥氏体中，焊后冷却时来不及析出，而在PWHT时呈弥散析出，从而强化了晶内，使应力松弛时的蠕变变形集中于晶界，从而使焊接接头在靠近熔合线粗晶区产生沿晶开裂。另外，焊接时线能量过小，HAZ会出现马氏体引起裂纹；线能量过大，WM和HAZ的晶粒粗大会造成接头脆化。同时，焊接接头HAZ由于焊接热作用而导致的软化如果处理不当也会严重影响压力容器的使用安全性及寿命。

（2）压力容器的高压大型化使得其壁厚大幅增加，焊接厚壁容器所带来的焊件预热、金相组织控制、焊缝跟踪控制等，使现代压力容器焊接技术对焊接机械化、自动化、智能化的要求愈加的迫切。

2 压力容器焊接技术

（1） 手 工 电 弧 焊（SMAW）。SMAW于1888年由俄罗斯人发明，是利用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。形成于焊条和工件之间的电弧熔化金属棒和工件的表面，形成焊接熔池。同时，金属棒上熔化的药皮形成气体和熔渣，保护焊接熔池不受周围空气的影响。受到单根焊条长度的限制，手工电弧焊过程只能完成短焊缝的焊接，并且在焊缝焊完或在熔敷下个焊道前必须从焊道上清除熔渣。手工电弧焊设备简单，操作灵活方便，能进行全位置焊接适合焊接多种材料，但其焊缝熔深浅，生产效率低劳动强度大，熔敷质量取决于焊工的技术，因而其运用在逐渐减少。

（2）埋弧焊（SAW）。SAW是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，可分为单丝埋弧焊、多丝埋弧焊、带极埋弧焊、冷丝及热丝埋弧焊、添加合金粉末埋弧焊以及埋弧堆焊等。埋弧焊接时引燃电弧、送丝、电弧沿焊接方向的移动及焊接收尾过程都由机械完成，使焊接过程的自动化和机械化成为现实。埋弧焊开始发展于20世纪40年代后期，埋弧焊在造船、锅炉、化工容器、桥梁、起重机械、核电设备中应用最为广泛，压力容器焊接中主要用于拼板焊缝、筒节焊缝、筒节间相连接的环缝焊接等。其优点为：熔深大生产效率高；焊缝金属中杂质较少，焊缝质量高对焊接熔池保护较完善，较易获得稳定高质量的焊缝；劳动条件好，除了减轻手工操作的劳动强度外，电弧弧光埋在焊剂层下，没有弧光辐射；适于大批量，较厚较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊接。其缺点是：不及手工焊灵活，一般只适合于水平位置或倾斜度不大的焊缝；工件边缘准备和装配质量要求较高、费工时；由于是埋弧操作，看不到熔池和焊缝形成过程，因此必须严格控制焊接规范。

（3）钨极气体保护电弧焊（TIG）。TIG 始于上世纪 30 年代， 是最早的气体保护电弧焊方法，它是为了适应活泼金属（铝、锰、钛等）的焊接而产生的。TIG属于非熔化极气体保护焊，是利用高熔点的纯钨（或含有钨的氧化物金属）电极与工件之间的电弧使金属融化而形成焊缝。焊接时钨极不熔化，只起电极作用，电焊柜的喷嘴送进惰性气体（氩、氦或氩氦混合气体）以隔绝空气来保护电弧、 熔池及母材热影响区，另外还可根据需要添加填充金属。TIG主要用于焊缝密封性能和力学性能要求高的压力容器焊接。其优点是：热输入容易调节，焊接过程稳定，焊接接头保护效果好，焊后无需清渣，容易实现全方位和自动焊接，也是实现单面焊双面成形的理想方法。其缺点是：焊前处理较麻烦，焊接接头表面污物及氧化膜清除要求较高；熔深浅，熔敷速度小，生产效率低；钨极承载电流能力较差，过大的电流可能造成夹钨污染，适宜薄板焊接；惰性气体较贵，生产成本高；可能有放射性危害。

（4）熔化极气体保护焊（GMAW）。GMAW可分为氩弧焊（MIG）、二氧化碳气体保护焊（MAG）以及药芯二氧化碳气体保护焊（FCAW）等。上世纪40年代，随着焊接板厚度的增加，TIG已不能满足要求，为了克服厚板的焊接尤其是导热性能较强的金属的焊接，产生了GMAW。GMAW是在电极间高温电弧热作用和气体的保护下，利用焊丝和焊件两个不同极性电极之间的电弧熔化连续送给的焊丝和母材，形成熔池和焊缝的焊接方法。其优点为：以焊丝作为电极，焊接过程与焊缝质量易于控制；不需焊后清渣，生产效率高；焊接熔深大，熔敷速度快，可焊大厚度板材，且易进行全位置焊及实现机械化和自动化。其缺点为：采用明弧和大电流密度，光辐射较强；对环境要求严格；设备较复杂。

（5）等离子弧焊（PAW）。PAW是利用等离子弧作为热源的焊接方法。气体由电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离解度，形成等离子弧。常用的等离子弧焊基本方法有小孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊、微束等离子弧焊以及粉末等离子弧焊，在国外一种采用反极性电极锁孔技术等离子弧焊（VPPAW）也被发展起来。其优点是：焊接能量密度大，弧柱温度高，穿透力强；10-12mm厚度钢材无需开坡口，焊接速度快，生产效率高；热影响区窄，应力变形小；能较好实现单面焊双面自由成形。其缺点是：电源及电气控制设备较复杂，气体耗量大，焊接设备成本高，焊接参数的调节匹配较复杂，喷嘴使用寿命短，且只适合室内焊接。

（6）电渣焊（ESW）。ESW是利用电流通过熔渣所产生的电阻热作为热源，将填充金属和母材熔化，凝固后形成金属原子间牢固连接的焊接技术。其主要有熔嘴电渣焊、非熔嘴电渣焊、丝极电渣焊和板极电渣焊等。其优点是：适合厚板焊接；焊缝成形系数调节范围大；加热均匀，冷却速度慢，有预热作用，冷裂倾向小，不易造成气孔、夹渣、裂纹等工艺缺陷；焊剂耗量小。其缺点是：HAZ在高温停留时间过长，过热现象较严重，会产生粗大的焊接金属颗粒以及差的断裂韧性出现；焊后需热处理或焊接过程中需添加特殊的金属元素，才能改善韧性、细化晶粒。

（7）激光焊（LBW）。LBW是利用经聚焦的高功率密度的激光束为热源的特种焊接方法。目前，该方法主要应用于航空、汽车以及电子、精密仪器等高科技领域。其优点为：具有极高的能量密度，HAZ金相变化范围小，且因热传导所致的变形很小；可焊材质种类范围大；易于自动化进行高速焊接；不受磁场影响，焊接位置精确。其缺点为：价格昂贵，设备笨重；对焊件位置要求高；能量转换效率低；焊道凝固快，有出现气孔及脆化的风险；受激光器功率的限制，目前在厚壁焊接方面应用有限。

自1963年窄间隙焊接技术（NGW）在美国巴特莱研究所提出以来，这种采用厚板对接接头，焊前不开坡口或只开小角度坡口，并留有窄而深的间隙，气体保护焊或埋弧焊的多层焊完成整条焊缝的高效率焊接方法，由于其坡口形状简单，截面积小，母材、焊丝和能源消耗少，经济效益良好；熔化的金属体积较小、热输人较低和HAZ较小，所以焊后工件的残余应力和变形较小，易于装配；前道焊道对后道焊道起预热作用，后道焊道对前道焊道有回火作用，改善了焊接接头的机械性能，特别是断裂韧性和疲劳强度特性；具有全位置焊接的可能性，易于实现生产过程自动化等特点，这种技术在各种焊接领域中的运用越来越多，越来越广。这其中就包括：窄间隙焊条电弧焊（NG-SMAW）、窄间隙埋弧焊（NG-SAW）、窄间隙钨极氩弧焊（NG-TIG）、 窄间隙熔化极气体保护焊（NG-GMAW）、窄间隙电渣焊（NG-ESW）、窄间隙激光焊（NG-LBW）等。

3 压力容器焊接新技术

随着压力容器在石油化工、核能源、航空航天、军工等各个领域的应用越来越广泛，其功能要求越来越严苛，这就需要新的焊接技术也不断推陈出新。

双TIG焊、双脉冲MIG焊是对传统焊接技术的改进及创新。双 TIG焊是在电源正负极上分别接上两把常规TIG焊枪，电流从一把焊枪穿过工件流向另一把焊枪，然后在工件与两把焊枪之间各分别建立一个电弧。双TIG焊比传统TIG焊电弧更加集中，熔深更大，厚板焊接的层数也更少，而且其HAZ更窄，焊后变形更小，不易产生裂纹。因此在保证焊接质量的情况下也降低了成产成本，提高了生产率。双脉冲MIG焊，用0.5-50Hz的低频脉冲对单位脉冲的峰值和时间进行调制，使单位脉冲的强度在强和弱之间低频周期性切换，得到周期性变化的强弱脉冲群。双脉冲MIG焊具有焊缝表面美观，可焊接头间隙范围宽，降低气孔发生率，细化焊缝晶粒，降低裂纹敏感性等优点。

大功率激光器的出现，使得激光焊技术在厚壁压力容器的焊接方面得到了长足的进步。相比于常用的CO2激光器，YAG激光器的功率得到了较大的提高。国外，法国F.Coste等人通过将2-3个YAG激光束耦合来提高光斑功率的办法，采用多道焊技术实现了60mm厚不锈钢的焊接；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和送丝速度为5.5m/min时，共用8道焊道（纯激光焊接和激光填丝焊）实现了50mm、316L钢板的双面对接焊接，均取得了性能良好的焊缝质量。国内由巩水利等人率先将“双光束激光焊接”技术引入到飞机制造中，在突破轻质合金激光焊接填丝精度控制等关键技术后，于2013年10月获得焊接领域最高学术奖-布鲁克奖。

为了解决常规MIG焊不能采用纯氩气作为保护气而效率低的问题，近年来激光-电弧复合热源焊接技术随之而出现。这种焊接技术采用纯氩气作为保护气体，在大功率激光使电弧熔池形成的小孔中充满金属蒸汽；另外激光使电弧的部分保护气体电离而产生等离子体，这都将起到吸引电弧和引导电弧的作用，从而解决了电弧在纯氩保护气中极不稳定、刚性差、难以控制的缺点。

结语

当前国内大型高压压力容器的焊接技术、焊接设备与焊接材料都还处于研发阶段，与世界先进水平还有很大的差距。因此，要满足我国大型高压压力容器生产建设的快速发展需求，就必须加大压力容器焊接技术的投入，使焊接工作者具有较高的理论水平，操作技艺；加强同国外具有高焊接技术的国家与公司合作与交流，积极吸收他们的先进技术，引进再消化再发展；加快本土具有自主知识产权的自动焊接技术、智能焊接系统以及高性能焊接材料的研发，快速提升我国焊接行业的国际竞争力，减轻对国外焊接技术的依赖。

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10.13612/j.cnki.cntp.2014.04.100