大型空分装置铝镁合金塔器现场组对焊接施工质量控制

马永春

【摘 要】大型空分装置铝镁合金塔器现场组对焊接施工位置在高空，设备直径、重量大，组对焊接施工质量要求高。在组对焊接施工过程中需充分考虑焊接工艺评定适合性、作业人员、施工机具、作业环境、组对调整方法、焊接工艺顺序及方法等因素对施工质量的影响，并针对这些影响因素采取正确、有效、可靠的措施以保证塔器组对焊接施工质量。

【关键词】铝镁合金；质量控制；预热；组对焊接；垂直度

0 概述

随着空分设备设计、制造技术不断进步及气体工业的迅速发展， 空分制氧工程越来越呈现出大型化发展趋势。因此制氧工程中分馏塔塔器的整体尺寸和重量越来越大。设备制造厂由于运输限制原因，往往考虑分段运输至工程现场，交由施工单位在现场进行组对焊接。本文主要研究安装于冷箱内材质为铝镁合金的塔器立式对接过程中的质量控制，包括上塔与下塔主冷凝器组合体对接、上塔分段对接、粗氩塔分段对接等。分馏塔是制氧机的关键工艺设备，长期在低温深冷状态下工作。其作用实利用空气的各种组份具有不同会发性，即在同一温度下各组份的蒸汽压不同，将液态空气进行多次部分蒸发与冷凝，达到分离各组份的目的，制造出氧、氮、氩等产品。其安装具有组对焊接工作量大、焊缝质量要求严格、安装垂直精度高的特点。由于塔器直径大、塔壁较厚、重量大、组对接口位置高，在施工过程中有效控制组对、焊接质量难度较大。因此，有效保证塔器组对焊接质量十分重要。

1 塔器组对焊接质量标准

这里以林德设计、制造的塔器为例。

1.1 垂直度标准

上塔与下塔主冷凝器组合体、粗氩塔上下段组对前，已安装的下段塔器垂直度偏差要求控制在5mm内；组对焊接后，整体垂直度允差不大于0.2mm/m ，总高范围内垂直度误差不大于8mm。

1.2 焊缝外观质量

1）焊缝表面应成型良好，焊波均匀，焊缝与母材应圆滑过渡，焊缝表面不得存在裂纹、未焊透、未熔合、熔渣、焊瘤、未填满的弧坑等缺陷。

2）焊缝余高不得超过3mm；错边量不得超过3mm。

3）焊缝咬边深度不得超过0.5mm；焊缝两侧咬边总长度不得超过焊缝总长度的10%。

4）表面凹陷：允许内凹深度不大于0.5mm；除仰焊位置单面焊焊缝内表面允许有深度不超过0.2S且不大于2 mm的凹陷外，其它所有位置的焊缝表面应不低于母材金属表面。

5）背面不得有缩孔；焊缝外侧边缘不得有打弧点。

1.3 焊缝的无损检验

焊缝经外观检验合格后须进行100%X射线检查，焊缝内部质量应符合JB4730-2005Ⅱ级标准要求。

2 影响塔器组对焊接施工质量的因素及保证措施

2.1 组对焊接工艺评定的适合性

由于塔器设备组对焊接难度大，质量要求严格，在组对焊接前须进行焊接工艺评定。根据塔器设备厂家设计及制造要求、设备母材及焊丝性能要求，制作焊接试件，并对试件进行拉伸及弯曲力学试验，确定适合塔器组对焊接的各种焊接工艺。如对每一种焊接工艺确定了破口形式、焊接方法、焊丝规格、氩气流量以及焊接电流大小等，制定出焊接工艺评定报告并编制形成作业指导书。

2.2 作业人员、工机具及作业环境

1）焊接工艺评定制定完成后，按焊接工艺要求对焊工进行考试并符合和设备供应商及业主的要求，考试合格者允许上岗参加塔器的焊接工作。

2）应选择性能稳定的交流氩弧焊机，并放置于冷箱相应高度的平台上。检查焊机的电流表、输气管、循环水泵工作是否正常，氩气接口是否泄露，清除氩气管内水分等杂质，保证大电流焊接时的冷却速度和效果，并确保氩气的纯度满足要求。

3）应选择相对湿度较低的天气进行组对焊接，不得在雨天或相对湿度80%以上的环境下进行，如果湿度过大容易产生气孔和发渣现象。因此，组对空间位置应用彩条布封闭起来，使塔缝周围保证一个相对稳定的环境；在组对焊接位置附近悬挂干湿温度计，及时反应空气湿度，如果超标应采用加温的方法烘烤，保证焊接环境适宜。

2.3 吊装组对前的准备检查

1）塔体封板切除前应根据设计图注明的切割线位置和塔体的几何尺寸复测塔体的切割线和高度，确定现场对接切割线的准确性。

2）测量接口处的周长及椭圆度，掌握设备制造偏差情况，如发现偏差较大时应及时校正。并在圆周上准确标示出方位位置及角度，根据塔器直径大小及实际情况确定等分方位点数，便于在组对过程中定位。

3）坡口加工： 由于大型空分装置塔器壁厚较大（大多超过12mm）， 塔器对接焊缝均为横焊，熔态铝流动性大，为减少焊接层数，控制热应力影响，避免焊缝形成内凹缺陷。因此上塔与下塔主冷凝器组合体组对焊接时应采用Y型坡口（坡口角度、间隙、钝边等参数要求应符合图样设计及焊接工艺评定要求）。

上塔上下段、粗氩塔上下段组对焊接由于塔器构造原因无法进行双面对称焊应采用V型坡口（坡口角度、间隙参数要求应符合图样设计要求及焊接工艺评定要求）。坡口加工完成后，两侧50mm范围内，用三氯乙烯或乙醇等有机溶剂清洗除去表面油污后，用不锈钢钢丝刷除去表面氧化膜，露出金属光泽为止。

4）模拟焊接：塔器组对焊接前，应制作一组模拟试板，其母材材质、工艺条件、焊工、保护气等均和正式焊接相同。在作业位置进行模拟焊接工艺条件的实地焊接试验。试板焊接接头应100%进行射线检查，并符合要求。当达不到此要求时应分析原因，调整工艺。在确定焊接试验合格后才能正式进行组对焊接。

2.4 塔器组对调整方法

1）塔器组对前，应先检查下部塔器的垂直度，确保符合要求。符合要求后将下部塔器临时固定，防止下段塔在对接过程中垂直度发生变化。如可制作临时抱箍沿塔器圆周布置，并固定在冷箱壁上。固定后复测一次，确认垂直度符合要求。

2）在上下段筒体外侧0度、180度方向焊接定位块，对接时保证上下段的定位块在同一直线上。实现上下段塔器的快速垂直定位。

3）仔细核实管口方位，确保上下塔之间的0度线重合。离组对坡口下方150～200mm处均匀对称装设数对拐板卡具及千斤顶（装设卡具数量应根据塔器直径等实际情况确定），对接口进行找圆及错边量调整，确保符合要求。

4）离组对坡口上下方各200～300mm处均匀对称装设数对支撑耳板卡具及千斤顶（装设卡具数量应根据塔器直径等实际情况确定，并应错开拐板方位布置），采用螺旋式千斤顶均匀顶紧，调整焊缝处间隙，确保环焊缝间隙均匀并符合要求。

5）在对接口错变量、间隙调整符合要求后；通过上段塔器上部0°、90°、180°、270°四个方向挂设的倒链对上塔的垂直度进行精确调整，并通过塔体顶部0°、90°两个方向钢丝线坠测量塔体的垂直度偏差，确保上段塔器垂直度、上下段塔器复合后在总高范围内垂直度精度均符合要求。

2.5 焊接工艺顺序及方法

1）塔器组对定位焊及正式焊接不应在雨天或焊接电弧1m范围内的相对湿度大于80%的环境下进行；焊接时风力不应不大于2m/s，必要时焊接区域应设置适当的防护设施。

2）由于大型塔器壁厚较大，为了使接头附近达到所需要的焊接温度以防止变形、未焊透、减少气孔等缺陷，焊前需对对塔体外侧进行预热处理，预热应避开坡口区并在坡口两侧约100mm范围内均匀进行，避免焊接区氧化。预热温度范围为100～150℃左右，相对湿度控制在80%以下。

3）在垂直度及焊缝间隙、错边量调整合格后，进行对称定位点焊。先分别在0度、90度、180度、270度四定位焊， 之后逐步对称进行； 定位焊间距250～300mm，长度80～100mm，高度不超过母材板厚，其焊肉质量要求与正式焊缝相同。定位焊后应将每小段焊缝两端修整成缓坡形，以便正式焊接的起弧和收弧， 避免接头处产生未熔合等缺陷。

4）按照焊接工艺评定要求，对环缝进行正式焊接。

①定位焊结束后应测量塔器垂直度，根据垂直度变化情况确定起焊处和焊接顺序（即用焊缝焊接收缩变形来矫正垂直度）。

②焊接顺序在正常情况下是两组焊工均匀对称分布且沿同一方向同时施焊。同时在焊接过程中通过塔体顶部0°、90°两个方向钢丝线坠不断测量塔体的垂直度偏差；如偏差较大时应在塔体垂直度倾斜侧的相反侧先焊，根据垂直度偏差情况，及时调整焊接位置和顺序、焊接参数。

③焊接过程中保持吊车对上段塔器适当的拉力，防止焊接变形引起塔体的垂直度偏差；每焊接一遍及时对塔器的垂直度进行检测，调整吊车拉力及焊接顺序和温度，直至焊接全部完成。

④对称施焊焊工应保持一致的焊接速度，每层焊道焊前应对前层焊道进行处理，确保前层焊道必平整光滑（即焊缝边缘不能留有凹沟，焊缝中间不能鼓包，不能留有焊接死角等）。

⑤正式焊接应连续进行，一旦中断，时间上不应超过15分钟并应重新预热，防止中断时间过长造成焊接变形，焊缝间隙收缩错边量增大，焊缝气孔等缺陷； 焊焊接中断或结束时，为防止产生弧坑裂纹和缩孔，收弧处要多填一些金属，然后再使焊接电流逐渐衰减，断弧后，氩气要持续5～8秒，以防止钨极氧化。

⑥焊接操作过程中应注意保持焊枪、焊丝、焊件部分三者之间的空间位置，焊枪与工件表面的距离约8～10mm，焊丝与焊件之间的夹角一般为10～20°，焊枪与焊件之间应尽量保持垂直。输送焊丝和焊枪的运行速度要配合好，一般采用快送少加焊丝的填丝方法，焊接中应使焊丝端部始终处于氩气保护范围之内，防止氧化膜形成。

⑦焊接全部完成后且自然冷却至常温后方可松开吊具，避免引起焊缝变形。

3 结论

由于铝镁合金材料熔点低、热传导速度快，在高温下其强度和塑性低，因此塔器组对焊接变形较难控制尤其是错边、棱角变形；焊缝内容易产生气孔、裂纹等缺陷。且组对焊接操作位置在高空，设备重量大，安装、焊接精度要求高，要同时保证设备组对及焊接质量难度较大。因此，在大型空分装置塔器组对焊接施工过程中需充分考虑焊接工艺评定适合性、作业人员、施工机具、作业环境、组对调整方法、焊接工艺顺序及方法等因素对施工质量的影响，并针对这些影响因素采取正确、有效、可靠的措施以保证塔器组对焊接施工质量。

在林德气体（烟台）有限公司2×50000Nm3/H空分装置安装工程中，我公司采取上述施工质量控制措施，成功完成了B套空分装置上塔与下塔主冷凝器组合体、粗氩塔上下段现场组对焊接。塔器垂直度及焊缝外观质量较好；X射线探伤共103张片，仅有2张不合格，一次合格率达98.05%。

【参考文献】

[1]GB 50677-2011空分制氧设备安装工程施工与质量验收规范[S].

[2]JB/T9071-1999铝制空气分离设备氩弧焊工艺规程及焊接工艺评定[S].

[3]JB/T6895-93铝制空气分离设备焊接技术规范[S].

[4]HTA1107-2003大型空分设备安装技术要求.杭氧工厂标准[S].

[责任编辑：许丽]