304H高温反应器焊接质量控制

李平建

摘  要：文章以304H高温反应器为例，探讨项目要求对其焊接质量控制的具体措施：对焊工培训和施焊通过焊接数据表提出控制点要求以及主要返修的解决措施，通过制度化的设计确保每一条焊缝焊接质量满足项目规范工艺条件及设计图样要求。目前该设备安全运行5周年，无焊接质量问题，客户对产品满意。

关键词：304H;反应器;焊接;质量控制

中图分类号：TG457.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）18-0109-05

Abstract： Taking 304H high temperature reactor as an example， this paper discusses the specific measures required by the project to control its welding quality： the requirements of control points for welder training and welding through the welding data table and the solutions to the main repair measures. Through institutionalized design to ensure that the welding quality of each weld meets the requirements of the project specification， process conditions and design drawings. At present， the equipment has been running safely for 5 years， there are no welding quality problems， and customers are satisfied with the products.

Keywords： 304H; reactor; welding; quality control

本文立足于以某项目304H高温反应器为例，探讨焊接质量控制的具体实施过程。某工厂承接一项目4台核心反应器的制造任务，该反应器为立式结构，总高度为30500～35500mm，总重量130～180t，材质为304H，规格DN3800～4700mm×22/40/66mm不等。设计温度为670°C左右，运行温度650°C左右。设备主体材料304H钢板为耐热奥氏体不锈钢，该种不锈钢具有良好的高温力学性能和抗高温蠕变性能，材料符合ASME-SA240标准，固溶状态交货。[1]

为确保产品质量，特别是焊接质量，项目部和业主来自欧洲和北美的设计、材料、焊接和检验方面的SME技术专家提前6个月在容器制造厂开预检会，在全程6天的预检会上，项目检验工程师和业主SME团队对合同及技术规范的每一个要点进行广泛深入讨论、释疑及澄清。对供应商的检验实验计划（ITP）每一条进行审核，明确每一个检验要求，对板材、锻件、封头成型、热处理单独提出ITP的要求。以使容器制造厂能完全明白项目要求，并且有合理的时间进行消化技术要求和进行相关的准备工作。

1 原材料及制造技术要求

1.1 304H板材及锻件

为确保钢板满足技术要求，在容器厂采购前要求提交钢板采购技术文件并经项目部和业主SME批准。304H钢板从太原某钢厂采购。钢厂投料之前，项目部和业主SME团队开预检会并进行工厂考察，重申项目的技术要求并评估钢厂的生产技术能力。笔者作为EPC驻厂监造工程师之一，在钢板生产初期，依据ASME BPVC， Section II SA-240 304H要求见证每一张钢板取样切割及力学性能、钢板晶粒度，UT和PT检验/复验并对C，Ni，Cr，Mn，P，S和Si元素含量检查，且Ti含量要求低于0.16%。在第一批钢板运到容器厂后返回，后期钢板检验有其他同事全程跟进。

反应器接管均为翻边锻件，采购无锡某锻件厂，为确保设备法兰等锻件满足技术要求，在容器厂采购前要求提交锻件采购技术文件并经项目部和业主SME批准。投料前，项目部和业主SME团队去无锡开预检会并进行工厂考察，重申项目的技术要求并评估工厂的生产技术能力，笔者见证设备法兰的锻造和固溶处理，后期检验有其他同事全程跟进。

1.2 材料隔离要求

在设备的制造过程前、中和后不同时期提出材料隔离要求，比如金属链钩子吊索等不能直接与材料相接触，特别注意304H材料的表面清洁，防止打磨清理的粉尘污染表面，尤其注意防止低熔点的材料接触表面。必须使用全新的用于不锈钢的钢丝刷和砂轮片等。为此容器厂特地划定专门区域作为反应器场地，并采购专用吊钩等设备。

1.3 焊接填充金属和耗材

304H填充金属和耗材为：SFA 5.4，AWS classification E308H或SFA 5.9，AWS classification ER308H。填充金属按 EN10204-3.1，SFA5.01 Schedule H采購。[2]

1.4 焊接方法

批准3种：SMAW、GTAW和SAW。焊条直径最大3.2mm和焊道最大宽度12.5mm;氩弧焊丝直径最大2.4mm和焊道最大宽度12.5mm;埋弧焊丝直径最大2.4mm和焊道最大宽度25mm。

除密封焊外，所有的焊道要多层多道焊，单面焊的接头根部焊道必须用GTAW，工艺参数的选择尽可能减小热输入和尽可能小的HAZ.GTAW用于根部焊道以及用于厚度低于10mm母材的焊接，保护气纯度不低于99.97%Ar气。背部Ar气保护至少到3层，当材料厚度低于10 mm时，比如一些非受压附件焊缝，材料背部也需要Ar气保护防止氧化。

焊缝不允许有表面缺陷，比如裂纹、气孔、夹渣及不规则表面。不允许使用垫板;环缝在360度错边量均布，层间温度不超过150度，焊缝和母材不允许过氧化，盖面层必须使用回火焊道方法，盖面层的最终焊道不与母材相接触，除非盖面层太窄不能焊3道。

1.5 PT要求

合适的无损检测方法在合适的时机实施也可以提高缺陷的检出率与检测精度，避免制造时遗留缺陷到使用阶段。本项目对PT提出了更高的要求，对渗透材料和工艺须满足ISO3452μ1um×20μm Ni-Cr试块的灵敏度要求。渗透操作人员每班次工作前至少一次来确认其操作能满足灵敏度要求。检验区域：要求检验区域及周边25mm。验收标准：ASME VIII Div 1 附录8。在焊工培训中曾向PT操作人员提出：规范要求1.5mm以下的线性显示是合格不需返修的，比如1.4mm不需要返修而1.6mm需要返修，操作人员是如何判定线性显示的长度的。

1.6 焊接数据表

每一条受压件或非受压件的焊缝在接头准备阶段须提交焊接数据表给项目工程师审批，焊接数据表贯彻焊接的始终，在制造过程中作为一个沟通和检验的工具，在焊接后，焊接数据表作为档案资料存入工厂的交工资料，焊接数据表通常还要包括其他典型的附件，比如典型的照片、无损检测报告检验报告、射线评片和问题的处理方案。

1.7 焊接接头

焊接接头要双面焊，不能双面焊的可以单面焊，目视检查钝边和组对间隙，尽量用最低的热输入且确保全焊透，打磨清根的最大和最小深度列入焊接数据表。最终焊道宽度不超过接头处薄板厚度+6mm，接头设计焊接工艺焊接技术的设置力求减少热输入、减少焊道宽度及减少熔敷金属的体积和变形。

2 焊工考核要求

反应器工作预敏化温度区间，焊缝铁素体范围的控制是焊接监控的核心和重点，焊工技能是确保焊接质量的关键因素，本产品按ASME IX要求考核。项目规范要求使用专用焊接材料和母材，焊接试板能覆盖产品的最小及最大厚度的单面焊全拘束试板，模拟坡口的几何尺寸及评定1G2G3G位置，进行PT/UT无损检验，[3]光谱检查熔敷金属的化学成分。

为此，项目设计焊接数据表用于焊工考核，及培训QC及PT操作人员，并要求工厂检验员、EPC检验员在每一个步骤后在数据表签字确认。对入选项目的每一个焊工及PT操作人员进行培训考试，确保项目从业人员能完全明白合同的技术要求。

2.1 铁素体要求

铁素体的测量，每个炉批号焊材进行复验，在钢板上堆焊3层，FN 3～5合格。产品上每条焊缝测试铁素体含量，根部焊道和盖面焊道必须测量，对于厚度大于25.4mm的，在6mm厚处加测一次，测量足够多的点以确保焊缝金属有合适的铁素体含量，沿焊缝整个长度每150mm测一次，FN2～6合格。产品用德国产FMP30型磁性铁素体仪，按照AWS A4.2进行标定。[4]EPC监造可以要求以更小的间隔测试更多的点，所有不在范围内的读数都必须汇报给业主。在整个制造过程中EPC监造/SME可随时随机测量铁素体，合格标准FN2～6。供应商须提供至少一个经校验合格的铁素体检测仪在现场，以便随时使用。当焊缝使用多种焊接方法时，每种方法的第一道和最后一道必须测试。铁素体的测量必须在打磨抛光后热处理前测试，在室温情况下测试熔敷金属的表面。焊缝的测试值代表从上一次测试合格后焊接熔敷金属铁素体含量。

2.2 焊工GTAW/SMAW/SAW技能测试要求

为确保生产的顺利进行，供应商提前4个月进行焊工培训预备工作。每一个入场焊工须进行技能测试，确保产品上每一条焊缝金属能有符合规范要求的铁素体，设计的焊接数据表如图1和表1。

因66mm钢板无库存，焊工考试用304超过0.04%含碳量的52mm厚钢板代替，并取得业主同意。

2.3 焊工考核发现问题

容器厂内部培训发现GTAW/SAW铁素体容易满足FN2～6要求。但SMAW问题较多：

（1）不同焊工施焊的铁素体含量与FN3～5出入较大。

为使接头获得良好的力学性能，避免产生热裂纹等缺陷，[5]在多次实验后工厂总结出熔敷金属中的铁素体含量随焊接电流增加而降低，尽量采用小电流、窄焊道快速焊，严格控制热输入，焊接时保持小电流焊接。

（2）304H熔敷金属中的铁素体含量随焊接电压增加而降低，而电弧电压是随着电弧长短而变化，焊接时尽量保持短弧焊接。[6]焊材厂家建议的主要工艺参数电流90～110A，电压28～31V，焊接速度24～30cm/min。

在实际考核中的问题主要有：

（1）部分焊工在GTAW打底一道后没有通知铁素体检验。这种情况，允许焊工本人用专用于不锈钢的砂轮片打磨去除已焊部分，通知PT检测。EPC检验员见证PT检测过程，PT合格后进入正常焊工考核。

（2）部分焊工在SMAW打底焊道铁素体检验不合格。这种情况，给予焊工一次补考机会，允许焊工本人打磨去除已焊部分，通知PT检测。EPC檢验员见证PT检测过程，PT合格后进入正常焊工考核。

（3）部分焊工打底加热焊两道铁素体合格后，没有通知PT检验继续焊接。这种情况，给予焊工一次机会，允许焊工本人打磨去除到已检铁素体合格位置，通知PT检测。EPC检验员见证PT检测过程，PT合格后进入正常焊工考核。

（4）部分焊工在1/4深度1/2深度或盖面焊缝检测素体不合格。这种情况，给予焊工一次机会，允许焊工本人打磨去除到上一次已检铁素体合格位置，通知PT检测。EPC检验员见证PT检测过程，PT合格后进入正常焊工考核。

（5）项目规范要求盖面焊道要用回火焊道，部分焊工没有回火焊道。允许焊工本人打磨去除盖面焊道，重新进行回火焊道的焊接。