低温钢制压力容器焊接工艺分析

于瑛琦　刘斌　许博禹

摘   要：我国低温技术的发展扩大了低温压力容器的使用范围，低温钢制压力容器是指在设计温度-20℃以下工作的压力容器，在我国的冷冻设备、低温工程以及石油化工领域得到广泛应用。由于低温钢制压力容器的工作条件比较复杂，工作性能会受到压力、温度、介质等因素的影响，所以对低温钢制压力容器的焊接工艺有较高的要求。文章首先分析了低温钢制压力容器存在的焊接质量缺陷，然后阐述了低温钢制压力容器的焊接工艺，为提高低温钢制压力容器的焊接水平奠定良好的基础。

关键词：低温钢制压力容器  焊接技术  质量缺陷  焊接工艺

中图分类号：TG44                                  文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）03（b）-0049-02

为了适应工业生产的需求，需要有特定的设备在低温状态下储存、运输液体或者气体介质，不仅需要适应低温环境，还要在低温环境中承受一定的压力和介质的腐蚀，比如CO2吸收塔、H2S吸收塔、液化乙烯、液化天然气等存储和运输容器。为了确保低温钢制压力容器能够安全稳定工作，在一定程度上增加了焊接技术的难度。因为随着温度的降低，钢制压力容器可能出现脆性断裂现象，直接影响到钢制压力容器的安全性，威胁到工作人员的人身安全，对生产单位造成严重的经济损失。为了有效应对低温钢制压力容器的脆性断裂，一方面可以通过改变钢材的化学成分以及晶粒度来提高钢材的低温韧性和抵抗脆性破坏的能力;另一方面应该不断完善焊接工艺水平，避免因为焊接质量缺陷而影响到钢制压力容器使用的安全性。

1  低温钢制压力容器焊接中存在的质量缺陷

对低温钢制容器焊接质量缺陷进行分析，有利于为以后的焊接工作提供参考的依据，提前做好各项防范措施，降低焊接质量缺陷。对于低温压力容器焊接质量缺陷可分为外部焊接缺陷和内部焊接缺陷两个方面，下面对此进行分析。

1.1 外部焊接质量缺陷

在低温压力容器焊接时，由于设计不合理或者焊接工艺参数不达标等原因，常会在焊接接头处产生焊接缺陷，直接影响到压力容器的安全性，外部焊接缺陷主要有如下几个方面：（1）错边。如果焊接设计方案不合理或者焊接技术掌握不熟练等原因，都可能会导致错边现象的发生。压力容器在受到外力作用时，在局部应力增加的情况下可能出现变形，从而降低压力容器的安全性。（2）焊接尺寸不合格。在焊接过程中如果焊接设备的电流强度不够，焊缝宽度就无法达到设计标准，由此影响到焊接尺寸。如果焊弧过长也会影响到焊接尺寸，所以在焊接时要调整好焊接设备的技术参数，控制好焊弧的长度。（3）咬边。导致咬边的原因较多，焊接设备的电流强度过大或者焊接技术不规范等都可能出现咬边，所以对焊接设备的技术参数进行调整很有必要。（4）其他焊接缺陷。在实际焊接施工中，由于操作不规范，焊接设备技术参数调整不标准，焊接材料保管不当，焊接环境恶劣等原因，还会出现各种焊接缺陷，如表面飞溅、焊瘤、凹陷等，都会降低焊接接头的质量，进而影响到低温压力容器的安全性。所以应该合理控制焊接工艺，提高焊接质量。

1.2 内部焊接质量缺陷

低温压力容器内部焊接缺陷主要有气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等。（1）气孔。气孔主要是因为焊接熔池中的气泡没有充分逸出形成的，在焊件的金属表面存在水、油污、灰尘等没有清理干净，焊接环境湿度较大以及焊接操作不规范等，都可能会出现气孔。（2）夹渣。在焊缝中出现残留的熔渣即为夹渣，多见于坡口边缘不平滑的位置。焊接设备的电流大小不标准，焊接速度过快，焊接轨道不平稳，都可能导致熔渣残留在焊缝中。（3）未焊透和未熔合。表现为在两个工件的焊接接头中留有部分间隙，焊接接头没有完全熔融，直接影响到压力容器焊接的强度、硬度、韧性和脆性。（4）裂纹。出现焊接裂纹的主要原因是工件自身的晶体结构中存在低熔点杂质，在焊接时由于作用力过大而破坏原子层的结合力，从而出现裂纹。焊接裂纹会降低压力容器的密封性和安全性，所以要加强对焊件质量的检查，然后掌握适宜的焊接技巧。

2  低温钢制压力容器焊接工艺分析

2.1 焊接材料的选取与管理

根据低温钢的化学成分和物理性能的特点，应该选择适宜的焊接材料。对于含镍的低温钢，在选择焊接材料时，应该考虑焊接后焊缝中杂质少以及焊缝金属的低温韧性，尽量选择与母材的含镍量相近或者稍高于母材的焊接材料。在采购焊接材料时，应该选择具有较强实力和资质的供应商，并且对焊接材料的各项性能进行检测评价，以保证焊接材料的各项技术参数都能够满足设计标准的要求，每项焊接材料都要具备齐全的质量证书。在焊材入库前，要对其进行检验并记录。入库后，要根据焊材的规格、型号以及检验状态分开堆放。对于焊材的发放和回收都应该做好详细的记录，为焊材的可追溯性提供保障。做好焊材存放仓库的防护措施，避免因为受潮、锈蚀等原因而影响到焊材的质量。焊材在使用之前必须保证干燥性，可以放在保温筒内存放，做好保温筒的温度控制。

2.2 低温钢制压力容器焊接方法及参数确定

根据低温钢的化学成分和物理性能的特点，一般会选择焊条电弧焊和埋弧焊的焊接方法，焊条的类型要根据低温钢的使用条件以及含镍量而定。如果低温钢的使用条件在-45℃以上时，应该选择高韧性的低氢型焊条;使用条件在-60℃以下的低温钢，选择含镍的低温钢焊条;在-100℃左右的条件下，使用3.5%含镍量或者更高一些的低温钢焊条比较适宜。在实际焊接时，还可根据具体情况，选择更适宜的焊条类型，可通过向焊接材料中添加适宜的元素来改善晶粒效果的目的。根据低温钢的化学成分、板厚、拘束度以及施工环境等因素，决定是否需要采取焊前预热以及确定层间温度的数值，切实保证焊接质量。

2.3 低温钢冷裂纹的防止措施

冷裂纹是低温钢压力容器焊接工艺中面临的重要问题，会降低压力容器的安全性，所以要做好防止冷裂纹出现的防护措施。选择低氢焊条，减少焊缝中氢气含量，做好焊条的烘干处理;合理控制焊接线能量的大小，以更好的消除冷裂纹;根据焊件化学成分、板厚、施工条件等各项要素，采取焊前预热，焊后缓慢冷却的热处理方式;对于非焊接部位不可进行点焊，避免冷裂纹的产生;按照规定要求选择正确的焊接参数;如果出现裂纹，可以使用碳弧气刨或者砂轮对其抛光，以免再次熔化。

2.4 焊后热处理

焊后热处理是提高低温钢制压力容器焊接质量的重要手段，在各种应力的作用下会出现低温脆性断裂现象，采用热处理手段不仅能够去除焊缝中的氢气，消除残余应力，还能够软化热影响区和加工变形区的组织，提高压力容器的低温韧性。根据焊件的材料、尺寸、结构、位置等要素，选择适宜的热处理方法，控制好保温温度和保温时间，以高效消除残余应力，保证低温钢制压力容器的焊接质量。

3  结语

焊接是压力容器制造、安装中重要的环节，所以应该严格控制焊接质量，确保压力容器在投产后能够安全稳定运行。由于低温压力容器运行环境比较特殊，所以对焊接工艺有较高的要求。在焊接工作开始前，应该详细了解焊件的化学成分和物理性能，然后根据压力容器的使用性质、工作条件制定合理的焊接工藝。从焊接材料的选择和管理，焊接方法的选择，焊接质量控制，焊后热处理等各方面进行细致的分析，尽量避免焊接质量缺陷，提高焊接接头的韧性及抵抗脆性断裂的性能，为促进低温钢制压力容器制造、安装水平的提升创造有利条件。

参考文献

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