压力容器封头焊接工艺试验与实践

陈建军

海洋石油工程股份有限公司特种设备分公司 广东惠州 516082

压力容器在石油、化工等工业领域中应用广泛，随着技术的进步，各类压力容器的规格尺寸越来越大，对压力容器的力学性能要求也越来越高，必须不断提升压力容器加工制造质量才能满足实际使用需求。

1 焊接工艺试验过程

1.1 试验用材料

选用13MnNiMoR钢板作为试验用材料，13MnNiMoR具有较好的力学性能、强度及韧性，同时焊接性能优良。试验用材料尺寸（长度×宽度×厚度）为2800mm×400mm×98mm[1]。采用埋弧焊工艺进行焊接试验，分别选用H10Mn2NiMoA（H10）和H09MnNiMoG（H09）这2种焊接材料进行对比分析，总计开展了4组焊接试验，其中2组采用H10进行焊接，试样编号分别为H10-1、H10-2；2组采用H09进行焊接，试样编号分别为H09-1、H09-2。

1.2 试验方案设计

为了最大程度降低焊接过程中产生的应力、约束度以及填充量，采用窄间隙坡口对板材进行焊接，焊接板材对接示意图见图1。

图1 焊接板材对接示图

在整个焊接过程中对焊缝成型情况进行实时观察，发现问题及时调整，确保所有焊缝能够一次性焊接完成且合格，不得对焊缝进行返修。焊接具体工艺参数：焊接电流480-530A、电弧电压28-32V、焊丝直径4mm、线能量不超过30kJ/cm、焊接速度36-42cm/min。相关实践经验表明，13MnNiMoR在焊接过程中容易产生热裂纹。为避免焊接过程中温度升高过快引发材料热裂纹问题，正式焊接前需对板材进行预热，预热温度控制在180-220℃。焊接完成后还需将板材在250-400℃保温超过2h，以达到消氢的目的[2]。

1.3 焊接过程操作要点

（1）温度检测。温度是焊接过程中的重要工艺参数之一，需要检测的温度包括预热温度、层间温度以及后热温度。结合实际情况，每间隔75mm采用测温笔对温度进行1次检测，确保相关温度都在对应的合理范围内。

（2）加热方法。通过火焰加热方法对焊接试验板材进行预热处理，能够保证预热的均匀性，且不会对材料力学性能产生不良影响。火焰加热时应用外焰对试样进行加热，加热过程不得引入其他有害杂质。加热宽度不得小于试样厚度的2倍，考虑试验过程中可能存在操作误差，试验中将加热宽度设置为试样厚度的2倍再加20mm，即216mm[3]。

2 焊接工艺试验试样质量检测与分析

2.1 焊缝无损检测

（1）目视检测。采用简单的测量工具分别对H10-1、H10-2、H09-1、H09-2这4个试样进行目视检测，所有试样表面均不存在氧化物、焊渣及飞溅等杂质，4个试样的焊缝宽度依次为46mm、47mm、45mm、46mm，焊缝余高依次为2.3mm、2.8mm、2.5mm、2.4mm，所有数据均满足NB/T47013.1-47013.6-2015《承压设备无损检测》中焊缝余高不得超过3mm的要求。目视检测还发现，采用H10焊接得到的试样接头侧边出现了微小裂纹，而采用H09焊接得到的试样不存在此类问题。究其原因，可能是因为H10的塑性不满足使用要求而导致试样接头侧边出现微裂纹。

（2）超声检测。超声检测方法的准确度很高，超声检测结果发现，4个焊接试样焊缝内部均未出现明显的焊接缺陷，表明试样的整体焊接质量良好，完全能够满足NB/T47013-2015中的要求。

（3）磁粉检测。磁粉检测能够快速检测出试样表面存在的裂纹。对试样进行的磁粉检测同样发现，除了目视检测的微裂纹外，4个焊接试样焊缝表面和内部不存在缺陷。

2.2 焊缝拉伸试验检测

焊缝部位的拉伸力学性能能够很好地反映焊接质量。基于GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》中的要求对焊接试样进行加工，焊缝部位的标准拉伸试样结构尺寸见图2。

图2 焊接部位标准拉伸试样结构尺寸

3 结语

采用H10和H09这2种焊接材料，通过埋弧焊工艺对压力容器封头常用材料13MnNiMoR的焊接工艺进行了对比试验研究，发现采用H09得到的焊缝质量更加优良。因此，在工程实践中利用H09焊接材料对压力容器封头进行了焊接施工。经过无损检测表明，压力容器封头焊接质量良好，完全能够满足实际使用需求，保障了压力容器的安全运行。