陆基低温储罐双面同步埋弧焊工艺及应用研究

杨贺同

（中国核工业第五建设有限公司，上海 200000）

储罐内物质具有易燃、相态变量的性质，一般采用低温储运，因此低温储罐的设计和建造受到了广泛的关注，特别是低温储罐的焊接工艺也极大地推动了焊接技术的发展。随着厂家对设备焊接质量的要求越来越高，焊接结构也越来越多样化，导致我国工业焊接工作量逐渐上升[1]。因此，迫切需要提高焊接效率和质量，减少焊接缺陷。特别是大型低温储罐的焊接，由于特殊的低温环境，对储罐中使用的材料和焊接技术都提出了很高的要求。我国低温储罐产品如图1所示。

图1 低温储罐示意图

目前为了降低成本提高生产效率，我们把不同的焊接方法和革种焊接技术结合用于各种不同的设备焊接。一方面能提高焊接工程的完成速度和生产效率，一方面还能降低焊接的材料成本[2，3]。来自欧洲的J Tusek认为，通过熔点速度可以用来形容和表示焊接工艺的生产效率和速度，熔点速度就是在单位时间内填充金属的熔点量[4]。然而，沉积速度也会随着加快这个时候就需要更多的热输入。对于单弧焊，为了防止焊接变形，在热输入增加的情况下能在速度上做文章，提高速度的话有容易出现焊接缺陷和失误。所以采用双弧焊才是最好的选择[5]可以避免上述缺陷。

1 陆基低温储罐用材料

一般在-10℃环境下使用的材料我们称为“低温用材”。第二次世界大战以后低温用材迅速发展起来，是一种新型的材料，在20世纪60年代之后世界范围内的新能源和低温储存工业得到了大力的发展，并伴随着气体储存量和运输量的激增，低温用材得到广泛的应用达到了工业化的规模，例如：磁浮、发电、输电等[6]。从使用环境来看，-30℃的寒冷地区建筑物、达-45℃的液化丙烷气(LPG)、达-100℃的液化乙烯、-170℃的液化天然气(LNG)、-196℃的液化氮气、-269℃的液化氦气等，它们的低温环境要求十分严酷，特别液气态物体的运输储存罐材料需要有极强的韧性。超低温金属材料有WN为9%的镍钢、铝合金、奥氏体不锈钢、高镍合金钢(36Ni-Fe)及复合材料等一般在低于-180℃的环境使用。

2 双面埋弧焊焊接技术概述

双面同步埋弧焊技术由单边埋弧焊发展而来，原理基本相同。如图2所示把单面埋弧焊设备装在焊接设备壁板两侧，焊接用的焊机用“骑式”的方式放置，在焊接时壁板两边的焊枪要在一个水平上拉开一定的距离。在焊接时两侧焊枪前后操作，在前面焊枪焊接池金属基本凝固时，后方焊枪开始焊接，可以使得其能够更充分的熔化。随后缝隙部位的焊接金属残渣全部稀释出来，焊缝根部两侧也就完成了焊接。图2是双面同步埋弧焊示意图。

图2 双面同步埋弧焊示意图

3 双面同步埋弧焊和单面埋弧焊对比分析

（1）传统的单面埋弧焊只是在壁板的一面上进行焊接操作，这就导致另外一侧的焊缝有阻焊剂，使得焊缝不能够很好的熔合，在另一侧焊接前需进行碳弧气刨清除焊缝根部。然而这种手工操作不能确保工作质量。所以设备的焊接质量根本得不到保证。大大影响大型陆基低温储罐的施工和建设。然而双面埋弧焊则不同，双面埋弧焊两侧同时施工，使得焊缝两侧和根部都能得到助焊剂，使得焊缝和焊根都能得到重熔。避免了单焊的缺陷。

（2）双面同步埋弧焊最大的优势就是不需要做清根处理，这样不仅能节省大量人工成本，还能节省更多的材料成本，因为双面焊采用的前后置焊机操作法，前焊后焊完美结合，前焊的热量可以减少后焊的输入，意味着可以用等量的耗材和能源能够完成更多的焊接，这种节能效果非常明显。双面埋弧焊在低温储罐工程上的应用如图3所示。

图3 双面埋弧焊工程应用

（3）该焊接技术用于陆基低温储罐的焊接，能更好地发挥双面同步埋弧焊的优势。双面同步埋弧焊接相对单面埋弧焊工序少速度快。因为其无需清根的焊接工艺，相对于传统焊接方法优势明显。

4 焊接材料及设备

双面同步埋弧焊机一般采用林肯DC-600焊接电源，同时配有控制柜、焊接行走架、焊接头及控制器、焊剂座、自动回收系统等。在数十万m3的陆基低温储罐焊接时一般需要配备了多台双面埋弧焊机，而且为了方便操作人员的沟通交流，焊机上都配有通信设备。

焊接材料参数。考虑材料的低温承受强度，低温储罐的焊接材料需根据储罐壁板的材质进行选择，以十万m3容积以上储罐为例，常用的埋弧焊焊材见表1。

表1 常用的埋弧焊焊材

低温储罐因低温需求，所以对用材的强度和韧性都有很高的要求。首先选用的材料就要有较强的耐低温性，现在市场上耐低温的材料都是由合金材料合成的，主要是指镍铬合金和碳锰合金[6]。如果按照耐低温程度不同来划分，可分为四个等级：第一个等级在-20℃到-40℃；第二个等级在-50℃到-80℃之间；第三个等级在-100℃到-110℃之间；第四个等级在-196℃到-269℃之间等级越高则耐低温能力越强，材料的韧性越好。市面上还根据金属元素组成的不同来进行分类，分为低合金、中合金、高合金三类。在此基础上又可以根据材料是否有镍或铬元素来进行分类。这类材料的化学成分见表2。

表2 常见用材化学成分表

5 焊接工艺要求

5.1 斜口角度要求

根据双面同步埋弧焊的焊接特点，对于焊接坡口有着严格的规定。具体要求如图4所示，焊接坡口两面呈K型的斜角，开口角度在45°左右，斜角对边在0到1mm之间，面板在同一圈内的宽度偏差不能大于1mm。

图4 槽形参数

5.2 焊缝装配要求

为保证双面同步埋弧焊的焊接质量，焊缝的圆形接头必须达到装配要求。首先要控制低温材的切割尺寸；其次是切割机的选择，一般采用数控龙门火焰切割机来切割低温材长度方向；最后并保证切割的工艺要求低温材面板的圈内宽度方向保证在1mm的偏差范围之内同时保证双面同步焊的组间隙在1.5mm～2.5mm范围内。

5.3 焊接前的预热工序

在储罐的焊接前需要预热，则需要根据材料的选择来确定符合的预热温度。当陆基低温储罐壁板材料选用合金含量低的材料时，此类材料强度较高，则此时预热温度要达到100℃但不能超过150℃。对于强度较高的材料，过高的预热温度和通道间温度会导致材料强度和冲击韧性的降低。

在给罐壁预热热时要控制加热的宽度范围，把宽度控制在100mm之内，不要超焊缝中心线两侧板厚的3倍。可以采用不同的加热方法来预热，但一定要做到热度均匀，为了保证预热温度均匀，预热时要内外两侧同时加热。

焊接过程中也要控制好通道间的温度保证高于等于预热的温度但不能超过250℃。

5.4 定位焊的工艺要求

根据定位焊的工艺要求，高强度材料的焊缝要不小于100mm，间距不大于500mm。焊接头使用定位焊固定。定位焊在焊接前同样需要执行严格预热要求。为了保证进行双面同步埋弧焊焊接头能够平滑的过渡，则需要对定位焊缝进行打磨，将其打磨成斜面状。

5.5 双面同步根焊

双面同步焊接优势在于无需清根处理。无需清根处理使得根焊质量得到保证，采用双面同步埋弧焊可以使储罐的焊接材料得到良好的熔合。

（1）焊前检查，首先在焊接前要确认两侧焊机的电源线、通信线等接线是否正常；其次要注意使用的焊丝、焊剂是否正确，准备的剂量是否充足。再者要查看坡口角度，对于不标准的坡口要做相应的标记，然后进行标准化修补；最后是检查定位焊的间距、长度是否合适，抛光是否过渡光滑。

（2）双侧同步焊接，首先，检查焊枪位置，要求前置焊枪和后置焊枪之间的间距适当。焊枪位置如图5所示。

图5 焊枪位置

其次，为了保证焊根的良好熔合，要选择额合适的焊接参数。根据不同的罐壁厚度和焊接尺寸，如果罐壁厚度超过16mm时，我们在焊接时就要相应的提高热量输入来保证焊缝更不的完整熔合。此时双面的优势就体现出来了，前焊枪高输入可以使得后焊枪减小输入，可以有效地降低资源的浪费。

最后，操作工需要根据实际情况来做出相应的调整，不同焊机上的操作工要做好配合，要注意坡口的情况，要及时沟通协调，来调整焊枪位置和角度。

5.6 双面同步填充焊、盖面焊

双面同步填充焊和盖面焊的工艺要求，主要体现在焊缝的衔接，包括多层的衔接和多焊道的衔接。在衔接和过渡过程中要把握好焊接起弧点的位置，焊缝间要有50mm的间隔且在此点起弧，使得多层焊缝间呈阶梯状的衔接好。还要注意焊接过程中多有焊接缺陷的焊缝进行修复，一般采用抛光打磨的方式进行修复。以此来完善焊缝的工艺美观要求。焊缝成形示意图如图6所示。

图6 焊缝成形示意图

6 焊接工艺试验结果

该文章采用厚度为32mm的材料做焊接对比，实验结果表明在完成相同体积的低温储罐，在采用单面埋弧焊机焊接时需要72小时，而采用双面同步埋弧焊时只需工作50个小时，双面同步焊效率约为单面焊的1.44倍。在设置焊缝为12mm时候，采用单面焊时需要工作18小时，而采用双面同步埋弧焊则只需要8小时，工作效率是单面焊接的2.25倍。因此可以得出结论：采用双面同步埋弧焊工艺对陆基低温储罐进行焊接，同单面焊接工艺相比，双面同步埋弧焊工艺焊接效率和焊接质量都得到显著提高。