不锈钢复合板压力容器制造过程中存在问题分析_黄春燕.pdf

问题与对策-3-中国化工装备不锈钢复合板压力容器制造过程中存在问题分析黄春燕（德阳市特种设备监督检验所，德阳618000）摘 要：目前复合钢板在石油化工行业中得到了广泛的应用，尤其以不锈钢做复层材料的化工设备和压力容器更为普遍。但在实际的生产制造过程中，如果采用的工艺措施不当，常会出现各种焊接缺陷和质量问题。本文通过对不锈钢复合板压力容器制造过程中出现的各种问题及原因进行分析，并提出了有效的解决方法。关键词：不锈钢复合板 基层 复层 焊接缺陷0 前言复合钢板已广泛应用于石油化工行业制造各类耐腐蚀设备。目前应用较多的复合钢板是由较薄的不锈钢与较厚的低合金钢通过爆炸焊、轧制等工艺方法制成的双金属板材。较厚的部分为基层，基层多半由低碳钢或低合金钢组成，主要满足复合钢在使用中的强度和刚度要求。不锈钢部分为复层，主要满足复合钢板的耐蚀性等要求。本文以一台醚化反应器的生产制造过程为例，阐述不锈钢复合板压力容器制造过程中存在一些问题。该醚化反应器直径为2800mm，设备总长度达26m，设备筒体材质为Q345R+1Cr18Ni9Ti的复合钢板，基层厚度为22mm和12mm，复层厚度为3mm。该压力容器体积较大，复合板焊接工作量大，操作难度大。由于主体材质的特殊性，设备壳体焊缝外观成型质量要求非常高。筒体板厚小直径较大，致使刚度小，生产过程中筒体易变形，对口的棱角度、错边量易超差，故遇到了诸多问题和难点。1 不锈钢复合钢板的焊接性能分析不锈复合钢板基层和复层交界处的焊接属异种钢焊接，焊接性主要取决于复层和基层的物理性能、化学成分、接头形式及填充金属种类1。焊接低碳钢（或低合金钢）与不锈钢的复合钢板图 1 不锈钢复合钢板坡口形式问题与对策-4-中国化工装备时，容易产生高温结晶裂纹、延迟裂纹和脆化问题。1.1 焊接接头的设计复合钢板焊接接头设计必须考虑便于分别对基层、复层及过渡层焊接施工和避免或减少焊接第一焊道时被稀释的问题。为了保证复合钢板不失去原有的综合性能，基层和复层必须分别进行焊接。同时考虑过渡层的焊接特点，尽量减少复层一侧的焊接工作量，为了保证复合钢焊接接头具有良好的耐腐蚀性能，需要先焊基层，然后焊过渡层，最后焊复层。不锈钢复合钢板接头设计和坡口形式见图12。对于本次生产的反应器，筒体纵、环缝的设计坡口形式为倒V形坡口。详见图2。图 2 现场生产的倒V形坡口1.2 焊接材料的选择焊接材料选择不合适，不锈钢焊缝就可能严重稀释，形成马氏体淬硬组织。由于铬、镍强烈渗入珠光体钢基层而严重脆化，产生裂纹3。因此焊接过渡层时，为了减少基层对过渡层焊缝的稀释作用，要选用含铬、镍当量较高的焊接材料，施焊时采用小电流，降低熔合比，保证焊缝金属含有一定量的铁素体组织，以提高抗裂性，且之即使受到基层的稀释，也不会产生马氏体淬硬组织。本次采用埋弧焊或手工电弧焊焊接基层，CO2气保焊焊接复层，基层采用E5015焊条或H08Mn埋弧焊丝，过渡层采用E309焊条或焊丝，复层为E347焊丝。1.3 焊接过程控制基层的焊接工艺与珠光体钢相同，复层的焊接工艺与相应的不锈钢相似，只有基层与复层交界处的焊接是属于异种金属的焊接。先焊基层，第一道基层焊缝不应熔透到复层金属，以防焊缝金属发生脆化或产生裂纹。基层钢焊接时，仍按基层钢常规焊接电流施焊。对于过渡层的焊接，为了减少母材对焊缝的稀释率，在保证焊透的条件下，应尽量采用小电流焊接。基层焊完后，用碳弧气刨、铲削或磨削法清理焊根，经X射线探伤合格后，才能焊接过渡层，最后将复层焊满。要尽量减少焊缝的稀释，采用小直径焊条和窄焊道；自动焊时，采用摆动焊丝或多丝焊以减小熔合比，尽量采用直流正接。焊过渡层焊缝时，必须盖满基层焊缝，且要高出基层与复层交界线约1mm，焊缝成形要平滑，不可凸起，否则需用手砂轮打磨掉。1.4 焊接缺陷的分析复合板的焊接，不仅会出现焊接同种金属时可能出现的焊接缺陷外，还会出现两种金属复合到一起后，出现的焊接缺陷。现场实际发现，焊接缺陷多出现在过渡层区域，缺陷以裂纹、夹渣、未熔合为主。1.4.1 未熔合。形成原因主要是焊接规范不正确。按照工艺规程要求，焊接过渡层时应采用较小的焊接线能量，在实际操作汇总，有些焊工问题与对策-5-中国化工装备经验不足，焊接时使用的电流过小，焊接速度偏快，结果出现电弧在两侧坡口上停留的时间过短，坡口金属的熔合状态不好，形成填充金属不能与母材金属充分熔合，出现未熔合想象。1.4.2 夹渣。夹渣的主要原因是焊工使用的电流偏大，焊条的角度不当，稳弧时间较短造成。在焊接基层上靠近复层的最后一层焊道时，如果电流偏大，会在两侧坡口上出现明显的咬边现象，当再焊接过渡层时，由于改用了小规范，同时由于过渡层的填充金属在液态情况下粘度较大，焊接时存在于咬边的熔渣不易浮出，过渡层液态金属凝固后，存在于咬边空隙内的熔渣则成为夹渣。1.4.3 裂纹。焊接过渡层时，最容易产生裂纹。究其原因有以下几点：一是坡口两侧的不锈钢层清除的不彻底。如果两侧的基层表面残留少量不锈钢成分，焊接基层时会融入基层焊缝中，出现焊道裂纹。二是焊工工艺参数掌握的不好，导致焊出焊道高度、宽度不均，焊完基层再焊过渡层时，就会出现基层金属成分在过渡层中占的比例过大，可能出现裂纹。同时由于高低不均，使一定量的基层金属进入到复层焊道中，也易产生裂纹。三是返修后的焊缝易出现裂纹。这是因为焊工在返修过程中没能在焊道相应的位置上使用相应的焊条，在焊接过渡层和复层时，残留基层的飞溅。1.5 提高焊接质量的措施要根据不同的坡口形式正确的选择焊接顺序。为保证焊缝两侧的良好熔合，应把坡口两侧夹渣和咬边处用同材质钢丝刷或砂轮机清理干净，必须采用排焊，焊条不要横向摆动。要严格控制焊道的熔深。焊接复合板时，熔深的大小对焊接质量有着很大的影响4。在焊接过渡层时，工艺要求采用较小的焊接电流就是减少熔深，如果电流过大，熔深过大，其基层金属可能会过多地融入过渡层，形成裂纹。同样，河南街复层时熔深过大，也会出现裂纹等问题。要严格控制各层焊道的尺寸。焊接基层时，应对复层表面加以保护，防止飞溅粘到复层表面，造成复层性能下降，基层最后一道焊道不能过高，出现焊道过高时，应用砂轮机将其打磨到合适的高度，然后再焊复层焊道。2 不锈钢复层保护复合钢板复层表面不得有气泡、结疤、裂纹、夹杂、折叠等缺陷。如有上述缺陷，允许清除，但清除后应保证复层最小厚度，否则应予以焊补。基层表面质量应符合基材标准的规定。2.1 不锈钢复层保护的必要性在整个生产过程中，由于对不锈钢复层的防护措施采取不当，不锈钢层污染比较严重，飞溅、划伤、污迹随处可见，大大增加了后续不锈钢复层清理和修复工作量，严重制约了产品的生产进度。2.2 不锈钢复层保护采取的措施之前采用粘贴牛皮纸的形式，虽然可以暂时保护好复合层，但在后续的装焊过程中有大量的预热、焊接、气刨等工序、表面的保护纸及其容易被烧损和破坏，且牛皮纸去除部位有大量的粘结剂附着在筒体表面，必须通过专用清洗剂将其去除，工作量较大，并不适合如此大面积的粘贴。问题与对策-6-中国化工装备生产实践中经过多次尝试，对焊缝附近的操作区域涂刷白垩粉和防飞溅涂料，将复合层覆盖进行保护，若覆盖层遭到破坏能及时对该区域进行补刷亦能较好地保护复合层，而且使用该方法后续清理方便，快捷。另外还采用了铺设陶瓷纤维毯的方式进行防护，纤维毯无法固定在本体上，只能铺设在局部部位。在使用过程中需要随时位移，对污染严重的还需要及时更换。装配时点焊缝只能在基层上进行，无论点焊还是焊接都必须对复层进行保护，以避免碳钢（特别是飞溅物）污染复层。打磨过碳钢（包括基层）的砂轮不能再用于复层。同时按照图纸要求，采取酸洗钝化一次处理的方法，取得了良好的酸洗-钝化效果。对于防护问题，我们还需要做更多的探索和了解，亟待有一个更有效、便捷的防污染措施用于现场生产。3 筒体纵、环缝对口错边量的控制对复合钢板错边量的控制要求比普通碳钢或低合金钢严格得多，错边量不超标，是保证其强度和耐蚀性能的一个关键因素。若错边量过大，基层材料很容易渗入到不锈钢焊缝中，以致产生裂纹或焊后导致复层焊缝生锈。3.1 对口错边产生原因分析由于爆炸复合板在爆炸复合时由爆炸造成材料内部的内应力以及在后期矫平过程中热处理不均匀性等的存在，在设备制造过程中材料的内应力会引起板材几何尺寸发生变化，尤其当筒体直径较大时这种尺寸变化较为明显，通常复合板卷制的尺寸要比卷制前的尺寸伸长10mm30mm，只有控制好这个伸长量，才能保证筒体环缝组对时对口错边量不超差，保证焊接质量。另外，由于筒体壁厚薄，直径大，因而筒体刚度较小，在进行各筒体制造时，应避免各筒节在卷制和组装过程中造成筒节局部死弯或筒节椭圆度太大。3.2 控制错边采取措施3.2.1 筒体卷板前尺寸确定及准备工作一般可先加工好封头，封头一般外协给做封头的制造厂家，这样节省成本，保证质量，提高效率。根据已经成型好的封头尺寸，来确定筒体的展开尺寸。一般采用封头中径来确定筒体展开板长度。对待卷制的复合钢板基层受拉面棱角倒R4的圆角，采用铝基无铁砂轮打磨，将复合板表面氧化皮、油污、杂质等清理干净。同时，对卷板机上辊进行清理去油污，仔细检查并修磨辊面损伤部位（辊面凸起或凹陷）。3.2.2 筒节卷制过程卷制过程中，不锈钢复层应朝上，与卷板机上辊接触，此时卷板机上辊之前已经清理干净并平整，此时可在复层上铺一层隔离层，避免复层受到铁素体污染。为保证筒节滚圆质量，控制好圆度，控制同规格的每节筒节卷制滚压次数一致。卷制过程中需检查钢板纵向轴线随时要垂直于卷辊轴线，可采用侧面挡块定位进行找正。卷制过程中卷制滚压次数也要严格控制，以防反复滚卷造成钢板加工硬化5。在每节筒节卷制后用盘尺认真检查实际周长，按设计要求截去多余长度，再点固最后一道问题与对策-7-中国化工装备筒节纵缝接口，进入下道工序。每一个筒节卷制完成后，需对复合板再次清洁，全过程保证不锈钢复层不受污染。3.2.3 筒体组对筒体组对时以复层为基准，确保复层错边量不超标。封头与筒体组对，首先保证各自的圆度，再以封头周长匹配筒体周长，保证封头与筒体的组对质量。自制弯曲半径为1400mm，弧长约600mm的样板检测筒体内壁曲率，要求棱角度2mm，纵缝坡口错边量1mm，校正后筒体的椭圆度（Dmax-Dmin）控制在3mm内。在完成各筒节最后一道纵缝的点固后，各筒节两端要求用米字形工装进行支撑以保持筒体圆度。注意各支撑部位应焊于筒节外表面，以避免对筒节内表面复层造成伤害，在完成各筒节的纵缝焊接及探伤检验后，即可将原设计的各筒体外加强圈安装到筒体外侧，以便于组对各环焊缝。4 结论不锈钢复合钢板由于基层和复层及性能等方面的差异给焊接带来很多问题，从而对焊接质量产生很大的影响。控制焊接质量应从焊接工艺评定和生产实践两方面入手：设计科学合理的焊接坡口形式；严格控制不锈钢复合板的错边量；正确选择焊接方法、焊接材料与合理的焊接参数；由持证焊工在有效期内担任合格项目范围内的焊接工作；正确选择合理的焊接顺序；严格按照经过评定和验证的规范参数和操作工艺进行操作。不锈钢复层保护对生产进度有制约影响，在生产制造中应保护好不锈钢层，避免Fe或铁素体对不锈钢的污染，同时对已经污染的区域应及时修复。对不锈钢复合板错边量控制的要求要比普通碳钢或低合金钢严格得多，控制不锈钢复合板的错边量不超标，是保证其强度和耐蚀性能的一个关键。因此应在装配时严格控制筒体圆度和坡口错边量。参考文献1 王凤会,刘立伟,王小勇,等 Q345R+904L不锈钢复合板焊接接头力学及腐蚀性能的研究J.电焊机.2019，49（11）：20-25.2 陈坤,傅延波,刘波,马洪清,宋凯,张连爽.浅析Q345R+S31603不锈钢复合板压力容器焊接技术J.中国石油和化工标准与质量.2021,41(24).3 周鑫.高酸性气田冶金复合汇管焊接制造技术J.电焊机.2020,50（11）：88-92.4 张惠冬，赵晓华，赵宽.不锈钢复合板的焊接性能及质量分析J.锅炉制造，2000（01）：45-48.5 李焰峰,刘杰.特厚不锈钢复合板压力容器制造技术J.大