药芯焊丝电弧焊工艺在压力容器制造中的应用
制 造 与 安 装
药芯焊丝电弧焊工艺在压力容器制造中的应用
谭中毅, 季伟明
(中国石化集团宁波工程有限公司, 浙江宁波 摘 要:, 提出了一些建
议。
关键词:中图分类号:TG4: 文章编号:1001-4837(2005) 09-0030-03
ApplicationofFlux -coredArcWeldingTechnology
onPressureVesselManufacturing
TANZhong -yi,JIWei -ming
(SinopecNingboEngineeringCo 1,Ltd 1,Ningbo315207,China )
Abstract:Adeepdiscussionontheadvantageofflux-coredarcweldingtechnologyandtheapplicationon pressurevesselwasmadeinthisarticle,andsomesuggestionwereputforward Keywords:flux-coredarcweldingtechnology;pressurevesselmanufacturing
1
1 前言
分的冶金作用, 可除去杂质, 防止空气侵入, 改善脱氧效果, 可渗合金, 因此焊缝的力学性能, 特别是塑性和韧性较好) 、焊接工艺性好、应用范围广(只需改变药芯配方, 就能够很方便地调整熔敷金属的化学成分和力学性能, 使熔敷金属具有要求的强度、塑性及耐热、耐腐蚀、耐磨损等特殊性能) 、节约熔敷金属、节约能源、成本低等优点, 可见FCAW 是一种高效、优质、低耗、节能的焊接方法。
钢制压力容器通常采用SAW (埋弧自动焊) , 但对于大型压力容器的合拢缝、筒体直径过大时, SAW 工艺往往难以实现, 此外, 大量的接管与法兰、接管与筒体角(对) 接焊缝、筒体上的内外预焊件都很难或无法实现SAW , 采用手工电弧焊则存在效率低、飞溅大, 角焊缝焊接还时常出现咬边缺陷, 若采用FCAW , 则问题迎刃而解。2 存在问题
药芯焊丝电弧焊, 即FCAW (Flux-coredArc
) 是利用连续送进的、Welding 可熔化的药芯焊丝与工件间的电弧产生的高温, 进行焊接的高效熔焊方
法之一。根据焊接时是否采用保护气体可分为FCAW-S (药芯焊丝自保护焊) 和FCAW-G (药芯焊丝气体保护电弧焊) 。由于FCAW-S 工艺的自保护焊药芯焊丝价格昂贵, 至今必须依赖进口, 工艺局限性很大。FCAW-G 的保护气体通常使用CO 2, 欧洲进口的药芯焊丝则通常采用Ar+CO2的混合气体, 如OERLINKON (奥林康) 的FLUXOFILM10(AWS E71T-1) 保护气体采用M21(InarcK18,5-25%CO2+75-95%Ar) 。因此, 在压力容器上应用的FCAW 通常是指FCAW-G, 简称FCAW 。
FCAW 除具有CO 2保护焊的优点外, 还具有:生产效率高、焊缝质量好(采用气渣联合保护, 有较充・03・
第22卷第9期 压 力 容 器 总第154期
FCAW 在压力容器制造中使用时存在如下问
题:
(1) 对碳素钢与16MnR 选用的药芯焊丝是同一
种(AWSE71T-1) , 造成熔敷金属的抗拉强度偏高, 与JB4709—2000、JB/T4747—2002等标准规定不符, 产品试板拉伸试验时抗拉强度值有超过上限的现象发生。
(2) 碳钢、低合金钢的焊接接头的硬度(集中在接管与筒体角对接焊缝、补强圈角缝) 时常超标, 特别是焊后消应力热处理后, 象。
(3) , 然在安全运行, 开罐检验也没有发现由于硬度超标而导致服役期间产生裂纹缺陷。
(3) 晶间腐蚀难合格问题。对于有晶间腐蚀要求的奥氏体不锈钢药芯焊丝, 含碳量是个关键因素, 当碳含量超过0130%时, 按GB/T433415进行晶间腐蚀试验弯曲法评定确实很难通过, 但是控制碳含量在0125%～0128%时, 一般都能够通过。
(4) 。前几年由于药芯焊, 30余家, 重复建设, , 但也有的厂家目前药芯焊丝生产能力已能达到2000吨/月, 质量非常稳定, 基本不会出现药粉填充不均匀或断药粉、焊丝粗细不均等产品缺陷。至于冲击功, 实践证明优秀生产厂家生产的药芯焊丝冲击功较稳定, 数值虽然不算太高, 但裕量还很富余。
(5) 焊丝吸潮等问题。这其实是一个管理上的问题。焊丝打开包装后, 当天未用完, 裸露在车间, 则容易吸潮, 特别在雨天或湿度较大时, 因为药芯焊丝一般都是有缝的, 里边的填充药粉会吸潮, 导致使用过程中容易出现气孔缺陷。但只要采取一些必要的措施, 例如, 当天未用完的焊丝送还焊材烘烤室(焊材二级库) , 或根据湿度大小, 用干燥塑料布将未用完的焊丝包扎严密, 与大气隔离, 焊丝吸潮、生锈的可能性大大减小。
3 FCAW 在压力容器制造中使用情况调查
按GB/T433415(虽然其中部分金相法评定能合格) , 故当设计图样中产品的工况恶劣, 晶间腐蚀要求严格时, 应慎用FCAW 。
(4) 目前国产药芯焊丝质量还不稳定, 时常有药粉填充不均匀或断药粉、焊丝粗细不均, 致使焊接过程时常出现气孔缺陷, 此外, 焊缝冲击功值不稳定。
(5) 在使用过程中, 药芯焊丝的发放管理不严格, 开包后当天用不完的可能几天后还在用, 造成焊丝吸潮而产生气孔等缺陷(有时射线探伤合格, 但底片上可看到焊缝内部有不连续气孔, 只不过没超标) 。
使用FCAW 时以上问题确实存在, 但应该客观、全面地进行分析:
(1) 强度问题。SFA-5120《弧焊用碳钢药芯焊丝标准》规定AWSE71T -1焊丝熔敷金属抗拉强度值为480～620MPa , 而GB 6654～96《压力容器用钢板》规定厚度为16～36mm 的16MnR 钢板的抗拉强度为490～620MPa , 即便是厚度为60～100mm 的16MnR 钢板的抗拉强度上限值也达到590MPa 。JB4709—2000第3121111条规定碳素钢、低合金钢的焊缝金属应保证力学性能, 且其抗拉强度不应超过母材标准规定的上限值加30MPa 。可见, 强度其实并没有超出上限范围。况且, 在订购焊丝时, 可以对生产厂家提出焊丝熔敷金属抗拉强度值的范围, 以满足规范要求。
(2) 硬度问题。碳钢、低合金钢的焊接接头的硬度报告来看, 硬度确实有所超标, 尤其是接管与筒体角对接焊缝、补强圈角焊缝, 但对16MnR 材料来说, 硬度其实并非是主要的。原中石化三公司采用FCAW 工艺焊接的数十台液化气球罐使用至今, 仍
对国内多家压力容器制造厂家气体保护焊的使用情况进行了解, 现在使用气体保护焊的厂家日益增多, 有使用实芯焊丝的, 如南化机、金重等, 也有使用FCAW 的, 但一般仅限于压力容器上内外预焊件的焊接, 专业杂志上对这方面的报导也很少。
对中石化宁波工程公司机械制造厂、镇海炼化检安公司在压力容器制造过程中使用FCAW 工艺的情况进行了详细调查与统计见表1, 结果如下。311 中石化宁波工程公司机械制造厂2002～2003
年FCAW 工艺使用情况
2002～2003年期间使用FCAW 工艺制造的压力容器情况见表1, 包括容器纵、环主焊缝的焊接, 但未包括30余台堆焊采用FCAW 的不锈钢复合板设备, 以及内外预焊件采用FCAW 工艺的数台09MnNiDR 设备。
・13・
CPVT 药芯焊丝电弧焊工艺在压力容器制造中的应用 Vol221No92005
表1 2002～2003年FCAW 工艺制造设备一览表
设备名称吸附塔
吸附塔抽出液塔抽余液塔联合脱庚烷塔再蒸馏塔二甲苯分馏塔脱附剂缓冲罐重整油分离塔进料缓冲罐分馏塔回流罐压缩空气罐事故放空罐白土处理器抽余液罐气液分离器脱庚烷塔回流罐
闪蒸塔
类别分类ⅡⅡⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅠⅢⅠⅠⅠⅠ
规格(mm )
材质
16MnR 16MnR 16MnR 16MnR 16MnR 16MnR 16MnR 16MnR 20R 16MnR 16MnR 16MnR 16MnR 20R 16MnR 16MnR 20R
最大设计最高设计
) 压力(MPa ) 温度(℃
[***********][***********][***********]0160
[***********][***********]5015060
介质
C8芳烃, 对二乙苯C8芳烃, 对二乙苯
重量
(t )
[***********][***********]7545620186
塔器 7200×2968515×60/40塔器 7200×2968515×60/40塔器 4600×55938×18塔器 7000/ 8000×65772×24/22塔器 5600×72672×32塔器 8400/ 7000×78814×56/44塔器 4200/ 5100×97281×36/38容器 5800×33920×20塔器 3400×46956×16容器×32×11256×16 7200×21760×30容器 3400×18193×52容器 4600×24818×18容器 5000×17576×26容器 3000×11240×20塔器 1200×4666×8
对二甲苯, 对二乙苯
C8芳烃, 对二乙苯轻烃, C8芳烃
C8+芳烃C8+芳烃
C7芳烃C8芳烃C7芳烃净化空气氢气, 芳烃
C8+芳烃, 白土C8芳烃
芳烃\氢气轻烃, C8非芳烃汽油、油气、水(含H 2S )
此外, 中石化宁波工程公司在经过多次焊接性
试验及论证后, 率先在乙烯低温管道、加氢裂化高压临氢厚壁管道中进行的FCAW 的自动焊工艺应用, 取得了一定的经验。312 镇海炼化检安公司2002～2003年FCAW 工艺使用情况
(1) 规格尺寸:DN ≤800mm (埋弧自动焊机头无法伸进) 或壁厚≤8mm 的薄壁容器; (2) 母材:碳素钢、低合金钢、奥氏体不锈钢、复合钢板;
(3) 数量:1) 碳钢、低合金钢类容器(以换热器为主) :约40余台;
2) 奥氏体不锈钢:8台(包括316L 薄壁塔、0Cr18Ni 9绕管式换热器壳体等) ;
3) 复合钢板(过渡层及复层) :39台;
(4) 主要采用的焊接方法:GTAW+FCAW(小直
Ⅱ、Ⅲ类, 母材主要是20R 、16MnR 以及不锈钢和不
锈钢复合板。对于此类材料, 所有焊缝均可以应用FCAW 工艺, 而材质为16MnDR 、09MnNiDR 的压力容
器, 目前还仅限于内外预焊件的焊接。
4 国内外相关规范及部分工程公司对FCAW 工艺
应用的规定
JB4708—2000笼统地提到了熔化极气体保护焊, JB4709/T-2000中提到了CO 2气保焊, 且焊丝品种很少, 都没有明确提到FCAW 。
ASME 第Ⅸ卷《焊接和钎焊评定标准》中明确提出GMAW 包括FCAW 。
) 文件(STAN 上海赛科(SECCO 《设备焊接标准》2
DARDFOREQUIPMENTWELDING ) 对FCAW 和GMAW 的使用有如下规定:
满足以下条件且经SECCO 书面同意, FCAW 工艺和喷射过渡的GMAW 工艺可以用于P1-P8Group 1材料的焊接:
(1) 用于压力容器或热交换设备焊接时, 焊缝需
径) 、FCAW (大直径薄壁双面焊) ;
(5) 主要用于筒体纵、环焊缝; 接管与法兰的对接焊缝(一般DN ≥200mm ) ; 接管与筒体的角对接焊缝; 补强圈角缝; 接管、法兰、管板等堆焊; 复合钢板的过渡层及复层的焊接等。
由上述两家单位的详细统计结果可知, FCAW 工艺目前应用的范围有容器和换热器, 类别有Ⅰ、・23・
经100%RT 或UT 检验;
(2) 法兰等级应不高于Class 600;
(3) 至少5%的焊缝需要100%TR 或UT;
(4) 工作条件非ASMEB3113CategoryM ;
(下转第52页)
CPVT 在用压力容器角变形和错边安全性分析的典型案例 Vol22.No92005
×7200mm ×20mm 。原设计压力2117MPa , 安全状况等级为3级。
经内外部宏观检验发现该罐内表面腐蚀轻微, 经壁厚测定, 筒体最小值为1911mm , 封头(半球形) 最小值为1913mm 。检验中同时发现该罐筒体一环向焊接接头错边超标严重, 最大错边量达813mm 。
对缺陷部位及T 字部位焊接接头进行X 射线探伤, 对储罐全部纵、环向(A 、B 类) 对接接头进行100%超声波探伤, 发现储罐纵焊缝质量控制尚好。212 错边超标部位的应力分析
(1) 213 检验结论
该储罐错边超标不影响原操作压力下使用。3 结语
由于历史的原因, 早年投用的压力容器制造质量失控, 不可避免地存在各种焊接缺陷、结构缺陷和
材料缺陷。在压力容器定期检验过程中, 经常会遇到角变形、, 因此, 需要压力容, 必要时进行安全, 。
、应变实测数据, 对角变形、错边超标部位进行了应力分析和安全性分析, 结果表明, 采用应力集中系数法对角变形、错边造成的应力集中估算与实测值差别不大, 满足工程要求。
收稿日期:2005-08-30
作者简介:陆建华(1956-) , 男, 高级工程师, 江苏省“333工程(二期) ”跨世纪人才重点培养对象, 1990年华南理工大学化工机械系高压容器硕士研究生毕业, 现为江苏省无锡市锅炉压力容器检验所副总工程师。
按公式σv =K t z , K t 。, h =813mm , T =19
t
mm , 代入得K t =213, 轴向应力σv =127MPa 。由错
边引起的附加弯曲应力系一次弯曲应力。
(2) 超标缺陷处应力评定根据JB4732—95及ASME 规范第Ⅷ卷第二分篇
t
要求, σv =127MPa
(上接第32页)
(5) 使用保护气体, 熔滴过渡不采用短路过渡模式;
(6) 最大焊缝宽度不超过19mm (3/4英寸) ;
(7) FCAW 不应用于根部焊接和单面焊。
用给出一个客观、公正、合理的评价。本人认为至少应该在一些材质为20R 、16MnR 的中、低压容器上先进行全面推广, 同时引导优秀药芯焊丝生产厂家积极开发、改进碱性焊丝(美国哈伯特公司去年对国内一些主要化工容器制造厂家的焊接工艺情况进行了调查, 目前正在组织开发碱性药芯焊丝) , 以及性能更好的低温、Cr-Mo 耐热钢药芯焊丝。
参考文献:
[1] 中国机械工程学会焊接学会编1焊工手册[M ]1北京:
中海壳牌石油化工联合体项目手册《金属焊接》
篇规定GMAW 所使用的填充金属丝应该与气体类型兼容。假设有活性气体例如CO 2, 则填充金属丝应包含脱氧元素。5 建议
由于GMAW 尤其是FCAW 工艺的诸多优点, 许多压力容器制造厂家都在尝试性的进行不同程度的应用, 但是JB4709标准没有对FCAW 工艺做具体规定, 因此希望该工艺得到认可。
鉴于国内药芯焊丝制造质量的不断提高、气保焊焊接设备性能的逐步完善, 建议由压力容器制造协会牵头, 尽快组织人员对目前国内压力容器制造厂家FCAW 工艺的使用情况彻底摸底, 并对典型的FCAW 应用单位进行详细调研, 对FCAW 工艺的应・25・
机械工业出版社, 19981
[2] 田志凌, 等1药芯焊丝[M ]1北京:冶金工业出版社,
19991
[3] D 1D 1HARWIG 11EffectsofWeldingParametersandElectrode
AtmosphericExposureontheDiffusibleHydrogenContentof GasShieldedFluxCoredArcWelding 11999,9:314-3211
收稿日期:2005-04-13
作者简介:谭中毅, 男, 高级工程师, 硕士, 中国石化宁波工程有限公司机械制造厂厂长。