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9.压力容器焊接技术9.1薄壁容器的焊接 过程设备中的中低压容器大多数为薄壁容器，其特点为壁厚与直径之比很小（/D0.05）。对于薄壁容器多采用单层卷板的方法制造筒节，用手工电弧焊和埋弧焊进行纵、环焊缝的焊接。9.1.1薄壁容器焊接技术(1) 焊前准备 焊前的准备工作包括坡口加工，焊接区域的清洁以及焊件的装配等。这些工作应给予足够的重视，不然会影响焊缝质量，严重时还会造成焊后返工。 对于中等厚度以下的容器焊接，常用的坡口形式有齐边坡口，V形坡口和X形坡口。 坡口形式的选择主要考虑以下几个因素： 能否保证焊透； 坡口形式是否易于加工； 尽量提高劳动生产率，节约焊接材料； 焊件焊后的变形尽量小。例如：容器的壁薄，两面各焊一道即可焊透时，可采用齐边坡口，加工量小，生产效率高。对于稍厚一些的容器，为保证焊缝质量，应开坡口。采用何种形式的坡口也要视具体情况而定。若容器组装后，在内部焊接时通风条件差，焊接的主要工作量应放在容器外侧，这时应选用不对称X形坡口(大口开在外侧)或V形坡口。(2) 容器焊接顺序先焊筒节纵缝，焊好后校圆，再组装焊接环缝。当筒体直径太大无法校圆时，应先将单筒节的几条纵缝点焊，几个筒节组装点固定后再进行纵缝和环缝的焊接。要注意的是必须先焊纵缝后焊环缝，因为若先将环缝焊好再焊纵缝时筒体的膨胀和收缩都要受到环缝的限制，其结果会引起过大的应力，甚至产生裂纹。 每条焊缝的焊接次序是先焊筒体里面，焊完后从外面用碳弧气刨清理焊根，将容易产生裂纹和气孔的第一层焊缝基本刨掉，经磁粉或着色探伤确信没有缺陷存在后再焊外侧。(3) 对接直缝的焊接对于中等厚度以下钢板的对接焊缝，采用齐边坡口最简单，并采用埋弧自动焊以提高生产率。通常有以下几种焊接方法： 无衬垫双面自动焊 对焊件的边缘加工和装配要求较高，焊件边缘必须平直，保证装配间隙小于1mm。为了保证焊缝有足够的熔深又不会烧穿，焊第一面时要控制熔深为板厚的4050。翻面后要控制熔深达到板厚的6070，以保证全焊透。 焊剂垫上的双面自动焊 将装配好的钢板压在焊剂垫上，最简单的焊剂垫是用一段槽钢，里面装满焊剂即可。焊接时要使焊剂紧贴在坡口背面，以防止焊接熔渣和熔池金属流失，并防止烧穿。由于有了焊剂垫，装配间隙可不必严格要求。正面焊时，控制熔深为板厚的5060，反面焊接时可不用衬垫，焊接规范与正面的相同以保证焊透。 对于厚度较大的工件，开坡口后仍可用上述方法焊接。 手工封底的单面自动焊 这是一种常用的方法，先用手工电弧焊封底，熔深为板厚的3035，然后用埋弧自动焊焊接正面焊缝。这种方法既不用焊剂垫，对装配要求也不太严格，但生产效率较低。 上述几种方法也适用于容器纵缝的焊接。(4) 环缝埋弧自动焊容器环缝自动焊接技术与直缝的对接自动焊类似。双面焊时，先在焊剂垫上焊接内环缝，然后再焊接外环缝。例如使用图91的皮带焊剂垫，两轴之间有一条连续皮带，其上放有焊剂。工件直接放在焊剂垫上，靠工件自重与焊剂贴紧，焊剂靠工件转动时的磨擦力带动一起转动，焊接时需要不断添加焊剂。环缝埋弧焊时要注意1.3.3节中图119所示的焊缝提前量。特别是在容器直径小于2m时，若不考虑焊丝提前量，会造成焊缝成型不良。提前量为2550mm，焊件直径大，取小值。5）薄壁容器焊接实例CO2再生塔的焊接工艺要点图91 皮带式焊剂垫1.焊丝 2.工件 3.辊轮 4.焊剂垫 5.皮带 30万吨/年合成氨系统的CO2再生塔，直径为4600mm，高度为57000mm，总重为230吨，是整个工段中直径最大、高度最高的设备。该设备的设计压力为0.17MPa，设计温度为150°，操作介质为苯菲尔特溶液，呈碱性。其焊接工艺要点为 焊接方法 该设备壳体上部18m是厚度为12mm的1Cr18Ni9Ti，下部壳体是Q235A，厚度分别是16、18、22mm。塔体的筒节共35节，分三段在厂内制造，运到现场后再进行组焊，壳体的焊接采用手工电弧焊和埋弧自动焊相结合的焊接工艺，焊接顺序遵循先里后外，先纵缝后环缝的工艺原则。 平板直缝拼接 先在一面用手工焊打底，再用埋弧焊盖面，另一面用电弧气刨清焊根后再用埋弧焊焊接。 筒节卷圆后纵缝焊接 由于筒节直径大，容易变形，因此制造了专用的筒节元宝支架，以增强筒节的刚性，防止变形。筒节直缝的焊接方法是先在元宝支架上焊内壁，如图9-2所示，然后移到自动升降架上焊外壁。 筒体的环缝焊接是将筒体放在滚轮架上，由几名焊工在容器内部用手工焊焊接，然后在容器外面用碳弧气刨清焊根，最后用埋弧焊焊接。 焊接材料的选用。碳钢与碳钢焊接采用结427焊条，埋弧焊用H08A焊丝配431焊剂。不锈钢与不锈钢焊接采用奥132焊条，埋弧焊则用1Cr18Ni9Ti焊丝，772和260混合焊剂(772#60，图92 防止筒体变形的元宝架1.筒体 2.焊缝接头 3.元宝架260#40)。碳钢与不锈钢之间的焊接用奥307焊条。 焊后热处理。为防止焊缝产生应力腐蚀，设备的碳钢部分需进行环焊缝的热处理，以清除焊接残余应力。 环缝热处理用红外线电加热器进行，热处理制度为： 1）300以下不限制升温速度，但速度也不宜过快； 2）当筒体内外壁约达到300时，开始控制升温速度。升温速度为150h； 3）温度升至625±25时开始保温，保温时间为1h； 4）降温速度同升温情况一样。300以下不控制降温速度；9.1.2薄壁容器焊接技术进展 随着容器生产的发展和焊接技术的进步，近年来在薄壁容器制造中推广应用了一些焊接新技术，也出现了一些新的焊接装置。(1) 小直径筒体自动为解决小直径筒体内纵缝及环缝的焊接问题，生产上出现了几种焊接装置。其基本原理是用一根长杆把焊头伸到筒内进行焊接。如图9-3所示的焊接装置是比较简单的一种。它是用EC-1000自动焊机改装而成。在小车上附加一个特殊机头，其端部装有焊头和焊剂漏斗，焊丝和焊剂通过管子送到焊头和焊剂漏斗处，转动焊件即可进行环缝焊接。焊接内纵缝时，在电弧前方加一个支撑轮，沿坡口移动，以便导向。 该焊机焊接的最小筒体直径为200mm，纵缝长度可达2000mm。(2) 三丝埋弧焊三丝埋弧焊是一种高效焊接方法，它可以在相距4080mm内沿焊缝长度方向前后同时产生三个电弧，并以大电流、高速度进行焊接作业。图93 焊接规范的选择要考虑到三丝埋弧焊的特点，即前行电弧要选择大电流低电压，以获得较大的熔深；中间电弧起填充焊缝金属和消除咬边作用，电流可小些，电压要比前行电弧电压高，但不能高于后行电弧电压；后行电弧是保证焊缝表面成型的关键，故电流不宜大，电压可偏高一点以保证表面成型。现举厚度为36mm板对接焊为例，其焊接规范如下， 焊丝直径： 5mm 丝距：第一和二丝间距80mm 第二和三丝间距90mm 第一丝：焊接电流为1100A，焊接电压为36V 第二丝：焊接电流为900A，焊接电压为38V 第三丝；焊接电流为700A，焊接电压为40V。 三丝埋弧焊的使用情况是，对于厚度为2250mm钢板对接焊，采用X形坡口，留较大钝边，双面焊接，反面不刨焊根。用三丝埋弧焊焊接厚度为2250mm板的对接缝，生产率比单丝埋弧焊可提高34倍，特别是省去单丝焊的多层反复焊接，底层和中层打渣；清焊根等工序，大大减轻了工人的劳动强度，减少焊接材料消耗和成本。（3）管状焊条丝极电渣焊一般电渣方法用于厚板焊接才能显示出它的经济效果，而管状焊条丝极电渣焊可用于中板的焊接。 管状焊条丝极电渣的原理类似于熔嘴电渣焊，区别在于熔嘴是一根带药皮的管状焊条。管状焊条起着导电、焊丝导向的作用，管子熔化后也作为焊缝金属的一部分。另外，由于管状焊条带有药皮，还可以起以下作用： 使管状焊条与工件接触边缘保持绝缘，不至于造成短路现象。所以装配间隙可比一般熔嘴电渣焊窄。 焊接过程中，管状焊条药皮涂料不断熔化，自动补给渣料。 药皮中含有一定数量的铁合金，使焊缝成分得以调整并细化晶粒，提高了焊缝的综合机械性能。 管状焊条丝极电渣焊常用于中板焊接。由于焊接速度快(12mh)，坡口间隙窄，因此近缝区过热倾向较小。加上焊缝渗入合金改善了成份和性能，故提供了焊后不进行正火处理的可能性。试验表明，焊后和焊后回火状态的接头性能良好。 国内用管状焊条丝极电渣焊焊接的容器有壁厚36mm的碳钢吸收塔和壁厚38mm的16Mn储氧球罐等。（4）二氧化碳气体保护焊的应用由于二氧化碳气体保护焊具有成本低廉，焊接适应性强，操作灵活等优点，近年来在容器生产中，特别是在碳钢和普低钢的中、薄板容器制造中得到日益广泛的应用。例如： 压力容器封头的焊接 产品是直径大于1600mm的椭圆形封头，通常这种封头均采用分瓣压制，组焊成型。对于板厚为1640mm的封头采用二氧化碳气体保护半自动焊，焊接效率与手工电弧焊相比提高23倍。焊缝成型美观，焊缝超声探伤一次合格率达到9596%。 小直径筒体纵缝焊接 产品外径为208mm，壁厚为1.5mm，长度为1800mm的Q235-B钢的筒体纵缝。采用手工电弧焊，生产效率低，焊接变形量大，容易烧穿。利用细丝(0.8mm)二氧化碳气体保护自动焊可单面焊双面成型。正反面均能焊透，且不易烧穿。焊后筒体纵缝成型光滑美观，变形小。9.2厚壁容器的焊接 过程设备中的高压容器大多属厚壁容器，其焊接工作量很大，焊接工艺复杂，特别是低合金高强度钢的焊接就更为困难。为了防止产生焊接裂纹就必须采取严格的工艺措施。 单层卷焊容器和热套容器是厚壁容器的两种主要型式。这两类容器单筒节的制造工艺是相似的，纵缝焊接多数采用电渣焊，因为厚板电渣焊效率高，而焊缝晶粒粗大的问题可以通过正火(同时热校圆)得到改善。目前，容器环缝的焊接仍然以埋弧自动焊为主。9.2.1厚壁容器焊接技术（1） 纵缝电渣焊工艺厚壁容器纵缝电渣焊多采用三丝电渣焊机。焊接时可用单丝也可用多丝，焊丝可摆动也可不摆动。现将焊接工艺简介如下： 丝极电渣焊规范的选择 丝极电渣焊规范参数很多，必须正确选择使之得到良好的配合，才能保证焊接接头的质量和焊接过程的稳定性。为此尤其应注意： 1）焊丝根数及其摆动应根据焊接厚度来选择。增加焊丝根数或使焊丝摆动均可增加焊接厚度。一般情况下，单根焊丝不摆动可焊厚度为4060mm；二根焊丝不摆动可焊接厚度为60100mm；一根焊丝捏动可焊接厚度为60100mm。焊丝摆动可使热源高温区活动，有利于防止热裂纹的产生。 2）确定熔宽。电渣焊由于功率大，其熔宽比别的焊接方法大，但是由于母材中含有的碳、硫、磷等元素比焊丝中的含量高，为了提高焊缝金属抗热裂纹性能，希望母材在焊缝中所占比例要小，一般要求熔宽为25mm。 3）焊丝直径。一般采用直径为3mm的焊丝，在摆动情况下，焊丝在滑块旁要有46s的停留时间，以保证边缘能熔透。 4）装配间隙对熔宽和生产率有影响，同时要考虑到焊机导电嘴在其间运动的方便，常用的焊接间隙在2832mm。 电渣焊时应掌握以下技术要点。 1）筒节卷圆时，板的两端均预留直边，供电渣焊用。卷圆后，焊缝处应按规定间隙用氧气切割，考虑到焊接过程中焊缝的收缩，上端留的间隙应比下端略大。 2）坡口两侧60mm范围内，用砂轮打磨光滑，以使滑块顺利通过。 3）装配前应清理表面油污、铁锈，按规定的间隙大小进行装配，通常用型板焊接固定。 4）装配焊接引弧板、熄弧板。作为引弧、熄弧点。 5）焊接开始阶段，用较高的电压和较低的送丝速度在引弧板上引燃电弧使焊剂熔化，同时加入足够量的焊剂，造成足够深的渣池后再转入正常的电渣焊过程，这时应将电压和送丝速度调到规定的数值。（2） 环缝埋弧焊埋弧焊可以获得高的熔透深度，若采用直径为68mm的焊丝单道焊，在大规范下也可一次焊接较厚的板。但是，由于焊缝形成粗大的枝晶结构，焊缝的冲击韧性较低，不能满足压力容器设计的要求。经验表明，多道焊缝能有效地提高埋弧焊焊缝的韧性。一般采用直径4mm焊丝，中等的焊接规范进行多层多道焊，此时，由于前道焊缝受到次道焊缝的热作用而使晶粒细化，从而提高了焊缝的冲击韧性。 焊前准备 环缝焊接是容器制造的关键工艺之一，为保证焊缝质量必须重视坡口加工，焊件清理，装配等焊前准备工序。 1）坡口加工。厚壁容器环缝均采用较窄的坡口，以减少熔敷金属量。常用的坡口形式为U-V形组合坡口，见表9-1。坡口的V形部分很短，位于容器内部，用手工电弧焊焊接；表9-1 容器环缝坡口形式及尺寸序号坡 口 名 称坡 口 型 式坡 口 尺 寸适 用 范 围1U型V型组合坡口s=16120h=10 p=2R=68 c=2=5°=70°手工焊封底的埋弧焊2V型带垫板坡口C=8=15°内径500筒体，手工焊3U型坡口c=0.2p=46=6°R=8氩弧焊封底的埋弧焊U形部分在容器外部，用埋弧自动焊焊接。2）焊件清理。环缝装配前应将坡口上的油污、锈渍清理干净，坡口两侧1020mm范围内的氧化皮要打磨干净。 3）焊件装配。环缝的装配是很关键的，装配时要使焊缝间隙均匀，高低平整，要保证施焊以后焊缝的错边量、角变形都在规定的范围内。调节好筒节间的位置后，在容器外壁上横跨焊缝焊上型铁加以固定。 焊接规范和工艺条件的选择 既要考虑到提高焊接生产率，也要考虑到保证焊缝性能，特别是冲击韧性的要求。对于强度较低的材料，如20g、16Mn，钢材的塑性好，对焊缝冲击韧性的要求并不高，可选用直径为5mm的焊丝，并可采用较大的电流进行焊接。对于强度较高的低合金钢，如18MnMoNb和14MnMoV钢，焊缝的冲击韧性要求较高，只能选用直径为4mm，甚至3mm的焊丝，并用较小的电流施焊。这样，虽然生产率低一些，但是，由于焊道层数多，前一层焊缝大部分可以受到下一层焊缝的热作用，焊缝的冲击韧性就能得到改善。表9-2为深厚焊缝埋弧自动焊常用的规范。表9-2 深厚焊缝埋弧焊常用规范焊丝直径(mm)焊 接 电 流 （A）焊 接 电 压 （V）焊 接 速 度 （mh）345430450550650700750343622343538253228 环缝的焊接除了选择合适的焊接规范外，还要根据钢材特点和容器壁厚考虑是否需要预热，或者采用低温消氢处理、焊后热处理等措施，防止焊接裂纹的产生。关于这个问题可参阅本篇第三章的有关内容。厚壁容器环缝焊接程序 将装配好的容器放在滚轮架上，自动焊机头放在可移动的龙门式升降机(或单臂式)上进行焊接。一般是先焊内环缝后焊外环缝，依次焊接。 1）环焊缝预热。由于厚壁容器环焊缝是采用多层多道焊，残余应力十分复杂。为防止冷裂纹的产生，即使是碳钢容器在埋弧焊前也要对环缝坡口进行预热。预热时应使内外壁温度均匀并保持整个焊接过程的温度不低于规定的预热温度。 2）手工焊封底。焊工在容器内部进行手工封底焊，采用多层多道焊，一条缝要连续焊满。这个工作在预热条件下进行是相当艰苦的，需要数名焊工轮流操作。 3）去掉形铁。封底焊缝焊好后，筒节间的位置就固定了，可以去掉装配时焊在外壁的形铁，以便外环缝的焊接。形铁打掉后要将残余的焊缝铲掉，磨平，并经磁粉探伤，确认无裂纹方可。若有裂纹须进行修补，这对高强度钢容器尤为重要。 4）铲焊根。为保证焊缝质量，必须将手工封底焊缝根部的未焊透，夹渣等缺陷清理除掉。这一工作可用凤铲或碳弧气刨来进行(刨后要打磨)。 5）环缝埋弧焊。在达到规定的预热温度后即可从容器外部进行埋弧自动焊。焊时用一个专用的铜制扁焊嘴深入到环状坡口内。使用的焊剂应经过烘干，焊丝经过除锈、去污。焊接应连续进行。要保持焊接规范的稳定，注意焊道的合理分布，防止坡口边缘的咬边和夹渣。 焊接过程中应保持层间温度不低于预热温度，但也不可过高，否则对焊接接头的韧性有不良的影响，一般不要超过300。 低合金高强度钢容器的环焊缝应一次焊满，中途不要停顿。经验证明，这对防止产生延迟裂纹是有好处的。6）焊后消氢处理。对强度级别较高的钢种，环缝焊满后应立即进行焊后消氢处理。即采用与预热相同的办法使坏缝在200300保温2h以上，使焊缝内的扩散氢充分逸出。这也是防止产生延迟裂纹的重要措施之一。（3）厚壁容器中的焊接缺陷 对于电渣焊缝，常见的缺陷为气孔、夹渣和八字裂纹。八字裂纹多产生于含Nb钢。埋弧自动焊缝常见缺陷为裂纹和夹渣，有时也出现热裂纹。（4）厚壁圆筒焊接实例我国自制的第一台30万吨/年氨合成塔，其容器部分直径3200mm，壁厚150mm，材料为18MnMoNb，该圆筒先由每层50mm厚的3层卷焊圆筒热套成长为1975mm的7个筒节，然后再将7个筒节由环焊缝连接成整体。焊接要点如下： 单层筒体纵缝焊接 1）筒节的纵缝采用电渣焊，焊丝选用H08Mn2Mo，配用焊剂431。 2）焊后进行900×1h的正火处理。工件出炉后即进行复校圆，终轧温度大于800。 3）为改善焊缝的综合机械性能，筒体按下述规范进行调质处理： 950×2h水淬；620×5h回火 热套筒节环缝焊接 焊前预热150200，内壁用手工焊封底，采用结707焊条。内壁焊满后随即加热到300350，保温1h后缓冷，进行去氢处理。外部挑焊根后经预热，用埋弧自动焊焊接，焊丝选用H08Mn2NiMoA，配用焊剂330，焊后进行去氢处理。 焊缝经超声波探伤后作最终消除应力热处理，规范为：630×4.5h。9.2.2厚壁容器环焊缝焊接技术进展 过程设备的大型化使设备的生产周期越来越长，这就制约了大型生产项目的建设进度和周期，同时也使工人的劳动强度显著提高。而焊接则是其中最重要的制约因素之一，尤其是厚壁容器就更为突出。因此，容器制造厂一直在改进其生产技术，在焊接方面做了许多工作。（1） 封底焊工艺的改进 如前所述，手工电弧焊封底劳动条件差，生产率低。为此，容器制造厂在环缝封底焊工艺方面做了一些新的探索和改进，开发出下面两种环缝封底焊焊接工艺。 氩弧焊封底工艺 采用这种工艺的坡口形式见表9-1中第三种坡口。使用特殊的长焊炬从容器外部进行钨极脉冲氩弧焊，可获得稳定的单面焊双面成型焊缝。一次焊透深度为46mm，以后用加填充丝的方法焊至坡口根部总厚度10mm，再用埋弧焊逐层焊满。这种封底焊工艺已成功地用于内径2002800mm压力容器的生产，焊缝一次合格率达到100，与手工电弧焊封底工艺相比，提高生产率近20倍。 低匹配焊条的应用。在制造低合金高强度钢的压力容器时，为了防止焊缝根部裂纹，封底焊缝使用比母材强度略低，塑性更好的焊条来焊接，称之为低匹配焊接。抗裂性试验还表明，使用低匹配焊条对防止根部裂纹有明显的效果，并可将预热温度降低5070。对于低合金钢厚壁容器的环缝封底，常常在容器内部进行焊接。采用低匹配焊条，预热温度有所降低，对改善劳动条件也是有利的。（2）窄间隙焊接技术的应用 目前，在厚壁容器焊接中已采用的窄间隙焊接技术有窄间隙埋弧焊、窄间隙活性气体保护电弧焊和窄间隙电渣焊等。这类方法的共同点是对接焊缝的间隙很小，直边对接间隙为1015mm，因此焊接材料消耗小；热影响区小，接头质量高，特别是生产率均较普通方法大为提高。有关窄间隙埋弧焊和活泼气体保护焊，可分别详见第一章1.3.6和1.4.6。 但是，窄间隙焊接要求工艺参数控制精确，设备运行可靠，操作熟练。一旦出现缺陷，返修比较困难，因此要求较高的一次成功率。 （3）环缝电渣焊工艺的改进 环缝电渣焊工艺早巳成熟，但是用于压力容器制造尚有困难。因为电渣焊接头晶粒粗大，韧性指标低，必须在焊后进行正火处理，可是大型容器若进行整体正火处理，受加热炉限制。随着热处理技术的提高，国外在研究将电渣焊用于容器环缝的焊接方面，取得了一定进展。 跟踪感应正火电渣焊工艺 这种环缝电渣焊工艺的特点是在电渣焊滑块后边跟一个特殊结构的平感应器，在焊接过程中进行跟踪正火处理。感应器的有效区宽度300mm，感应器和滑块间的距离及感应器功率可根据容器材料规格的不同进行调整。感应器由380V50Hz工业网路供电，功率消耗不超过200kW。 工作压力6MPa，使用温度-55，直径2400mm，采用60mm厚09T2c(相当于09Mn2Si)钢制造的容器，应用跟踪正火电渣焊进行焊接，检测结果表明：焊接接头韧性远优于普通电渣焊，完全满足-70时k19.6J的设计要求。 局部正火电渣焊工艺 利用天然气燃烧器，对电渣焊后的环缝在容器外侧作局部加热，内侧保温，在3小时内加热到920度，保温半小时，关火使工件空冷，对环缝作局部正火处理。 9.3球形容器的焊接 球形容器是过程设备中的一大类，一般用来贮存工艺过程中的原料和产品。我国从60年代初开始建造工业球罐以来，冶金、石油化工、城市煤气等工业部门已拥有各种球罐上万台。球罐容量从几十立方米到上万立方米，制造球罐的材料有20R、16MnR，15MnVR及15MnVN钢等，也有国外进口的低合金高强度钢。通过这些球罐的建造，我国球形容器的制造和焊接技术水平得到不断的提高。 由于大型球罐体积大，运输不便，所以在工厂里只制造球瓣，而在使用现场进行组焊。目前球形容器的焊接方法仍以手工电弧焊为主，因为球形容器的焊缝有各种位置，手工焊最灵活。当然，为了提高生产率，机械化的焊接方法已在球形容器制造中开始应用，但是还不普遍，尚有许多技术问题需要解决。9.3.1球形容器焊接技术 以2000m3球罐为例，介绍球形容器的一般焊接技术。该球罐内径15.7m。球壳由25和28mm两种厚度的16MnR钢板建造。球罐自重162吨。 该球壳本体由南北极，南北寒带，南北温带和赤道带参见图413共106块球板拼焊而成。球壳本体焊缝总长约650m，其中现场焊接的焊缝占23。整个球罐用12根无缝钢管(529×8)制成的柱脚作为支柱。 球瓣成型用2000t水压机冷压，考虑到尽量减少冷压后的应力，将成型后的球瓣在550580回火。 焊前预热100，焊接材料选用结570焊条。 （1）焊接准备 焊前应做好如下准备工作。 焊接坡口 采用双面不对称的X形坡口，用半自动气割机对球瓣依次下料。钢板冷压成型后用砂轮机将坡口边缘磨光并进行磁粉探伤，若发现裂纹等严重缺陷应在预热后补焊。 整圈试装 在车间内将加工好的球板按圈进行试装，这样可以保证各球带总的尺寸符合要求。对每一圈的最后一块球瓣用单配的方法割到所需的尺寸，以保证球罐在总装时有较小的尺寸误差。 预热 预热火焰应对准坡口中心。预热开始时，火焰不能太大，加热到要求的温度后开始焊接。此时，火焰不可熄灭，让其维持小火燃烧。在施焊中，若发现预热温度低于规定要求，则应随时加热。电焊条的干燥及保温 电焊条的干燥对于保证焊缝质量防止冷裂纹是一个重要的环节。焊前经400450烘焙2h，然后将烘干的焊条放入100120的烘箱中保温。随用随取。坡口焊前清理及电弧气刨挑焊根。为保证焊接质量，要确保焊接坡口表面的清洁，在预热前必须将坡口表面用砂轮除锈磨光，预热后如发现有烟灰等杂质，也要刷净。 （2）焊接 球罐焊接程序、方法及注意事项如下： 预拼板焊接。为了减少现场焊接工作量，在制造厂内先将球瓣两块、两块地拼焊，制成预拼板再送往工地安装。预拼板吊放在具有球面曲率的焊接胎具上，以减小焊接时产生不规则的变形。 根据坡口的大小，原则上先焊外面(大坡口)，再焊里面(小坡口)，并在焊缝两端先焊引弧板。两端的焊缝先各焊长约100150mm的一段，以保证两端的焊接质量，并防止两端崩开。 焊前预热100，由两名焊工同时焊接。 外面焊好后翻身，拆掉里面圆弧加强板，用电弧气刨铲焊根，并用砂轮磨光。磁粉探伤合格后再装上三块内圆弧加强板，准备焊里面小坡口。 里面坡口预热到100，仍由二名焊工同时焊接。焊接结束后仍用预热火焰将焊缝加热半小时，以使焊缝中的氢扩散逸出。 球罐本体的现场焊接次序。采用全部球瓣总装好以后再进行焊接的方法，其优点是焊接变形小，容易保证球体的形状和尺寸。缺点是刚性大，容易产生焊接裂纹。 因为整个球罐是以赤道带为基准，故焊接次序原则上是由中间向两极，先纵缝后环缝，先外后里，以使收缩变形和残余应力减小，具体焊接次序如下： 1）赤道带纵缝焊接；2）南北温带纵缝焊接；3）赤道上下外环缝焊接；4）北寒带内纵缝焊接；5）南北寒带外纵缝焊接；6）南北寒带外环缝焊接；7）赤道带内纵缝焊接；8）南北温带内纵缝焊接；9）赤道上下内环缝焊接；10）南寒带内纵缝焊接；11）南北寒带内环缝焊接；12）南北极外环缝焊接；13）南北极内环缝焊接。 现场焊接工艺如下： 1）无论纵、环缝处于何种位置，均按下述工艺进行： 在焊缝背面预热，在焊接面的坡口两侧50mm范围内测温，达到100后施焊。 如果发现点固焊处因加热使焊缝崩开或点固焊太少时，应点焊几段加强。 第一道焊缝用逆向分段焊焊接，以后连续焊接直到焊完，焊接规范需按照工艺规定的要求，层间温度要保持100。 每一层焊后要彻底清除熔渣及飞溅等物，如果发现焊接缺陷及在下一道焊接时容易产生缺陷的地方，应采取措施清除后再进行下一道焊缝的焊接。 反面拆去装配的夹具及圆弧加强板。用电弧气刨铲焊根并用砂轮磨光，再经磁粉探伤，探伤合格后就可预热并进行另一面的焊接。全部焊好后继续用火焰加热半小时。 2）为了使焊接收缩均匀，应以对称焊为原则，因此在每一球带焊接时各条纵缝要同时焊接。另外考虑到不使焊工因操作时间太长而疲劳，故每条焊缝分二段，由二名焊工同时施焊。例如：赤道带共12条纵缝由24名焊工同时施焊。 特别要注意二名焊工之间的上下或左右交接处各层焊缝的引弧、熄弧点应错开，以免交界处产生焊接缺陷。 现场焊接时，立焊与平焊采用单道摆动多层焊；而横焊则采用多道不摆动多层焊，仰焊时两种方法均可。 3）焊接规范实际上是控制焊接输入热量。由于16Mn钢对此不敏感，因此允许焊接输入热量的范围较宽，在1000050000Jcm之间，根据焊接位置和焊条直径来选择。 焊缝返修和补焊。经过超声波、X射线或其他方法检查出来的超标缺陷，以及严重的错边、咬边、角变形等应进行返修或补焊。 支柱或其它附件与球壳的焊接。这些焊缝的焊接也应认真对待，凡需焊接处均应预热到100，焊接规范适当大一些，避免球壳本体焊接处形成淬硬组织。焊接时不允许在焊缝坡口以外的球板上引弧，以免产生淬硬组织。 在焊接支柱时，考虑到球体本身的重量，12根支柱点固焊后不能同时预热焊接，以防止支柱同时处在受热状态，而产生的变形或下沉等现象。应当先焊6根(均匀错开)，另外6根作为支撑，待先焊的立柱全部焊妥并冷却后再焊其余6根。9.3.2球形容器焊接技术展望 过程设备中的球形容器体积很大，往往需要用很多块钢板拼焊而成，因此，焊接工作量很大。长期以来一直以手工电弧焊为主进行现场组焊，效率低，劳动强度大。为此，焊接工作者一直在探索球形容器的机械化焊接方法，现已采用的方法有埋弧焊、管状焊条丝极电渣焊、气体保护焊等。但是，这些方法的应用还存在不少问题，如装配要求过高等，因而影响着机械化焊接方法在球形容器制造中的推广应用。（1）球形容器电渣焊管状焊条丝极电渣焊是一种改进的熔嘴电渣焊方法。这种焊接方法所用坡口比一般电渣焊狭窄，操作简便，可以焊接球面的纵缝。 采用电渣焊预制球罐半成品，生产率比手工焊提高6倍，焊接质量好，劳动强度低，并省去开坡口、清焊根等工序，使工艺简化。 某公司用电渣焊焊接的400m3球罐二台，投入运行四年后，开罐检验，焊缝质量良好。（2）球形容器的埋弧自动焊用一个专用胎具，采用分节对装法在转胎上进行埋弧自动焊。先在地面上将球瓣对装成几个环，然后在转胎旋转情况下进行总组装。这种方法的特点是先装球体，后装底座；先装配、后焊接；以平焊代替立、横、仰焊，以自动焊代替手工焊；以平地安装代替大部分的高空作业。 由于在平地分节对装，圆度容易找正，对装间隙均匀，间隙公差要求容易达到。在转胎上将各节对装成整球时，因为是在旋转情况下进行，焊工和安装工可以选一个合适的固定位置，而不需要围绕大球来回跑，大大地改善了劳动条件。转胎利用简单的支持架即可，省去层层塔架，也提高了对装速度。 由于采用自动焊，提高了质量和焊接生产率。同时，焊接操作可在工件转到平焊位置时进行，所以焊工可以在一平台上操作，避免了高空作业，大大改善了劳动条件。 国内曾用这种方法制造了一批直径为9.2m的球形容器，材料为20g、16Mn钢。（3）球形容器的气体保护自动焊上面讲的利用转胎埋弧焊法只适用于直径较小的球形容 器。对于大型球罐的焊接自动化问题是通过气体保护焊法来解决的。近年来国内在这方面做了许多工作，出现了多种型号的焊接设备，其中以NQZCA-400×2型气体保护双头全位置自动焊机比较先进，可用于大型球罐、管道、容器、船体的焊接。使用这种焊机能大大提高生产率，改善劳动条件。但是由于对容器装配尺寸要求较高，实际生产尚不能全部达到要求，有待进一步从提高装配水平和焊机适应性两方面进行改进。其主要特点为： 采用二氧化碳或二氧化碳和氩气混合气体保护，用直径1.01.6mm焊丝对440mm的板进行对接、搭接、角接；直线或曲线；平、立、横、仰焊的全位置自动焊。 采用双焊机构一次熔敷二层焊道，与手工焊比较，可提高工效35倍。 由于是气体保护焊，可采用36°40°的小坡口，使熔深大、变形小、效率高、焊缝成型美观、质量好、成本低。9.4承压管道的焊接 工艺过程管道是各种工业生产中不可缺少的组成部分，其中大部分是承受介质压力的承压管道。这类管道的焊接在项目建设过程中占有相当大的比重，因此在生产中开发了不少高效焊接技术。其中应用比较成熟的工艺方法及特点如下： 手工电弧焊 不少工厂仍在采用手工电弧焊施焊各种管径的对接焊缝。该法简便，但劳动条件差，生产效率低，质量不易保证。为保证焊接质量，常采用氩弧焊打底。 手工或自动填丝TIG焊(或脉冲TIG焊) 该法焊接质量可靠，但生产效率较低。 MIG或MAG焊 该法焊接工艺参数较小，熔池易于控制，操作方便，但线能量稍小，母材熔深较浅，管壁两侧易出现熔合不良或夹杂物，生产效率较低。 热丝TIG焊 该法的效率高，接头质量稳定，可用焊接规范较宽，易于掌握，无需配备高性能焊接电源。在焊接过程中，填充丝在进入焊接熔池之前已被加热到700900的高温。其熔化速度加速，熔敷率高。该法电弧十分稳定，熔池尺寸和形状易于控制，易于保证根部焊道全熔透，已经可靠地用于生产。 细丝脉冲MIG或MAG焊 细丝脉冲MAG焊在富Ar，混合气保护下从根部焊道到盖面层连续一次完成，其效率比TIG焊提高23倍。采用特殊焊接电源新型晶体管脉冲电源，改善了电源的起弧特性，引弧瞬间的电流上升率比普通晶体管电源高一个数量级，解决了起弧端未焊透的技术关键。是一种很有发展前途的焊接法。 双层气流保护脉冲MIGMAG焊 该法采用脉冲喷射过渡，在较低平均电流下可获得稳定 的射流过渡，具有很强的空间成形能力，且又有很 好的单面焊双面成形能力，既具有短路过渡优点， 又有电弧稳定，飞溅小，焊道较宽等优点。当应用于盖面焊道时，可改变焊接工艺参数，而使焊道加宽。该法可完成管道焊接的封底焊、填充焊和盖面焊。该法采用旋流式双层气体保护水冷焊枪，焊枪内层为Ar，气保护电弧以获得稳定的射流电弧，外层则用CO。气保护由于外层CO2保护气流旋转，因而大大加宽了内外层气流的匹配范围。使用该种焊枪施焊时，可以以贫Ar混合气(Ar30+CO270)获得富Ar，(Ar80+CO220)混合气体的保护效果，从而明显地降低了保护气成本。9.5换热器管子与管板的焊接 换热器管子与管板的连接方法有胀接、焊接和胀焊结合三种。虽然胀接法在大多数场合中使用，然而近年来焊接法所占的比重正在日益增加。一般认为，焊接比胀接更能保证严密性，尤其是在高温下，由于材料的蠕变使胀接残余应力松弛而造成泄漏，采用焊接就比较合适。 （1）焊接缺陷 管子和管板焊接最主要的问题是焊接缺陷，缺陷一般为气孔和裂纹。它们直接关系到工程的质量。产生气孔的主要原因是附在管子和管板孔上的油脂、铁锈、空气和堆焊管板时复层中夹有的焊渣都会在受热时分解而造成。因此在焊接前，要特别注意焊接部位的脱脂和除锈。另一个可能产生的缺陷是裂纹，如果接头的化学成分控制不当，热影响区过渡硬化，结点处有油污及管子与管板孔配合间隙过大等，都易在焊缝处引起裂纹。图94 管板与管子焊接顺序 根据焊缝缺陷形成的原因，可以采取积极的措施来避免或减少缺陷的产生。预防的措施除了打磨管端防止结点的污染，控制焊接过程使不发生烧穿或未焊透等现象外，对某些容易产生裂纹的材料，可以采用焊前预胀的办法，以减小管子与管孔的间隙。这样不仅可减少裂纹，还能提高接头操作时的抗疲劳性能，对于小尺寸的管子效果尤其显著。但是这种胀接必须在十分清洁的条件下进行。如果此时对接头造成污染，则焊接所要求的清洁条件反而遭到破坏，因此须要采用特殊的胀接方法或胀接时不用润滑油的胀管器，而且在胀管时只要保证为焊接减少管子与管板间隙的要求，而不必起保证密封的作用。如缺陷已形成而在水压试验后发现再进行返修，则由于残存的水会给修理带来较大的困难。 （2）焊接顺序 为防止焊接变形和减少残余应力，根据直径大小分成若干区，如图9-4所示。焊接时按图中所示由中央开始放射形地按1、2、3···区顺序先将每根管子两端与管板点焊住，每根管子须点焊均匀分布的三点，然后再进行焊接。焊接时，也先由中央随后按各区的顺序依次在每区中部各焊约两根焊条的管子，然后可随意焊接其余部分的管子。 （3）焊接方法 管子与管板的焊接一般采用手工电弧焊，也广泛采用惰性气体保护焊，常用的保护气体为氩气。图95 管子与管板锥弧焊原理图1-石棉塞子 2-管板 3-锥弧 4-线圈 5-焊枪嘴 6-换热管 国内外最近在换热器的管子和管板的