复杂焊接接头在焊接工艺指导文件中的逻辑表达

冯爱秀 韩亚霖 张 丽 郭 晶

（大连日立机械设备有限公司)

复杂焊接接头在焊接工艺指导文件中的逻辑表达

冯爱秀*韩亚霖 张 丽 郭 晶

（大连日立机械设备有限公司)

以一台钛-钢复合钢板压力容器为例，提出了一种在焊接工艺指导文件中表达复杂焊接接头的方法。

焊接接头 子接头 焊接 焊接工艺文件 压力容器 复合钢板

0 前言

按照现今通行惯例，指导锅炉、压力容器和核设备制造的焊接工艺文件一般由以下三部分组成：

（1）接头识别图 （weld map）；

（2）接头识别卡 （joint identification card）;

（3）一组经过评定的焊接工艺规程 （WPS）和（或）钎焊工艺规程 （BPS）[1-3]。

除了上述的第 （3）项是适用于众多适宜产品，因而是可以长期使用的通用文件外，第 （1）项和第 （2）项都是针对具体产品项目编制的专用文件。在接头识别图中，所有承压或需要在受控条件下完成的焊接接头和 （或）钎焊接头都应该一一标示出来，并由一个编号代表；在接头识别卡中，按接头编号列出了焊接和 （或）钎焊所有承压和受控接头使用的焊接和 （或）钎焊工艺规程编号、需要补充或选择确定的其他操作指导信息。根据接头识别图和接头识别卡中的引导信息可以从一组经过评定的焊接工艺规程和 （或）钎焊工艺规程中找到完成每条或每类接头使用的WPS和 （或）BPS，并按其中规定的变数 （variables）完成指定接头的焊接和（或） 钎焊。

接头编号是在设计阶段由设计工程师确定的。其目的是界定控制范围、统一对象标识和实现在各类相关文件中的对象识别，不仅适用于设备制造安装阶段，而且在设备最终废弃前的定期检验、剩余寿命估算中都要用到它。

对大多数压力容器，除了个别例外，一般一个接头就是一条接缝 （焊缝或钎接缝），例如非复合材料压力容器本体上的纵向和环向接头。在这些情况下，一个接头就是一条焊缝，因而接头编号就是接缝编号。但也有一些产品，其上一个接头由多条接缝构成，例如由钛复合钢板制造的压力容器就是这样。对这类结构复杂的接头，按接头编号和按接缝编号，结果就不一致。对制造过程中的多数活动和操作，按接头识别可能就足够了，但对焊接操作却不行，因为这些接头是按焊缝逐一完成的，因而其指导工艺文件自然也需要按接缝编制。为编制这类具有复杂结构焊接 （钎焊）接头产品焊接 （钎焊）工艺指导文件的特殊需要，本文通过对一台钛复合钢板压力容器上连接接头的结构分析，提出了一种解决方法。

1 样本产品简介

图1是某PTA项目中的第一CTA结晶器，高13 699 mm,内径4500 mm。用户设计要求规定按ASME规范第Ⅷ卷第1分卷建造[4]。

容器主体厚度为38+2 mm，材料为SA-516,Gr. 70+SB265,Gr.1碳钢-钛复合钢板。筒体分3段制造，每段上有3条焊接接头，共9条纵向焊接接头，即L-1至L-9。两个封头由材料厚度为42+3 mm、相同等级的碳钢和钛复合钢板制造，以保证成型后封头最薄处厚度不小于38+2 mm。每个封头由8块瓣片和一块顶冠拼焊而成。这样每个封头上就有9条焊接接头，左右两个封头共18条焊接接头，即HL-1至HL-18。其中HL-1和HL-10为连接顶冠与8块瓣片的接头。上下封头和3段筒节由4条环形焊接接头连接，即由接头C-1至C-4连接成一个整体，见图1。

容器上有不同公称直径的接管16个，接管编号为N1至N16，见表1。

图1 样本容器的结构

2 接头结构分析

2.1 容器本体上的对接接头及其构成

图2左面部分示出了两条呈 “丁”字形交汇的焊接接头，它反映的是容器筒体上纵向接头L-1至L-9与连接各筒节和上下封头的环向接头C-0至C-4间的关系，同时也是上下封头上各瓣片间接头HL-C2至HL-9和HL-11至HL-18与顶冠间接头HL-1和HL-10的关系。

表1 样本容器上的接管 （按公称直径大小排列）

容器本体上的这些对接接头都具有复杂的结构，至少是由四个子接头 （sub-joints）A、B、C和D构成的，见图2中间和右面部分。

在图2中，子接头A是钛-钢复合钢板基层碳钢板之间的连接接头，是承压接头，受ASME规范控制。用于该子接头的焊接工艺规程 （WPS）必须按ASME规范第Ⅸ卷要求进行评定[5]。子接头B是把嵌入板条与钛复层材料连接起来的焊缝，两侧各一条，共两条。该焊缝一定不能焊透，一点也不能把基层碳钢板熔化，否则会形成脆性金属间化合物。该焊缝断续焊就行。嵌入板条是为填补因焊接基层碳钢焊缝，即子接头A时，为防止把钛复层材料熔入碳钢焊缝，预先把坡口两侧钛复层材料剥离了一定宽度形成的空缺而植入的。在本例中，嵌入板条也是钛材，用GTAW方法与复合板复层材料焊接在一起。但是也可以用铜做嵌入板条，这时就不能用电弧焊，而需要用钎焊 （brazing）方法连接了。子接头C是两条角焊缝，通过它们把钛盖板焊接到复合钢板钛复层材料上，以实现钛复合层的完整和密封。这两条角焊缝必须达到气密要求，不能有丝毫泄漏，所以虽然焊脚尺寸不大，也要求至少焊两道 （见图2中子接头C的 “C局部”）。两条呈丁字形交汇的焊接接头在交汇处，盖板是要连接起来的，这就是图2左面部分b-b那条焊缝。另外环向接头上，钛盖板对头处也需要焊接起来，这就是图2的左面部分a-a表示的那条短焊缝。这样的对头焊缝在一条环焊缝上可能还不止一处。但不管多少，都属同类焊缝，标识出一处就够了。无论a-a还是b-b都是在焊接环向接头时完成的，所以后面我们把它们看作是环向接头的构成部分。该类接头为对接接头，见图2子接头D及 “D局部”。同样为了保证达到密封无泄漏的质量标准，虽然焊缝厚度不大，也要求至少焊两道。

图2 容器本体上对接接头的基本形式和构成

2.2 容器上与接管有关的连接接头及其构成

样本容器上的16个接管都为自补强型锻件，其典型结构如图3所示。可以看出一个接管上最多可能包含焊缝A、B、C、D、E、F和G共 7条（类）焊缝。照前面的办法，把它们也称之为子接头。这样把一个接管焊接到容器本体 （筒体或封头）上，就需要完成最多7个子接头，即完成7条焊缝的焊接。

其中子接头 A是钛衬筒上 （sleeve）的纵焊缝，衬筒由钛板卷制焊接而成，适用于公称直径150 mm和150 mm以上的接管。公称直径再小的接管，衬筒则由钛管制作，就没有子接头A了。子接头B是连接钛衬筒和钛喇叭口成型件的焊缝。子接头A和B都在衬入钢接管内之前焊成一体。坡口朝向容器内面。至少要焊2层。背面焊缝余高去除，使与外表面齐平，以便实现与钢接管内表面的无间隙配合。子接头C是接管钢锻件与容器本体钢基层材料间连接的焊接接头,为承压接头。子接头 D是在衬筒装进钢接管里面后与法兰衬面（钛）焊接形成的接头，因为背面是钢，需要加钛嵌环隔离。子接头E是角焊缝，同样要求至少焊2道，以保证气密。子接头F是把固定钛法兰衬面的沉头螺钉 （钛）固定，使其密封无泄漏的塞焊焊缝。子接头G是一条沿钛法兰衬面圆周的钎焊接头，目的也是实现无泄漏的密封。

3 焊接和钎焊工艺问题及焊接工艺指导文件编制

3.1 焊接和钎焊工艺方面的一些问题

3.1.1 各类接头的性质

根据ASME规范第Ⅷ卷第1分卷，钛-钢复合钢板压力容器属于 “衬里”型压力容器 （appliedlined type）。这类容器的钛衬里只起抗腐蚀作用，在计算容器壁厚时不能考虑衬里厚度，所以只有连接基层材料的焊缝才是承压焊缝，即图2中的子接头A和图3中的子接头C。焊接这类接头的焊接工艺规程 （WPS）必须严格按ASME规范第Ⅸ卷的要求进行评定。其余子接头都不属于承压接头。但接触设备工作介质的钛与钛之间的焊接接头，属于重要接头，需满足用户 “建造规格书”的要求。其焊接工艺规程 （WPS）可参照ASME规范进行评定。图3中的子接头G只起密封作用，其钎焊工艺规程 （BPS） 可参照 ASME规范Ⅸ卷 QB-182（workmanship）进行评定。

图3 接管的典型结构

3.1.2 使用的焊接及钎焊方法

（1）基层材料的焊接

基层材料的焊接，即碳钢与碳钢之间的焊接。封头上各瓣片之间的焊接 （即接头HA-2至HA-9和HA-11至HA-18中的子接头A，如图1和图2所示）可考虑使用熔化极气体保护焊 （GMAW或FCAW），在立焊位置上行方向完成。各瓣片与冠顶间的那条焊缝 （即接头HA-1和HA-10中的子接头A，见图1和图2）可用相同焊接方法，于平焊位置完成。

各筒节间的纵焊缝 （L-1至L-9中的子接头A）和环向接头C-1、C-2和C-4中的子接头A可用埋弧自动焊 （SAW）焊接。最后合拢的那道环焊缝，即接头C-3中的子接头A（如图1和图2所示），里侧坡口可用熔化极气体保护焊 （GMAW或FCAW），外侧用埋弧自动焊 （SAW）完成。

接管与容器本体间连接的子接头C(见图3)，可按公称直径大小分别用熔化极气体保护焊（GMAW或FCAW）或手工电弧焊 （SMAW）焊接。不管用何种方法，用户建造规格书都希望能用钨极氩弧焊 （GTAW）打底。

（2）钛与钛之间焊接

钛与钛的焊接只能使用钨极氩弧焊（GNAW）。

（3）钛与钢之间钎焊

图3中，各接管上的子接头G为钎焊接头，使用火焰钎焊 （torch brazing，即TB）法完成。

这样完成该容器焊接和钎焊最多需要5份焊接工艺规程 （WPS）和1份钎焊工艺规程 （BPS），见表2。

表2 需要的焊接工艺规程（WPS）和钎焊工艺规程（BPS）

3.2 产品焊接 （钎焊）工艺文件的编制

本节讨论产品焊接 （钎焊）工艺文件的内容，包括接头识别图、接头识别表 (见表3)以及焊接和钎焊工艺规程等。

3.2.1 接头识别图

由前面的分析可以看出，在钛复合钢板制造的压力容器上，绝大部分接头都是由很多个子接头构成的复杂接头，要想和通常情况一样，把这些接头

在一份像图1那样的接头识别图 （weld map）上一一表示出来是相当困难的，甚至是不可能的。为此作者提出在通常的接头识别图基础上，再补充像图2和图3那样的两份子接头划分图，情况就清晰了。图2和图3具有图例 （legend）的性质，可以通用。只要是钛复合钢板产品，都可以用。例如PTA项目中，还有其他由钛复合钢板制造的压力容器，如第1和第2脱水塔 （dehydration tower）。在编制这些容器的焊接工艺文件时，这两份图照样还能用，就是以后遇到同类产品也能用。这是一劳永逸的事。

表3 样本容器的接头识别表

有了像图2和图3那样的具有图例性质的结构划分图后，在像图1那样的接头识别图上标识接头编号就可以大大简化，就像非复合材料压力容器一样，而直接使用设计图样上的接管编号就行。

在为钛复合钢板压力容器编制的焊接 （钎焊）工艺指导文件中，接头识别图应该包括像本文图1、图2和图3那样三部分。

3.2.2 接头识别表

表3是为样本容器编制的接头识别表。从表3中可以找到焊接 （或钎焊）每个接头或子接头使用的焊接或钎焊工艺规程，以及焊接或钎焊工艺规程中需要具体化的信息，或供选择的其他指导性信息（表3中 “其他” 栏）。

在表3中，序号1和序号2是对两个封头上拼接焊缝的规定。它们的差别在焊接位置上。

序号3至序号5是对容器筒体上纵环焊缝的规定。它们与封头上拼接焊缝的差别是，焊接都是在平捍位置完成的。基层碳钢焊缝 （子接头A）的焊接方法，除C-3内侧采用GMAW （或FCAW）外，其余都用埋弧自动焊。另外，双面全采用埋弧焊和仅内侧才用埋弧焊 （C-3），坡口间隙和钝边大小也不同。

序号6至序号7是关于与接管有关的各个连接接头的施焊规定。序号4中的接管大，最小公称直径为150 mm，序号5中的接管公称直径都较小。它们之间的差别在于填充坡口的焊接方法分别为GMAW（或FCAW）和SMAW上。其余都相同。

接管上的子接头A、B和C是在钛衬里还没有装入钢接管内之前焊接的，都可以在平焊位置完成。其余子接头的焊接或钎焊，都是在通过子接头C把接管焊接到容器本体上以后进行的，焊接或钎焊位置各处不一样，其中最困难的是仰焊（U）和钎料向上流动方向（C）（参见文献[4]的QB-461.1）。

3.2.3 焊接和钎焊工艺规程

焊接样本容器需要的焊接和钎焊工艺规程（WPS和BPS）就是表2中所列的那6项。它们都需要附在接头识别图和接头识别表后面，以供焊工和钎焊工实际操作时使用。

至此，加上封面 （供样本容器制造使用），一份完整的焊接工艺指导文件就完成了。遵照接头识别表 （表3）中指定的焊接工艺规程 （WPS）和钎焊工艺规程 （BPS）中规定的参数和表中的补充信息，每个接头及子接头的焊接或钎焊操作就完全有效地被置于控制之下了。这正是ASME规范所要求达到的目的。

4 结束语

（1）锅炉、压力容器和核设备上的受控焊接（钎接）接头必须编号，以便识别，这是绝对要求。但只要表达清楚，对编号方法和表达方式并没有统一规定。

（2）面对表达复杂接头的困难，本文提出了一种解决办法。它的特点体现在绘制接头识别图上。

（3）按本文提出的方法绘制接头识别图的要点是，总体简化（如图1），局部细化（如图2、 图 3），以局部补充整体，从而实现逻辑跟踪识别的目的。

[1]2W-001,Rev.1,Spec ification for General Welding Requirements,Fluor Daniel International Inc[S].

[2]郭晶，李艳，史雪芬.焊接工艺规程编制、评定和应用中的若干问题 [J].石油化工设备，2010，39（4）：46-52.

[3]郭晶，古敏.焊接工艺规程的编制、评定和应用 [J].石油化工设备，2010，39（5）：83-89.

[4]ASME Code,Section VIII,Division 1， Rulesfor Construction of Pressure Vessels[S].2010 Edition with 2011 Addenda,ASME,New York.

[5]ASME Code,Section IX， Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures,Welders,Brazers,and Welding and Brazing Operators[S].2010 Edition with 2011 Addenda,ASME,New York.

Logical Expression of Complex Welded Joints in Welding Process Guidance Document

Feng Aixiu Han Yalin Zhang Li Guo Jing

Taking a pressure vessel made of Ti-steel clad plate as an example,put forward the method to express the complex welded joints in welding process guidance document.

Weld joint;Sub-joint;Welding;Welding procedural document;Pressure vessel;Clad steel plate

TG 441

2013-02-27）

*冯爱秀，女，1981年生，工程师。大连市，116032。