压力容器焊接新技术及其应用

韩光华，王 兴

（廊坊广厦新源石化设备制造有限公司，河北 廊坊 065600）

0 引言

压力容器一般在高温高压下运行，通常包含易燃、易爆和有毒介质。如果由于设备故障而发生事故，很容易威胁到人员、设备和财产的安全，并可能引起环境污染事故，因此被列为重要管制产品，由国家指定的专门机构根据国家法规和标准进行安全监督和技术检查。焊接技术是压力容器制造过程中的关键技术，焊接质量直接关系到压力容器制造质量安全。因此，高质量、高效率的焊接新技术有助于实现压力容器制造的高效率，并确保本质安全。

1 压力容器的概念

压力容器主要是指由圆柱体、支撑件、法兰、密封元件、开孔、封头和接管等组成的承压设备，被广泛应用于石油化工、航空航天、医药、核电热电以及机械等领域。压力容器的工作环境恶劣，常年在高温高压、腐蚀等恶劣条件下服役。因此，压力容器的质量是否符合要求极其重要，焊接工艺亦是检验其质量的重要一环。在现在的压力容器生产企业中，通常需要专业人员根据具体需求去查找相关的焊接工艺文件，这样难免会造成浪费时间和产生误差，管理人员的过度干预、上下级传达时出现的误差等主观因素，制订的不同焊接检验标准都会影响焊接质量。通过建立压力容器焊接数据库系统使专业技术人员更便于评定焊接工艺查找相关焊接工艺标准，将现有的合格焊接工艺评定建成数据库。根据新的压力容器焊接工艺评定项且由计算机对比查询合格的焊接工艺评定报告并输出对应的焊接工艺卡，大大节省时间、人力和物力，从而提高工作效率。

2 压力容器焊接过程概述

2.1 压力容器焊接技术的主要特点

由于压力容器用于容纳不同的物品，压力容器的制造要求也不同。低压、高压和超高压容器必须使用不同的焊接材料，并且由于对厚度的要求不同，所以，压力容器焊接技能表现出不同的特征，如当前使用最广泛的是金属连接技术。

2.2 压力容器的焊接工艺流程

压力容器焊接技术的主要过程是焊接设备的使用、工作检查、材料管理等。为了提高压力容器的耐用性，必须定期维护焊接设备，使设备能够安全运行。此外，应维护和检查电流表和电压表，以确保设备正常运行。另外，有必要选择合适的焊接材料并满足压力容器的要求，以避免诸如材料混淆和错误之类的问题；有必要检查焊接操作，详细检查焊接材料，准确控制焊接速度、时间、温度等数据，并按标准进行焊接；有必要在焊接后检查压力容器的耐压性，并确保压力容器可以有效使用。

3 压力容器焊接技术

3.1 厚壁压力容器的焊接技术

焊接操作经常会涉及高空焊接工艺，如大型塔架的空中焊接、大直径容器喷嘴和壳体的焊接、密闭空间（例如高压小直径厚壁容器）的焊接、极度危险介质容器的焊接以及内部维修等，这会给焊接操作人员带来安全隐患，因此迫切需要安全、高度自动化和高效的焊接技术。厚壁压力容器的传统焊接技术是单丝埋弧焊和电渣焊，使用窄间隙焊接技术，通过减小凹槽的横截面积来减少焊接热量输入。

3.2 不锈钢复合板压力容器的焊接技术

不锈钢复合板是以碳素钢或低合金钢为基层，以不锈钢为复层的双金属复合板。通常，双金属复合板通过爆炸法、冷轧法或爆炸冷轧法制成，具有不锈钢的耐腐蚀性，并且碳钢和低合金钢具有低成本的优点，因此被广泛地用于冶炼、石油、化工等领域的塔槽设备材料。复合板的焊接不同于单金属的焊接，是对两种具有大的物理性能、化学成分和组织的材料进行焊接。由于两种金属的膨胀系数不同，因此在焊缝附近会引起焊接热应力。

3.3 承装腐蚀介质的压力容器焊接技术

当前的新表面处理方法是电渣表面处理，与以前使用的带极埋弧堆焊表面处理相比，其具有熔化效率高、均匀的渗透和稀释率低于带极埋弧堆焊的优点。单层表面处理可以满足性能要求，同时减少工作量，表面处理层形成良好，不容易产生夹渣、表面质量差、平坦度低等缺陷。助焊剂只需要在焊接方向的正面遮盖，而埋弧焊必须用焊剂覆盖整个焊接区域。

3.4 弯管内壁堆焊技术

在化工行业，压力容器由于长期承装各类化学药品，在使用中几乎无时不刻不受到腐蚀，为延长压力容器使用寿命，防止出现腐蚀事故，就需要在压力容器内壁进行耐腐蚀层堆焊。一般而言，压力容器直管耐腐蚀层堆焊工作难度较低，相对而言存在较高操作难度的就是弯管堆焊。根据弯管角度不同，弯管堆焊可分为30°堆焊与90°堆焊两种。30°弯管堆焊所使用的堆焊机具有五轴协动功能，可以通过构建简单的数学模型进行控制，从而使内壁焊道更为整齐，焊接也更为稳定。其采用的焊接工艺主要为TIG 焊和等离子弧焊，可以沿弯管内壁自动堆焊。90°弯管堆焊出现较晚，过去常将90°弯管进行分割后使用30°堆焊。与30°堆焊不同的是，90°堆焊并非环向堆焊，而是纵向堆焊。在焊接过程中通过控制工件的二维运动确保焊道的稳定性，所采用的焊接工艺为GMAW 焊。

3.5 窄间隙埋弧焊技术

根据用途不同，压力容器的设计承受压力也不相同，承压要求较高的压力容器的容器壁也更厚，而传统的焊接技术就会难以满足要求，无法保证容器使用的可靠性。针对容器壁较厚（＞100mm）的压力容器，更为先进的窄间隙技术则比传统UV 焊更能满足要求，其中使用最为广泛的是窄间隙埋弧焊。部分企业为使焊缝更窄，采用了窄间隙TIG 焊，与窄间隙埋弧焊相比，窄间隙TIG 焊在效率及焊缝上都存在优势，这一技术容错率低，由于焊缝太窄，因此焊接出现问题修复的难度较高，窄间隙埋弧焊更加适用于厚壁容器的焊接。在焊接工作中使用窄间隙埋弧焊应注意焊道的稳定性与熔合状态，同时应使焊道尽可能薄而宽，充分利用焊接所产生的热量，可以有效提高焊接效率，同时也可以避免母材过热而影响其金属性能。目前窄间隙埋弧焊在我国使用极为广泛，技术较为成熟，同时还发展出了更为先进、稳定、高效的双丝窄间隙埋弧焊，可以更好地满足厚壁压力容器的制造需求。

3.6 接管自动焊接技术

3.6.1 接管筒体焊接

接管筒体自动焊接一般采用马鞍形埋弧自动焊机，而过去我国所采用的焊机主要通过机械方式实现焊枪的马鞍形轨迹运动，在实际运用中存在一定缺陷，如厚度过大、焊缝坡口过大等。现今主要使用的均为数控自动焊机，可以根据接管和筒体的具体尺寸，通过计算生成相应的马鞍形轨迹，在操作中只需要手动输入相关参数，即可开始焊接。数控马鞍形埋弧自动焊机弥补了传统自动焊机的缺陷，可以适应不同厚度工件的焊接工作。

3.6.2 接管封头焊接

根据接管方向不同，接管封头焊接可以分为向心与非向心两类。接管封头焊接使用封头接管埋弧自动焊机，可以对焊接容器进行自动定心，消除了过去人工定心的误差，有效提高了焊接的准确度。在焊接过程中，封头自动焊机可以对整个过程进行实时跟踪调整，从未可以确保焊接的稳定性。

3.7 TIG 焊与MIG 焊

3.7.1 TIG 焊

TIG 焊（熔化极惰性气体保护焊），常用的钨极氩弧焊就是一种TIG 焊，在尺寸较小或器壁较薄的压力容器焊接中较为常用。TIG 焊可以较好地保证容器的密闭性，由于使用了氩气保护与钨电极，TIG 焊稳定性较高，不通电的焊丝则不会发生溅射，从而可以防止容器在焊接中出现气孔。TIG 焊操作程序较为复杂，在工作效率上不具优势，相比于其他焊接方式，TIG 焊的成本也要稍高一些。

3.7.2 MIG 焊

MIG 焊（熔化极惰性气体保护焊）也是一种惰气保护焊，与TIG 焊不同的是MIG 焊用焊丝取代了TIG 焊中的钨电极，在焊接过程中，焊丝电极会在高温下融化并融入焊缝。MIG 焊可以适应不同位置的焊接工作，具有较高的焊接效率，焊缝美观性也较高，相比于TIG 焊，MIG 焊得到了更为广泛的应用。

3.8 激光复合焊接技术

尽管TIG 焊与MIG 焊具有许多有点，但依然存在不足，如TIG 焊焊接效率较低，而MIG 焊使用氩气保护时电弧控制难度较大等，为满足压力容器生产需求，更为先进的激光符合焊接技术应运而生。目前应用较多的激光电弧复合焊接技术可以提高电弧的控制性，使焊接稳定性大大提高，并具有与MIG 焊相当的工作效率。近年来，随着数字化技术的融入，复合焊接技术的优势愈发明显，而其应用也越来越广泛。

4 结语

压力容器需要保证在承压条件下的密闭性，在制造过程中需要采取多种新型焊接技术将材料严密结合，确保压力容器正常使用。在压力容器的制造过程中，焊接占据了相当大的比重，而焊接工作的质量一定程度上也决定着压力容器的可靠性。为提升压力容器的可靠性，降低其使用风险，提升焊接技术、改良焊接方法很有必要。