超高压容器堆焊修复工艺

超高压容器堆焊修复工艺
蔡养川，刘仁培，刘大双，成中庚
（南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏南京 210016）摘要：超高压容器因服役失效将带来巨大的经济损失和人员伤亡。

选择合理的堆焊修复工艺不仅消除安全隐患，而且大大降低生产成本。

本文从冶金和工艺两方面对其进行综述，总结了超高压容器堆焊修复常用的焊接方法、焊接材料和热处理等工艺，以期为进一步推广超高压容器堆焊技术提供技术指导。

关键词：超高压容器；堆焊修复；焊接材料
0 前言
超高压容器是指应用于化学工业、石油化学工业、粉末冶金和新型食品杀菌等领域，且承载压力超过100MPa的压力容器，因此对钢的强度、塑性和韧性有很高的要求。

在制造和使用过程中受到压力、温度、腐蚀介质的作用，产生许多缺陷，如表面裂纹、应力腐蚀、凹坑等[1]，由于超高压容器的压力高，因此一旦产生缺陷不及时修复，将带来很大的安全隐患，造成巨大的经济损失和人员伤亡[2]。

超高压容器常采用低合金高强度钢制造，其焊接性与低碳钢有所不同。

因此，保证焊接接头具有与母材同等强度的前提下具有较高的韧性是焊接工作者近年来研究的热点课题之一。

本文对近年来关于超高压容器堆焊修复的研究进行归纳总结，从多个方面阐述了提高焊接接头综合力学性能的方法。

1 需求分析
发生压力容器爆炸事故，其破坏力之大、波及面之广、伤亡惨重、损失惊人，教训极为深刻。

据统计，2000～2010年期间，我国发生的数百起压力容器爆炸事故的原因如表1所示。

表1 2000～2010年期间压力容器爆炸事故原因[3]（%） 设计方面制造方面失检失修
22.1 27.8 20.8
超负荷使用错误操作其他方面
14.3 8.8 6.1
由表1可以看出：设计、制造不合理，失检失修是造成压力容器爆炸事故的主要原因，而制造工程中焊接质量的好坏，将严重影响压力容器整体的质量。

因此，研究和生产具有良好焊接性能的焊材是迫切需要的。

2 超高压容器堆焊修复工艺
常用超高压容器结构有两种：（1）单体式超高压容器；（2）热套式超高压容器。

本文以这两种应用较为广泛的超高压容器结构为例介绍超高压容器的堆焊修复工艺。

2.1 单体式超高压容器堆焊修复工艺
单体式超高压容器在厚壁容器中采用最早、应用最为广泛。

整体锻造出的筒体质量较好，适合焊接性能较差的高强钢所制造的超高压容器。

因此，提高焊接接头的焊接性可以延长压力容器的使用寿命。

下面分别从焊接参数、焊接材料、焊接方法、热处理工艺等方面对单体式超压力容器堆焊工艺进行阐述。

2.1.1 焊接参数的选择
文献[5、6]系统介绍了焊接参数的选择原则，主要为：（1）直流反接电源。

为降低焊缝金属氢致裂纹敏感性，多选用低氢型或超低氢型碱性焊条，因此焊接电源常采用直流反接[7～9]；（2）选择合适电流。

焊接电流受焊条直径、焊接位置、焊道层次、电弧电压、焊接速度等因素影响，因此在保证焊缝所要求尺寸和质量的前提下选择合适的焊接电流；（3）低焊接热输入。

较高的焊接热输入会使焊接热影响区区域增大，且热影响区组织粗化，组织性能降低，故应合理地选择焊接电流、电压，减少焊接热输入[10]。

2.1.2 焊接材料的选择
合理地添加焊接材料中合金元素的含量可以改善低合金高强度钢焊接性[11]、提高焊接接头综合力学性能 [12]。

文献[13]介绍了新一代高强度船体钢的最新发展、强韧性特点及其强化机理。

文中采用的钢材化学成分如表2所示。

表2 工业试制钢的化学成分[14]（%）
C Si Mn P S Cu
0.046 0.30 0.60 0.013 0.003 1.19
Ni Cr Mo Nb Ti C eq
0.85 0.81 0.19 0.02 0.015 0.48
从表2中可以看出，工业试制钢板达到了超低碳、超纯度的合金设计要求。

钢的碳当量低（C eq=0.48），在保证钢材高强度和高韧性要求的前提下，具有良好的焊接性能。

文献[14、15]通过大量实验证明了含硼低合金高强度钢焊接接头焊缝金属和焊接热影响区的冲击韧性具有较高水平；文献[16]研究了低合金高强度非调质中厚板钢中添加稀土和Ca、Mg微量元素对大线量高能焊接热影响区显微组织微细化和晶内针状铁素体形成的影响；文献[17]对Ti微合金化高强度钢模拟粗晶区组织及韧性的研究结果表明，焊接热循环过程中，钢中弥散的TiN粒子可有效地阻止奥氏体晶粒的长大，促进针状铁素体析出，从而显著改善低合金高强度钢粗晶热影响区的韧性。

除了添加合金元素外，降低氢、氧、氮、磷、硫等有害元素的含量，也是减少焊接接头中焊接缺陷产生的必要条件之一。

在选择焊接材料时还应注意以下几个原则：（1）主焊缝及其热影响区的焊接强度通常要求高于或等于母材性能；（2）选择焊接材料时，焊剂与焊丝应相互匹配，不能任意组合 [18]；（3）通过多层多道焊焊接厚壁容器时，应采用脱渣性良好的焊剂[19]。

2.1.3 焊接方法的选择
单体式超高压容器筒体器壁较厚，通常超过100毫米，故常开“I”型深坡口，采用多层多道焊方式焊接[20]。

焊接方法为：先采用手弧焊打底，焊后挑焊根；然后采用埋弧焊或气体保护焊逐层堆焊，直至焊满。

常采用的焊接方法主要有两种方法：（1）窄间隙埋弧焊。

在深坡口的焊接中应用最为广泛，与普通埋孤焊相比，焊接工作量小、效率高、成本低、焊缝及热影响区粗晶少、韧性高、变形小[21]；（2）气体保护焊。

选用80%Ar+20%CO2混合气体作为保护气体，其具有电弧稳定性好、飞溅少、焊缝成形美观、焊缝清渣容易等优点。

近几年，随着技术水平的不断提高，压力容器的焊接技术逐渐向智能化方向发展，文献[22～26]展示了焊接厚壁压力容器的一些新技术：（1）双丝窄间隙埋弧焊技术；（2）接管马鞍形埋弧自动焊技术；（3）接管与封头的自动焊接技术；（4）新型激光复合焊接技术：激光-电弧复合热源焊接技术。

在高灵敏传感技术，计算机控制技术和精密机械高度发展的今天，焊接过程的全面自动化已从试验室进入工业生产领域，锅炉、压力容器和管道制造业有望率先实现焊接生产过程的全面自动化[23]。

2.1.4 热处理工艺的选择
焊接接头经焊接后组织形态发生改变，受力状态也发生变化，综合力学性能降低；且焊接接头不可避免的存在一些缺陷。

因此，合适的热处理工艺可以改变焊接接头组织性能，提高焊接质量。

1）焊前预热。

预热可以减缓焊接冷却速度，降低热影响区的最高硬度，减少硬化组织的产生；减少焊接区的温度梯度，降低焊接接头的内应力，并使其分布均匀；同时预热还有利于焊缝中氢的散出，因此是一种较好的降低高强度钢焊接冷裂倾向的措施。

确定焊件的预热温度应综合考虑几个主要因素[27]：（1）钢材的实际含碳量和合金含量；（2）被焊件的结构形状厚度和接头的拘束度；（3）所选用焊接材料的扩散氢含量；（4）所拟定的焊接工艺及操作技术；（5）焊件和周围环境温度；（6）施工条件和焊接环境的湿度。

2）紧急后热[28]。

由于冷裂纹存在潜伏期，所以在裂纹产生前应及时进行加热处理，即紧急后热，可以防止冷裂纹的产生[29]。

焊后及时进行后热处理，根据加热温度的高低，一般产生三种作用：（1）减轻残余应力；（2）改善组织，减轻淬硬性；（3）消除或扩散氢气。

后热温度随碳当量的增加而升高。

2.2 复合钢板制超高压容器的焊接工艺
复合钢板制超高压容器筒体结构可利用套合预应力，改善筒体内应力的分布不均匀性，提高材料利用率。

这种结构还可以抑制裂纹在层间的扩展，一定程度上保障设备的安全。

但是，这种筒体的堆焊工艺比单体式复杂。

文献[30]以M～A高压釜为例，着重阐述了厚壁不锈钢复合钢板的堆焊问题。

复合钢板厚壁压力容器常采用如图1所示的接头形式。

图1 纵环缝坡口图
焊接顺序为：基层内层采用手弧焊打底，并挑焊根；基层外层采用埋弧焊逐层堆焊；过渡层采用手弧焊；复层采用手弧焊焊满。

对于具有耐腐蚀要求的厚壁压力容器，只要根据不锈钢复合钢板的材质及厚度制定出合理的焊接规范及完善的工艺措施，就可完全取代衬里或堆焊复合层的制造方法，既保证了制造质量，又提高了生产效率，从而获得较好的经济效益[31]。

2.3 多次返修堆焊接接头热影响区性能的影响
压力容器修复后，可能会再次产生缺陷，是否可以进行多次返修，多次返修堆焊接接头的组织和性能有何影响。

文献[32、33]通过焊接热模拟试验得出了多次返修堆焊接接头热影响区组织和性能的影响：（1）多次返修会降低焊接热影响区的冲击韧性。

凡经过返修的，无论返修次数多少，同一温度的冲击韧性值均低于未经返修的冲击试样的冲击韧性值；（2）随着返修次数的增加，热影响区晶粒将逐渐粗化；（3）晶粒尺寸对钢脆性转变温度有一定影响，随着晶粒尺寸增加，钢的脆性转变温度升高。

因此，对同一部位返修的次数不宜超过两次。

3 结论
超高压容器因服役失效产生缺陷应进行及时修复，修复的好能够节省费用，提高经济效益，为生产赢得时间；处理不好就有可能使整台容器报废[34]。

修复低合金高强度钢制超高压容器，可从焊接材料、热处理工艺和焊接方法等方面提高焊接接头的综合力学性能。

且在修复时应注意以下几点：（1）选择与母材化学成分和性能相匹配的焊接材料，并严格控制焊接材料的碳当量；（2）选用低氢型或超低氢型焊接材料，且重视烘干、保存以及坡口的清理，以减少焊缝中的扩散氢含量；（3）根据母材的种类和设计要求，特别是板厚、强度、韧性要求、热处理要求、施工环境以及经济性等方面综合考虑适当的焊接方法；（4）厚壁压力容器堆焊修复时，应选用多层多道焊，并合理控制焊接参数，减少焊缝中的热输入，保证焊接接头组织的强度和韧性；（5）超高压容器堆焊修复后要经过严格的无损检测，并进行必要的水压试验，检验合格后方能使用。

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[作者简介] 蔡养川（1987～），男，山东济宁人，南京航空
航天大学材料科学与技术学院2011级硕士研究生，主要学。