厚壁不锈钢高压容器的焊接

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本文介绍了利用时代焊机对厚壁（δ76mm）不锈钢进行埋弧焊及手工焊；焊接采取强制冷却方法提高生产效率，通过做焊接工艺模拟试板，确定了焊接工艺参数，保证了焊接质量，使水压试验、气密试验一次通过；通过调整探伤设备工艺参数，采用组合检测的方法，实现了厚壁材料的射线探伤。
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$ D/ a+ A, }  @! F1前言
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/ e$ s7 ^7 v- A7 B* t* s/ M为某研究所生产的高压容器，材质为不锈钢，壁厚76mm，要求液压试验压力19.8MPa，气密试验压力15.8MPa, 在工厂现有的生产条件下，该容器在材料焊接、探伤等方面存在着诸多的难题，对制造工艺提出了很大的挑战。随着加工过程中一个个技术难关的解决，首次突破厚壁不锈钢的焊接，实现焊缝探伤一次合格率达到100%。另外，在现有的射线检测设备（ICM-3205）最大透照能力：40mm（Fe）的情况下，首次通过调整工艺参数和利用组合检测的方法解决了厚壁不锈钢材料射线探伤的难题。

3 M2 A: a4 l; o4 D8 ]2产品介绍
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2.1结构

此容器属于三类立式高压容器，内径1200mm，筒体长度3720 mm，罐体总长6933mm。筒体材料0Cr18Ni10Ti, δ76mm，Ⅳ级锻件；球形封头材料0Cr18Ni10Ti，δ60mm板材。介质：推进剂。
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2.2主要技术指标

' |4 e- q5 h$ J( M7 j( s2.2.1A、B类焊缝100%RT+20%UT检测，合格级别RT-Ⅱ（AB级），UT-I；C、D类焊缝100%PT，角焊缝要求全焊透，合格级别PT-I。
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+ i6 v  m& d8 b* n' D$ z2.2.2液压试验压力19.8MPa，气密试验压力15.8MPa。

+ V: v- n; e. Q' K* o1 f2.2.3设备内表面机械抛光，粗糙度Ra3.2，然后清除油污做酸洗钝化，用蓝点检测。
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! T* w) M2 e" V# t/ p3关键工序的控制措施

3.1 Ⅳ级锻件试样锻环的制备

此产品的锻件均为Ⅳ级锻件，每件上截取20mm试样锻环进行复验，这样下来特别费料。经与锻造厂家协商在满足锻制的条件下，尽量合并锻制, 就可以共用一件试样锻环，避免材料浪费。

3.2 设备内表面必须机械抛光，粗糙度为Ra3.2

考虑到筒体、补强管、法兰、法兰盖是锻件，此项要求可以在机加工中一并完成。最后只抛光环焊缝及附近区域。
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3.3 焊缝收缩余量的确定
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6 t( D  B6 {, r3 l6 e+ z) d面对δ76mm板厚，在前期工艺试验时测量了焊缝收缩余量2~3mm，在中间三段筒体装配焊接时，又进行了现场跟踪。确定了实际产品焊缝收缩余量为3.5mm，因此就可以确定调节段长度。最终保证罐体总长误差≤2mm。
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3.4 与封头装配的筒体端的坡口确定（如图1所示）

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筒体δ76mm，球形封头如图2所示，下料厚度δ60mm，冲压后最薄处厚度≥52mm。

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在每个球形封头车掉60mm直口后, 沿圆周测量8点，计算平均厚度61mm, 针对此厚度，对应的筒体装配端做相应内外消边，坡口如图3所示。

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这样就实现了封头与筒体错边≤0.5mm的装配，确保焊缝装配一次交检合格，保证后道工序的焊缝质量。

) X9 G( ^9 p: z5 E) `8 ?, {# v3.5水压排气管工装的制备
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打水压时卧置，利用余料Φ10mm ×3mm，一端切45°斜口，弯管，朝向处于最高位置管口，排气管与另一管口堵盖配做焊接，排气管45°斜口到达壳体内壁最高处，水出来后表示最高点的气体已经排干净。
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4制造过程中关键点、技术难点
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. V0 ?6 O5 Y" K4.1焊接材料的选取

8 X" G2 G) _: n- T4.1.1原材料分析

. n1 n% P! P# H# G# `/ t材料进厂后，对封头钢板及筒体锻件进行材料复验，化学成分见表1；力学性能复验，结果见表2。复验结果符合有关标准要求。

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4.1.2焊接材料的选用
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根据0Cr18Ni10Ti化学成分和标准规定的要求，为了保证产品的抗腐蚀性、强度、延伸率、焊缝化学成分等要求，工艺评定和焊接工艺选择了与母材化学成分接近的焊接材料。手工电弧焊选择焊条为R132焊条，埋弧自动焊选择H08Cr19Ni10Ti焊丝和HJ260 焊剂。
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4.2焊接工艺参数的选取

( ~3 A* |' b+ Y" `* n7 N* S在产品制造前期，制作了焊接工艺模拟试块3件，如图4所示，根据现有的设备加工能力及工人的操作习惯, 单面采用二次变角度V型坡口。采用小的线能量，控制层间温度≤60℃，焊接侧反面采用持续自来水降温。3件试块焊缝经射线、超声波探伤，机械性能试验，质量良好。考虑到焊接变形问题，其中第1件焊接坡口如图5，钝边2mm。经过测量焊接变形≤1mm，焊接变形可以得到有效控制。

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鉴于产品焊接时间正好处于炎热的夏季，筒体内径只有Φ1200mm，操作空间狭窄，为了改善工人操作环境, 将筒体内侧坡口深度改为15mm，如图6。

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依然采用小的线能量，控制层间温度≤60℃，焊接过程中焊接侧反面依然采用持续自来水降温。焊接参数见表3。

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考虑到便于装配，坡口留2mm钝边，不锈钢焊接熔深很浅，焊接时反面刨深度在4~6mm；另一方面导电嘴直径Φ30mm，枪嘴伸进焊缝最深60 mm。反面气刨后，枪嘴活动空间不够，反面要增加两遍手工焊，才能上埋弧焊。综合考虑工人的操作环境及埋弧焊机的使用空间，在图6的基础上将设备内坡口深度15mm改为25mm。
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为保证焊缝内在、外在质量，将原来小的线能量再次下调，控制焊接质量措施不变。焊接参数调整后如表4所示。

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3焊接结果

4.3.1焊缝探伤
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- z% M/ E6 P% t1 d. Y5 r, t焊接完成后按JB4730.2-2005进行100%RT-Ⅱ探伤，并按JB4730.3-2005进行100%UT-Ⅰ探伤复检，结果为合格。
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8 c6 c) R8 d, @& y3 c; A! F# I/ o4.3.2力学性能试验

: I  c. W' {9 C& f- Y按照JB4709-2000和图纸要求，对产品试板取试样及试验结果见表5。

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通过不断试验，改进坡口型式及焊接工艺参数，制定了合理、有效的焊接工艺。将这些试验数据严格应用于产品的制造过程，保证了焊缝一次交检合格率100%，水压试验、气密试验一次通过。

4.4技术难点
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. E) h7 v  y# ?) N2 N' ]& e3 [按照目前现有设备的能力，对焊缝进行射线探伤时若采用常规的拍片方法，因设备的射线能量穿透能力不足，此厚度焊缝射线探伤无法实现。探伤人员通过工艺试验，采取一系列有效措施，解决了这一难题。
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4 n! w, c; I) t6 u0 y4.4.1选取中等颗粒度胶片，配合使用铅箔增感屏（前屏：0.03mm，后屏：0.1mm），加强增感效果，提高感光速度，避免曝光时间过长影响底片清晰度；

4.4.2适当延长曝光时间，提高曝光量，满足射线底片黑度要求；

9 R8 z2 \+ j7 M( ^8 A& _4.4.3使用3mm厚的铅板加强背防护, 并对不需要检测的部位用铅板进行遮挡，避免工件和环境产生的散射线影响底片清晰度，提高了透照灵敏度；

, u# T7 ~6 f( j4 n4.4.4洗片时适当提高显影药液温度, 提高显影速度，避免显影时间过长造成底片灰雾度增加，提高底片清晰度。
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$ e# F: V7 \# y8 h  A针对此板厚，为解决焊缝存在超标缺陷，避免返修时气刨太深，补焊容易再次产生缺陷，提高一次焊接合格率，在焊到40mm深左右时，先采用射线探伤，排除超标缺陷，全部焊完后再进行第二次射线探伤。
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; l  Y. ~% O* Y) N" p最后用TOFD超声技术对焊缝中的危害性缺陷如裂纹和坡口未熔合再进行检测，最终保证焊缝质量满足设计技术要求。

5加工中需改进的问题

: F) m! E' h& e8 _* a+ t5.1封头开孔处坡口角度的确定
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坡口按常规做成50°~55°，焊接填充量很大，焊缝较宽。但对于高压容器要保证焊透，反面必须清根，由于角度小，清根不容易实现，尤其对人孔等较大孔，因此将工艺开孔处外侧下面坡口角度30°调整为45°，同时内侧坡口深度15mm改为25mm，角度由40°改为35°做了相应的调整。具体见图7，图8，以此保证焊透，同时减少了焊接工作量。

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5.2人孔法兰螺母的拧紧工装
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2 r' i6 C1 G. g& ]4 d  v单台人孔法兰螺母20件，M48mm ×3mm，由于没有对应的液压拉伸器, 装配时显得尤其困难，况且水压、气密测试时反复拆卸、装配，工作量很大，临时自制套筒及管钳，才解决了这一问题。

6结束语

6.1 首次突破不锈钢厚板的焊接，实现焊缝探伤一次合格率达到100%，水压试验、气密试验一次通过。

7 \* H( a4 w5 Z+ Z6.2 在现有的探伤设备ICM-3205透照能力不足的条件下，通过调整工艺参数和探伤方法的组合，实现了厚板的射线探伤。
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6.3 实践证明，利用该焊接工艺焊接的焊缝，各项指标均满足NB 47015 标准及图纸的各项要求。采用该工艺生产的两台推进剂容器已投入运行1年多时间，运行平稳，无质量问题反馈。