06Cr19Ni10奥氏体不锈钢球罐的焊接
摘 要：本文通过对06Cr19Ni10奥氏体不锈钢焊接性的探讨，分析了06Cr19Ni10焊接接头中常见焊接缺陷及防止措施，并制定了合理的焊接工艺，采用小电流、小线能量的多层多道焊，对焊接各环节进行严格的质量控制，从而使不锈钢球罐的焊接质量得到了保证。
关键词：06Cr19Ni10；不锈钢；球罐；焊接
中国分类号：TG47 文献标识码：A
Welding of 06Cr19Ni10 Austenite Stainless Steel Spherical Tank
FAN Ji-ming
（Jiangsu Huaian Technician College，Huaian 223001）
Abstract: This article analyzes the common welding defects and protective measures through the disscussion to 06Cr19Ni10 austenite stainless steel welding, reasonable welding process is prepared as well, the multilayer and multirun welding of low current and small energy input were used to take strict quality control on each welding step, so the welding quality of the stainless steel spherical tank could be assured accordingly.
Key words: 06Cr19Ni10；stainless steel；spherical tank；welding
随着我国经济的飞速发展，对各类压力容器储罐的质量要求也不断提高，压力容器储罐的制造技术也随之不断创新和进步。扬子石化的400m3环氧乙烷球罐是我国第一台06Cr19Ni10奥氏体不锈钢球罐，重量32126Kg，壳体厚度12mm，设计压力0.5MPa，壳体内径Φ9200mm。球罐属于赤道正切式支撑、混合瓣式单层球罐，由赤道带、上温带、上下极板等4带组成，共有38块球壳板，其中赤道带板16块，上温带板16块，上、下极带板各3块，对接焊缝长度约228m，焊缝100%无损检测。
06Cr19Ni10属于奥氏体不锈钢，其组织为奥氏体(A)加3%-5%铁素体(F)，具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械性能，用于制造压力容器储罐，既能保证储罐的使用强度，又能满足储罐对耐蚀性的特殊要求；但如果焊接材料选择不当或焊接工艺不正确，极易出现应力集中、夹渣、气孔与焊接热裂纹等缺陷，此外，因其导热性能差，线膨胀系数大，焊接变形也较大[1-3]。
1 焊接性分析
06Cr19Ni10不锈钢球壳板是由大连金鼎石油化工机器有限公司制造，单片球皮压制而成，化学成分及机械性能如表1所示：
表1 06Cr19Ni10的化学成分(%)及机械性能
Table 1 Chemical compositions and mechanical properties of 06Cr19Ni10
名称 C Si Mn P S Cr Ni N
标准值 ≤0.08 ≤1.00 ≤2.00 ≤0.035 ≤0.03 18.0~20.0 8.0~10.0 —
测定值 0.044 0.37 1.01 0.031 0.002 18.0 9.05 0.046
名称 屈服强度δs（MPa） 抗拉强度δb（MPa） 伸长率δs（%） 硬度（HB）
标准值 ≥205 ≥520 ≥40 ≥90
测定值 230 615 62 149
由表可知，其基本化学成分是C：0.044%，Cr：18%，Ni：9.05%。其中Cr是决定不锈钢抗腐蚀性能的主要元素，因为钢中含铬就能使不锈钢在氧化介质中产生钝化现象，即在表面形成一层致密的氧化膜，从而使钢材具有抗氧化性和抗渗碳性能[4]，并对钢材的机械性能和工艺性能都能起到很好的强化作用。Ni与Cr配合使用时，可使金相组织由单相的铁素体变为奥氏体和铁素体双相组织，经过热处理，可以提高强度，从而使其具有更强的不锈耐蚀性和良好的形变性能。而P、S为钢中的有害物质，含量稍高就会严重影响钢的塑性和韧性，P能够使钢产生冷脆性，S则产生热脆性。
1.1 热裂纹
热裂纹的产生主要是因为奥氏体不锈钢在焊接熔池结晶过程中，导热系数小、线膨胀系数比较大，容易出现晶界偏析，偏析出现的物质多为低熔点共晶和杂质，它们在结晶过程中，形成抗变形能力很低的液态薄膜，最后结晶凝固，当焊接拉应力足够大时，就会发生开裂[5]。由于热裂纹的产生与应力的因素有关，因此，应该正确的选择焊接材料和焊接工艺，采用适当的焊接线能量，严格掌握层间温度，以缩短焊缝金属在高温区的停留时间，尽量降低接头应力，避免应力集中，并采用多层多道焊。
1.2 未熔合
产生未熔合的根本原因是焊接热量不够，被焊件没有充分熔化造成的。其原因包括：电流太小，焊速太快，操作不当，起焊时温度太低，坡口及先焊的焊缝表面上有锈、熔渣及污物等。为了防止未熔合现象的出现，焊接过程中应该选择适当的电流(稍大)、焊速(稍慢)，正确的极性，注意母材熔化情况，将坡口及前道焊缝上的熔渣及赃物清除干净，起焊时要使接头充分预热，建立好第一个熔池。
1.3 夹渣
夹渣主要是由于操作原因，使熔池中的熔渣来不及浮出，而存在于焊缝之中。主要原因包括：焊接电流太小，熔深太小；焊速太快，熔渣来不及浮出；前一层的熔渣清理不干净，接头处理不彻底；坡口处有锈、垢、泥沙等。主要的防止措施有适当调节(加大)焊接电流；控制焊接速度，造成熔渣浮出条件；彻底清理前一焊道的熔渣；彻底清理坡口的油污、泥沙、锈斑等。
1.4 未焊透
导致未焊透的原因有间隙过小，坡口歪斜，错边严重；电流过小，焊速过大，电弧偏吹，起焊处温度低；双面焊清根不彻底，坡口根部有锈、油、污垢，阻碍金属很好地熔化。因此，为了有效的防止焊接未焊透，应选择合适的坡口形式；调节电流(稍大)、焊速(稍慢)，使接头充分预热，建立好第一个熔池；双面焊清根要彻底，坡口及钝边上的油、锈、渣、垢一定要清理干净。
1.5 气孔
出现气孔主要原因有：空气湿度太大；焊条温度太低，焊丝表面不清洁；焊材、母材上的油、锈、水、漆等污物未清理干净；焊速太快，气泡来不及逸出。因此，要严格控制焊条的烘干温度和保温时间；彻底清理坡口及焊丝上的油、锈、水、漆等污物；多层多道焊的各层各道的接头要错开，防止气孔密集；适当增加热输入量，降低焊接速度，以利气泡逸出。
综上所述，应选取正确的焊接材料， 制定合适的焊接工艺， 严格控制焊接工艺参数，采取合理的焊接顺序，以提高06Cr19Ni10不锈钢球罐的焊缝质量和性能。
2 球罐焊接质量控制
根据现场施工条件，在球罐焊接施工前，应做好必要的准备工作，包括焊接工艺评定、焊工资质确认、焊接设备检验及准备、支柱安装、球壳板检查及组装等[6]，在焊接过程中，焊接材质、焊接顺序、焊接工艺及无损检测制定如下：
2.1 焊材选择
在选择焊接材料时，一般按等强度原则进行选择，既要满足焊接工艺性要求，使接头成分与母材匹配，又要满足强度性能要求[7]。选择使用GTS-308焊丝和A102焊条，其化学成分分别见表2、表3：
表2 焊丝GTS-308(H08Cr21Ni10Si)的化学成分(%)
Table 2 Chemical Composition of GTS-308(H08Cr21Ni10Si)
成分 C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu
标准 Max
0.08 0.3~
0.65 1.0~
2.5 Max
0.03 Max
0.03 19.5~
22.0 Max
0.75 9.0~
11.0 Max
0.75
填料金属 0.02 0.5 1.63 0.021 0.003 19.9 0.07 9.6 0.06
表3 焊条GES-308(A102)化学成分(%)
Table 3 Chemical Composition of GES-308(A102)
成分 C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu
标准 Max
0.08 Max
0.9 0.5~
2.5 Max
0.04 Max
0.03 18.0~
21.0 Max
0.75 9.0~
11.0 Max
0.75
填料金属 0.045 0.71 1.35 0.03 0.003 19.9 0.02 9.7 0.12
2.2 焊接顺序
为了使焊接过程中产生的应力分布均匀，减小球罐焊接变形，要做到均匀配置焊工，同时对称焊接，并安排好焊接顺序。焊接顺序的原则是先纵缝，后环缝，先大坡口，后小坡口；顺序为：赤道带纵缝→上温带纵缝→上温带与赤道带环缝→上、下极板纵缝→上、下极板环缝。
2.3 焊接工艺
根据焊接性分析，为防止上述焊接缺陷的产生，并减少焊接变形，采用图1所示的V型对接坡口型式，氩弧焊打底，电焊盖面的多层多道焊接工艺；氩弧焊时在外侧焊接，内部用氩弧把进行充氩保护，氩弧焊内外同步进行；采用小电流、小的线能量。焊接工艺参数如表4所示：
图1 接头形式示意图
Fig.1 Sketch-map of connector type
表4 球罐焊接工艺参数
Table4 Welding parameter of spherical tank
焊道
焊层 焊接方法 填充材料 焊接电流 焊接电压
(V) 焊接速度
(cm/min)
牌号 直径(mm) 极性 电流(A)
1 GTAW(正面) GTS-308 φ2.4 正接 80~110 10~12 6~8
1 GTAW(背面) — — 正接 40~60 8~10 6~8
2 SMAW A102 φ3.2 反接 100~120 24~26 10~12
3 SMAW A102 φ3.2 反接 120~140 28~30 13~15
4 SMAW A102 φ3.2 反接 100~120 24~26 10~12
2.4 焊缝质量检验
2.4.1 焊后外观检查
焊接过程实行多层多道焊，每道焊缝焊完后，应清除焊缝及两侧的熔渣和飞溅物，焊缝和热影响区不得有焊瘤、咬肉、未熔合、裂纹、咬边、气孔、弧坑及夹渣等缺陷，必要时对焊缝进行局部修整[8]。采用打磨方法去除焊缝表面焊波，打磨后对接焊缝的余高为外表面0～2.5mm，内表面0～0.5mm，超高部分应打磨掉。当球罐全部焊缝焊接完成后，应再次对罐体进行尺寸检查，包括：球体内径、圆度和焊缝角变形等。
2.4.2 焊后无损检测
当焊缝表面形状尺寸及外观检验合格后，再进行焊缝内部检验，检验方法采用100%RT 检验，并进行20%UT复验（包括全部T型接头），经无损检测，球罐对接焊缝共拍片2061张，合格2046张，一次合格率达99.27%，主要的焊接缺陷为夹渣、未熔合等。
2.5 焊接缺陷返修
通过无损检测确定焊缝内部缺陷的位置及性质，分析缺陷产生的原因，提出相应的返修方案，并作好焊接返修记录。焊缝的返修执行原焊缝焊接时的焊接工艺，为保证返修焊缝的质量，尽可能减少焊缝的二次返修。对返修及修补后的部位进行无损检测，返修一次性全部合格。
3 结论
(1) 所拟定的焊接工艺及规程科学、合理，满足有关规范、 标准的要求，同时也符合产品设计的技术要求，成功制备了我国第一个06Cr19Ni10奥氏体不锈钢球罐。
(2) 选用GTS-308焊丝和A102焊条，焊接性能良好, 满足06Cr19Ni10不锈钢球罐的设计要求。
(3) 采用小电流、小线能量的多层多道焊接，可明显改善和优化06Cr19Ni10焊接接头性能，提高焊接质量。
参考文献：
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