江 苏 科 技 大 学
毕 业 论 文
专业次：专升本函授
学 号： 133111671012
姓 名：冯学胜
论文题目：窄间隙埋弧焊在加氢反应器筒节组焊中的应用
指导教师： 朱杰
2015年 5 月 10 日
目 录
摘要………………………………………………………….2
一 绪论………………………………………………………3
1.1窄间隙埋弧焊法的诞生及特点……………………4
1.2机头的方案及结构设计……………………………5
二 加氢反应器对焊……………………………………….8
2.1窄间隙埋弧焊机的操作流程…………………….8
2.2压力容器制造工艺编制依照的规范和标准…….9
2.3 筒节母材焊接性分析…………………………..11
2.4加氢反应器筒节组焊工艺流程…………………13
三 筒节组焊焊缝质量检测…………………………….16
3.1加氢反应器筒节组焊过程中的质量控制……….16
3.2窄间隙埋弧焊中常出现的缺陷及其控制措施….18
3.3 焊缝质量检测方法………………………………20
3.4 焊缝质量检测结果………………………………21
四 总结……………………………………………………22
五 参考文献………………………………………………23
六 致谢……………………………………………………24
窄间隙埋弧焊在加氢反应器筒节组焊中的应用
摘要
窄间隙埋弧焊是近年发展起来的经济效益很高的焊接方法。其坡口窄可以大大的提高生产效率，与普通的埋弧焊比较, 窄间隙焊所开坡口两侧面几乎平行, 厚度100～350 mm 的板材焊接, 坡口间隙仅为18～24 mm, 可显著节省熔敷金属量, 缩短焊接时间。窄间隙焊的另一个主要特点是, 由于焊接熔敷金属少, 焊缝收缩量小, 焊接内应力小, 对热影响区组织影响也小, 同时母材熔化量少, 焊缝金属受母材成分的影响较小, 其杂质和合金成分等对焊缝作用较小。从焊接的致密性、焊缝的强度和塑性来评定, 窄间隙焊都是良好的。此外, 整个焊接过程可完全自动化, 从焊缝底部到顶部可连续不停焊接, 焊道外形美观, 焊接缺陷少
中国二重重型容器厂引进的窄间隙埋弧焊装置在自动化系统方面具有高度跟踪系统, 保证焊丝干伸长度不变; 侧向跟踪系统保证焊丝距坡口侧壁距离不变; 脉冲传感系统在完成一圈焊缝产生合
适的重叠量后, 焊距能自动地由一侧移向另一侧; 焊接滚轮架设有防止筒体轴向窜动系统。由于导电嘴的厚度为14 mm, 且前段可摆动到与中心轴线成一定角度, 因此, 采用类似角焊的二道一层的熔敷方法, 就可以焊接坡口间隙为18 mm以上的工件。
正是由于中国二重成功引进了窄间隙埋弧焊， 从2006开始先后为中石化、中石油等单位先后生产很多容器项目积累了宝贵的经验，同时也为公司创造了巨大的财富。现在单位形成了一套完整的加氢反应器生产的工序流程和理论体系。
。
关键词：窄间隙埋弧焊 加氢反应器 筒节 组焊
一 绪论
窄间隙埋弧焊主要用于对加氢反应器筒节的组焊，加氢反应器也是一特殊的压力容器，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备。贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器均属压力容器。压力容器的用途十分广泛。它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。所以压力容器的制造难度大，焊接工艺编制及评定都很严格。通常采用较大的壁厚来保证其安全运行。由于壁厚较大，一般的焊接方法难以达到要求，这就对焊接手段提出了新的要求，经过技术人员长期钻研，即诞生了窄间隙埋弧焊。
图1-1 窄间隙埋弧焊正在对容器总装环缝施焊
1.1窄间隙埋弧焊的特点
在厚件结构制造中，由于壁厚较大，一般的焊接方法需加工较大的坡口，使焊接量增大，消耗大量的电能，导致成本大大增加。经过科研工作者的改进，将埋弧焊机的焊嘴的主要组成部分（导电嘴、焊剂喷嘴等）制成窄的扁形结构，这样就可以将坡口加工成窄间隙。减少了焊接工作量，节约了焊材和电能。降低了成本。窄间隙埋弧焊以其高效节能的特性横空出世了。它有以下特点：
1.1.1 焊接生产率高
导电的焊丝长度短，其表面又无药皮包覆，不存在药皮成分受热分解的限制，所以允许大电流通过。焊接坡口多为简单的I形，焊缝截面积小，填充金属量少，大大提高了生产效率
1.1.2 焊缝质量好
由于窄间隙焊时热输入量较低，使焊缝金属和热影响区的组织明显细化，从而提高其力学性能，特别是塑性和韧性。
1.1.3 焊接成本较低
由于焊件可开Ⅰ型坡口，金属加工量减少，焊接时的金属填充量大为减少，埋弧焊的热量集中，热效率高，在单位长度上消耗的电能也大大减少，因此，可获得较好的经济效益。
1.1.4 劳动条件好
窄间隙埋弧焊实现了焊接过程机械化，操作简便，因而大大减轻了焊工的劳动强度。另外，焊接时，电弧在焊剂层下燃烧，没有弧光的有害影响，放出的烟尘和有害气体也较少，所以焊工的劳动条件大为改善。
1.1.5 坡口加工及装配精度要求高
由于焊接过程机械化，电弧在焊剂层下，操作者不能直接观察电弧与坡口的相对位置，所以对焊件的坡口加工和装配精度要求较高。
1.1.6 焊接设备复杂，投资较大。
1.2 机头的方案及结构设计
窄间隙埋弧焊接时，可进行每层一道、每层两道或每层三道焊接。其中每层一道的焊接虽然效率较高，但易引起侧壁熔合不良、夹渣、焊缝成型系数过小(易引起结晶裂纹)、脱渣不易等问题，在窄间隙埋弧焊接中很少应用。而每层三道则由于坡口的加宽而降低了效率。因此，每层两道的焊接得到了普遍应用。
在每层两道的窄间隙埋弧焊接中，为了保证坡口侧壁的良好熔合而不出现夹渣等焊接缺陷，在每一个焊道焊接时，焊丝端头必须偏向各自接近的坡口侧壁。为了实现这一点，目前流行的是瑞典设计的窄间隙埋弧焊机头主要参照了ESAB公司焊头的结构，但做了以下几方面的改进：
1.2.1焊嘴部分的主体材料采用了既有良好机械性能、耐磨性又有良好的导电性能的铬锆铜而不是采用不锈钢，因而既有足够的强度、刚度，工作过程也较为稳定。
1.2.2导电嘴的摆直接采用气缸驱动而不是气——液转换驱动，因而结构更为简单可靠。
1.2.3导电部分的外表面采用了陶瓷喷涂而不是涂涂料，绝缘性良好且不易剥落。
1.2.4增加了焊嘴垂直度调整机构，可保证焊头在焊接纵缝和环缝两种位置都能与工件保持垂直。
1.2.5缩小了各附助部分的尺寸、减轻了重量，以便于与200X200ｍｍ２的小型十字滑板配合使用。
1.3 窄间隙埋弧焊的新发展
尽管窄间隙埋弧焊具有高效、省时和节能等优越性，但它应用的领域很有限。为此，科研人员经过坚持不懈的努力，近些年来，窄间隙埋弧焊有了较大的发展，相继出现了焊接过程自动检测，焊嘴在焊接间隙内自动跟踪导向及焊丝伸出长度自动调整，窄间隙双丝埋弧焊，热丝窄间隙埋弧焊等新的焊接方法。它应用范围有了较大的扩展，为推动制造业快速发展做出 了巨大贡献。
二 加氢反应器组焊
2.1 窄间隙埋弧焊机的操作流
2.2 压力容器制造工艺编制依照的规范和标准
我国自从五十年代开始对压力容器的安全管理与质量监督工作进行了一系列的探索与研究, 特别起始于具有使用多类别、多品种压力容器的化工、石油和石化系统。1955年国家在原劳动部设立了锅炉安全检查总局，开展对锅炉、压力容器和起重机械的安全监督管理工作。当时由于大规模工业建设发展的需要和引进大型化肥、化纤、石化装置的蓬勃兴起，行业主管部门组织编制颁发了一系列的规范和标准。1982年国务院颁发了《锅炉压力容器安全监察暂行条例》，至1995年由原劳动部颁发了《压力容器制造单位管理规则》，这是我国第一部有关压力容器安全管理和许可条件的规章。
经过了几十余年来艰辛探索，伴随着改革开放三十年来的发展历程，作为特种设备的重要分支——压力容器安全监察与管理，取得了长足的进展，创立了全过程安全监察的基本制度，创建了监察和检验的双规体制，不断规范和改善压力容器全方位、全过程安全监察有法可依的法规规章体系。
原国家质量技术监督局以质技监局锅发（1999）154号文颁发《压力容器安全技术监察规程》；2002年国家质检总局（2002）第22号令颁发了《锅炉压力容器监督检验管理办法》（2003年3.月1日起施行）。2003年7月1日总局又以国质检锅（2003）194号文，颁发了《锅炉压力容器制造许可条件》和《锅炉压力容器制造许可工作程序》，（2004年1月1日起实施），系统的规范了压力容器设计、制造、检验等方面的安全管理工作。从1999年贯彻实施《压力容器安全技术监察规程》（99版）以耒由于压力容器设计、制造、检验、使用、定期检测等方面出现了许多新情况、新问题和技术发展，近年来随着国民经济的发展，在特种设备方面积累了很多有益的经验和教训，特别是2009年1月24日国务院第549号令颁布了《特种设备安全监察条例》（2009年5月1日施行）之后，在新形势条件下，压力容器设计、制造、检验、使用、定期检测等方面的工作得到了进一步规范与提高；国家质检总局适时的以2009年第83号文发布了TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》，于2009年8月31日批准、2009年12月1日实施。十年末这一系列艰辛工作而取得的成果，必将促进我国压力容器事业更为成熟和发展，为保护人民生命安全和国家财产得到可靠法律保障。
特种设备系列法规规章的颁布实施，体现并注重“以质量为基础，以检验为支撑”的质量监管特征，实现了“政府统一领导、部门依法监督、企业全面负责、检验持续把关、社会共同参与”的多元治理的格局。
2003年6月国务院颁发了第373号令，发布了《特种设备安全监察条例》，进一步对特种设备的监管有法可依。2009年1月24日国务院颁发了第549号令，发布了新的《特种设备安全监察条例》，第十条规定了特种设备安全技术规范制定实施法律依据，并在第九十九条中界定了压力容器的定义及范围。
《条例》第十条 特种设备生产单位，应当依照本条例规定以及国务院特种设备安全监督管理部门制订并公布的安全技术规范（以下简称安全技术规范）的要求，进行生产活动。（特种设备生产：包括特种设备的设计、制造、安装、改造和维修等）。这是当今我国特种设备安全监督管理的专门法规，对加强特种设备安全管理、节约能源、减少能耗、防止和减少事故，保障人民群众生命、财产安全等方面必将发挥重要的作用。
2.3筒体母材（2.25Cr1MoV）焊接性分析
加氢反应器在10～25MPa高压、400～480℃高温、临氢及硫化氢等条件下工作，为防止氢脆、氢腐蚀、硫化物腐蚀、Cr-Mo 钢回火脆化以及堆焊层的剥离等严重损伤，对该设备设计要求高、难度大，制造工艺复杂，对材料、焊接技术以及焊接质量都有很高的要求。2.25Cr1Mo钢属于低合金耐热钢，在高温下具有良好的力学性能和耐蠕变性能，特别是她具有良好的抗氢性能，所以被广泛地应用于制造加氢反应器中，国外近年出现的重质或超重质油裂化和煤液化新工艺，要求加氢设备用材料应能适应更加高温高压的临氢环境，于是最近开发出一种新材料2.25Cr1MoV，由于加入了钒，其抗氢腐蚀性能大幅度提高，
2.3.1窄间隙埋弧焊工艺特点
窄间隙埋弧焊是一种以变通埋弧焊工艺为基础而发展起来的焊接工艺方法。窄间隙埋弧焊的焊接坡口窄，焊缝截面积小，填充金属量少，可节省焊接材料和能源的消耗，提高焊接生产率。窄间埋弧焊的后层焊道对前层焊道的重复加热，起到了对前层焊道的回火作用；焊接坡口变窄，焊接接头总的焊接热输入量低，焊接接头热影响区域减小，因此焊接接头的力学性能得到了改善，特别是对提高焊接接头的抗裂性能和冲击韧度效果比较显著；由于熔敷金属量减少，焊接接头中氢含量有所下降，焊接接头的应力水平和变形量也有所降低。
2.3.2 窄间隙埋弧焊技术难点
为了使窄间隙埋弧焊技术在原有的埋弧焊设备上进行厚壁容器环缝的焊接，除了通过对导电杆、导电嘴及焊剂料斗进行改进外，尚需解决以下技术难点：
首先，要选择适合普通焊接设备的焊接坡口形式如图2-2所示。
图2-2
其次，选择合适的焊道排列形式；
再次，就是选择优良脱渣性能的焊剂，保证环缝焊接过程的连续性和优质焊缝；
最后，选择合适的焊丝材料和直径及合理的焊接工艺规范参数，确保焊缝的焊接质量。
2.4 加氢反应器筒节组焊的焊接工艺流程
2.4.1 对进厂的筒节验收
验收的项目有：筒节的母材成分是否达到规定的数值、直径是否达到要求、坡口加工的尺寸是否符合工艺要求等。
2.4.2 焊前准备
焊接工作能否顺利进行，主要取决于焊前准备工作是否充分。包括埋弧焊焊机的各项性能的调试、转胎的转动是否正常、各种电线控制线的连接、预热用的天然气管等等。
2.4.3 装配
按照工艺卡的要求，装配两个筒节。保证坡口底部对齐，表面的错变量不超过工艺要求。采用二氧化碳气体保护焊焊接内壁的连接板。
2.4.4 预热
装配完成后，接着要进行焊前预热，用天然气加热，使坡口处及周边区域温度达到180℃。
2.4.5 焊接及焊接工艺卡
预热温度达到180℃后，就采用窄间隙埋弧焊进行焊接。筒节母材的成分为2.25- Cr-1Mo0.25V，焊丝为US-521H，直径ф4焊剂为PF-500，焊条为CMA-106HD直径ф4。坡口采用SAW焊接，局部和补焊采用SMAW焊接。电源极性为AC，焊接电流为500～550 A，电弧电压为28～31V。层间温度为≦250℃。采用天然气加热。由于焊接的坡口窄而深，在焊接过程中容易出现咬边、未熔合和夹渣等缺陷，所以，在焊工操作焊机时要严格按照工艺卡的焊接参数进行，并要认真小心的操作。如果出现缺陷，要及时停机进行处理。
2.4.6 焊后热处理
焊接任务完成后，要进行焊后热处理。以消除焊接过程中产生的应力。
2.4.7 焊缝探伤
热处理过后，对环焊缝及周边300mm范围内打磨，去除氧化皮及油污等杂质，之后进行100%RT、100%UT、 100%MT对环焊缝探伤。
三 筒节组焊焊缝质量检测
3.1 加氢反应器筒节组焊过程中的质量控制
一般来讲，焊接质量在很大程度上，决定着压力容器的安全与寿命，因此控制焊接质量成为压力容器制造质量保证的关键。在加氢反应器筒节对焊采取了以下措施进行质量控制：
3.1.1 焊接材料的管理
建立了严格的焊接材料的验收、保管、烘干、发放和回收制度。购进的焊材有质量证明书和产品合格证，标记清晰、牢固。经检查、验收合格后，按要求登记入库。并设立了焊材一级库、二级库。一级库具有保温、去湿的必要条件。入库、发料手续及记录齐全。二级库具有良好的环境和烘干、保温设备。设备上的各种仪表在周检期内使用。详细记录了由一级库领出焊材的规格、型号、编号、数量及领取日期。并有焊剂和焊条烘干的温度和时间的详细记录。焊剂（PF-500）烘烤温度200℃，且一直保温。碱性焊条(CMA-106HD)烘干380～420℃，并保温2h。焊丝（US-521H）直径为Ф4。焊丝表面干净无锈、油垢等杂质。根据领料单发放焊材，并记录了所发放焊材的日期、规格、型号、批号(厂编号)、数量及所焊产品或部件编号。
3.1.2 焊工资格与管理
从事压力容器生产的焊工必须持证上岗。操作者都通过《锅炉压力容器焊工考试规则》规定的相应考试项目，取得焊工合格证，并在有效期内承担合格规定范围内的焊接工作。焊工在焊缝的相应位置上打上了钢印，并记录在产品档案资料中。
3.1.3焊接工艺评定
筒节为受压元件，环焊缝属于承压焊缝。受压元件与受压元件之间的焊缝及其上述定位焊缝和受压元件母材表面堆焊、补焊均按照JB4708－92《钢制压力容器焊接工艺评定》的要求，对焊接工艺的焊接试板进行了表面检测和无损检测。焊缝区的化学成分和金相组织；硬度、拉力、抗弯和冲击韧性；疲劳、蠕变和抗应力腐蚀性能标准进行了评定。都符合产品技术要求。
3.1.4 焊接工艺
根据图样的技术要求、焊接规程及焊接工艺评定，制订了焊接工艺。焊接工艺还对焊接工作环境提出要求。对超次返修的焊缝，制定返修工艺措施，并得到焊接技术负责人的同意。
3.1.5 焊缝质量的检验
焊缝质量的全面检验包括焊缝的外观检查；焊缝表面平整，与坡口两边熔合良好，未出现咬边，未熔合等缺陷。对环焊缝进行了100％RT，100％UT,100％MT等探伤，焊缝内部未发现气孔、裂纹、夹杂、未熔合等焊接缺陷，三项探伤报告全部合格，焊缝质量达到技术要求。
3.2窄间隙埋弧焊中常出现的缺陷及其控制措施
埋弧焊时可能产生的主要缺陷，除了由于所用焊接工艺参数不当造成的熔透不足、烧穿、成形不良以外，还有气孔、裂纹、夹渣等。在此主要叙述气孔、裂纹、未熔合这几种缺陷的产生原因及其防止措施。
3.2.1 气孔
埋弧焊焊缝产生气孔的主要原因及防止措施如下：
a. 焊剂吸潮或不干净焊剂中的水分、污物和氧化铁屑等都会使焊缝产生气孔。在回收使用的焊剂中这个问题更为突出。水分可通过烘干消除。防止焊剂吸收水分的最好方法是正确的储存和保管。采用真空式焊剂回、收器可以较有效地分离焊剂与尘土，从而减少回收焊剂在使用中产生气孔的可能性。
b. 焊接时焊剂覆盖不充分由于电弧外露并卷入空气而造成气孔。焊接环缝时，特别是小直径的环缝，容易出现这种现象，应采取适当措施，防止焊剂散落。
c. 熔渣粘度过大。 焊接时溶入高温液态金属中的气体在冷却过程中将以气泡形式溢出。如果熔渣粘度过大，气泡无法通过熔渣，被阻挡在焊缝金属表面附近而造成气孔。通过调整焊剂的化学成分，改变熔渣的粘度即可解决。
d. 电弧磁偏吹。焊接时经常发生电弧磁偏吹现象，特别是在用直流电焊接时更为严重。电弧磁偏吹会在焊缝中造成气孔。磁偏吹的方向、受很多因素的影响，例如工件上焊接电缆的联接位置：电缆接线处接触不良、部分焊接电缆环绕接头造成的二次磁场等。为了减少磁偏吹的影响，应尽可能采用交流电源；工件上焊接电缆的联接位置尽可能远离焊缝终端；避免部分焊接电缆在工件上产生二次磁场等。
3.2.2 裂纹
通常情况下，埋弧焊接头有可能产生两种类型裂纹，即结晶裂纹和冷裂纹。前者只限于焊缝金属，后者则可能发生在焊缝金属或热影响区。
a. 结晶裂纹。结晶裂纹又叫凝固裂纹，主要产生于焊缝凝固过程中，当冷却到固相温度附近时，由于凝固金属收缩，残余液体金属不足而不能及时填充，在应力作用下发生沿晶开裂。控制措施有控制母材和焊丝中硫、磷碳等有害元素的含量，对熔池进行变质处理，调整焊接参数，调整冷却速度等。
b.冷裂纹。冷裂纹形成的温度大体在100℃～-100℃之间。且较多的是在焊后延迟一段时间才产生。氢的影响、钢种的淬硬倾向和焊接接头的拘束应力是形成冷裂纹的三个基本因素。防止冷裂纹一般采取选用对冷裂纹敏感性底的母材，严格控制氢的来源，焊前预热和焊后热处理等措施。
3.2.3 未熔合
未熔合多产生在焊缝与母材的交界处，产生的原因可能是焊丝未对准，或是焊缝局部弯曲过大。出现未熔合，要及时调整焊丝的位置，必要是要进行上层焊道的修整，之后才能继续焊接。
3.3 焊缝质量检测方法
筒节环焊缝焊接结束后，就要进行焊后热处理，其目的是消除焊接应力，细化晶粒，使组织成分均匀化。然后空冷降至室温。打磨焊缝表面及周边300~500mm范围内的杂质。然后进行100%MT、100%UT 、100%RT探伤 。探伤之后对探伤的底片进行评定，确定是否存在焊接缺陷。
3.4 焊缝质量检测结果
经过探伤人员的检测，MT探伤结果为Ⅰ级， UT探伤的结果为Ⅰ级，经过评片专家组对RT探伤底片的评定，底片的等级为Ⅱ级。
总结
此加氢反应器筒节组焊采用窄间隙埋弧自动焊焊接，按照焊接工艺卡内容执行。通过对母材成分检验—坡口加工精度检测—焊前准备—装配—焊接—焊后热处理—探伤等焊接过程的严格控制，焊缝经过100%MT,100%UT,100%RT探伤，其检测结果报告符合焊接工艺卡上的检测要求，焊缝质量合格。焊缝质量合格就再一次证明了这套焊接工艺的正确性和合理性。以后要焊接同类产品，只要严格执行工艺卡的内容和认真操作，就不会出现未熔合、裂纹和夹渣等焊接缺陷。使用此焊接工艺均可获得合格满意的焊缝。
参考文献
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[8]特种焊接技术及应用 李亚江 王娟 化学工业出版社
[9]焊接自动化技术及其应用 胡绳荪 机械工业出版社
致谢
毕业论文的完成预示着我在江科大俩年半的函授学习学习生活即将结束，这俩年半来，让我在代课老师的精心教导下，让我学到了扎实的专业课知识，也掌握了较强的专业技能知识。借此机会向这俩年多来中给予了我帮助和指导的所有老师表示由衷的谢意，感谢他们俩年多来的辛勤栽培。我还要感谢同班的各位同学，在毕业论文写作期间，他们也给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见。 在此我要感谢指导老师和我们公司的同事们，是他们的细心指导和关怀，让我的论文内容更加丰富，使我能够顺利的完成毕业论文。他们工作认真严谨、爱岗敬业和无私奉献的精神深深地感染了我。从他们身上，我不仅学到了扎实而宽广的专业知识，更学到了做人的道理。在此我要向我的指导老师和师傅致以最衷心的感谢和深深的敬意。
诚 信 声 明
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论文作者：冯学胜
2015年 5 月10 日