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摘要：通过分析JFE-HITEN610U2L钢制乙烯球罐球壳板材料和焊接材料的化学成分及其焊接性，通过采取严格控制焊接线能量、预热温度、层间温度以及后热消氢、消应处理等工艺措施，采用合理焊接工艺参数，优化施焊措施，确保了球罐整体焊接接头的性能，保证JFE-HITEN610U2L低温高强钢球罐的现场组焊质量。
关键词：JFE-HITEN610U2L钢；焊接；优化；措施
中图分类号： TK226+.2 文献标识码： A 文章编号：
0 引言
本人于2010年至2011年底在中国石油抚顺石化公司扩建80万吨/年乙烯工程化工压力罐区装置担任焊接专业工程师，主要负责球罐焊接技术管理，化工压力罐区有9台乙烯球罐，乙烯球罐主体材质选用了JFE-HITEN610U2L，其设计温度为50℃/-45℃，设计压力为1.9MPa，容积为2000m3，球壳板厚度38mm，JFE-HITEN610U2L钢板其化学成分见表1；焊条采用与钢板相匹配的日本神户LB-65L高强度、高韧性、超低氢性焊条。本文对该材质球罐群用钢材的焊接性进行了分析，并对焊接过程中的质量控制进行介绍。
1球壳板材料和焊接材料分析
1.1球壳板材料
中国石油抚顺石化公司扩建80万吨/年乙烯工程化工压力罐区装置，其中的9台2000m3JFE-HITEN610U2L钢板熔敷金属化学成分见表1；JFE-HITEN610U2L钢板复验力学性能指标见表2。
表1JFE-HITEN610U2L钢板化学成分指标（熔炼分析）（%）
表2 JFE-HITEN610U2L钢板的力学性能及冷弯性能要求
1.2焊接材料
乙烯球罐焊接采用与JFE-HITEN610U2L钢相匹配的LB-65L焊条，其熔敷金属化学成分见表3；熔敷金属力学性能的技术要求见表4。
表3 熔敷金属化学成分指标
C Si Mn P S Ni Mo 其他合金元素总量
≤0.10 ≤0.80 0.6~1.20 ≤0.015 ≤0.010 2.00~2.75 0.05~0.35 ≤1.5
表4 LB-65L焊条熔敷金属力学性能的技术要求
试样状态 拉伸试验 冲击试验
焊后经570±15℃X4hr Ra/Mpa Rel/Mpa A/% 试验温度/℃ 冲击功 AKV/J
平均值 单个值
≥490 610~740 ≥20 -50 ≥60 ≥42
2 JFE-HITEN610U2L钢的焊接性分析
球壳板采用的是日本CF系列JFE-HITEN610U2L钢，属于低裂纹敏感性低温高强，是在低碳高锰的基础上，通过加入微量镍、铬、钼、钒、铌等元素合金元素的方式，并通过一定的控制热加工工艺,获得了以针状铁素体为主的混合组织,具有较高的强韧性、良好的成型性和焊接性能,广泛用于制造各种低温球罐。该材质的冷裂纹敏感性低，该钢的焊接工艺重点是防止800℃冷却至500℃的时间过长导致奥氏体晶粒粗化以及上贝氏体的生成，从而引起过热区的脆化，使接头冲击韧性下降。因此，在焊接38mm厚的JFE-HITEN610U2L钢时，应采用预热、控制层间温度以及焊后及时消氢等工艺措施，在保证不产生焊接冷裂纹的前提下，尽可能采用低的焊接线能量施焊，以保证焊缝及热影响区有充足的塑性和韧性。
3焊接工艺选择
施工中严格按照JB/T4709-2000、JB4708-2000，并参考施工验收规范GB50094-1998和设计要求对38mm厚的JFE-HITEN610U2L鋼板进行了焊接工艺评定工作，经评定合格的焊接工艺评定编写适用于现场施焊的焊接工艺规程：预热温度≥100℃；层间温度为不得低于预热温度且不得大于180℃；后热工艺为200~250℃/1h；严格控制焊接线能量不超过35KJ/cm；同时，根据选用的焊条直径及施焊位置选用适宜的焊接电流，选择合适的焊接速度，有效的控制焊接线能量，采用¢3.2焊条平焊位置、横焊位置电流宜控制在100-120A；立焊、仰焊控制在90-110A；。采用¢4.0焊条平焊位置、横焊位置电流宜控制在140-180A；立焊、仰焊控制在130-160A；焊接线能量平焊、立焊、仰焊宜控制在12-35KJ/cm;横焊位置控制在12-30KJ/cm。
3优化焊接控制措施
3.1 焊接环境控制
本工程位抚顺石化二厂毗邻的元龙山，处于风口地带，冬季漫长，平时气温偏低，焊接时需采取必要的防风，防雨等措施，保证球罐施焊质量.以下环境必须禁止施焊：（1）雨天、雪天；（2）焊接环境风速在8m/s及以上；（3）焊接环境湿度在85%以上；（4）环境温度在-5℃以下。
为保证球罐具备良好的焊接环境，球罐组装完后，采用防火篷布在脚手架外围搭设防火篷布，起到防风、临时防雨的措施，为球罐焊接创造良好的环境。同时，实时观看天气，阴雨天气禁止施焊，坚决防止施焊及后热时突发大雨。
3.2焊前准备
3.2.1球罐组装质量的检查和验收
球罐组装质量的将直接影响球罐焊接质量的好坏，我们要严格按照施工方案、关键工序作业指导书指导施工和验收；①采用合理的组装方法和组装顺序，减少组装应力，避免因应力造成裂纹等焊接缺陷；为减少组装应力，我公司采用多年总结出来的组装工艺采用分片散装法；②球罐定位焊安排4-6名焊工同时对称进行焊接，以减少焊接应力与变形，纵缝定位焊时，应从中间向两边进行。大环缝定位焊时，焊工要均匀分布并由左向右进行焊接。③球罐组装间隙过大，焊接填充量大，焊缝会因过热造成晶粒粗大接头的力学性能下降；同时工人施焊因组对间隙大会采用大电流进行堆焊，线能量严重超标接头力学性能下降；总结多年的工作经验，球罐组对坡口的工艺参数最合理为间隙1-2mm；钝边0-0.5mm；同时合理的坡口间隙将减少背面情根的量，有效防止焊缝再次过热。
3.2.2焊前准备工作：①编写球罐排版图，制定焊缝编号方法，协调焊工分配，编写焊工承担焊缝布置图并进行报审；②球罐焊接焊材用量大，焊条必须按照交底文件进行烘烤；焊接技术员或班长提前一天上报焊条使用卡，保证焊条总量的供给；③检查、维修焊机保证焊接性能良好，仪表示数正常；④脚手架操作平台搭设合格，便于焊工施工；⑤清理焊缝坡口及两侧20mm范围内的锈泽、油漆等杂物。
3.3选择合理的焊接顺序及运条方式
3.3.1焊接过程中应采用合理的焊接顺序，有效的控制焊接变形，减小焊接过程中的残余应力。根据多年施工经验，我公司球罐施焊顺序应遵循下列原则：（1）先焊接纵向焊缝，后焊接环向焊缝;（2）先焊接赤道带，后焊温带、极板。（3）先焊接大坡口面焊缝，后焊接小坡口面焊缝。（4）焊工均匀分布，并同步焊接。根据上述原则，可以制定如下具体施焊顺序：赤道带纵缝外口→上极带拼缝外口→下极带拼缝外口→赤道带内口→上极带拼缝内口→下极带拼缝缝内口→上极带口子缝外口→上环缝外口→上极带口子缝内口→上环缝内口→下极带口子缝外口→下极带环缝外口→下极带口子缝内口→下极带环缝内口。
3.3.2球罐施焊时，严格遵守焊接工艺指导书的有关要求，严格控制焊接线能量，采用快速多层多道焊，严禁随意堆焊。根据板材厚度，球罐焊缝分层排道控制。每一道焊缝厚度控制在3～5mm，宽度控制在16～20mm；
3.3.3Y型交叉口焊接控制：球壳板的上、下极为足球瓣式，每个极各有4个Y型交叉口焊缝。由于该处焊缝密集，极易产生焊接变形。除了采取上述的控制变方法外，在焊接工艺上采取一定的运条方式。每层每道焊缝在Y型口交叉处不停弧，收弧于焊缝的直线段。既可以避免因在交叉口停弧过多而变形，又可以避免产生缺陷。
3.3.4焊缝交叉部位，应先将纵缝焊到环逢坡口内，然后将环逢坡口内的焊肉打磨干净除去焊缝终端缺陷。焊环缝时，不应在交叉部位引弧或灭弧。球罐焊接因故中断时，马上对焊缝进行后热。重新焊接时，应重新预热并仔细检查确认无裂纹后方可正常施焊。
4球罐施焊过程中的控制要点
4.1线能量控制
线能量增大，冷裂纹倾向减小，但线能量过大或过小也会增加冷裂纹倾向，JFE-HITEN610U2L钢制2000m3乙烯球罐全位置焊接的线能量控制在15-35KJ/cm。在现场施工中，焊工常常是在高温烘烤下作业，承受着很高的劳动强度，为此，许多焊工时常尽可能缩短工作时间，减轻劳动负担，而抛开评定合格的焊接参数，采用减少焊接层数，无控制的使用超过评定合格范围的焊接线能量进行焊接。采取的控制方法：（1）焊接线能量不应超过立焊工艺评定所确定的线能量范围。横焊或平焊时焊接层数可比其工艺评定所确定的层数减少1-2层，每一焊道宽度不大于焊芯直径的4倍，每一层焊道的厚度不超过3.5mm；（2）建立焊机电压和电流的巡检表格，专人负责，不定期抽检；（3）在线能量15-35KJ/cm范围内，计算平、横、立、仰四种焊接位置每根焊条的焊接长度，以此规定焊工的焊接长度。
4.2预热、层间温度、后热控制管理
根据规范及焊接工艺评定，在焊缝背面进行持续预热100℃-150℃，并保持层间温度大于预热温度，且小于180℃。预热是为了减缓冷却速度，避免淬硬组织，提高接头韧性，防止冷裂纹。预热范围是以焊缝中心为基准，两侧不小于3倍壁厚，且≥150mm。加热温度应距焊缝中心线50mm处对称测量，加热到温度后应保温5-10min，温度均匀后方能施焊。后热是在一条焊缝焊完后或中间停止焊接时，将焊缝加热到200-250℃，恒温60分钟，然后空中冷却。其目的是促使焊缝及热影响区吸收的扩散氢析出，减少焊缝的含氢量，防止延迟裂纹的产生。
在现场施工中，设立专人检查预热温度、层间温度、后热温度及时间，并填写巡检记录；焊接前，检查加热器的长度，保证加热长度覆盖焊接长度，每段预热的焊缝的端部温度是检查的重点；每次预热前，应检查加热器的喷嘴，确保各喷嘴燃烧正常，无堵塞情况，防止预热不均匀。
5 结语
通过分析JFE-HITEN610U2L钢制乙烯球罐球壳板的焊接性，严格控制线能量在15-35KJ/cm，采取严格控制预热温度、层间温度以及焊后及时消氢处理等施焊措施，采用合理的焊接工艺参数，严格控制焊接线能量及预热、后热工艺措施，有效保证施焊质量，使其9台JFE-HITEN610U2L钢制乙烯球罐取得了滿意的效果。焊接一次合格率达到99.6%以上，产品试板力学性能指标符合设计、标准规范要求，有力的证明上述的焊接工艺和管理措施的正确性、可行性。
参考文献：
刘云龙．焊工技师手册[M]．北京：机械工业出版社.
张文钺．焊接物理冶金[M]．天津：天津大学出版社.
叶秀华．焊接施焊技术[M]．成都：四川科学技术出版社.
关键词：JFE-HITEN610U2L钢；焊接；优化；措施
中图分类号： TK226+.2 文献标识码： A 文章编号：
0 引言
本人于2010年至2011年底在中国石油抚顺石化公司扩建80万吨/年乙烯工程化工压力罐区装置担任焊接专业工程师，主要负责球罐焊接技术管理，化工压力罐区有9台乙烯球罐，乙烯球罐主体材质选用了JFE-HITEN610U2L，其设计温度为50℃/-45℃，设计压力为1.9MPa，容积为2000m3，球壳板厚度38mm，JFE-HITEN610U2L钢板其化学成分见表1；焊条采用与钢板相匹配的日本神户LB-65L高强度、高韧性、超低氢性焊条。本文对该材质球罐群用钢材的焊接性进行了分析，并对焊接过程中的质量控制进行介绍。
1球壳板材料和焊接材料分析
1.1球壳板材料
中国石油抚顺石化公司扩建80万吨/年乙烯工程化工压力罐区装置，其中的9台2000m3JFE-HITEN610U2L钢板熔敷金属化学成分见表1；JFE-HITEN610U2L钢板复验力学性能指标见表2。
表1JFE-HITEN610U2L钢板化学成分指标（熔炼分析）（%）
表2 JFE-HITEN610U2L钢板的力学性能及冷弯性能要求
1.2焊接材料
乙烯球罐焊接采用与JFE-HITEN610U2L钢相匹配的LB-65L焊条，其熔敷金属化学成分见表3；熔敷金属力学性能的技术要求见表4。
表3 熔敷金属化学成分指标
C Si Mn P S Ni Mo 其他合金元素总量
≤0.10 ≤0.80 0.6~1.20 ≤0.015 ≤0.010 2.00~2.75 0.05~0.35 ≤1.5
表4 LB-65L焊条熔敷金属力学性能的技术要求
试样状态 拉伸试验 冲击试验
焊后经570±15℃X4hr Ra/Mpa Rel/Mpa A/% 试验温度/℃ 冲击功 AKV/J
平均值 单个值
≥490 610~740 ≥20 -50 ≥60 ≥42
2 JFE-HITEN610U2L钢的焊接性分析
球壳板采用的是日本CF系列JFE-HITEN610U2L钢，属于低裂纹敏感性低温高强，是在低碳高锰的基础上，通过加入微量镍、铬、钼、钒、铌等元素合金元素的方式，并通过一定的控制热加工工艺,获得了以针状铁素体为主的混合组织,具有较高的强韧性、良好的成型性和焊接性能,广泛用于制造各种低温球罐。该材质的冷裂纹敏感性低，该钢的焊接工艺重点是防止800℃冷却至500℃的时间过长导致奥氏体晶粒粗化以及上贝氏体的生成，从而引起过热区的脆化，使接头冲击韧性下降。因此，在焊接38mm厚的JFE-HITEN610U2L钢时，应采用预热、控制层间温度以及焊后及时消氢等工艺措施，在保证不产生焊接冷裂纹的前提下，尽可能采用低的焊接线能量施焊，以保证焊缝及热影响区有充足的塑性和韧性。
3焊接工艺选择
施工中严格按照JB/T4709-2000、JB4708-2000，并参考施工验收规范GB50094-1998和设计要求对38mm厚的JFE-HITEN610U2L鋼板进行了焊接工艺评定工作，经评定合格的焊接工艺评定编写适用于现场施焊的焊接工艺规程：预热温度≥100℃；层间温度为不得低于预热温度且不得大于180℃；后热工艺为200~250℃/1h；严格控制焊接线能量不超过35KJ/cm；同时，根据选用的焊条直径及施焊位置选用适宜的焊接电流，选择合适的焊接速度，有效的控制焊接线能量，采用¢3.2焊条平焊位置、横焊位置电流宜控制在100-120A；立焊、仰焊控制在90-110A；。采用¢4.0焊条平焊位置、横焊位置电流宜控制在140-180A；立焊、仰焊控制在130-160A；焊接线能量平焊、立焊、仰焊宜控制在12-35KJ/cm;横焊位置控制在12-30KJ/cm。
3优化焊接控制措施
3.1 焊接环境控制
本工程位抚顺石化二厂毗邻的元龙山，处于风口地带，冬季漫长，平时气温偏低，焊接时需采取必要的防风，防雨等措施，保证球罐施焊质量.以下环境必须禁止施焊：（1）雨天、雪天；（2）焊接环境风速在8m/s及以上；（3）焊接环境湿度在85%以上；（4）环境温度在-5℃以下。
为保证球罐具备良好的焊接环境，球罐组装完后，采用防火篷布在脚手架外围搭设防火篷布，起到防风、临时防雨的措施，为球罐焊接创造良好的环境。同时，实时观看天气，阴雨天气禁止施焊，坚决防止施焊及后热时突发大雨。
3.2焊前准备
3.2.1球罐组装质量的检查和验收
球罐组装质量的将直接影响球罐焊接质量的好坏，我们要严格按照施工方案、关键工序作业指导书指导施工和验收；①采用合理的组装方法和组装顺序，减少组装应力，避免因应力造成裂纹等焊接缺陷；为减少组装应力，我公司采用多年总结出来的组装工艺采用分片散装法；②球罐定位焊安排4-6名焊工同时对称进行焊接，以减少焊接应力与变形，纵缝定位焊时，应从中间向两边进行。大环缝定位焊时，焊工要均匀分布并由左向右进行焊接。③球罐组装间隙过大，焊接填充量大，焊缝会因过热造成晶粒粗大接头的力学性能下降；同时工人施焊因组对间隙大会采用大电流进行堆焊，线能量严重超标接头力学性能下降；总结多年的工作经验，球罐组对坡口的工艺参数最合理为间隙1-2mm；钝边0-0.5mm；同时合理的坡口间隙将减少背面情根的量，有效防止焊缝再次过热。
3.2.2焊前准备工作：①编写球罐排版图，制定焊缝编号方法，协调焊工分配，编写焊工承担焊缝布置图并进行报审；②球罐焊接焊材用量大，焊条必须按照交底文件进行烘烤；焊接技术员或班长提前一天上报焊条使用卡，保证焊条总量的供给；③检查、维修焊机保证焊接性能良好，仪表示数正常；④脚手架操作平台搭设合格，便于焊工施工；⑤清理焊缝坡口及两侧20mm范围内的锈泽、油漆等杂物。
3.3选择合理的焊接顺序及运条方式
3.3.1焊接过程中应采用合理的焊接顺序，有效的控制焊接变形，减小焊接过程中的残余应力。根据多年施工经验，我公司球罐施焊顺序应遵循下列原则：（1）先焊接纵向焊缝，后焊接环向焊缝;（2）先焊接赤道带，后焊温带、极板。（3）先焊接大坡口面焊缝，后焊接小坡口面焊缝。（4）焊工均匀分布，并同步焊接。根据上述原则，可以制定如下具体施焊顺序：赤道带纵缝外口→上极带拼缝外口→下极带拼缝外口→赤道带内口→上极带拼缝内口→下极带拼缝缝内口→上极带口子缝外口→上环缝外口→上极带口子缝内口→上环缝内口→下极带口子缝外口→下极带环缝外口→下极带口子缝内口→下极带环缝内口。
3.3.2球罐施焊时，严格遵守焊接工艺指导书的有关要求，严格控制焊接线能量，采用快速多层多道焊，严禁随意堆焊。根据板材厚度，球罐焊缝分层排道控制。每一道焊缝厚度控制在3～5mm，宽度控制在16～20mm；
3.3.3Y型交叉口焊接控制：球壳板的上、下极为足球瓣式，每个极各有4个Y型交叉口焊缝。由于该处焊缝密集，极易产生焊接变形。除了采取上述的控制变方法外，在焊接工艺上采取一定的运条方式。每层每道焊缝在Y型口交叉处不停弧，收弧于焊缝的直线段。既可以避免因在交叉口停弧过多而变形，又可以避免产生缺陷。
3.3.4焊缝交叉部位，应先将纵缝焊到环逢坡口内，然后将环逢坡口内的焊肉打磨干净除去焊缝终端缺陷。焊环缝时，不应在交叉部位引弧或灭弧。球罐焊接因故中断时，马上对焊缝进行后热。重新焊接时，应重新预热并仔细检查确认无裂纹后方可正常施焊。
4球罐施焊过程中的控制要点
4.1线能量控制
线能量增大，冷裂纹倾向减小，但线能量过大或过小也会增加冷裂纹倾向，JFE-HITEN610U2L钢制2000m3乙烯球罐全位置焊接的线能量控制在15-35KJ/cm。在现场施工中，焊工常常是在高温烘烤下作业，承受着很高的劳动强度，为此，许多焊工时常尽可能缩短工作时间，减轻劳动负担，而抛开评定合格的焊接参数，采用减少焊接层数，无控制的使用超过评定合格范围的焊接线能量进行焊接。采取的控制方法：（1）焊接线能量不应超过立焊工艺评定所确定的线能量范围。横焊或平焊时焊接层数可比其工艺评定所确定的层数减少1-2层，每一焊道宽度不大于焊芯直径的4倍，每一层焊道的厚度不超过3.5mm；（2）建立焊机电压和电流的巡检表格，专人负责，不定期抽检；（3）在线能量15-35KJ/cm范围内，计算平、横、立、仰四种焊接位置每根焊条的焊接长度，以此规定焊工的焊接长度。
4.2预热、层间温度、后热控制管理
根据规范及焊接工艺评定，在焊缝背面进行持续预热100℃-150℃，并保持层间温度大于预热温度，且小于180℃。预热是为了减缓冷却速度，避免淬硬组织，提高接头韧性，防止冷裂纹。预热范围是以焊缝中心为基准，两侧不小于3倍壁厚，且≥150mm。加热温度应距焊缝中心线50mm处对称测量，加热到温度后应保温5-10min，温度均匀后方能施焊。后热是在一条焊缝焊完后或中间停止焊接时，将焊缝加热到200-250℃，恒温60分钟，然后空中冷却。其目的是促使焊缝及热影响区吸收的扩散氢析出，减少焊缝的含氢量，防止延迟裂纹的产生。
在现场施工中，设立专人检查预热温度、层间温度、后热温度及时间，并填写巡检记录；焊接前，检查加热器的长度，保证加热长度覆盖焊接长度，每段预热的焊缝的端部温度是检查的重点；每次预热前，应检查加热器的喷嘴，确保各喷嘴燃烧正常，无堵塞情况，防止预热不均匀。
5 结语
通过分析JFE-HITEN610U2L钢制乙烯球罐球壳板的焊接性，严格控制线能量在15-35KJ/cm，采取严格控制预热温度、层间温度以及焊后及时消氢处理等施焊措施，采用合理的焊接工艺参数，严格控制焊接线能量及预热、后热工艺措施，有效保证施焊质量，使其9台JFE-HITEN610U2L钢制乙烯球罐取得了滿意的效果。焊接一次合格率达到99.6%以上，产品试板力学性能指标符合设计、标准规范要求，有力的证明上述的焊接工艺和管理措施的正确性、可行性。
参考文献：
刘云龙．焊工技师手册[M]．北京：机械工业出版社.
张文钺．焊接物理冶金[M]．天津：天津大学出版社.
叶秀华．焊接施焊技术[M]．成都：四川科学技术出版社.