FCAW工艺在压力容器制造中应用的探讨与建议

FCAW工艺在压力容器制造中应用的探讨与建议季伟明（中国石化集团宁波工程有限公司，宁波315207）摘要：文章就FCAW工艺的优点及在压力容器上的应用情况进行了深入探讨，提出了一些建议。关键词：FCAW工艺；压力容器制造；探讨；建议DiscussionandSuggestionontheApplicationofFCAWTechnologyonPressureVesselManufacturing(SinopecNingboEngineeringCo.Ltd,Ningbo315207China)Abstrct:AdeepdiscussionontheadvantageofFCAWtechnologyandtheapplicationonpressurevesselwasmadeinthisarticle,andsomesuggestionwereputforward.Keywords:FCAWtechnology;PVmanufacturing;discussion;suggestion1前言FCAW（Flux-coredArcWelding），即药芯焊丝电弧焊，是利用连续送进的、可熔化的药芯焊丝与工件间的电弧产生的高温，进行焊接的高效熔焊方法之一。根据焊接时是否采用保护气体可分为FCAW-S（药芯焊丝自保护焊）和FCAW-G（药芯焊丝气体保护电弧焊）。由于FCAW-S工艺的自保护焊药芯焊丝价格昂贵，至今必须依赖进口，工艺局限性很大。FCAW-G的保护气体通常使用CO2，欧洲进口的药芯焊丝则通常采用Ar+CO2的混合气体，如OERLINKON（奥林康）的FLUXOFILM10（AWSE71T-1）保护气体采用M21（InarcK18，5-25%CO2+75-95%Ar）。因此，在压力容器上应用的FCAW通常是指FCAW-G，简称FCAW。FCAW除具有CO2保护焊的全部优点外，还具有以下优点：（1）生产效率高。FCAW熔敷效率高达85-90%，生产效率是实芯焊丝的1.5-2倍，是手工电弧焊的5-8倍。特别是使用小直径药芯焊丝（如φ1.2mm）时，可以用较大的焊接电流实现全位置焊接。（2）焊缝质量好。采用气渣联合保护，有较充分的冶金作用，可除去杂质，防止空气侵入，改善脱氧效果，可渗合金，因此焊缝的力学性能，特别是塑性和韧性较好。（3）焊接工艺性好。电弧稳定，声音柔和；飞溅颗粒小且容易清除；焊缝外形美观；焊渣薄且容易清除；可选用的合适的工艺参数范围大；操作简便，容易掌握。（4）应用范围广。只需改变药芯配方，就能够很方便地调整熔敷金属的化学成分和力学性能，使熔敷金属具有要求的强度、塑性及耐热、耐腐蚀、耐磨损等特殊性能。因而应用范围很广。（5）节约熔敷金属。当焊接电流相同时，由于药芯焊丝导电截面小，电流密度大，因此，熔深大。采用药芯焊丝焊接中厚板对接接头时，只需开30°-40°坡口就够了，钝边也可以留得比较大。而手工电弧焊时，需开60°坡口，钝边也比较小。因此采用药芯焊丝焊接可节约熔敷金属40%以上。焊接角焊缝时，节约熔敷金属的效果更明显。这可以从两者的“焊喉”对比得到证实。见P663《焊工手册》（6）节约能源。根据实测数据表明：实芯焊丝电弧焊耗电量是手工电弧焊的1/3，而FCAW的耗电量只有实芯焊丝的1/2。（7）成本低。药芯焊丝价格比实芯焊丝和手工电焊条贵，所以常常误认为FCAW成本高。但若考虑焊材与能源的消耗量，设备折旧，辅助时间，焊工工资等综合费用，FCAW的总费用比实芯焊丝CO2保护焊稍低，比手工电弧焊可降低30%以上。综上所述，可见FCAW是一种高效、优质、低耗、节能的焊接方法。钢制压力容器通常采用SAW（埋弧自动焊），但对于大型压力容器的合拢缝、筒体直径过大时，SAW工艺往往难以实现，此外，大量的接管与法兰、接管与筒体角（对）接焊缝、筒体上的内外预焊件都很难或无法实现SAW，采用手工电弧焊则存在效率低、飞溅大，角焊缝焊接还时常出现咬边缺陷，若采用FCAW，则问题迎刃而解。2存在问题通过同行之间的交流，许多人认为FCAW在压力容器制造中使用时存在如下问题：（1）对碳素钢与16MnR选用的药芯焊丝是同一种（AWSE71T-1），造成熔敷金属的抗拉强度偏高，与JB4709-2000、JB/T4747-2002等标准规定不符，产品试板拉伸试验时抗拉强度值有超过上限的现象发生。（2）碳钢、低合金钢的焊接接头的硬度（集中在接管与筒体角对接焊缝、补强圈角缝）时常超标，特别是焊后消应力热处理后，硬度有时甚至有上升现象。（3）采用奥氏体不锈钢药芯焊丝时，焊接接头在按GB/T4334.5进行晶间腐蚀试验弯曲法评定时基本都有裂纹或断裂现象（虽然其中部分金相法评定能合格），故当设计图样中产品的工况恶劣，晶间腐蚀要求严格时，应慎用FCAW。（4）目前国产药芯焊丝质量还不稳定，时常有药粉填充不均匀或断药粉、焊丝粗细不均，致使焊接过程时常出现气孔缺陷，此外，焊缝冲击功值不稳定。（5）在使用过程中，药芯焊丝的发放管理不严格，开包后当天用不完的可能几天后还在用，造成焊丝吸潮而产生气孔等缺陷（有时射线探伤合格，但底片上可看到焊缝内部有不连续气孔，只不过没超标）。本人认为，使用FCAW时以上问题确实存在，但应该客观、全面地进行问题分析：（1）强度问题。SFA-5.20《弧焊用碳钢药芯焊丝标准》规定AWSE71T-1焊丝熔敷金属抗拉强度值为480-620MPa，而GB6654-96《压力容器用钢板》规定厚度为16-36mm的16MnR钢板的抗拉强度为490-620MPa，即便是厚度为60-100mm的16MnR钢板的抗拉强度上限值也达到590MPa。JB4709-2000第3.2.1.1条规定碳素钢、低合金钢的焊缝金属应保证力学性能，且其抗拉强度不应超过母材标准规定的上限值加30MPa。可见，强度其实并没有超出上限范围。况且，在订购焊丝时，可以对生产厂家提出焊丝熔敷金属抗拉强度值的范围，以满足规范要求。（2）硬度问题。碳钢、低合金钢的焊接接头的硬度报告来看，硬度确实有所超标，尤其是接管与筒体角对接焊缝、补强圈角焊缝，但对16MnR材料来说，硬度其实并非是主要的。原中石化三公司采用FCAW工艺焊接的数十台液化气球罐使用至今，仍然在安全运行，开罐检验也没有发现由于硬度超标而导致服役期间产生裂纹缺陷。晶间腐蚀难合格问题。对于有晶间腐蚀要求的奥氏体不锈钢药芯焊丝，含碳量是个关键因素，当碳含量超过0.30%时，按GB/T4334.5进行晶间腐蚀试验弯曲法评定确实很难通过，但我们的经验是控制碳含量在0.25-0.28%时，一般都能够通过。（3）焊丝质量不稳定问题。前几年由于药芯焊丝利润较高，因此，国内很多厂家纷纷上马制造药芯焊丝，现在药芯焊丝生产线超过30余家，重复建设，低加竞争，很多厂家无暇也无力顾及配方的改进，但也有厂家，如天泰（昆山）焊材有限公司，其目前药芯焊丝生产能力已能达到2000吨/月，质量非常稳定，基本不会出现药粉填充不均匀或断药粉、焊丝粗细不均等产品缺陷。至于冲击功，实践证明优秀生产厂家生产的药芯焊丝冲击功较稳定，数值虽然不算太高，但裕量还很富余。（4）焊丝吸潮等问题。这其实是一个管理上的问题。焊丝打开包装后，当天未用完，裸露在车间，则容易吸潮，特别在雨天或湿度较大时，因为药芯焊丝一般都是有缝的，里边的填充药粉会吸潮，导致使用过程中容易出现气孔缺陷。但只要采取一些必要的措施，例如，当天未用完的焊丝送还焊材烘烤室（焊材二级库），或根据湿度大小，用干燥塑料布将未用完的焊丝包扎严密，与大气隔离，焊丝吸潮、生锈的可能性大大减小。3FCAW在压力容器制造中使用情况调查对国内多家压力容器制造厂家气体保护焊的使用情况进行了解，现在使用气体保护焊的厂家日益增多，有使用实芯焊丝的，如南化机、金重等，也有使用FCAW的，但一般仅限于压力容器上内外预焊件的焊接，专业杂志上对这方面的报导也很少。对中石化宁波工程公司机械制造厂、镇海炼化检安公司在压力容器制造过程中使用FCAW工艺的情况进行了详细调查与统计，结果如下：（1）中石化宁波工程公司机械制造厂2002-2003年FCAW工艺使用情况2002-2003年期间使用FCAW工艺制造的压力容器情况见表1，包括容器纵、环主焊缝的焊接，但未包括30余台堆焊采用FCAW的不锈钢复合板设备，以及内外预焊件采用FCAW工艺的数台09MnNiDR设备。此外，中石化宁波工程公司在经过多次焊接性试验及论证后，率先在乙烯低温管道、加氢裂化高压临氢厚壁管道中进行的FCAW的自动焊工艺应用，取得了一定的经验。表12002-2003年FCAW工艺制造设备一览表序号设备名称类别分类规格材质最大设计压力（MPa）最高设计温度(℃)介质重量（吨）1吸附塔Ⅱ塔器φ7200×29685.5×60/4016MnR1.71200C8芳烃,对二乙苯4342吸附塔Ⅱ塔器φ7200×29685.5×60/4016MnR1.71200C8芳烃,对二乙苯4343抽出液塔Ⅰ塔器φ4600×55938×1816MnR0.37260对二甲苯,对二乙苯1964抽余液塔Ⅰ塔器φ7000/φ8000×65772×24/2216MnR0.37252C8芳烃,对二乙苯6285联合脱庚烷塔Ⅰ塔器φ5600×72672×3216MnR1.13285轻烃,C8芳烃3436再蒸馏塔Ⅰ塔器φ8400/φ7000×78814×56/4416MnR1.29334C8+芳烃7247二甲苯分馏塔Ⅰ塔器φ4200/φ5100×97281×36/3816MnR1.37306C8+芳烃4138脱附剂缓冲罐Ⅰ容器φ5800×33920×2016MnR0.35213对二乙苯1059重整油分离塔Ⅰ塔器φ3400×46956×1620R0.37230C7芳烃7410进料缓冲罐Ⅰ容器φ5000×27382×3216MnR1.2257C8芳烃9911分馏塔回流罐Ⅰ容器φ2600×8416×1816MnR0.35140C7芳烃1212压缩空气罐Ⅰ容器φ3200×11256×1616MnR0.9860净化空气1613事故放空罐Ⅰ容器φ7200×21760×3016MnR0.38268氢气,芳烃17414白土处理器Ⅲ容器φ3400×18193×5216MnR4.0220C8+芳烃,白土8715抽余液罐Ⅰ容器φ4600×24818×1820R0.35183C8芳烃5416气液分离器Ⅰ容器φ5000×17576×2616MnR1.37150芳烃\氢气5617脱庚烷塔回流罐Ⅰ容器φ3000×11240×2016MnR1.10150轻烃,C8非芳烃2018闪蒸塔Ⅰ塔器φ1200×4666×820R0.6060汽油、油气、水（含H2S）1.86（2）镇海炼化检安公司2002-2003年FCAW工艺使用情况1）规格尺寸：DN≤800mm（埋弧自动焊机头无法伸进）或壁厚≤8mm的薄壁容器；2）母材：碳素钢、低合金钢、奥氏体不锈钢、复合钢板3）数量：（a）碳钢、低合金钢类容器（以换热器为主）：约40余台。（b）奥氏体不锈钢：8台（包括316L薄壁塔、0Cr18Ni9绕管式换热器壳体等）（C）复合钢板（过渡层及复层）：39台4）主要采用的焊接方法：GTAW+FCAW（小直径）、FCAW（大直径薄壁双面焊）5）主要用于筒体纵、环焊缝；接管与法兰的对接焊缝（一般DN≥200mm）；接管与筒体的角对接焊缝；补强圈角缝；接管、法兰、管板等堆焊；复合钢板的过渡层及复层的焊接等。由上述两家单位的详细统计结果可知，FCAW工艺目前应用的范围有容器和换热器，类别有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类，母材主要是20R、16MnR以及不锈钢和不锈钢复合板。对于此类材料，所有焊缝均可以应用FCAW工艺，而材质为16MnDR、09MnNiDR的压力容器，目前还仅限于内外预焊件的焊接。4国内外相关规范及部分工程公司对FCAW工艺应用的规定JB4708-2000笼统的提到了熔化极气体保护焊，JB4709/T-2000中提到了CO2气保焊，且焊丝品种很少，都没有明确提到FCAW。ASME