高压储氢罐封头与接管的焊接工艺

摘要： 在高压储氢罐焊接工艺中，Q345R低合金钢的封头与S31603奥氏体不锈钢的接管进行焊接时，由于材质不同及大尺寸的原因，容易产生裂纹。针对此问题开展了异种钢焊接工艺的研究和试验，主要包括裂纹产生原因的分析、对焊接工艺方法和参数进行研究以及焊接试验。结果表明，采用焊条电弧焊对封头过渡层进行焊接，然后采用钨极氩弧焊打底、焊条电弧焊填充的焊接方案，可有效防止裂纹的产生。

关键词： 异种钢焊接； 焊接工艺； 焊接接头

中图分类号： TG 442

Welding process of vessel head and connecting tube of high-pressure hydrogen storage tank

Shen Shunxi

（Fujian Environmental Protection Design Institute Co.， Ltd.， Fuzhou 350001， Fujian， China）

Abstract： In welding process of high-pressure hydrogen storage tank， low alloy steel Q345R vessel head and S31603 austenitic stainless steel nozzle were easy to crack due to different materials and large size. To solve this problem， welding process of dissimilar steels was studied and tested， which included analysis of causes of major cracks， research on welding process methods and parameters， and welding tests. The result showed that welding scheme of using shielded metal arc welding to weld transition layer of vessel head， and then using argon tungsten arc welding to backing weld and using shielded metal arc welding to filling weld could effectively prevent occurrence of cracks.

Key words：  dissimilar steel welding; welding process; welded joint

0 前言近年来，氢能成为最具发展潜力的可再生能源，而安全儲运是其发展的关键技术。在各种储运技术中，高压储运最为成熟，但随着技术的发展，容器压力越来越高，市场上已经出现98 MPa的储氢罐。因此，储氢罐的壁厚不断增大，技术要求增高，采用单一材料焊接的封头与接管结构已无法满足工程要求，故使用异种钢材焊接，然而在焊接工艺上存在诸多难题，如碳迁移、热应力及金属的稀释等，影响了焊接的质量［1-3］。

该研究所研制封头材质为Q345R，直径为1 200 mm，封头厚度为150 mm，接管材质为S31603，外径为240 mm，壁厚80 mm，属于大直径、大厚度异种钢焊接结构，焊接过程容易产生裂纹。为此，该文从S31603与Q345R异种钢的焊接性、焊接工艺等出发，分析、研究裂纹产生的原因，寻求合适的焊接工艺以确保焊接接头的质量。

1 封头与接管的化学成分及性能

封头采用Q345R材料，属于低合金钢，常温下显微组织是珠光体组织，而接管是S31603材料，其标准牌号为022Cr17Ni12Mo2，属于奥氏体不锈钢，它们的化学成分及力学性能、物理性能分别见表1、表2。

2 焊接性分析

封头与接管的焊接是大尺寸异种钢焊接，容易造成焊接接头（焊缝及热影响区）产生应力和组织变形，导致裂纹产生［4-6］，如图1所示。封头是大直径、大厚度结构，接管位于中间，这相当于在焊缝四周叠加一个强刚性的结构，产生结构应力。异种钢焊接过程产生复杂的热应力。由于厚度过大，封头受到不均匀的加热（热影响区温度高，其余区域温度低），产生分布不规律变形，导致热应力产生；从表2看出，S31603的热膨胀系数是Q345的1.7倍左右，而热导率只有Q345R的1/3左右，所以在冷却过程中热影响区域的收缩程度不同，造成焊缝的残余热应力产生；异种钢焊接存在碳迁移现象，使焊缝及热影响区域处金属组织发生固相转变，导致体积变化，产生应力。

综上所述，为防止裂纹产生，焊接工艺需考虑以下问题：采用内外整体加热，降低整体结构应力；为了防止焊接温度过高，应采用小热输入的焊接方法，减小收缩应力；在Q345R侧预先堆焊过渡层，增加焊缝塑性；焊接过程使用锤击法进行消应力处理，降低热应力、结构应力对焊缝的不良影响。

3 焊接工艺确定

焊接工艺根据焊接母材的结构特点及焊接性分析，制定合适的焊接工艺，防止焊接裂纹产生。其中，焊接工艺包括焊接方法、焊接坡口及焊接材料等参数。

3.1 焊接方法

目前，异种钢焊接主要方法有焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊及熔化极气体保护焊等。

根据封头结构特性、焊接性及电弧焊接特点，结合制造经验，提出以下方案：采用焊条电弧焊在Q345R侧焊接过渡层，方法采用多层多道、分段退焊（每段50 mm），然后在主焊层（打底层+填充层）上采用钨极氩弧焊打底、焊条电弧焊填充，也采用多层多道、分段退焊（每段50 mm）的方法。

3.2 焊接坡口

坡口的选择取决于母材加工性能、焊接方法和工艺要求。封头与接管的焊接接头属于T形接口，根据坡口形式不同，分为不开坡口、单边V形、K形和双U形，其特点见表3［7］。综合考虑，选用K形坡口，坡口角度45°，其焊缝填充金属量较少，坡口形状容易加工，且焊枪容易摆动，焊后应力和变形较小，有利于减小裂小纹发生的概率。

3.3 焊接材料

为了保证封头结构的使用要求以及力学性能，焊接材料应根据封头化学成分、力学性能、接头形式及焊接工艺要求，选用不同焊材进行打底层、过渡层、填充层的焊接，且严禁混用。

3.3.1 打底层焊材的选用

打底层与封头直接接触，保证后续焊接的稳定性，应考虑强度等级，保证力学性能。选取钨极氩弧焊进行焊接，焊材牌号为ER316L的奥氏体不锈钢焊丝，直径为2.4 mm。焊接时通过改变焊接工艺参数，减少热输入。

3.3.2 过渡层焊材的选用

过渡层主要用来补偿由于稀释作用造成封头金属元素Cr，Ni等降低。采用高镍焊材，同时考虑减小接头处变形产生的应力，应使用线膨胀系数介于Q345R与S31603之间的焊材。采用焊条电弧焊进行堆焊过渡层，焊条选用E309MoL-16（A042），焊条直径3.2 mm。

3.3.3 填充层焊材的选用

填充的焊材与打底层焊材、S31603钢材的化学成分近似，同时考虑到加工难度、焊接速度及价格等原因，在确保焊接质量前提下，选择焊条电弧焊的焊接方法，使用E316L-16（A022）焊条进行堆焊焊接，焊条直径4 mm。

3.4 焊接热输入、预热与层间温度

焊接热输入应考虑焊接温度对焊缝及热影响区的影响。虽然加大电流使高镍的焊丝、焊条熔化后的液体不易流动，有利于焊接成形，但大电流、大热量也会产生焊接变形和应力，更容易导致热裂纹及脆性组织产生［8-9］。此外，在焊接过渡层时，应减小熔液流动性，防止中间熔液向两边流动，使熔液均匀分布在封头处。因此，在焊接时应采用小电流、快速度的焊接工艺。

S31603属于奥氏体不锈钢，碳当量较低，焊接性优良，淬硬倾向不明显，焊接时不需要预热，而Q345R为低合金钢，焊接需要较高的预热温度和严格工艺控制措施;但预热温度不能过高，否则导致Q345R过热，产生脆硬组织，最终导致裂纹产生。主焊层为S31603钢材，焊接可以不预热，过渡层的预热温度为100～120 ℃。

在焊接主焊层时，应控制层间温度。过高的温度导致焊缝及热影响区域的晶体粗大，致使韧性及塑性下降；然而要使焊接层间温度小，在不影响焊接时间下，冷却速度就要快，这样容易形成淬硬组织以及影响扩散氢的逸出。结合实际焊接经验，选择层间温度为50～60 ℃，冷却采用保温棉包扎缓慢冷却，既保证焊接效率又防止裂纹产生。

3.5 焊接工艺整体方案

3.5.1 坡口加工

焊接接头示意图如图2所示。加工接头坡口，并检查其厚度尺寸、裂纹等缺陷是否存在。

3.5.2 焊接过渡层

对封头进行内外整体预热至100～120 ℃，升温速度Vu-T≤5 ℃/min，测温点在封头内侧坡口边；对封头采用小电流、快速度、多层多道、分段退焊法（每段50 mm）堆焊过渡层，厚度为10 mm，过程保持温度在80～120 ℃，焊接工艺参数见表4；堆焊后用保温棉包扎缓慢冷却至室温，降温速度Vd-T≤5 ℃/min；去除焊渣、检查是否有裂纹等缺陷。3.5.3 接管焊接

安装接管时不预热，用钨极氩弧焊进行打底层焊接，焊接工艺参数见表4；采用小电流、快速度、多层多道、分段退焊法（每段50 mm）焊接填充层，从中间开始进行内外交替焊接，厚度为20 mm，过程保持温度在80～120 ℃，焊接工艺参数见表4；堆焊后用保温棉包扎缓慢冷却至层间温度（50～60 ℃）左右，降温速度Vd-T≤5℃/min；用锤击法进行消应力处理；去除焊渣、检查是否有裂纹等缺陷产生；反复上述填充层焊接，直至焊完；去除焊渣，焊縫打磨。

3.5.4 焊后热处理

堆焊完成后，进行焊后热处理。低温回火：温度按照Q345R钢焊接要求的620 ℃±20 ℃，保温3 h；对焊接完成件进行质量检测及分析。

4 焊接质量检测及分析

焊接质量检测是保证焊接工艺、产品优良，防止废品产生的重要保证。大直径、大厚度、大质量的焊接件进行力学性能试验成本较高、试验难度大，所以根据NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》的标准，封头焊接质量检测其主要包括焊接前、中、后期的外观和尺寸的检查及进行无损检测［10］。

焊前对加工后的坡口进行表面及尺寸检查，坡口不得有裂纹、杂质、缺陷等；焊接过程中检查焊缝是否有缺陷产生，并及时打磨、补焊；焊后进行变形量、表面杂质、粗糙度、对接错边量等表面外观及尺寸检查。

焊前、焊后进行无损检测，选用显示直观、操作方便、检测费用低，敏捷度高的100%PT检测方式，如图3所示。在焊接前进行外观检查，表面没有气孔、夹杂、裂纹等缺陷，100%PT检测加工后的封头坡口处，根据NB/T 47013.4—2015《承压容器无损检测》标准，结果I级合格；焊接过渡层及焊接填充层的每一层，外观检查合格，100%PT检测结果I级合格；焊后整体外观检查合格，100%PT检测结果I级合格。所以封头与接管的焊接质量符合要求，制定的焊接工艺合理。

5 结论

在大尺寸、大厚度的压力容器焊接流程中，焊接工艺很大程度上影响了裂纹的产生。通过合理的焊接工艺确保焊接质量：采用小电流、快速度、多层多道、分段退焊法，工件整体预热及采用含高镍焊材堆焊过渡层，增加了焊缝的塑性、自由伸缩状态，降低焊接裂纹的产生倾向。根据封头与接管的焊接检测结果表明：选用的焊接工艺合适，焊接质量满足高压储氢罐焊接要求。

参考文献

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收稿日期： 2022-10-17

沈顺喜简介： 学士，高级工程师；主要从事压力容器、压力管道设计；15985705866@163.com。