啤酒发酵罐体焊接工艺设计

现代焊接２０１０年第５期总第８９期Ｊ－４５
［摘要］［关键词］啤酒发酵罐体由多块０Ｃｒ１８Ｎｉ９奥氏体不锈钢板组焊而成，在发酵过程中要承受巨大的压力，对焊接工艺要求极高。

本文通过对啤酒发酵罐体焊接工艺论述和探讨，解决了啤酒发酵罐体制造过程中的难题，保证了焊接质量。

罐体；焊接质量；焊接工艺作者简介：隋立良（１９９０－），男，就读于山东交通职业学院机电工程学院焊接技术及自动化专业。

啤酒发酵罐体焊接工艺设计
山东交通职业学院隋立良宋金虎
奥氏体不锈钢０Ｃｒ１８Ｎｉ９综合性能良好，有足够的强度、极好的塑性，在氧化性、中性以及弱还原性的介质中具有良好的耐蚀性，因而被广泛地应用。

大型啤酒发酵罐体就是由多块０Ｃｒ１８Ｎｉ９奥氏体不锈钢板组焊而成，但在焊接接头易出现热裂纹、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、低温脆化、σ相脆化等缺陷，因此应严格制定焊接工艺。

啤酒发酵罐体采用如附图所示的
结构，由多块厚度是６ｍｍ的０Ｃｒ１８Ｎｉ９奥氏体不锈钢板组焊而成，这种罐体由三部分组成，筒壁由多块钢板组焊而成。

奥氏体不锈钢０Ｃｒ１８Ｎｉ９是石油化
工设备中应用最为广泛的金属材料之一，其焊接性能良好，但在焊接过程中也容易产生不少问题，主要表现为
１啤酒发酵罐体的结构特点
２焊接性能分析
筒壁和两个封头以下几种：
根据贫铬理论，焊缝和热影响区在加热到４５０￣８５０℃敏化温度区时，在晶界上析出碳化铬，造成贫铬的晶界，达到不足以抵抗腐蚀的程度。

焊缝中的树枝晶方向性强，有利于Ｓ、Ｐ等元素的低
２．１晶间腐蚀。

２．２容易出现热裂纹。

熔点共晶产物的形成和聚集。

另外，此类钢的导热系数小（约为低碳钢的１／３），线胀系数大（比低碳钢大５０％），所以焊接应力也大，加剧了热裂纹的产生。

应力腐蚀开裂是焊接接头在特定腐蚀环境下受拉伸应力作用时所产生的延迟开裂现象。

奥氏体不锈钢焊接接头的应力腐蚀开裂是焊接接头比较严重的失效形式，表现为无塑性变形的脆性破坏。

对于奥氏体不锈钢焊接接头，在低温使用时，焊缝金属的塑韧性是关键问题。

此时，焊缝组织中的铁素体的存在总是恶化低温韧性。

焊件在焊接过程中或经受一定时间的高温加热后会在焊缝中析出一种脆性的σ相，导致整个焊接接头脆化，塑性和韧性显著下降。

σ相的析出温度范围６５０￣８５０℃。

在高温加热过程中，σ相主要由铁素体转变而成。

加热时间越长，σ相析出越多。

２．３应力腐蚀开裂。

２．４焊缝金属的低温脆化。

２．５焊接接头的σ相脆化。

附图啤酒发酵罐体采用结构
Design of welding process of beer fermentation tank
Ｊ－２０１０年第５期总第８９期
４６现代焊接３
啤酒发酵罐体制作要点
４
焊接工艺实验
３．１
啤酒发酵罐体制作要点
３．２焊接过程中的难点
４．１焊接工艺要点
３．１．１要求全焊透（熔透焊），并且要保证其致密性；
３．１．２保证焊缝能够承受一定的压力；３．１．３保证罐体内部的清洁，以免在发酵时对啤酒造成污染；
３．１．４焊后变形小，满足设计要求。

３．２．１
在底面与侧壁焊接时，由于是
弧形焊接，很有可能由于受热不均匀等因素而引起变形；３．２．２
打底焊时，对于大而厚的底面要求全焊透；
３．２．３壁厚６ｍｍ，焊接量非常大。

４．１．１
由于奥氏体不锈钢导热系数小
而热膨胀系数大，焊接时易于产生较大的变形和焊接应力，因此应尽可能选用焊接能量集中的焊接方法。

４．１．２由于奥氏体不锈钢导热系数小，在同样的电流下，可比低合金钢得到更大的熔深。

因此，应选择较小的焊接电流。

４．２．３
一般不采用大的能量输入方法进行焊接。

奥氏体不锈钢由于热裂纹敏感性大，应严格控制焊接能量，防止焊缝晶粒严重长大与焊接热裂纹的发生。

４．２．４
为提高焊缝的抗热裂性能和耐蚀性能，焊接时要特别注意焊接区的清洁，避免有害元素渗入焊缝。

４．１．５
奥氏体不锈钢焊接时一般不需要预热。

为了防止焊缝和热影响区的晶粒长大及碳化物的析出，保证焊接接头的塑、韧性和耐蚀性，应控制较
低的层间温度，一般不超过１５０℃。

如果采用传统的焊条电弧焊焊接罐体内侧焊缝，不仅余高较大，而且焊渣不易清除干净，造成内侧焊缝焊后磨平的工作量大，残留焊渣对啤酒质量带来不利影响。

对于厚度为６ｍｍ的不锈钢罐体材质的外侧焊缝焊接，传统的焊条电弧焊焊后需要清除焊渣，增加了焊接辅助工时。

另外，焊条电弧焊的熔敷率低，焊接速度慢，生产率低。

如果采用埋弧焊，则热输入量很大，而且冷却速度很慢，严重影响到了焊接质量。

于是采用气体保护焊，考虑用钨极氩弧焊打底焊，用熔化极混合气体保护焊焊接外侧。

钨极氩弧焊为无渣焊接，焊缝余高很小，焊缝质量亦有很大的提高，能够满足啤酒发酵罐体使用性能的要求。

对于罐体的外侧焊缝，选择熔化极混合气体保护焊不仅熔敷率提高，无需焊后清渣、减少了焊接辅助工时，而且焊接质量显著改善，由于焊丝连续自动送进，产品焊接时的生产率大为提高。

采用钨极氩弧焊打底焊，可以完成单面焊双面成形。

在焊前要注意将工件接头两侧３０￣５０ｍｍ范围内的油污、灰尘、氧化膜清理掉。

其焊接参数如表１所示。

在焊接外侧焊缝时，由于工作量
４．２
焊接方法选择
４．３
焊接工艺参数的选择
大，而且对焊缝质量要求较高，采用自动熔化极混合气体保护焊，不仅可以获得良好的焊缝质量，而且大大提高了生产效率。

焊接材料为奥氏体不锈钢０Ｃｒ１８Ｎｉ９，采用９８％的Ａｒ和２％的Ｏ。

混合气体保护可以使电弧稳定，效率提高。

其焊接参数如表２所示。

产生变形的原因是焊接应力，金属焊接是局部加热、熔化的过程，在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程，由于不均匀温度场，导致焊件的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。

焊接变形和应力的形成同许多因素有关，其中，最主要的因素有：焊接处温度分布不均匀，熔敷金属的收缩，焊接接头金属组织转变及工件的刚性约束等。

同时，焊接变形还和焊接方法和工艺参数有关。

防止焊接变形的方法：
对于这种承受压力的容器来说，焊接应力必须加以控制。

４．４．１焊接时要避免使焊缝密集交叉，避免使焊缝截面过大或使焊缝过长。

４．４．２应使焊缝位置尽可能地对称，使一个收缩力对另一个收缩力相互平
衡。

４．４．３
一般情况下，热输入量大时，
加热的高温区范围大，冷却速度慢，
２４．４产生变形的控制
项目钨极氩弧焊
焊丝直径（ｍｍ）
焊接电流（Ａ）
焊接速度（ｍｍ／ｍｉｎ）
氩气流量（Ｌ／ｍｉｎ）
表１
焊接参数一
项目
熔化极混合气体保护焊
焊丝直径（ｍｍ）焊接电流（Ａ）焊接速度（ｍｍ／ｍｉｎ）焊丝送进速度（ｍ／ｍｉｎ）氩气流量（Ｌ／ｍｉｎ）表２
焊接参数二
（下转第Ｊ－４９页）
现代焊接２０１０年第５期总第８９期Ｊ－４９
的封头，当设计图样标注了封头成形后的最小厚度，可按实测的最小厚度不小于图样标注的最小厚度验收。

”需要注意的是，当有材料代用时，应按照实际使用材料的负偏差来验收封头的最小厚度。

目前材料生产厂家为了节约成本，大部分是材料标准的下限偏差，封头成形存在一定的成形减薄量，除非材料在订货时按照正偏差要求供货或原材料在设计的基础上加厚，否则封头成形后满足不了ＪＢ／Ｔ４７４６－２００２封头最小厚度的要求。

ＧＢ１５０－１９９８中附录Ｃ２．１．６规定“钢管可按批进行冲击试验复验，在每批钢管中任意两根钢管上各取一组试样；钢管用于制造壳体，且厚度１６ｍｍ时按批抽１０％，且不少于两根，每根取一组试样，取样位置应靠近钢管内壁，一般为纵向，对大直径厚壁管可沿切向取样，缺口应沿厚度方向切取。

”
ＧＢ１５０－１９９８附录Ｃ２．２．３规定“焊条应按批进行药皮含水量或熔敷金属扩散氢含量的复验。

压力容器制造厂家可由焊材生产厂家复验其相关的项
８低温压力容器用材料的验收
＞目，并提供复验报告。

”当锻件要求复验时，锻件生产厂
家应按照ＪＢ４７２６－２０００复验，以保证试样的真实性。

但锻件带本体试样由于成本会增加，所以大多制造厂很难做到。

人孔标准中的法兰盖用材料为板材，但对于法兰及法兰盖的生产厂家一般是用锻件制作的，用板材制作的利用率较低，所以在验收外购法兰盖时，应该核对标准与材质。

按《容规》第２５条规定“当钢厂
未提供钢板超声检测保证书时，应进行超声检测复验。

《容规》第１４条只是对碳素钢和低合金钢钢板有要求，对其他材料没有要求。

对于外购成品封头与膨胀节，大多数生产厂家试板的真实性无法得到证实，这种情况下可以带料加工，也可以委托生产厂家复验相应的项目，并出具复验报告。

”
按ＨＧ２０５８１－１９９８中５．３．１１规定“用
９锻件的验收与复验
１０三类容器的复验
１１无缝钢管的复验
作压力容器壳体的无缝钢管，设备制造部门应按照表５－８要求复验机械性能，并符合相应钢管标准的要求。

用作Ⅱ、Ⅲ类容器壳体的钢管，设备制造厂应逐根按设备液压试验压力进行水压试验；Ⅰ类容器壳体用钢管，如钢厂已作水压试验者，可不再复试。

”
材料对压力容器是至关重要的。

材料质量一旦出现问题，其它环节做得再好也无济于事。

所以，只有对压力容器制造单位材料的验收入库严格把关，并符合压力容器的相关标准，材料生产厂家才无机可乘，才能使压力容器制造质量做得更好、更精。

［１］赵忠义，高芹，姜安周等．浅谈承压设备用焊接材料的入厂验收［Ｊ］．现代焊接，２００９（５）：５１￣５２．
［２］全国压力容器标准化技术委员会．压力容器安全技术监察规程．９９版［Ｍ］．北京：中国劳动社会保障出版社，１９９９．１０
［３］ＨＧ２０５８０￣２０５８５－１９９８钢制化工容器［Ｓ］．中国标准出版社，１９９９－０３－０１
［４］全国锅炉压力容器标准化技术委员会．ＧＢ１５０－１９９８钢制压力容器［Ｓ］．中国标准出版社，１９９８－０５－０１．
１２结束语
参考文献
使接头塑性变形区增大。

所以要使焊接热输入量尽量集中，冷却速度尽量快。

４．４．４两面同时打底焊接，自动焊使用相同的焊接工艺参数。

４．４．５
减小焊缝截面积，在得到完整或无超标缺陷焊缝的前提下，尽可能采用较小的坡口尺寸（角度和间隙）。

４．４．６焊缝面积越大，冷却时收缩引起的塑性变形量越大，焊缝面积对纵向、横向及角变形的影响趋势是一致的，而且是起主要的影响，因此，在板厚相同时，坡口尺寸越大，收缩变形越大，因而要尽量减小坡口尺寸。

４．４．７
采取合理的焊接顺序：在焊缝较多的组装条件下，应根据构件形状和焊缝的布置，采取先焊收缩量较大
的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝；先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝，后焊拘束度较小而能自由收缩的焊缝的原则。

采用以上焊接工艺，完成了啤酒
发酵罐体的焊接，满足了设计和使用
５结束语
（上接第Ｊ－４６页）。