摘要： 不锈钢焊接是压力容器产品的难点，本文分析不锈钢产品的焊接变形问题，对焊接变形产生原因进行论述并结合实际产品经验，给出针对性的防变形支撑方案，为后续的生产制造提供参考性文件。
关键字：不锈钢容器；焊接收缩；防变形；支撑
1 锈钢容器变形的原因分析
不锈钢具有良好的耐腐蚀性、高温抗氧化性、无磁性和机械加工性能，不锈钢容器广泛应用于石油化工行业的分离器、换热器、气体储罐等压力容器。但是，不锈钢的制造成本高，焊接变形控制难，随产品整体热处理需严格的焊接评定等原因限制了不锈钢容器的应用范围。其中，不锈钢焊接变形伴随在实际生产各个焊接环节中，本文结合实际产品经验，重点分析焊接变形问题。焊接变形主要有以下几个因素：
1.1钢板的自身刚性不足
由于不锈钢的耐腐蚀性能好并考虑制造成本，不锈钢的设计厚度要明显小于合金钢板及复合板，壁厚内径比（δ/Di）很小，导致筒体、封头等部件焊接及去余量机加时伴随刚性不足的问题。按生产经验，δ/Di＞0.01，可以满足大型机械加工设备刚性要求,；δ/Di＞0.015，可以忽略焊接局部变形问题，但是焊接收缩依然存在。
1.2焊接方法
焊接方法也是焊接变形产生的主要因素。常见的不锈钢焊接方法包括焊条电弧焊(SMAW)、手工氩弧焊(M-GTAW)和埋弧自动焊(SAW)等。常规厚度的不锈钢容器纵环缝焊接工艺为采用M-GTAW打底焊，保证单面焊双面成型，再采用SMAW焊接8至10mm，最后采用SAW焊接成型。小直径薄壁的不锈钢筒体可用手氩焊直接焊接成型。焊接过程需要严格清理层间焊渣及杂物，并控制相邻层焊接间隔，减少热量集中导致的热应变。
1.3焊接产生的收缩
不锈钢焊接过程不可避免产生焊接收缩。由于焊缝区域受热不均匀和焊缝周围约束会产生焊接应力和变形，热膨胀过程中会出现塑性压缩形变，因此焊接变形是一定且不可避免。
2 制焊接变形的主要思路
根据实际生产经验，热应力是焊接收缩的主要原因。在多次的项目经验中，控制焊接变形主要由以下几个思路：
2.1改进设计结构，减少应力集中；
2.2预留焊接收缩余量 试验分析焊接收缩量；
2.3焊前进行防变形支撑；
2.4增加相邻层焊接间隔时间；
2.5加速焊接后冷却速度。
针对产品易产生应力集中的位置，应该对图纸进行优化。例如接管及法兰对接缝应尽量远离法兰端面，详见附图1。
附图1 法兰接管焊接变形（图左 改进前；图右 改进后）
环缝焊接收缩表现为圆周尺寸缩小和焊缝塌腰两种现象。对称焊接和增加相邻层焊接间隔时间可以有效缓解热应力的产生。对于A、B类焊缝，在原坡口基础上通常保留3到5mm焊接收缩余量，可以有效缓解焊缝塌腰的情况。准确的焊接收缩量与母材材质、厚度、焊缝类型、焊接时间都有关系。如有条件，焊接时可配合水冷换热工装，加快焊缝焊后冷却速度，再加之合理的防变形支撑，焊接成型效果非常可观。
3 变形支撑方案
在实际生产过程中，以Di2400，δ30，S31608的不锈钢筒体，总长L=16300（可5段拼接）为例，按工序依次为：筒体分段下料→加工余量及坡口→卷圆→装纵缝拉筋板及拼焊纵缝→拆纵缝拉筋→校圆→加工环缝余量→装环缝支撑→装环缝拉筋板及拼焊环缝→拆环缝拉筋→开孔→焊接管→总装→水压试验→酸洗钝化。纵观筒体整个加工过程，拼接环缝自动焊前，需保证环缝圆度良好，并控制焊接收缩变形；装焊筒身大接管时，需保证筒体刚性，并控制焊接变形；水压试验过程设备重量过重，导致变形加剧。
纵缝焊接校圆后，筒体具有较好的圆度，这一阶段装防变形装置为最佳时机。因为筒体外侧有拉筋板并要留出自动焊机操作空间，所以常见的筒体封头防变形支撑均为内部支撑结构，支撑位置在环缝两侧100mm附近位置。防变形支撑从连接形式分为焊接和贴合两种形式，从结构上分为与筒体内径匹配的支撑环和十字或米字的型钢支撑两种结构。由于技术条件要求，支撑用料应为不锈钢材质，且焊接量尽量少，从而控制焊接变形并保证产品质量。十字或米字支撑可采用φ150以上的不锈钢管子或No12以上槽钢，与筒体连接处加工圆滑。十字或米字支撑作用面积小，支撑力不均匀，宜采用焊接形式，详见附图2。为保证支撑效果，十字或米字支撑配合千斤顶，可随时控制支撑力。
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附图2 十字和米字支撑
支撑环结构多采用拼接下料，δ20至δ30，支撑环宽度≥150mm，可采用贴合或配合点焊固定支撑，作用面积大，支撑力均布，详见附图3。可以看出，支撑环比较费料，且支撑力不可调。在实际生产中，可提制碳钢支撑环，并做不锈钢焊接过渡，虽增加焊接量，但极大节省工艺用料费用。
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附图3 支撑环
总装环缝焊接后，操作空间变小，防变形支撑的拆卸变成棘手的问题。考虑到总装缝焊接前，设备自身刚性基本满足生产要求，所有环缝支撑可以全部拆除，但是总装缝有焊后塌腰的隐患，但在实际生产中并不明显。为保证总装缝焊接质量，可保留总装缝支撑，待焊接成型后从人孔分段取出。由于空间有限，增加了起吊难度，并伴随较大安全隐患，可根据生产需要，制定支撑拆卸方案。
由于水压试验注水量很大，水压重量通常为产品重量的2至3倍，所以水压时的自重变形也不容忽视，此时防变形支撑按技术要求已全部拆除，内支撑方案不可行，可以装焊垫板及支座，增大支撑面积，控制水压时的自重变形的负面影响。
4 结束语
焊接变形是保证不锈钢焊后尺寸的最大难点，控制焊接变形是需要多维多种手段全过程控制。本文通过实际生产经验，总结出焊接和防变形控制的教训和经验，以提高不锈钢焊接质量，希望早日突破技术瓶颈。
参考文献：
[1]寿比南、陈刚等.GB150.4-2011 压力容器第4部分:制造、检验和验收.中国标准出版社
[2]贺运佳.金属材料熔焊工艺[M].陕西 西安:西北工业大学出版社
[3]邵元金,闫君焊接工艺对不锈钢焊接变形的影响[J].焊接技术,2015(4):80-81.
[4]高纵仁.简明不锈钢使用手册[M].山西 太原:山西科学技术出版社，2003.
[4]黄梓友.压力容器制造技术问答[M].北京:中国石化出版社，1999.