QC攻克国产高强钢储罐壁板气电立焊难题

1、大庆油田建设集团2006年QC成果发布会材料攻克国产高强钢储罐壁板气电立焊难题 小组名称：十万立储罐国产板焊接QC小组注册编号：jsjt2006-hj10发 布 人：高 安 翔发布日期：2006年12月大庆油田建设集团化建公司大连项目部一、工程概况兴建战略石油储备基地是我国保障能源安全，规避石油短缺风险的重大举措。大连国家石油基地储备工程作为我国战略石油储备一期工程四个项目之一，位于大连市大孤山半岛大连新港附近，该项工程包括30台10104m3浮顶原油储罐及附属的配套工程，建成后石油储备量将达到300万立方米，这一数字相当于大庆油田年产量的6%。根据国家发改委要求，大连国家石油储备基地工程的3

2、#、4#、5#罐组的18台立式储罐16圈壁板全部采用国产低合金高强钢12MnNiVR钢板，不再继续使用日本进口高强钢SPV490Q钢板。二、小组概况储罐壁板材质更换，为满足工程施工需要，急需掌握国产低合金高强钢12MnNiVR钢板的焊接性能，攻克其气电立焊难题，制定新的焊接工艺，以指导现场焊接施工。2006年3月1日，大连项目部十万立储罐国产高强钢板焊接QC小组正式成立。表1 小组成员情况表序号姓名职称专业文化程度组内职务1冯 罡工程师材料大学组长2曲文忠高级工程师设备大学顾问3刘古文高级工程师焊接大学顾问4王宏红工程师焊接大学副组长5李杰春工程师质检大学副组长6高安翔助理工程师焊接大学组员7

3、管雨波工程师理化大学组员8郭建明技师焊接高中组员9齐 军技师焊接高中组员施 工 需 要大连国储工程的3#、4#、5#罐组的18台立式储罐将全部采用国产低合金高强钢12MnNiVR钢板，以替代日本进口高强钢SPV490Q钢板。本单位此前未接触过12MnNiVR钢板的焊接施工，急需制定12MnNiVR钢板气电立焊焊接工艺评定及焊接作业指导书，以指导现场焊接施工。公司质量方针质量为本 持续改进从严务实 筑造精品诚信守约 服务顾客今 后 趋 势每台十万立储罐需要高强度钢板约700吨，使用国产钢板可节省材料费用约300万元，可节省大量建设资金，使用12MnNiVR钢板替代SPV490Q钢板是大势所趋。攻

4、克国产高强钢储罐壁板气电立焊难题三、选题理由四、活动目标及可行性分析（一）活动目标攻克国产高强钢12MnNiVR储罐壁板气电立焊难题，制定焊接工艺评定及编制焊接作业指导书，以指导现场焊接施工，保证焊接施工质量。（二）可行性分析不利因素：1、我们首次接触国产高强钢12MnNiVR钢板的焊接施工。2、工程急需12MnNiVR钢板气电立焊焊接工艺评定以指导现场焊接施工，时间紧，任务重。有利因素：1、小组成员组成合理，既有经验丰富的技术人员，又有技术过硬的操作人员；专业覆盖齐全，包括焊接、材料、设备、质检、理化等五个专业。2、上级领导十分重视，给予全力支持，先后组织小组成员赴镇海国家石油储备基地及合肥

5、通用机械研究院，针对12MnNiVR钢板的焊接进行考察。3、我们已熟练掌握日本进口高强钢SPV490Q钢板的气电立焊技术，国产高强钢12MnNiVR钢板与SPV490Q钢板焊接工艺性能存在一定的相似性，可以借鉴。综合以上因素，小组成员认为通过全体成员的群策群力和QC活动的深入开展，我们的目标一定可以实现！五、活动过程（一）第一轮PDCA循环1、试焊试板小组成员查阅了大量文献资料，根据赴镇海国家石油储备基地施工现场、合肥通用机械研究院进行考察掌握的情况，结合我单位成熟的SPV490Q钢板气电立焊工艺，初步拟定12MnNiVR钢板的气电立焊工艺参数，开始试焊试板。试焊情况如下：熟练焊工5名，焊接设

6、备为日本新日铁公司的VEGA-A焊丝振动式高效气电自动焊机，焊接材料为神钢的DWS-60G焊丝，直径为1.6mm。焊接主要工艺参数及焊接试件数量见表2。表2 12MnNiVR钢板气电立焊试焊简要情况表序号钢板厚度(mm)坡口型式坡口角度()对口间隙(mm)电流(A)电压(V)焊接试板数量131对接X型504739043039426227对接X型534739043039426321.5对接V型363739043039426418对接V型404739043039426515对接V型504739043039426对30块试板依次进行外观检查、射线检测及力学性能试验（力学性能试验取样避开缺陷，取样数量

7、按JB4708-2000要求），对试焊试板的焊接缺陷情况进行统计做出缺陷调查表，见表3。表3 试焊试板焊接缺陷调查表序号缺陷名称频数频率累计频率1起弧端未熔合1328.9%28.9%2HAZ-15冲击吸收功低于规定值1124.4%53.3%3内部夹渣613.3%66.7%4气孔511.1%77.8%5咬边511.1%88.9%6表面裂纹36.7%95.6%7其它24.4%100%合计45100%根据缺陷调查表，我们做出了试焊试板的焊接缺陷排列图：试焊试板焊接缺陷排列图从排列图可看出：起弧端未熔合、HAZ-15冲击吸收功低于规定平均值是试焊试板出现的主要缺陷。2、原因分析QC小组成员从人为因素、

8、机械因素、材料因素、工艺因素、环境因素等五方面对有可能造成试焊试板起弧端未熔合、HAZ-15冲击吸收功低于规定平均值的各种因素进行分析，并绘制成关联图，如下：起弧端未熔合、HAZ-15冲击吸收功低于规定值影响因素关联图工艺因素机械因素人为因素材料因素环境因素起弧端未熔合HAZ-15冲击吸收功低于规定值焊机电源输出不稳焊丝受潮CO2气体不纯（含水超标）未进行焊前预热冷却水循环不畅循环不畅湿度较大焊工操作问题焊接热输入过高焊接接头氢含量过高焊接接头过热（结晶粗大）未进行后热消氢处理3、要因确认通过关联图，我们一共找出了9项末端影响因素，为了寻找要因，确定问题的关键，小组成员对9项末端影响因素展逐一

9、进行了验证，见表4。表4 要因确认表序号末端因素论证分析是否要因1焊工操作问题试焊焊工均为本单位熟练焊工，长期从事气电立焊操作，操作手法无问题。非要因2焊机电源输出不稳焊机运转良好，在焊接过程中，电流、电压值显示确实存在波动，但波动值处于正常范围内，属于正常现象。非要因3冷却水循环不畅在焊接过程中，水循环系统没有发现堵塞现象，对冷却水温度进行测量，始终保持在80以下，正常。非要因4CO2气体不纯（含水超标）试焊所使用的是高纯CO2，经现场测定，含水量0.003%，符合相关规范要求。非要因5焊丝受潮气电立焊焊丝为药芯焊丝，如保管不善，包装破损或开封时间较长，极易受潮。但现场检查没有发现焊丝包装破

10、损的情况，而且是刚开封即使用。非要因6未进行焊前预热未熔合只出现在起弧端，是因气电立焊刚起弧时，钢板本身温度较低，建立熔池的过程中难于熔化焊缝两侧母材金属；除起弧端以外的焊道其余部分，因前端焊道焊接过程中持续产生热量，对其临近的将焊接部位能进行有效预热，所以没有出现未熔合现象。是要因7焊接热输入过高焊接热输入过高时，会使焊件热影响区晶粒长大，冲击韧性显著降低。通过试焊记录，我们发现HAZ冲击试验结果低于规定平均值的试样均取自焊接热输入较高的试件。是要因8未进行后热消氢处理气电立焊时焊道受CO2气体和循环水双重冷却作用，温度下降很快。而后热消氢处理要求在焊道残余温度在70以上时立即进行，对气电立

11、焊焊缝做后热消氢处理，意义不大。非要因9湿度较大查阅当天气象记录可看到，试焊时大气相对湿度为68.3%72.8%，远低于规范规定值。非要因4、制定对策针对找出的2项要因制定对策，见表5。表5 对 策 表要因对策目标措施实施地点完成时间责任人未进行焊前预热确定焊接前预热温度。焊件不在出现起弧端未熔合。气电立焊过程中测量铜滑块上方100mm温度。并以此温度作为预热温度，试焊试件检验。试焊场地2006年5月中旬李杰春高安翔焊接热输入过高确定合理的焊接热输入范围，修正焊接工艺参数。确保焊件HAZ-15冲击吸收功不低于规定平均值。根据试焊参数与HAZ冲击试验结果对比数据，做焊接热输入与HAZ-15冲击吸

12、收功的散布图，找出两者间存在的相关关系及相关程度，确定合理的焊接热输入范围。对影响气电立焊焊接热输入的因素（工艺参数）进行分析，运用正交试验法修正焊接工艺参数。试焊场地2006年5月中旬高安翔齐 军5、对策实施未进行焊前预热针对（1）对策实施一：基于起弧端未熔合形成的成因，有针对性的制定实施措施。在气电立焊过程中，测量铜滑块上方约100mm处坡口外沿温度12次，温度在80120范围。考虑到预热结束至焊接起弧时间内的热量损失，将此温度适当提高至100150，对焊接起弧端100mm范围进行焊前预热（其余部分仅进行烘烤去潮气）。试焊5块试件进行检验，未再出现起弧端未熔合缺陷。焊接热输入过高针对（2）

13、对策实施二：将试焊参数和HAZ-15冲击试验结果进行对比，见表6。表6 试焊参数与HAZ -15冲击试验结果对比表试件型式对口间隙(mm)电流(A)电压(V)焊接速度(cm/min)热输入(KJ/cm)HAZ-15AKV实测值(J)HAZ-15AK平均值(J)=31mm对接X型坡口坡口角度5043904011.4 82.11 195170176180 54004011.0 87.27 162173155163 54104112.8 78.80 171159161164 64104112.1 83.36 182140129150 64204211.6 91.24 169152109143 743

14、04210.8 100.33 58818173 =27mm对接X型坡口坡口角度5343903913.6 67.10 100104118107 53903913.0 70.20 152129161147 54004013.2 72.73 151159143151 64104011.5 85.57 169160145158 64104111.8 85.47 109152148136 74204212.2 86.75 99157141132 =21.5mm对接V型坡口坡口角度3633903910.8 84.50 177148180168 44104111.3 89.26 129111139126 5

15、4104011.0 89.45 135102162133 64204110.0 103.32 69615762 7420429.6 110.25 52586759 7430429.3 116.52 56446354 =18mm对接V型坡口坡口角度4043903912.0 76.05 201179171184 54004012.0 80.00 129175164156 54104111.0 91.69 111127109116 64104110.7 94.26 102119103108 74204210.0 105.84 58685259 74304110.0 105.78 54597462 =

16、15mm对接V型坡口坡口角度5043903911.8 77.34 166171159165 53903911.2 81.48 139182165162 54004010.8 88.89 115120109115 64104010.8 91.11 103119117113 64204111.0 93.93 989910199 74204210.2 103.76 56657967 再根据对比表数据做焊接热输入与HAZ-15冲击吸收功的散布图，希望能较准确的找出两者间存在的相关关系及相关程度，并找出允许的焊接热输入上限值。12MnNiVR焊件HAZ-15冲击吸收功与焊接热输入散布图图中: 蓝点表示H

17、AZ-15冲击吸收功实测值 黄点表示HAZ-15冲击吸收功平均值 红线为连接HAZ-15冲击吸收功平均值的趋势曲线通过散布图我们可以看出：当焊接热输入在7090 KJ/cm区间时，试件HAZ-15冲击吸收功基本稳定在100J以上；当焊接热输入在90 KJ/cm区间时，试件HAZ-15冲击吸收功随热输入的增加而明显降低，两者呈强负相关关系；当焊接热输入在100 KJ/cm时，开始出现试样HAZ-15冲击吸收功低于设计规定平均值（60J）的情况。对影响气电立焊焊接热输入的因素进行分析，绘制关联图。根据气电立焊焊接热输入的定义q=UI/v，我们可以知道电压、电流对焊接热输入有直接影响。此外，在气电立

18、焊采用对接V型或X型坡口时，对口间隙、坡口角度及铜滑块尺寸共同决定了焊道横截面尺寸，即决定了一定长度内的填充金属体积，从而影响了焊接速度，并影响到焊接热输入。铜滑块尺寸是固定的为24mm，通常要求铜滑块压焊缝坡口外沿两侧各3mm，所以焊缝坡口外沿尺寸基本固定为18mm，因此，同一厚度试件对口间隙变化时，坡口角度也需相应做适当调整。焊接热输入q=UI/v电流I电压U坡口角度焊接速度v送丝速度填充金属体积滑块尺寸焊道横截面尺寸对口间隙气电立焊焊接热输入影响因素关联图根据以上分析，我们确定电压、电流及对口间隙为正交试验位级，选用L4（23）正交试验。表7 =21.5mm试板气电立焊正交试验位级表 位

19、级水平A焊接电压（V）B焊接电流（A）C对口间隙（mm）14042410430572394039041035表8 =21.5mm试板气电立焊L4（23）正交试验表位级试验号ABC检查结果评分11（4042）1（410430）1（57）8322（3940）1（410430）2（35）9231（4042）2（390410）2（35）9742（3940）2（390410）1（57）85180175168+=357=总合177182189极差R3721从试验结果可以看出，第3号试验方案是最好的；但计算最优组合为A1B2C2，即焊接电压4042V、焊接电流390410A、坡口间隙35mm；从极差看，CB

20、A，所以对口间隙是重点因素，应重点加强控制。用同样方法，我们获得其它不同厚度规格12MnNiVR钢板气电立焊工艺参数。表9 12MnNiVR钢板气电立焊工艺参数表（简）序号钢板厚度(mm)坡口型式对口间隙(mm)电流(A)电压(V)焊接速度（cm/min）焊接热输入（KJ/cm）131对接X型4639041040421113.56994227对接X型46390410404211.5146790321.5对接V型35390400404211137294418对接V型35390410404211137294515对接V型4639041040421113.56994通过上表可看出，我们制定的焊接工艺

21、的焊接热输入范围为6794 KJ/cm，处于我们之前论证的合理区间内，所以这些工艺参数的设定是较准确的。6、效果检查根据得出的12MnNiVR钢板气电立焊工艺参数工艺参数，组织焊工焊接工艺评定试件，5种厚度规格的12MnNiVR钢板各焊试件2块，这批试件经外观检查、表面渗透探伤、射线探伤、冲击试验和弯曲试验全部合格，即焊接工艺评定合格。（二）第二轮PDCA循环1、焊工考试焊接工艺评定合格后，于2006年6月上旬，按施工管理要求组织12名入厂施工的气电立焊焊工进行操作技能考试，每人5种厚度规格的12MnNiVR试件各焊1块。对60块试板先进行外观检查，外观合格试件，每件拍2张片，射线底片92张合

22、格，合格率仅为76.7%。现对考试试板焊接缺陷情况进行统计做出缺陷调查表如下：表10 焊工考试焊接缺陷调查表序号缺陷名称频数频率累计频率1表面裂纹3543.8%43.8%2气孔2430.0%73.8%5内部夹渣911.3%85.0%6咬边67.5%92.5%7焊道成型不良45.0%97.5%8断弧22.5%100%合计80100%根据缺陷调查表，我们做出了考试试板的焊接缺陷排列图：焊工考试焊接缺陷排列图从排列图可看出：表面裂纹、气孔是考试试板出现的主要缺陷。气电立焊表面裂纹图（a）外观图 （b）渗透检测图 （c）射线检测图气电立焊气孔射线底片图气孔射线底片（1） 气孔射线底片（2） 2、原因分

23、析除人员外，焊工考试施焊条件基本与制作焊接工艺评定试件时相同，机械因素、材料因素、工艺因素、环境因素方面的影响基本可以排除。据了解考试焊工中有5名为新入厂施工焊工（4台十万立储罐同时施工原有焊工不足），操作技能水平还有待考察，出现表面裂纹及气孔的试焊试件也大都集中于这5名焊工。因此，可初步判定表面裂纹、气孔是由焊工操作问题引起的。气电立焊表面裂纹、气孔影响因素关联图气 孔表面裂纹手动调节时铜滑块不均匀升降焊丝振动幅度过大金属熔池位置不合适焊丝端部弯曲焊工操作问题3、要因确认通过关联图，我们一共找出了4项末端影响因素。为了寻找要因，确定问题的关键，小组成员对4项末端影响因素展逐一进行了验证。（1

24、）手动调节时铜滑块不均匀升降在气电立焊过程中，有时为保证金属熔池位置，需要手动调整铜滑块升降，如操作不当，可能导致铜滑块上升速度变化较大，带动焊渣与焊缝表面接触并保持较大的压紧力，造成表面夹渣，表面夹渣在其它因素影响下，进而扩展为表面裂纹。但仔细观察这5名焊工的操作，他们极少手动调整铜滑块升降，所以该项定为非要因。（2）焊丝振动幅度过大在气电立焊过程中，焊丝振幅过大，距离铜滑块太近时，金属熔池会包覆焊渣在焊缝表面，形成表面夹渣，因同时受铜滑块的强制急冷作用，夹渣处在较大应力作用下易形成表面裂纹。这5名焊工操作时基本不调整焊丝往复振动幅度，也很少观察焊丝相对于铜滑块的距离，经常有焊丝贴近铜滑块的

25、现象，甚至有一次将铜滑块损伤，所以该项是要因。（3）焊丝端部弯曲焊丝端部弯曲会造成焊丝指向偏离焊道中心，过于靠近滑块则易产生表面裂纹；过于靠近一侧母材则易造成咬边、气孔等缺陷。但仔细询问这5名焊工，他们施焊前都已经将焊丝端部弯曲部分剪断去掉，所以该项定为非要因。（4）金属溶池位置不合适相对于铜滑块的CO2气体出口，熔池位置过低，CO2气体很难实施保护；熔池位置过高，容易堵塞CO2气体出口，均会形成气孔缺陷。因这3名焊工不注意观察金属溶池位置，极少手动调整铜滑块升降，经常出现熔池位置过低或过高的现象，所以该项是要因。4、制定对策针对找出的2项要因制定对策，见对策表。表11 对 策 表要因对策目标

26、措施实施地点完成时间责任人焊丝振动幅度过大确定焊丝在焊缝坡口内合适的焊丝振动幅度。焊件不出现表面裂纹。仔细观察焊工操作，记录设定的焊丝振动幅度、振动最前端距离铜滑块的距离，总结归纳操作要领。试焊场地2006年6月中旬王宏红齐 军金属熔池位置不合适确定合适的金属溶池位置。焊件不出现超标的气孔缺陷。由熟练焊工做操作示范，确定焊丝干伸长度及焊丝端部与气体出口的合适距离。试焊场地2006年6月中旬王宏红齐 军5、对策实施焊丝振动幅度过大针对（1）对策实施一：仔细观察焊工操作，记录施焊时设定的焊丝振动幅度及振动最前端距离铜滑块的距离，与最终的焊件是否出现表面裂纹，做对应比较。总结出如下焊接操作要领：合适

27、的焊丝振幅=t-12mm（t为焊道厚度），焊丝往复单振动最前端距离铜滑块46mm较为合适，若4mm就会出现表面夹渣引起的裂纹，甚至损坏铜滑块。见右侧简图。金属熔池位置不合适针对（2）对策实施二：向2名技术熟练的焊工进行请教，交流操作要领，并请他们试焊2块试件进行操作演示。对其焊接操作要领进行归纳总结如下：操作时要注意观察相对于铜滑块的焊接熔池位置，与铜滑块上方的保护气体出口应保持510mm的距离，焊丝伸出长度应保持在4045mm。相对于铜滑块的CO2气体出口，熔池位置过低或过高，均会形成气孔缺陷。见所附简图。6、效果检查根据总结得出的操作要领，由2名技术熟练焊工带领5名新入厂施工焊工进行为期半

28、个月的强化训练后，再次组织他们进行焊工考试。每人5种厚度规格的12MnNiVR试件各焊1块。对25块考试试板先进行外观检查，外观检查全部合格，每块试板拍2张片，射线底片全部合格，合格率100%，为保障工程施工质量，打下了坚实基础。对策实施前后焊工考试合格率比较20%40%80%100%100%76.7%六、总效果（一）工程实际效果于2006年7月及时完成了12MnNiVR钢板的焊接工艺评定及焊接作业指导书的编制，为工程施工的顺利进行提供了有力保障。且至2006年11月底， 5#罐区的4台十万立储罐的国产高强钢12MnNiVR储罐壁板纵焊射线检测一次合格率达到98.9%，超出先期施工的日本进口高强钢SPV490Q储罐壁板纵焊2.3%，保证了施工质量。为我单位赢得了业主方的高度