《过程设备焊接》PPT课件.ppt

2019/6/14,4 焊接结构的变形与断裂 4.1 焊接结构的变形 4.1.1 过程设备常见焊接变形与规律 (1)纵向收缩引起的构件纵向弯曲变形 (2)横纵向收缩引起的构件纵向弯曲变形 在细长构件上，若沿长度方向一侧的焊缝 较多,往往使整个构件产生明显的纵向弯曲变形.,2019/6/14,一般情况下，焊缝横向收缩引起的弯曲变形 率约为同样长度的焊缝纵向收缩所引起的弯曲变 形率的13倍。 可见焊缝的横向收缩危害更大 (3)横向收缩引起的角变形或挠曲变形 当焊缝的横向收缩变形量沿厚度方向不均,接 头就会产生角变形 变形角总是在焊缝金属多的一面 一般坡口角变形 在板厚和坡口形式相同时，多层焊较单层焊 角变形大,2019/6/14,多道焊较多层焊角变形大 材料或焊接方法不同，角变形也不同 过程设备壳体上的对接纵焊缝，随其坡口形 式不同，会产生外凸或外凹的角变形。 接管与壳体连接的角焊缝也会产生不同程度 的角变形。,2019/6/14,4.1.2 焊接变形的危害与控制 危害: 变形局部附加弯曲应力,导致断裂; 外压容器降低其临界压力，易导致失稳破坏. 控制: 防止 减小 消除 (1)合理设计焊接结构 尽量采用小焊缝尺寸,2019/6/14, 采用对称原则配置焊接附件和焊缝 (2)工艺措施 采用线能量的焊接方法,手工电弧焊 比气焊变形小,各种气体保护焊均有利于减小焊 接变形 采用反变形法 采用刚性固定法 仅限塑性好的材料 合理地确定装配焊接次序 (3)焊接变形的矫正 机械压力矫正 火焰加热矫正法,2019/6/14,4.2 焊接压力容器的断裂破坏 4.2.1 焊接结构的特点与断裂破坏类型 (1)焊接结构特点 节省材料，施工简便省时和成本低 接头成分、组织和性能不均匀 存在焊接缺陷和残余应力与应力集中 具有整体性，其防裂止裂性不如铆接 (2)焊接结构断裂破坏类型 a.延性断裂(塑性断裂) 断裂前具有明显的塑性变形,破裂后一般无 碎片，其断裂多系超压引起。 b.脆性断裂(低应力脆性断裂),2019/6/14,未达材料屈服极限时发生的断裂，断裂前不发 生塑性变形，无征兆，故不易察觉和预防. (3)疲劳断裂 在循环波动载荷作用下产生疲劳裂纹并逐渐 扩展，最后导致断裂. 压力容器波动载荷频率不高,其断裂属低周疲 劳破坏，断裂可以是脆性断裂也可以是塑性断裂. (4)应力腐蚀断裂 在腐蚀介质环境和拉应力共同作用下产生裂 纹而断裂. 其断裂应力往往远低于材料的屈服极限，具 有脆性断裂的特征.,2019/6/14,4.2.2 焊接压力容器断裂破坏的影响因素 根据统计调查压力容器破裂事故大多是因焊 接裂纹引起的。 承压设备可靠性的关键是确保焊接质量，防 止裂纹发生 (1)焊接接头的脆化 焊接接头区的脆化是诱发裂纹的基础 脆化是焊接区的快速加热、冷却和熔化、凝 固的热作用所致 对碳钢与低合金钢,脆化主要表现在焊接接头 区的脆性转变温度(NDT)，硬度，韧性，尤其 熔合线附近最为严重,2019/6/14,脆性转变温度NDT，反映低温下材料抗脆性断 裂的能力 金属材料随着温度,韧性而脆化，这种 现象称为低温脆化 这种脆化仅产生于低碳钢，低合金结构钢等 (2)材料对抗裂的影响 强度硬度 ，淬硬和脆化倾向,抗裂 C、合金元素,强度脆化倾向,抗裂 P、S是促脆化元素,使P、S,有利抗裂 (3)应力集中和结构的影响 焊接残余应力和应力集中，使接头局部处的 拉应力峰值而加剧开裂,2019/6/14,不同结构的影响 薄壁平头式接管,应力集中系数k6 厚壁平头式接管,应力集中系数k2.5,对抗 裂显然是有利的,2019/6/14,不同形状的影响 球形容器塑变能力，刚性抗裂能力,较 圆筒形容器差 厚板较薄板刚性,残余应力,抗裂能力 (4)焊缝返修对抗裂性的影响 返修次数,对抗低温脆断不利 (5)操作环境对抗裂性的影响 焊接裂纹通常内表面多，外表面少，焊缝上 多,母材上少 碳钢及低合金钢在碱和H2S,及液氨等环境 奥氏体不锈钢在氯化物环境均会发生应力腐蚀，使接头的抗裂性降低,2019/6/14,低温度环境下，更易发生脆性断裂 4.2.3 压力容器断裂破坏典型案例分析 (1)9000mm贮氧球罐水压试验开裂 材料:15MnVR，壁厚48mm 焊接:埋弧焊,焊剂 HJ431,焊丝 H08MnA 工艺:焊前预热,焊后消除应力热处理 事故现象:水压试验充水还尚未升压即于北 温带十字焊缝中心突然开裂, 气温为-3.5 调查结果与结论: 焊剂含P,不合格 源自热裂纹的典型的低应力脆性断裂 压试验水温和环境温度违规,2019/6/14, 焊缝布局设计不合理(十字焊缝) (2) 400m3石油液化汽球罐爆炸 材料:设计15MnVR，实际15MnV和15MnVR 壁厚 25mm 工艺:焊缝仅作超声波探伤,未作射线检验,未 作整体热处理 事故现象:破裂，液化汽遇明火发生燃烧爆炸 调查结果与结论: 破裂源于环焊缝的热影响区内 热影响区主裂口处存在严重的咬边及裂纹 缺陷 未裂的其他焊缝其表面及内部存在很多咬 边、错口、裂纹、熔合不良等超标缺陷,2019/6/14, 球罐投用后未进行过任何检查,严重违规 球罐是在很低应力水平时断裂的,系低应 力脆断 事故主要是由于焊接质量太差引起的 (3)高压氨冷凝器爆炸 事故现象:使用6年后发生爆炸，球形封头沿 与管板连接环焊缝断裂飞出36m。爆炸前压力为 18.5MPa，工作温度-10，日常运行压力在 1720MPa范围内波动。 调查结果与结论: 焊缝全部为手工电弧焊，焊接质量低劣 断裂是由焊缝中的未焊透引发的,2019/6/14, 断裂面具有裂纹源、扩展区和最后断裂 区,是典型的疲劳断裂 断裂面表面粗糙，呈纤维状，故又属塑性 断裂 断裂前虽未超压，但一直在接近设计压力 的高载荷下工作 焊缝未作热处理，残余应力，根部未焊 透，应力集中,使焊缝根部在高应力应变下工,加 上一定的载荷波动导致疲劳裂纹的发生和扩展 爆炸 根本原因是设计不当,不易保证根部完全焊 透和双面成形，也难以准确检测焊接缺陷,2019/6/14,4.2.4 焊接压力容器断裂的控制 (1)设计质量控制 a.合理的材料选择 母材:除应注意焊接性外,还应注意某些材料 在焊接热循环作用下可能出现的各种脆化倾向和 低温脆性 对脆性钢,设计中应提出防止或消除措施 焊接材料:进口钢材，应重视焊接材料的配套 使用; 高强钢时，选用低组配的焊接材料 b.焊接结构的合理设计 采用易保证焊透的结构,优先采用开坡口全,2019/6/14,焊透的结构 焊缝或接头数量尽可能少，坡口尺寸尽 量小 避免焊缝密集设置，尽量减小刚性； 避免十字接头与十字焊缝； 力求改角接或搭接为对接，改尖角为圆 角，改不等厚为等厚 焊接接头应便于施工焊接与检验 c.制造、检验和验收的各项技术性能指标要 求应在设计图中提出 (2)制造中确保焊接质量 焊工及焊接探伤人员必须考试合格，持 证上岗,201