压力容器焊接与无损检测1122.ppt

压力容器焊接与无损检测,郑州大学化工设备设计研究所李洪亮,郑州大学化工设备设计研究所,2,压力容器焊接与无损检测,压力容器焊接的基本概念压力容器常用焊接方法及特点焊接材料压力容器焊接设计焊接变形与焊接应力焊接缺陷及防止压力容器焊接接头检测方法容器建造标准对焊接接头无损检测的有关要求,压力容器焊接的基本概念,郑州大学化工设备设计研究所,4,压力容器焊接的基本概念,1.1金属焊接的定义通过加热或加压，或两者并用，用或不用填充材料，使两个分离的金属物体（同种金属或异种金属）产生原子（分子）间结合而连成一体的连接方法。,郑州大学化工设备设计研究所,5,压力容器焊接的基本概念,1.2焊接方法的分类熔焊压焊钎焊1.2.1熔焊将待焊处的母材金属熔化，但不加压力以形成焊缝的焊接方法。是目前应用最广泛的一种焊接方法。最常用的有焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊等。,郑州大学化工设备设计研究所,6,压力容器焊接的基本概念,1.2焊接方法的分类1.2.2压焊焊接过程中，必须对焊件施加压力（加热或不加热）以完成焊接的方法。包括固态焊、热压焊、锻焊、扩散焊、气压焊和冷压焊等。,郑州大学化工设备设计研究所,7,压力容器焊接的基本概念,1.2焊接方法的分类1.2.3钎焊采用比母材熔点低的金属材料作为钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点但低于母材熔点的温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材相互扩散而实现连接焊件的方法。,郑州大学化工设备设计研究所,8,压力容器焊接的基本概念,1.3坡口、焊缝形式与接头形式1.3.1坡口根据设计和工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成一定形状的沟槽，称为坡口。为保证焊缝全部焊透又无缺陷，当板厚超过一定厚度时将焊件开成各种形式的坡口。使焊条或焊丝或焊矩能直接伸到待焊工件的底部。便于脱渣。能使焊条或焊矩在坡口内作必要的摆动，以获得良好的熔合。,郑州大学化工设备设计研究所,9,压力容器焊接的基本概念,1.3.1坡口坡口的基本形式,郑州大学化工设备设计研究所,10,压力容器焊接的基本概念,1.3.2焊缝形式与接头形式从焊接角度来看，压力容器是由母材与焊接接头组成的。焊缝是焊接接头的组成部分。焊缝与焊接接头是两个不同概念。,郑州大学化工设备设计研究所,11,压力容器焊接的基本概念,对接接头T型接头十字接头搭接接头塞焊搭接接头槽焊接头,角接接头端接接头套管接头斜对接接头卷边接头锁底接头,焊接接头形式分为12种,郑州大学化工设备设计研究所,12,压力容器焊接的基本概念,对接接头两焊件表面构成135，180夹角的接头。对接接头从力学角度分析是比较理想的一种接头形式，它的受力状况较好，应力集中较小，能承受较大的静载荷和动载荷，是焊接结构和压力容器受压元件应用最多的接头形式。,郑州大学化工设备设计研究所,13,压力容器焊接的基本概念,T形接头一焊件的端面和另一焊件的表面构成直角或近似直角的接头。T形接头由于焊缝向母材过度较急剧，接头在外力作用下内部应力分布极不均匀，特别是角焊缝根部和过渡处都有很大的应力集中。因此这种接头承受载荷尤其是动载荷的能力较低。,郑州大学化工设备设计研究所,14,压力容器焊接的基本概念,角接接头两焊件端部构成大于30、小于135夹角的接头。,郑州大学化工设备设计研究所,15,压力容器焊接的基本概念,搭接接头两焊件部分重叠在一起所构成的接头。搭接接头的强度较低，尤其是疲劳强度，只用于不重要的结构。,郑州大学化工设备设计研究所,16,压力容器焊接的基本概念,焊缝焊件经焊接后所形成的结合部分，即填充与熔化的母材凝固后形成的区域。在熔化焊范围内，焊缝形式分为五种对接焊缝（又称坡口焊缝）角焊缝端接焊缝塞焊缝槽焊缝,郑州大学化工设备设计研究所,17,压力容器焊接的基本概念,接头形式和焊缝形式（GB/T3375-1994焊接术语）,1,2,3,郑州大学化工设备设计研究所,18,压力容器焊接的基本概念,接头形式和焊缝形式（GB/T3375-1994焊接术语）,4,5,6,郑州大学化工设备设计研究所,19,压力容器焊接的基本概念,接头形式和焊缝形式（GB/T3375-1994焊接术语）,7,8,9,郑州大学化工设备设计研究所,20,压力容器焊接的基本概念,接头形式和焊缝形式（GB/T3375-1994焊接术语）,10,11,12,郑州大学化工设备设计研究所,21,压力容器焊接的基本概念,接头形式和焊缝形式（GB/T3375-1994焊接术语）,13,14,15,郑州大学化工设备设计研究所,22,压力容器焊接的基本概念,接头形式和焊缝形式（GB/T3375-1994焊接术语）,16,17,18,郑州大学化工设备设计研究所,23,压力容器焊接的基本概念,接头形式和焊缝形式（GB/T3375-1994焊接术语）,19,20,21,郑州大学化工设备设计研究所,24,压力容器焊接的基本概念,接头形式和焊缝形式（GB/T3375-1994焊接术语）,22,23,24,郑州大学化工设备设计研究所,25,压力容器焊接的基本概念,同一种焊缝形式可以连接成多个接头形式对接接头不一定用对接焊缝连接连接角接接头的焊缝也不一定是角焊缝,郑州大学化工设备设计研究所,26,压力容器焊接的基本概念,1.4焊接性能、焊接工艺评定和焊接工艺规程掌握焊接性能、焊接工艺评定和编制焊接工艺规程是焊接压力容器中的三个重要环节。焊接性能是焊接工艺评定的基础焊接工艺评定是焊接工艺规程的依据焊接工艺规程是确保压力容器焊接质量的行动准则,郑州大学化工设备设计研究所,27,压力容器焊接的基本概念,1.4.1焊接性能金属材料的焊接性能是指在限定的施工条件下，焊接成符合设计要求的构件，并满足预订服役要求的能力。亦即材料对焊接加工的适应性和使用可靠性。施工条件包括：材料牌号、结构条件、焊接设备条件、工艺条件、焊接环境。设计要求包括：焊接尺寸、形位偏差、焊缝内外缺陷要求，焊接接头的性能、焊接技术条件。服役要求包括：焊接接头结合性能、具体工艺介质条件下焊接接头的使用性能及使用环境下结构抗断裂能力。,郑州大学化工设备设计研究所,28,压力容器焊接的基本概念,1.4.1焊接性能材料的焊接性能与条件有关，在不同条件下有不同表现。焊接性能可分为工艺焊接性能和使用焊接性能：工艺焊接性能是指在一定焊接工艺条件下，能否获得优质、无缺陷或少缺陷的焊接接头能力。使用焊接性能是指焊接接头或整体结构满足各种使用要求的程度。影响焊接性能的因素为材料、焊接方法、结构类型和使用要求。,郑州大学化工设备设计研究所,29,压力容器焊接的基本概念,1.4.2焊接工艺焊接工艺是指制造焊件所有相关的加工方法和实施要求，包括焊接设备、材料选用、焊接方法选定、焊接参数、操作要求等。,郑州大学化工设备设计研究所,30,压力容器焊接的基本概念,1.4.3焊接工艺评定为验证所拟定的焊件焊接工艺的正确性而进行的试验过程及结果评价称为焊接工艺评定。正确认识焊接工艺评定的目的和作用，是执行焊接工艺评定标准的前提。焊接工艺评定通过焊接试件，进行验证性试验，因此焊接工艺评定结果只对焊接接头有效，焊接工艺评定不能保证产品整体质量符合要求，更不能确保压力容器安全可靠使用。焊接工艺评定规则只对标准规定的检验要求负责，当增加焊接工艺评定试件检验项目时，原标准规定的焊接工艺评定规则对新增加的检验项目便不再适用。,郑州大学化工设备设计研究所,31,压力容器焊接的基本概念,1.4.3焊接工艺评定GB150规定：容器施焊前的焊接工艺评定，应按JB4708进行。焊接工艺评定报告、焊接工艺规程、施焊记录及焊工的识别标记，其保存期不少于7年。,郑州大学化工设备设计研究所,32,压力容器焊接的基本概念,1.3.4焊接工艺规程按照压力容器焊接工艺评定标准，评定合格的焊接工艺只能确保焊接接头的力学性能或堆焊层化学成分或T形接头符合要求。对于焊接接头作为压力容器的一部分还有缺陷、应力、外观要求；对于整个产品还有外形尺寸、位置偏差、使用性能及其它性能要求；对于生产管理来讲，还要求提高生产率、操作方便、安全生产等要求。这是焊接工艺指导书不能解决的，也不是焊接工艺评定的范围，这只能由焊接工艺规程来实现。,郑州大学化工设备设计研究所,33,压力容器焊接的基本概念,1.3.4焊接工艺规程焊接工艺规程是制造焊件所有相关的加工和实践要求的细则文件，可保证由熟练焊工操作时的质量再现性。焊接工艺规程是焊接工艺人员依据评定合格的焊接工艺，针对具体的焊接接头，根据本单位能力与条件，运用焊接实践知识和理论知识编制而成的。焊工必须严格执行焊接工艺规程，才能确保压力容器的焊接质量。,压力容器常用焊接方法及特点,郑州大学化工设备设计研究所,35,压力容器常用焊接方法及特点,手工电弧焊埋弧自动焊钨极气体保护焊熔化极气体保护焊等离子弧焊电渣焊,焊接材料,郑州大学化工设备设计研究所,37,焊接材料,焊接材料是指焊接时所消耗的材料。焊接材料包括焊条、焊丝、焊带、焊剂、保护气体等。压力容器制造过程中最常用的焊接材料为手工电弧焊焊条、自动焊焊丝及焊剂。,郑州大学化工设备设计研究所,38,焊接材料,3.1手工电弧焊焊条常用焊条标准GB/T983-1995不锈钢焊条GB/T5117-1995碳钢焊条GB/T5118-1995低合金钢焊条GB/T3670-1995铜及铜合金焊条GB/T3669-1983铝及铝合金焊条GB/T13814-1992镍及镍合金焊条,郑州大学化工设备设计研究所,39,焊接材料,3.2焊剂焊剂是具有一定粒度的颗粒状物质，焊接时能够熔化形成熔渣和气体。是埋弧焊和电渣焊不可缺少的焊接材料。在焊接过程中，焊剂的作用相当于焊条药皮，熔化形成熔渣，对焊接熔池起保护、冶金处理和改善焊接工艺性能的作用。烧结焊剂还具有渗合金作用，焊剂与焊丝相组合，即为埋弧焊和电渣焊所需的焊接材料。,郑州大学化工设备设计研究所,40,焊接材料,3.2焊剂焊剂的焊接工艺性能和化学冶金性能是决定焊缝金属化学成分和性能的主要因素之一。采用同样的焊丝和同样的焊接参数，而配用的焊剂不同，所得焊缝的性能将有很大的差别。一种焊丝可与多种焊剂合理组合，无论是在低碳钢还是在低合金钢上都有这种合理的组合。,郑州大学化工设备设计研究所,41,焊接材料,3.3焊接用保护气体焊接用气体标准GB/T4824-1995纯氩GB/T10624-1995高纯氩GB/T6052-1993工业气体二氧化碳GB/T4844.2-1995纯氦GB/T7445-1995纯氢、高纯氢和超纯氢GB/T3863-1995工业用氧GB/T3864-1996工业氮,郑州大学化工设备设计研究所,42,焊接材料,3.4焊丝焊丝与焊剂或保护气体配用，起导电和填充焊缝金属的作用，对焊缝金属的成分有决定性影响。按照适用的焊接方法，焊丝可分为埋弧自动焊焊丝、电渣焊焊丝、CO2焊焊丝和气焊焊丝等。按被焊材料的不同，可分为碳钢焊丝、低合金钢焊丝、不锈钢焊丝、铸铁焊丝和有色金属焊丝等。按制造方法与焊丝的形状，可分为实心焊丝和药心焊丝。,郑州大学化工设备设计研究所,43,焊接材料,3.4焊丝实心焊丝是目前最常用的焊丝，系热轧线材经拉拔加工而成。为了防止生锈，须对焊丝（除不锈钢焊丝外）表面进行特殊处理。目前主要是镀铜处理，包括电镀、浸铜及化学镀铜处理等。实心焊丝主要有碳钢、低合金钢、耐热钢和不锈钢焊丝，广泛用于埋弧焊、电渣焊、CO2气体保护焊、氩弧焊、气焊等。,压力容器焊接设计,郑州大学化工设备设计研究所,45,压力容器焊接设计,焊接方法焊接材料焊接坡口焊接接头型式预热,层间温度后热焊后热处理检验检测,焊接设计是压力容器设计一个重要组成部分，包括,郑州大学化工设备设计研究所,46,压力容器焊接设计,压力容器焊接设计原则选用焊接性能良好的母材尽量减少焊接工作量减少焊缝数量减少坡口截面积焊缝最好为直线或圆以利使用机械化、自动化焊接方法,郑州大学化工设备设计研究所,47,压力容器焊接设计,压力容器焊接设计原则合理布置焊缝焊缝宜对称布置不采用十字交叉两焊缝之间最小距离最好不小于100mm不在受力截面突变处设置焊缝焊接施工及焊接检验方便，减少现场焊接工作量有利于生产组织与管理,郑州大学化工设备设计研究所,48,压力容器焊接设计,4.1焊接方法选用选择焊接方法应符合以下要求能保证压力容器质量可靠、生产效率高、生产成本低。焊接方法一经确定，则坡口形式、焊接材料、焊工合格项目、焊接工艺、所需工艺装备（装置）等则随之确定。各种压力容器常用焊接方法各有不同特点和适用条件，应根据产品特点和制造厂的生产条件选用。,郑州大学化工设备设计研究所,49,压力容器焊接设计,4.2焊接材料选用4.2.1焊条的选用原则对于用低碳钢及普通低合金钢焊接的承压过程设备，一般按等强度原则，使焊缝金属的强度与母材相等或相近。可根据钢材的强度等级来选用强度相当的结构钢焊条。还需根据钢材的焊接性，母材成分，焊接结构的尺寸、形状，坡口和受力情况等影响进行全面考虑。对于低碳钢与普通低合金钢，或普通低合金钢与普通低合金钢之间的异种钢焊接接头，一般选用与强度等级较低的钢相应的焊条。,郑州大学化工设备设计研究所,50,压力容器焊接设计,4.2焊接材料选用4.2.1焊条的选用原则对同一强度等级的酸性焊条或碱性焊条的选用，主要取决于焊接件的结构形状（简单或复杂）、钢板厚度（刚性小或大）、工作条件（静载荷或动载荷）和钢材的抗裂性能等方面。对要求塑性好、冲击韧性高、抗裂能力强的焊件，选用碱性焊条。如直流电源有困难，可选用交直流两用碱性焊条。如碱性焊条和酸性焊条可以同样满足要求，应尽量用酸性焊条。,郑州大学化工设备设计研究所,51,压力容器焊接设计,4.2焊接材料选用4.2.1焊条的选用原则对于承受高温或腐蚀的耐热钢和不锈钢，钢中合金元素对其耐热和腐蚀性起决定性作用。故这类钢在选择焊条时，应以等成分原则为主，使焊缝金属的主要合金成分与母材相近或相同，以保证焊接接头的特殊性能。由于工艺因素的考虑，奥氏体不锈钢多选用酸性药皮焊条。,郑州大学化工设备设计研究所,52,压力容器焊接设计,4.2焊接材料选用4.2.2埋弧焊和电渣焊与焊剂的选配原则在埋弧焊中，应注意焊丝与焊剂中Mn、Si含量的适当配合。若焊丝中Mn、Si含量较高，则应选配Mn、Si含量低的焊剂。反之，应选配Mn、Si含量高的焊剂。低碳钢与低合金钢选配无锰焊丝配用高锰高硅焊剂，用于焊接低碳钢。低锰焊丝配用中锰焊剂，用于焊接低合金钢。对于电渣焊，由于焊剂更新很少，焊缝合金化主要由焊丝提供，所以焊丝中的Mn、Si含量应较同样条件埋弧焊时高。,郑州大学化工设备设计研究所,53,压力容器焊接设计,4.2焊接材料选用4.2.2埋弧焊和电渣焊与焊剂的选配原则不锈钢用焊丝与焊剂选配采用的焊丝成分要与被焊接的不锈钢成分基本一致。焊接铬不锈钢时，采用H0Cr14、H1Cr13、H1Cr17等焊丝。焊接铬-镍不锈钢时，采用0Cr19Ni9、H0Cr19Ni9Ti等焊丝。焊接超低碳不锈钢时，采用相应的超低碳焊丝。焊剂可采用熔炼型或烧结型，要求焊剂的氧化性小，以减少合金元素的烧损。,郑州大学化工设备设计研究所,54,压力容器焊接设计,4.2焊接材料选用4.2.3气体保护焊对焊丝的要求钨极氩弧焊焊接有时不加填充焊丝，被焊母材加热熔化后直接连接起来，有时加填充焊丝。由于保护气体为纯Ar，无氧化性，焊丝熔化后成分基本不发生变化，所以焊丝成分即为焊缝成分。也有的采用母材成分作为焊丝成分，使焊缝成分与母材一致。,郑州大学化工设备设计研究所,55,压力容器焊接设计,4.2焊接材料选用4.2.3气体保护焊对焊丝的要求熔化极氩弧焊和活性气体保护焊熔化极氩弧焊主要用于焊接不锈钢等高合金钢，为了改善电弧特性，在Ar气中加入适量O2或CO2，即成为活性气体保护焊。焊接低合金钢时，采用Ar+5%CO2可提高焊缝的抗气孔能力。焊接超低碳不锈钢时，采用Ar+2%O2混合气体，以防止焊缝增碳。低合金钢的钨极氩弧焊正在逐步被Ar+20%CO2的活性气体保护焊所取代。活性气体保护焊，由于保护气体有一定的氧化性，应适当提高焊丝中Si、Mn等脱氧元素的含量，其它成分可以与母材一致，也可以有所差别。焊接高强钢时，焊缝中C的含量通常低于母材，Mn的含量则应高于母材。为了改善低温韧性，焊缝中Si的含量不宜过高。,郑州大学化工设备设计研究所,56,压力容器焊接设计,4.2焊接材料选用4.2.3气体保护焊对焊丝的要求CO2焊焊丝CO2是活性气体，主要用于焊低碳钢与低合金钢。由于具有较强的氧化性，因此CO2焊所用焊丝必须含有较高的Mn、Si等脱氧元素。CO2焊通常采用C-Mn-Si系焊丝。,郑州大学化工设备设计研究所,57,压力容器焊接设计,4.3焊接坡口和焊接接头设计4.3.1坡口设计压力容器中的焊接接头焊缝，当壁厚较大时均应开设坡口。目的是为了使焊缝全部焊透和减小或避免焊接缺陷，保证焊接质量。,郑州大学化工设备设计研究所,58,压力容器焊接设计,4.3焊接坡口和焊接接头设计4.3.1坡口设计典型焊接坡口各部分名称,郑州大学化工设备设计研究所,59,压力容器焊接设计,4.3焊接坡口和焊接接头设计4.3.1坡口设计常用对接接头坡口型式,郑州大学化工设备设计研究所,60,压力容器焊接设计,4.3焊接坡口和焊接接头设计4.3.1坡口设计焊接坡口主要结构参数坡口角度钝边高度p根部间隙b的作用是使焊条或焊丝便于伸到坡口底部并作必要的摆动和偏移，以便获得良好的熔合，便于脱渣和清渣。钝边p的作用是防止烧穿和熔化金属流失。间隙b是为了保证焊透。,郑州大学化工设备设计研究所,61,压力容器焊接设计,4.3焊接坡口和焊接接头设计4.3.1坡口设计焊接坡口应根据图样要求或工艺条件选用标准坡口或自行设计选择坡口形式和尺寸应考虑下列因素焊接方法焊缝填充金属尽量少避免产生缺陷减少焊接残余变形与应力有利于焊接防护焊工操作方便复合钢板的坡口应有利于减少过渡焊缝金属的稀释率,郑州大学化工设备设计研究所,62,压力容器焊接设计,4.3焊接坡口和焊接接头设计4.3.1坡口设计相对其它焊接工艺规范参数，焊接坡口与制造单位的实际情况和经验有着更密切联系，坡口变化并不影响焊接接头的力学性能，各制造厂几乎都有坡口企业标准，不应强求采用标准坡口或图样中坡口。,郑州大学化工设备设计研究所,63,压力容器焊接设计,4.3焊接坡口和焊接接头设计4.3.1坡口设计坡口标准GB/T985-1988气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本型式与尺寸GB/T986-1988买弧焊焊缝坡口的基本型式与尺寸HG20563-1998钢制化工容器结构设计规定上述标准中所列坡口形式和尺寸都是可行的，确保焊接接头与母材等强，但不一定是最佳的，最佳的焊接坡口是根据结构特点并结合制造单位的实际条件确定。,郑州大学化工设备设计研究所,64,压力容器焊接设计,4.3焊接坡口和焊接接头设计4.3.1坡口设计单就操作而言，坡口越小，耗用焊接材料越少，生产效率和经济效益越高。因为填充金属的多少直接取决于坡口截面，坡口越大，填充金属越多，焊接时间也就越长。同时大的坡口会引起较大的焊接变形和残余应力，耗用矫正工时。,郑州大学化工设备设计研究所,65,压力容器焊接设计,4.3焊接坡口和焊接接头设计4.3.1坡口设计焊接方法首先决定是否需要开坡口电渣焊均不需开坡口。手工电弧焊由于其熔深较浅，厚度大于6mm的钢板就要开坡口。埋弧自动焊其熔深大，24mm以下钢板双面焊可以不开坡口。,郑州大学化工设备设计研究所,66,压力容器焊接设计,4.3焊接坡口和焊接接头设计4.3.1坡口设计焊接方法首先决定是否需要开坡口坡口尺寸也与焊接方法有关手工电弧焊与气体保护焊相比，前者坡口角度应大些。因为手工电弧焊的焊条较粗，且焊缝表面有较厚的熔渣层，较大的坡口便于焊条深入坡口底部，也便于脱渣和清渣。气体保护焊时，焊缝表面无熔渣，焊丝直径也较小，故坡口角度可开小些。熔化极气体保护焊的V形坡口角度一般可取4550，而手工电弧焊的V形坡口角度一般要60。,郑州大学化工设备设计研究所,67,压力容器焊接设计,4.3焊接坡口和焊接接头设计4.3.1坡口设计在焊接方法一定时，坡口的形状和尺寸主要决定于板厚的大小。板厚由小到大，应依次分别采用V形、X形和U形等坡口。这样可以减少焊接材料用量，利于控制焊接变形。,郑州大学化工设备设计研究所,68,压力容器焊接设计,4.3焊接坡口和焊接接头设计4.3.1坡口设计焊件的材料不同，对坡口的形状和尺寸要求也有差异。低碳钢对焊接热循环不敏感，可以采用高线能量的焊接规范参数，为便于操作，坡口截面应大些。铬镍奥氏体不锈钢，对焊接热循环敏感性大，要求采用小线能量焊接，其坡口应尽量小些，以避免焊接热的多次作用。镍及镍合金焊接时其熔池液体粘度较大，流动性差，熔深浅，焊接过程中易出现夹渣和未熔合等缺陷，故其坡口角度应适当加大，根部钝边适当减小，其V形坡口角度一般为8090。,郑州大学化工设备设计研究所,69,压力容器焊接设计,4.3焊接坡口和焊接接头设计4.3.1坡口设计GB150对坡口表面要求坡口表面不得有裂纹、分层、夹杂等缺陷。标准抗拉强度下限值b540MPa的钢材及Cr-Mo低合金钢材经火焰切割的坡口表面，应进行磁粉或渗透检测。当无法进行磁粉或渗透检测时，应由切割工艺保证坡口质量。施焊前，应清除坡口及其母材两侧表面20mm范围内（以离坡口边缘的距离计）的氧化物、油污、熔渣及其它有害杂质。,郑州大学化工设备设计研究所,70,压力容器焊接设计,4.3.2焊接接头设计压力容器焊接结构设计时，为做到合理地选择焊接接头的类型，应综合考虑如下因素：设计要求：保证接头满足使用要求。焊接和无损检测的难易与焊接变形：操作容易实现，焊接应力小，变形能够控制。焊接成本：接头准备和施工时费用低，经济性好。施工条件：制造施工单位具备完成施工要求所需的技术、人员和设备条件。,郑州大学化工设备设计研究所,71,压力容器焊接设计,4.3.2焊接接头设计焊接接头的分类,郑州大学化工设备设计研究所,72,压力容器焊接设计,4.3.2焊接接头设计A、B类接头压力容器上的A、B类焊接接头，主要是壳体上的纵、环向对接接头，是受压壳体上的主承力焊接接头，这类接头要求采用全焊透结构，应尽量采用双面焊的全焊透对接接头。如因结构尺寸限制，只能从单面焊接时，也可采用单面坡口的接头，但必须保证能形成相当于双面焊的全焊透对接接头。采用氩弧焊之类的焊接工艺完成全熔透的打底焊道，或在焊缝背面加衬板来确保焊缝根部完全熔透或成形良好。,郑州大学化工设备设计研究所,73,压力容器焊接设计,4.3.2焊接接头设计A、B类接头当对接接头两侧壁厚不等且厚度差大于较薄壳壁厚度的1/4或3mm时，则应将较厚壳壁接头边缘削薄，其斜度至少为1：3。为避免相邻焊接接头焊接残余应力的叠加和热影响区的重叠，压力容器上的A类或B类接头之间的距离至少应为壁厚的3倍，且不小于100mm。同时不应采用十字焊缝，且A、B类接头及其附近不得开设管孔。若因管子密集必须开在A、B类接头上时，则要求开孔部位焊缝作100%射线或超声波探伤，对超标缺陷妥善处理后再焊接接管。,郑州大学化工设备设计研究所,74,压力容器焊接设计,4.3.2焊接接头设计A、B类接头容器筒身和封头上的A、B类接头均应布置在不直接受局部弯曲应力作用的部位。若受压部件在载荷作用下发生弯曲而使焊缝根部受到弯曲应力作用，则不应采用单面对接接头或直角填充焊缝。A、B类对接接头均应按GB150的有关规定进行局部或全部射线或超声波探伤检查。其中A类接头中的圆筒纵焊缝还应按GB150的要求作焊接试板，作为焊接质量的实际见证，而B类接头则一般不作焊接试板。,郑州大学化工设备设计研究所,75,压力容器焊接设计,4.3.2焊接接头设计C类接头C类接头以用于法兰与筒身或接管的连接为最多法兰的厚度是按所加弯矩进行刚度和强度计算确定的，因此比壳体或接管的壁厚大得多。对于这类接头不必要求采用全焊透结构形式，而允许采用局部焊透的T形接头，低压容器中的小直径法兰甚至可采用不开坡口的角焊缝连接，但必须在法兰内外两面进行封焊，这样既可防止法兰的焊接变形，又可保证法兰所要求的刚度。,郑州大学化工设备设计研究所,76,压力容器焊接设计,4.3.2焊接接头设计C类接头对于平封头，管板与筒身相接的C类接头，因工作应力较高，应力状态较复杂，应采用全焊透角接接头或对接接头，并提出探伤要求，搭接、角接焊缝不采用。为减小角焊缝趾部位的应力集中，角焊缝表面可按要求加工成圆角、圆角半径最小为0.25倍圆筒壳或接管壁厚，且不小于4.5mm。,郑州大学化工设备设计研究所,77,压力容器焊接设计,4.3.2焊接接头设计D类接头在压力容器和锅炉等过程设备中，D类接头主要是接管与壳体和补强圈与壳体间的连接焊缝，其受力状况差，且较A、B类接头复杂，在载荷作用下会产生较大的应力集中。在壁厚较大时，D类接头的拘束度相当大，故焊接残余应力亦较大，易产生裂纹之类的缺陷，对于承受交变载荷的压力容器、低温压力容器、厚壁压力容器和高强钢制压力容器的不利影响更为显著。,郑州大学化工设备设计研究所,78,压力容器焊接设计,4.3.2焊接接头设计D类接头一般情况下，开孔直径越大，对容器安全性的不利影响也越大，而且接管与壳体的连接结构不同，其不利影响程度也不同。压力容器中常见的D类接头形式有插入式接管T形接头，安放式接管和凸缘的角接接头等。其中插入式接管T形接头又分为带补强圈和不常补强圈T形接头等形式。,郑州大学化工设备设计研究所,79,压力容器焊接设计,4.3.2焊接接头设计D类接头插入式接管T形接头接管壁厚的区别厚壁式接头其接管区的应力集中系数显著低于薄壁式，有利于抗裂性的提高，工作可靠性大为改善，适用于较高工作压力和高强度钢壳体。接管插入壳内程度的区别在接管壁厚相同时，伸出式较平头式接管的应力集中要缓和一些，抗裂性有一定程度的改善。局部焊透的接头在其未焊透处的焊根部会产生较大的应力集中，也易于形成裂纹等焊接缺陷，其工作可靠性不如全焊透结构好。,郑州大学化工设备设计研究所,80,压力容器焊接设计,4.3.2焊接接头设计D类接头插入式接管T形接头带补强圈与不带补强圈的区别补强圈主要用于对壳体开孔削弱的补强作用，但同时也使T形接头的焊缝厚度的增加了一倍。不仅加大了焊接工作量，而且还提高了接头的拘束度，使焊接缺陷的形成几率明显增高。无法进行射线或超声波探伤检查，焊接质量较难控制。补强圈与壳体间很难做到紧密贴合，在温度较高时两者间存在较大的热膨胀差，使补强区产生较大的热应力，抗疲劳性差。在各种插入的接管接头中，全焊透的插入式接管T形接头工作可靠性最好，使用寿命最长。,郑州大学化工设备设计研究所,81,压力容器焊接设计,4.3.2焊接接头设计E类接头支座和各种内件等非受压元件与受压壳体间相连的E类接头，一般是采用搭接或角接接头。支座等元件不承受介质的压力载荷，但要承受重力或其它机械载荷，其接头的焊接与检验要求可视元件具体受力情况区别对待。立式容器裙座与封头间的搭接接头、对接接头和球罐与其支柱间的搭接接头吊耳、支架和角撑等附件与壳体的连接接头加强筋等无强度要求的连接接头厚壁壳体上的E类接头要注意产生层状撕裂的可能,郑州大学化工设备设计研究所,82,压力容器焊接设计,4.4焊后热处理4.4.1压力容器焊后热处理及其目的焊后热处理是指为改善焊接接头的组织和性能，消除焊接残余应力等影响，将焊接接头及其邻近局部在金属相变点以下均匀加热到足够高的温度，并保持一定的时间，然后缓慢冷却的过程。,郑州大学化工设备设计研究所,83,压力容器焊接设计,4.4焊后热处理4.4.1压力容器焊后热处理及其目的焊后热处理的目的焊后热处理可以松弛焊接残余应力，软化淬硬区，改变组织形态，减少含氢量，尤其是提高某些钢种的冲击韧性，改善力学性能。如果焊后热处理的温度过高或保温时间过长，反而会使焊缝金属中碳化物聚集、粗化，或脱碳层厚度增加，从而造成力学性能、蠕变强度及缺口韧性的下降。,郑州大学化工设备设计研究所,84,压力容器焊接设计,4.4焊后热处理4.4.2需要进行焊后热处理的条件容器的焊后热处理需要大型热处理装备，消耗大量能源。所以，应综合考虑容器的安全性与经济性，科学设定是否需要进行焊后热处理。由于影响因素较多，尚难判断将焊接应力限制在什么水平是适宜的。焊接应力的大小一般与材质、钢材厚度、预热温度三个因素有关。,郑州大学化工设备设计研究所,85,压力容器焊接设计,4.4焊后热处理4.4.2需要进行焊后热处理的条件影响焊接应力的大小的因素材质随着钢材强度级别的提高及合金含量的增加，其焊接性变差，在相同的焊接工艺条件下易产生焊接缺陷。钢材厚度钢材厚度越大则意味着焊缝越深，焊缝冷却后收缩的倾向越强；且刚性增大，抵抗局部收缩变形的能力越强，从而产生较大的焊接残余应力。预热温度焊前预热可减缓焊缝部位与其它部位的温度梯度，能减缓高峰值焊接应力的产生。,郑州大学化工设备设计研究所,86,压力容器焊接设计,4.4焊后热处理4.4.2需要进行焊后热处理的条件GB150等标准依据各种材质、厚度以及预热温度设定压力容器需进行焊后热处理的条件但是，如果是图样上注明有应力腐蚀的容器、盛装毒性为极度或高度危害介质的容器，不论其材质、厚度和预热温度如何，都应进行焊后热处理。除图样另有规定，奥氏体不锈钢的焊接接头可不进行焊后热处理。,郑州大学化工设备设计研究所,87,压力容器焊接设计,4.4焊后热处理4.4.3焊后热处理的方法炉内整体热处理将工件整体放入炉内加热的方法称为炉内整体热处理。由于工件在炉内受热均匀，温度及升降温速度易于控制，效果好，在可能条件下宜优先选用。依据工件大小、形状的不同，热处理炉分为箱式、井式数种，并配有完善的温控系统。可采用燃油、燃气或电加热。,郑州大学化工设备设计研究所,88,压力容器焊接设计,4.4焊后热处理4.4.3焊后热处理的方法分段炉内热处理工件过长，受加热炉尺寸的限制，只能采取分段的方法进行热处理。分段炉内热处理有两大技术关键：一是确定工件重复加热的长度，另一是工件裸露在炉外部分的保温措施。分段热处理时，由于靠近炉门部分和炉内部分的温度存在差异，对于容器裸露在炉外的部分，必须采取适宜的保温措施，以避免容器炉内与炉外温度梯度过大。分段炉内热处理只要措施得当，可以认为能达到炉内整体热处理同样的效果。,郑州大学化工设备设计研究所,89,压力容器焊接设计,4.4焊后热处理4.4.3焊后热处理的方法局部热处理常用的局部热处理装置为红外线高温陶瓷电加热器，它是由耐热陶瓷片用加热电阻丝串联而成，具有易弯曲、折叠及对工件外形适用性广等优点。既可用于焊后热处理，也可用于焊前预热及消氢。局部热处理的技术关键在于加热装置要有足够的功率和准确的温控系统、足够的加热宽度以及适宜的保温措施。,郑州大学化工设备设计研究所,90,压力容器焊接设计,4.4焊后热处理4.4.3焊后热处理的方法现场热处理现场热处理亦称整体炉外焊后热处理。压力容器由于制造或运输的原因在使用现场组焊，如高塔、球罐等，这些设备需进行现场热处理。整体炉外焊后热处理，是将压力容器的壳体作为高温加热炉的炉体，在容器壳体内部加热，壳体外部用绝热材料保温。加热的方式有燃油、燃气、电加热及高温烟气加热等，其中燃油法应用得最为普遍。燃油法一般由供油、测温、控制、风路等多个系统构成，热处理前依据燃油、容器、绝热材料的具体情况进行必要的热工计算。,郑州大学化工设备设计研究所,91,压力容器焊接设计,4.5预热、层间温度和后热预热可以降低焊接接头冷却速度，防止母材和热影响区产生裂纹、减少焊接变形，降低焊接区的残余应力。通过工艺焊接性能试验确定的不产生冷裂纹的预热温度，当用于实际产品时，考虑到现场施焊与试验室试验差异，一般都要再增加50。当结构拘束度较大或环境温度较低等条件下还要适当增加预热温度。预热常常恶化劳动条件，使生产工艺复杂化，过高的预热温度还会降低接头韧性。因此，焊前是否需要预热和预热温度的确定要认真对待。,郑州大学化工设备设计研究所,92,压力容器焊接设计,4.5预热、层间温度和后热层间温度相当于预热，当不要求预热时，层间温度应加以控制，尽量降低层间温度；而要求预热时，应控制层间温度不得低于预热温度。后热的目的是加快焊接接头中氢的逸出，是防止焊接冷裂纹的有效措施。后热应在焊后立即进行，后热温度与钢材有关，但一般为200350。温度太低，消氢效果不明显；温度过高，若超出马氏体转变终了温度则容易在焊接接头中保留残存的马氏体组织。,焊接变形与焊接应力（焊接残余变形与焊接残余应力）,郑州大学化工设备设计研究所,94,焊接变形与焊接应力,焊接变形与焊接应力的产生焊接是一种局部加热过程。熔池冷却凝固成为焊缝后将继续冷却到环境温度。随着温度的变化，体积相应发生变化，即局部的膨胀和收缩。焊件局部膨胀和收缩，会引起焊件的变形。当上述局部体积变化受到限制，就造成焊件内的应力。在焊后残留于工件的变形和应力称为残余变形和残余应力。,郑州大学化工设备设计研究所,95,焊接变形与焊接应力,5.1焊接残余变形5.1.1焊接变形的种类纵向（沿焊缝方向）和横向（垂直于焊缝方向）变形是焊接变形的最基本形式角变形，亦称转角变形,郑州大学化工设备设计研究所,96,焊接变形与焊接应力,5.1.1焊接变形的种类弯曲变形波浪变形扭曲变形，亦称螺旋变形,郑州大学化工设备设计研究所,97,焊接变形与焊接应力,5.1.2影响变形量的因素一般情况下，线膨胀系数大的材料，焊缝收缩量也大。铝、奥氏体不锈钢的线膨胀系数都比低碳钢大，焊后残余变形量也就大。焊件刚性越大则变形量越小。多层焊时，第一层引起的收缩量最大，第二层的收缩量只有第一层的20%，以后逐层减小。用夹具固定焊时，焊接变形可较自由状态下减少4070%。,郑州大学化工设备设计研究所,98,焊接变形与焊接应力,5.1.2影响变形量的因素焊接接头型式对角变形的影响符合下述规律：角变形随坡口角度增大而增加。V型坡口的角变形大于U型坡口。V型、U型坡口的角变形大于对称型坡口。具有I型坡口特点的电渣焊焊缝、窄间隙焊焊缝、等离子弧焊等焊缝，其角变形都很小。单层自动弧焊的熔深大，焊缝上、下宽度相差不大，故其角变形较手弧焊为小。,郑州大学化工设备设计研究所,99,焊接变形与焊接应力,5.1.3减少焊接变形的措施设计方面尽量减少焊缝数量、焊缝长度和焊缝截面积；使结构中所有焊缝尽量对称于中性轴布置；结构上便于施焊时采用胎模夹具固定；合理设计角焊缝焊角尺寸。,郑州大学化工设备设计研究所,100,焊接变形与焊接应力,5.1.3减少焊接变形的措施工艺方面反变形法,郑州大学化工设备设计研究所,101,焊接变形与焊接应力,5.1.3减少焊接变形的措施工艺方面刚性夹持进行焊接利用夹具刚性固定焊件进行焊接设置临时拉杆提高焊件刚性两个相同焊件相互点固后再行焊接,郑州大学化工设备设计研究所,102,焊接变形与焊接应力,5.1.3减少焊接变形的措施工艺方面选用合适的焊接方法和焊接顺序，以减少焊件受热,郑州大学化工设备设计研究所,103,焊接变形与焊接应力,5.1.3减少焊接变形的措施焊后矫形当采用上述措施后焊接变形仍较大时，则应根据焊件设计要求考虑进行焊后矫形。矫形的方法有机械法和火焰法，机械法可用校平机、压力机、卷板机、锤击等。在选用矫形方法时，要特别注意钢种。对耐腐蚀设备不宜用锤击以防止应力腐蚀。对具有晶间腐蚀倾向的奥氏体不锈钢和淬硬倾向较大的钢材不宜用火焰矫形对冷裂倾向较大的高强钢要少用机械法矫形，因此法属冷塑性变形，易产生硬化。,郑州大学化工设备设计研究所,104,焊接变形与焊接应力,5.2焊接残余应力5.2.1产生原因总的来说，焊接应力是焊接过程中焊件体积变化受阻而产生。在焊接过程中引起体积变化的主要原因是：由于温度降低体积收缩和低温时组织转变而引起的体积变化。,郑州大学化工设备设计研究所,105,焊接变形与焊接应力,5.2.2焊接应力的类型焊接应力既是焊缝金属体积变化受阻所产生，故应力为三向应力。但鉴于化工设备焊接中是以厚度不大的板材为主要对象，故焊接应力主要为双向应力（纵向、横向）。多数情况下，焊缝及近缝区易产生焊接拉应力。拉应力会降低材料塑性，成为焊接接头产生裂纹或脆断的主要根源。对承受动载的零件危害很大。若焊接应力为压应力，则主要降低受外压薄壁圆筒或其它受压构件的稳定性，是使薄壁壳体焊后产生波浪变形的主要原因之一。,郑州大学化工设备设计研究所,106,焊接变形与焊接应力,5.2.3焊接应力对焊件使用性能的影响焊件中存在残余应力，会降低焊件的承载能力，同时易导致焊后甚至使用期间的变形。由于焊接时焊件仅产生局部的体积变化，故焊接应力也仅是一个局部效应。,郑州大学化工设备设计研究所,107,焊接变形与焊接应力,5.2.4降低焊接残余应力的措施设计方面中心问题是正确布置焊缝，以免应力叠加，降低应力峰值。焊缝彼此尽量分散并避免交叉。避免在断面剧烈过渡区设置焊缝。焊缝应尽量分布在结构应力最简单、最小处。对卧式容器环缝应尽量位于支座以外，纵缝则尽量位于壳体下部140范围以外。改进结构设计，局部降低焊件刚性，减小焊接应力。,郑州大学化工设备设计研究所,108,焊接变形与焊接应力,5.2.4降低焊接残余应力的措施设计方面,郑州大学化工设备设计研究所,109,焊接变形与焊接应力,5.2.4降低焊接残余应力的措施设计方面,郑州大学化工设备设计研究所,110,焊接变形与焊接应力,5.2.4降低焊接残余应力的措施工艺措施采用合理的焊接顺序,郑州大学化工设备设计研究所,111,焊接变形与焊接应力,5.2.4降低焊接残余应力的措施工艺措施缩小焊接区与结构整体之间的温差整体预热采用低线能量间歇施焊等锤击焊缝,郑州大学化工设备设计研究所,112,焊接变形与焊接应力,5.2.5焊接残余应力的消除对于有应力腐蚀和要求尺寸稳定的结构，承受交变载荷要求有较大抗疲劳强度的焊接结构，以及低温下使用的结构，为了防止低温应力脆性破坏，焊后一般都须消除焊接应力。只有当材料的塑性、韧性都很好时才可以不考虑消除焊接应力的措施。进行热处理机械拉伸法,焊接缺陷及防止,郑州大学化工设备设计研究所,114,焊接缺陷及防止,6.1常见焊接缺陷及其分类焊接缺欠与焊接缺陷焊接缺欠：在焊接接头中存在的不连续性、不均匀性以及其它不健全的缺损。焊接缺陷：在焊接缺欠中，根据产品相应的制造技术条件的规定，凡不符合焊接产品使用性能要求的焊接缺欠焊接缺陷是焊接缺欠中不可接受的、不合格的缺欠。焊接缺欠是绝对的。焊接缺陷是相对的。,郑州大学化工设备设计研究所,115,焊接缺陷及防止,6.1常见焊接缺陷及其分类常见焊接缺陷常见的焊接缺陷有：裂纹、气孔、咬边、夹渣、夹钨、未熔合、未焊透、未焊满、焊瘤、焊缝外观和尺寸不符合要求等。,郑州大学化工设备设计研究所,116,焊接缺陷及防止,6.1常见焊接缺陷及其分类焊接缺陷的分类按成因分类结构缺陷（缺陷的产生与设计结构有关）工艺缺陷（缺陷的产生与工艺因素有关）冶金缺陷（缺陷的产生与冶金因素有关）按可见性分类表面缺陷内部缺陷从断裂机理的观点分类平面型非平面型,郑州大学化工设备设计研究所,117,焊接缺陷及防止,6.2焊接缺陷的危害增加焊缝截面积的缺陷余高过大、焊瘤、下塌等。这类缺陷并不会减小焊缝截面应力，反而使截面突变处产生应力集中，截面突变处会导致疲劳强度、承载交变载荷能力的降低，增加脆性破坏机率。,郑州大学化工设备设计研究所,118,焊接缺陷及防止,6.2焊接缺陷的危害减少焊缝截面积的缺陷裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未熔合、咬边。减少了受力截面积，使容器承载能力下降，而且带有尖端的缺陷极易引起应力集中，促使脆性破坏，在这方面，面形缺陷（未熔合、裂纹）比体形缺陷（气孔、夹渣）更危险。,郑州大学化工设备设计研究所,119,焊接缺陷及防止,6.2焊接缺陷的危害表面焊接缺陷溶液积聚、浓缩腐蚀介质，而加速局部腐蚀。在应力状态下由于应变促进金属离子脱离晶铬进入介质，应力促使表面膜破裂加速氢离子向金属中扩散及导致新的阳极相出现，而加速局部腐蚀进行。其中静载荷下的应力腐蚀开裂和交变载荷下的腐蚀疲劳最为严重,郑州大学化工设备设计研究所,120,焊接缺陷及防止,6.3余高余高既是焊接工艺的需要，又对容器的安全运行，尤其是疲劳寿命产生一定的影响。余高的作用压力容器的焊接多为多道焊，后焊的焊道相当于对前一焊道起到保温。缓冷与正火的作用，对消除前一焊道的焊接应力、细化晶粒是有益的。余高相当于对最外一层强度焊道起到了保温、缓冷与正火作用，因此余高是有用的，它是焊接工艺的需要。,郑州大学化工设备设计研究所,121,焊接缺陷及防止,6.3余高余高的危害接头焊妥后，余高的工艺作用即完成，此后余高的存在将对容器的运行安全产生某些不利的影响。日本试验：未保留余高的容器疲劳寿命与保留余高的相差2.12.5倍。我国三层热套模拟容器的压力疲劳试验。余高的存在破坏了焊缝表面几何形状的连续性，会因外形突变产生附加弯矩，造成较高的局部应力。,郑州大学化工设备设计研究所,122,焊接缺陷及防止,6.3余高如果焊后采用修磨等方法将余高去除，不仅使焊缝外观与母材保持一致，消除了产生局部应力的根源，同时也消除了焊缝表面可能存在的各种焊接缺陷，因而要经过漫长的生核和缓慢的扩展过程，才可能产生疲劳断裂。,郑州大学化工设备设计研究所,123,焊接缺陷及防止,6.3余高GB150对余高的要求,郑州大学化工设备设计研究所,124,焊接缺陷及防止,6.4咬边施焊时焊条（或焊丝）碰到母材将母材熔掉一块，即产生了咬边。咬边一般位于焊缝好母材连接处、角焊缝的焊趾处或者坡口焊缝的熔合线处。咬边也可能出现在单面焊接的坡口焊缝根部。咬边通常由于焊接操作不恰当所致。,郑州大学化工设备设计研究所,125,焊接缺陷及防止,6.4咬边咬边的危害咬边造成微小区域的形状突变，会产生应力集中。据国外资料介绍咬边部位的应力集中系数可能高达3。咬边是“开口”缺陷，尤其是位于容器内表面的咬边将直接和介质接触，介质在压力作用下会进入咬边内部，形成不流动的介质“死区”，在长期使用过程中“死区”的介质会逐渐浓缩，促发局部腐蚀。咬边在渗入其内部介质压力的作用下易扩展，甚至诱发裂纹。,郑州大学化工设备设计研究所,126,焊接缺陷及防止,6.4咬边GB150对咬边的要求下列容器的焊缝表面不得有咬边标准抗拉强度下限值大于540MPa钢材制造的容器；Cr-Mo低合金钢材制造的容器；不锈钢制造的容器；焊接接头系数为1的容器（用无缝钢管制造的容器除外）。其它容器焊缝表面咬边深度不得大于0.5mm，咬边连续长度不得大于100mm，焊缝两侧咬边的总长不得超过该焊缝长度的10%。,郑州大学化工设备设计研究所,127,焊接缺陷及防止,6.5焊接裂纹裂纹是焊接结构中比较普遍而又十分严重的一种缺陷。严重的裂纹明显地削弱容器的承载能力和耐腐蚀性能。即使开始不很严重的裂纹，由于在裂纹尖端处存在应力集中，低温、交变或冲击载荷的作用会使裂纹扩展，从而有造成突然脆断的可能。由于裂纹而造成的事故在国内、外都为数不少。,郑州大学化工设备设计研究所,128,焊接缺陷及防止,6.5焊接裂纹焊接裂纹可能产生在焊缝区，也可能产生在热影响区或熔合处。有时出现纵向裂纹，有时出现横向裂纹。在断弧处