高压储罐焊接工艺设计.doc

1 49 毕业设计 论文 中文摘要 随着制造业的不断发展 锅炉以及压力容器在各行各业中被广泛使用 并 且因其在生产过程中发挥着越来越重要的作用 使用量也正在逐年攀升 相比于传统的压力容器制造方法 通过焊接的手段生产的压力容器正因为 其高的生产效率 低的生产成本逐渐成为压力容器制造业中的主流 但焊接生 产过程中有较多的质控点较难把握 影响焊缝质量的因素较多 导致所焊接产 品的一次合格率较难有进一步的提升 产品制作工艺说明书中 简要分析了储气罐的构成 根据材料的特点和产 品的结构尺寸制作出适合本产品的工艺流程 详细论述储气罐加工 装配 焊 接工艺 同时对储气罐制作中容易出现的质量问题进行了分析说明 提出了相 应的解决措施 焊接方法选手工电弧焊和埋弧焊 焊接材料选用焊条 J857 焊 丝 H10MnSi 和焊剂 HJ350 关键词 关键词 高压储罐 焊接 工艺设计 2 49 毕业设计 论文 外文摘要 TitleTitle Boiler and pressure vessel welding method commonly used technological parameters of choice AbstractAbstract With the continuous development of manufacturing industry boiler and pressure vessel in all walks of life is widely used and because of its production process in a more and more important role in usage is also up year by year Compared with the traditional pressure vessel manufacture method and by means of welding production of pressure vessels because of its high production efficiency and lower cost of production gradually become the mainstream of the pressure vessel manufacturing industry But in the process of welding production more qc point is difficult the influence factors on the quality of the welding seam more lead to the welding products a qualified rate more difficult to have the further promotion Product manufacturing process instructions a brief analysis of the composition of the gas tank the characteristics of the material and product structure size to produce products for the process detail tank fabrication assembly welding At the same time prone to gas tank production quality issues analysis shows the corresponding measures to resolve Welding and submerged arc welding players work welding electrode material selection J857 wire H10MnSi and flux HJ350 KeywordsKeywords High pressure tank Welding Design of technology 3 49 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 压力容器的应用 4 1 2 压力容器制造技术的发展 4 第二章第二章 高压储罐的常用材料和选择高压储罐的常用材料和选择 2 1 储罐的选材原则 6 2 2 高压储罐的常用钢 7 2 3 主体材料的制备 9 第三章第三章 高压储罐的结构制造高压储罐的结构制造 3 1 高压储罐的结构参数 10 3 2 本课题用钢 10 3 3 高压储罐板材的制作过程 11 3 4 高压储罐的装备 12 第四章第四章 高压储罐的焊接工艺高压储罐的焊接工艺 4 1 14CrMoVB 的焊接性分析 16 4 2 焊接方法的选择 19 4 3 焊接材料的选择 20 4 4 焊前准备 23 4 5 坡口的制备及方法 27 4 6 分层焊接 30 4 7 焊接工艺卡 40 第五章第五章 检验检验 5 1 无损检验 41 5 2 高压容器的常见缺陷及处理 42 5 3 压力实验 46 5 4 成品验收 49 4 49 结论结论 49 致谢致谢 51 参考文献参考文献 52 第一章第一章 绪论绪论 1 1 压力容器的应用压力容器的应用 石油 化工 医药等产品是按照一定的工艺过程 在一定的条件下利用与 之相匹配的机械设备生产出来的 随着科学技术的进步和工业生产的发展 特 别是国民经济领域持续稳定压力容器已在石油 化工 轻工 医药 环保 冶 金 食品 生物工程及国防等工业领域以及人们的日常生活中得到广泛应用 且数量日益增大 大容积的设备也越来越多 例如 生产尿素就需要与之配套 的合成塔 换热器 分离器 反应器 储罐等压力容器 加工原油就需要与原 油生产工艺配套的精馏塔 换热器 加热炉等压力容器 此外 用于精溜 解 析 吸收 萃取等工艺的各种塔类设备也为压力容器 用于流体加热 冷却 液体汽化 蒸汽冷凝及废热回收的各种热交换器仍属于压力容器 石油化工中 三大合成材料生产中的聚合 加氢 裂解等工艺用的反应设备 用于原料 成 品及半成品的储存 运输 计量的各种设备等都是压力容器 据统计 化工厂 中 80 左右的设备都属于压力容器的范畴 压力容器种类多 操作条件复杂 有真空容器 也有高压超高压设备和核 能容器 温度也存在从低温到高温的较大范围 处理的介质大多具有腐蚀性 或易燃 易爆 有毒 甚至剧毒 这种多样性的操作特点给压力容器从选材 制造 检验到使用 维护以致管理等诸方面造成了复杂性 因此对压力容器的 制造 现场组焊 检验等诸多环节提出了越来越高的要求 压力容器涉及多个学科 综合性很强 一台压力容器从参数确定到投入正 常使用 要通过很多环节及相关部门的各类工程技术人员的共同努力才能实现 1 2压力容器制造技术的进展压力容器制造技术的进展 随着科学技术的发展 压力容器制造技术的水平越来越高 其制造进展主 要表现在四个方面 1 压力容器向大型化发展 5 49 大型化的压力容器可以节省材料 降低投资 节约能源 提高生产效率 降低生产成本 目前板焊结构形式的煤气化塔厚度达 200mm 其内径为 9100mm 单台质量已达 2500t 现在年产 30 万吨合成氨和 52 万吨尿素装置的 四个关键设备均已实现国产化 炼油处理装置也由 250 X 104 t a 原油提高到 1000 X 104 t a 原油的处理能力 液化石油气 化工原料气储运中 卧式储罐已 能生产 7400mmX 38mmX 7400mm 单台设备达 600t 的设备 在核电设备的 生产中 已能生产总重达 380t 的 350MV 核反应堆压力容器 以及总重达 345t 的 1000MV 核电蒸汽发生器 为了适应大型容器的制造 其制造装备也得到了迅猛发展 目前 单台吊 车的起吊质量已达 1200t 水压机在 6000t 以上 卷板机在 4000t 以上 冷弯最 大厚度达 380mm 宽 6m 热冲压封头直径达 4 5m 厚度达 300mm 重型旋压 机可加工直径为 7m 厚 165mm 的椭圆形封头 2 压力容器用钢的发展 由于压力容器的大型化以及生产过程中的工艺条件越来越苛刻 导致对压 力容器用钢的要求日益严格 因而促使材料技术不断发展 在要求钢材强度越 来越高的同时 还要求改善钢材的抗裂性和韧性指标 通过降低含碳量和增加 微量合金元素来保证强度 同时通过提高冶炼技术以降低杂质来保证抗裂性和 韧性 目前日本的冶炼技术己能使磷含量降低到 0 01 下 硫含量降低到 0 002 以下 随着冶炼技术的不断发展 出现了大线能量下焊接性良好的钢板 且复合钢板的使用也越来越普遍 随着加氢工艺技术 特别是煤加氢液化工艺 的发展 钢的抗氧能力 抗蠕变性能 最高使用温度限制及抗拉强度已不能满 足要求 因此近年来国外相继开发了新型的 Cr Mo V 抗氢钢 为在一些腐蚀环 境中保证压力容器的安全使用 双向不锈钢 Ni 基不锈钢 哈氏合金等材料的 应用越来越多 3 压力容器制造方法的发展 传统的压力容器制造方法主要有锻造式 卷焊式 包扎式 热套式等方法 1981 年德国首次推出了焊接成形技术的新方法 采用多丝埋弧焊法制造压力容 器 这一新技术出现 在原铸 锻 轧三种传统制造方法基础上增加了第四种 制造方法 焊接制造 6 49 4 焊接新材料 新技术的产生和应用 为了提高高强度钢的断裂韧性 必须降低焊缝中氢的含量 因此超低氢材 料的研制和使用受到了容器制造厂家的关注 日本神钢公司研制的 UL 系列超 低氢焊条 使用时止裂温度可降低 25 50 C 同时它的吸湿性很小 管理也很 简便 我国压力容器用钢从单纯的碳钢过渡到普通低合金钢 进而发展到低温 钢 高强度钢和特殊钢 目前已能利用 Cr Mo V 抗氢钢制造出加氢反应器 此外 自动焊接技术和焊接机器人使大型容器的焊缝实现了自动化 提高 了焊接质量和效率 降低了工人的劳动强度 在自动焊接设备方面 出现了跟 踪焊缝系统的自动焊机 并能用数控技术来控制焊接参数 用工业电视监视焊 接过程等 热处理方式也出现了轻型加热炉 淬火工艺也出现了喷淋式和浸人 式方法 退火出现了内部燃烧和局部加热退火 工频电加热 电阻加热和红外 线加热等局部加热方法也得到广泛应用 第二章第二章 高压储罐的常用材料和选择高压储罐的常用材料和选择 2 1 储罐的选材原则储罐的选材原则 1 强度要求 压力容器在工作过程中 需要承受压力和其他载荷 所用材 料强度应能满足其使用要求 材料的强度指标是确定压力容器壁厚的依据 但 钢材的各项力学性能具有相互联系和相互约束的机制 因此 选材时不能单纯 地考虑强度指标 而且还要考虑材料的塑性 韧性 耐蚀性等指标 材料的强 度过低 势必造成材料厚度增大 但无原则地选用高强度的材料 将会带来材 料和制造成本的提高以及抗脆性能力的降低 在满足强度的条件下 尽量选择 塑性和韧性比较好的材料 对于有特殊要求的高温 高压 有氢介质的压力容器 选择材料时除考虑蠕变极限和持久极限外 还要考虑抗氢腐蚀和氢脆的影响 2 塑性 韧性要求 在压力容器的结构上不可避免地存在小圆角和缺口结 构 在焊接中也不可避免地存在气孔 夹渣 未焊透 未熔合 裂纹等缺陷 使用过程中由于压力 温度等存在波动 势必造成出现交变载荷 导致存在缺 陷的地方产生应力集中而使缺陷出现扩展的趋势 因此要求材料有较好的塑性 以减少缺陷延展的趋势 由于压力容器制造过程中几乎都采用冷 热 弯成形和 焊接结构 因此要求所选材料应具有较好的冷 热 加工性能和塑性 按 GB 150 1998 的规定 压力容器材料的塑性 5在 15 20 以上 并且还要考虑含碳量 7 49 一般碳的含量不超过 0 2 3 制造工艺性 压力容器的壳体都是通过一定的热变形或冷变形而得到所 需形状的 因此对所用材料要求具有良好的焊眺能和较好的冷 热 加工性能 以保证冷 热 加工时不出现断裂等缺陷 而且得到质量可靠的焊接结构 此 外还要具有较好的焊接性能 即在不附加其他任何工艺措施的条件下仍能得到 优质的焊接接头 4 耐蚀性能 在许多生产中 压力容器所接触的介质存在一定的腐蚀性 因此导致容壁减薄而不能满足最初的设计载简要求 因此为了保证压力容器在 设计寿命内安全运行 就必须根据介质性质选择不同要求的耐蚀性能的材料 必要时可以针对介质的具体性质选用高合金钢 有色金属或耐蚀衬里 5 较低的硫 磷含量 在钢材中硫 磷是主要的有害元素 硫元素存在 于钢中将会促进非金属夹杂物的形成 使塑性和韧性降低 磷元素尽管能够提 高钢的强度 但伴随着增钢材的脆性 特别是低温脆性 因此与一般的结构钢 相比 压力容器用钢要求硫 磷在一个较低的水平 我国压力容器用钢对硫 磷含量的要求就分别低于 0 02 和 0 03 这有别于其他用途的钢材 所以在 压力容器用钢牌号后用 R 以示区别 这里 R 代表中文 容器 的第一个 字的大写字母 2 2 高压储罐的常用钢高压储罐的常用钢 压力容器用钢的基本要求 1 压力容器常用材料 l 壳体常用材料压力容器的壳体是主要的受压元件 因此除有强度要求 外塑性和韧性也必须满足要求 目前压力容器壳体一般采用冷 热 成形方法 因此选用碳素结构钢 压力容器用碳素钢板 低合金钢板和不锈钢板 碳素结构钢板 此类材料只能用于一般用途的非压力容器专用钢板 由于 价格便宜 来源广泛 质量稳定 因此一定限制条件下可以用于压力容器 可 供选用的钢板有 Q235 A F Q235 A Q235 C 其限制条件参见 GB 150 1998 钢制压力容器 压力容器用碳素钢板和低合余钢板 这类材料属于一般压力容器的专用钢 8 49 板 在普通的压力容器结构钢板中加入少员的合金元素 诸如 Mn Si Mo V Ni Cr 等元素 能够显著改变钢材的强度和综合力学性能在 GB 1996 压力容器用钢板 提供了多个钢板品种 如 20R 16MnR 15MnVR 等 此外在 GB 150 1998 钢制压力容器 中还规定允 许采用 压力容器用钢板 以外的其他钢板 如 07MnCrMoVR 07MnCrMoVDR 等低合金钢板 压力容器用碳素钢板和低合金 钢板的使用性能和要求参见 GB 150 1998 钢制压力容器 低温压力容器用低合金钢板按 GB 150 1998 钢制压力容器 规定 设 计温度 20 的容器即属于低温容器范畴 对于这类容器 应选用耐低温的专 用钢板 除强度要求外 更要求具有足够的韧性 以防止压力容器的低温脆断 GB 3531 1996 低温压力容接用低合金钢板 和 GB 150 1998 钢制压力容器 提供了用于制造低温压力容器专用钢板 如 16MnDR 15MnNiDR 09Mn2VDV07MnNiCrMoVDR 等 不锈钢板 不锈钢是指含铬量在 12 30 的铁基合金 含铬量在 12 17 的不锈钢 它在大气中可以发生钝化 主要用于大气 水及其他腐蚀 性不太强的介质中 含铬量在 17 以上的不锈钢可以用于强腐蚀性介质中这类 不锈钢也称为 耐酸钢 GB4237 不锈钢轧制钢板 提供了多种不锈钢 不 锈钢虽然在生产中起广泛作用 但对某一种钢号而言其使用却受到一定的限制 目前还没找到能够抵抗多种介质类型腐蚀的不锈钢 2 接管与换热管常用材料 压力容器上有许多工艺接管 如进料管 出 料管 换热管等 它们多为无缝钢管 而切属于受压元件 常用无缝钢管材料 一般有四类 即碳素钢 低合金钢 低合金耐热钢和高合金钢 它们的冶炼要 求 性能要求与前面介绍的钢板基本相同 常用的碳素钢管材料有 10 20 20g 等 低合余钢材料有 16Mn 15MnV 等 低温钢管材料有 09Mn2VD 09MnD 等 中温抗氢钢管材料有 12CrMo 15CrMo 10MoWVNb 12Cr2Mo 1Ni5Mo 等 高合金钢管材料有 0Cr13 0Cr18Ni9 0Cr18Ni9Ti 0Cr18Ni12Mo2Ti 0Crl9Ni13Mo3 00Cr19Ni1 0 00Cr17Ni14Mo2 等 3 管道与法兰常用材料 管道与法兰式压力容器中几比较典型的受力元 9 49 件 通常是用钢板或者是锻件经过机械加工制成 然后与壳体组焊 因此要求 管板与法兰材料具有良好的可锻性 可焊性和切削加工性能 此外 管道与法 兰不仅与介质直接接触 而且受力比较复杂 因此在选择材料时应考虑其力学 性能要高于壳体材料 管板的常用材料有 Q235 A Q235 I3 Q235 C 16Mn I6MnR 等 法兰常用材料有板材 Q235 A Q23 5 13 Q235 C 16Mn 15MnVR 常 用锻件有 20MnMo 15CrMo 等种类 4 螺栓与螺母常用材料 螺栓与螺母是压力容器广泛使用的一类基础零件 由于压力容器工作时要承受较大的负荷 因此螺栓与螺母需要采用较高强度的 材料制造 同时要求所选择的材料具有较好的塑性 韧性以及良好的机械加工 性能 对高温和高强度螺栓用钢 还必须具有较好的抗松弛性 良好的耐热性 以及较低的裂纹敏感性 螺栓与螺母配对使用 通常螺栓的强度和硬度比螺母 的稍高 螺栓常用的材料有 Q235 A 35 40 40MnB 40 MnBV 40Cr 30CrMoA 35 CrMoA 35 CrMoVA 25Cr2MoVA 1Cr5Mo 0Cr19Ni19 等 螺母常用的材料有 Q215 A Q235 A 20 25 35 2Cr13 30CrMn 等 5 支座与其他附件常用材料 压力容器支座将承受整个容器的自重和工 作介质负荷 但没有承受介质的压力和温度负荷 因此选择时刚性较好的材料 即可 常用钢材 Q235A Q235 B 等 2 3 主体材料的制备主体材料的制备 钢材的处理钢材的处理 1 钢材的表面处理 低合金高强度钢通常具有较高的耐断裂强度及疲劳 强度 但它的抗腐蚀性及腐蚀疲劳性能较差 在工程应用中 许多构件不可避 免的收到水 氯离子以及其他介质的侵蚀 同时还承受动载荷的作用 也因此 要求构件还要具有较高的疲劳抗力 表面处理方法主要有表面喷丸 表面镀锌 以及它们的相互结合 通过实验表明 经过表面处理后的钢材抗腐蚀疲劳强度提高 80 钢材的 疲劳源从表明转移到亚表面 表明形变层的抗腐蚀能力增加 小孔腐蚀消失 疲劳裂纹减少 有利于改善低应力长寿命范围内的腐蚀疲劳性能 10 49 2 钢材的表面净化工作 钢板的表面净化是钢板预处理的一个步骤 运 用特定的方法或设备祛除表面的油污 铁锈 杂质 氧化皮等 表面净化的方 法大体分两类 机械法和化学法 化学法主要有酸洗 碱洗 盐洗等 机械法 主要有砂轮打磨 喷沙 喷丸处理 经过表面处理后的钢材能较好的除去钢结构构件表面的锈蚀及飞溅 使钢 结构构件表面产生一定程度的凹凸不平的压花效果 可以消除应力集中 增加 表面硬度 改善表面密度 增加表面抗力 增大构件摩擦系数 主要用于高强 摩擦栓 及涂料的附着力 3 钢材的矫正工作 钢材在轧制 运输 装卸和堆放过程中 由于自 重 支承不当或装卸条件不良及其他原因 可能会产生弯曲 扭曲 翘曲 波 浪变形及表面不平等变形 当这些变形超过一定程度时 会给尺寸的度量 划 线 剪裁及其他加工带来困难 而且会影响到成形后零件的尺寸和几何形状的 精度 从而又会影响到装配 焊接和整个产品的质量 所以在划线下料前应予 以矫形 钢材在加工过程中 也会由于受力不均等工艺原因和其他原因而使工 件产生变形 为不影响下道工序的加工和确保加工质量 也需进行矫形 另外 在装配 焊接之后 工件也会因焊接等原因 产生某些变形 亦需矫形 此 为成品矫形 矫形就是使钢材或工件在外力作用下产生与原来变形相反的塑性 变形 以消除弯曲 扭曲 皱折 不平等现象 从而获得正确形状的过程 矫 形的实质就是将被拉长的纤维缩短或将缩短的纤维拉长 以恢复原状 或是使 其他部分的纤维也拉长或缩短 产生与局部纤维相同的变形 从而达到矫形的 目的 矫形的方法按操作方法的不同 可分为手工矫形 机械矫形和火焰矫形 三种 第三章第三章 高压储罐的结构高压储罐的结构 3 1 高压储罐的结构参数高压储罐的结构参数 1250t 水压的高压储罐的设计压力为 32MPa 工作压力为 21 储罐主体为 锻焊结构 设备内径为 7745mm 厚 60mm 总长度为 7745mm 由三节壳体和 两个端盖组焊而成 其结构如图 3 1 所示 11 49 图 3 1 高压储罐的结构示意图高压储罐的结构示意图 3 2 本课题的用钢本课题的用钢 储罐的主题材料为 14CrMoVB 为低合金高强度钢 这种钢的屈服比不大 但硬度较高 285HB 含锰量大 淬透性好 因此焊接性比较差 材料的金相 组织为回火马氏体和少量的粒状贝氏体 14CrMoVB 钢的化学成分见表 3 1 表 3 1 14CrMoVB 钢的化学成分 3 3 压力容器板材的制作工艺流程压力容器板材的制作工艺流程 1 筒体板材的制作流程 1 板材的切割与下料 例如 60mm 的厚板材需要等离子或者火焰切割 2 筒体的卷制与成型 对于厚大钢板应采用热卷板或者辊卷板 如图 3 2 所示 成分成分CSiMnPSCrMoVB 含量 质量分数 含量 质量分数 0 100 321 200 0190 0100 940 420 0560 026 12 49 图 3 2 3 焊接 主要包括筒体纵缝的焊接 环缝的焊接 根据焊接工艺应采用 埋弧焊焊接最为合适 具体参照第四章 焊接工艺 4 筒体组装前准备 主要包括筒体纵缝边缘的准备 筒体的矫圆 组对 环缝 5 筒体组装的后续工作 包括筒体内壁的修磨和清理 筒体封头接管的 开口 筒体的的接管 总装和焊接 2 封头的制作工艺 1 封头板的火焰切割与下料 2 封头板拼缝的焊接 与筒体工艺相同 主要采用埋弧焊进行焊接 3 封头板的无损检测与正火处理 4 热冲压成型或旋压成型 5 正火或者进行调制处理 对于低合金钢热冲压加温不高于该钢材的正 常正火温度 6 封头内部的清理和整修 3 型材结构的制作工艺 1 型材的预处理 包括矫平 矫直和涂防护漆等 2 热切割和冲剪下料 3 弯曲成形和折边 4 孔加工 可采用气割 钻 铣等方法 5 总装焊接 13 49 6 结构整体喷丸除锈 4 管材焊接的结构的制作工艺 管材制作的工艺与型材相似 不再进行一一介绍 3 4 压力容器的装配压力容器的装配 1 筒体装配 筒节的制造过程中 至少有一条纵缝是在卷制后组焊的 同时纵缝的组装 没有积累误差 组装质量较易控制 但对于壁厚为 20 65mm 直径为 1000 6000mm 的筒节 若弯卷过程控制不好 就会产生偏差 如图 3 3 所示 图 3 3 筒节的板料预弯质量不佳还会造成纵缝棱角超差 这时靠组装过程来控制 是无能为力的 而只能在筒节纵缝焊后校圆工序中予以修正 图 3 4 棱角度棱角度 2 壳体环缝的组装 环焊缝的组装比纵焊缝困难 一方面由于制造误差 每个筒节和封头的圆 周长度往往不同 即直径大小有偏差 另一方面 筒节和封头往往有一定的圆 度误差 此外组装时还必须控制环缝的间隙 以满足容器最终的总体尺寸要求 14 49 可采用螺栓撑圆器 间隙调节器 筒式万能夹具等辅助工具有有关量具来 矫正 对中 对齐 3 人孔 接管 支座等零部件与壳体的组装 筒体划线 在筒体总装 焊接 无损检测等工序完成后 作总体尺寸检验 并找出筒 体两端的四条中心线 并核查是否等分 然后检查筒体两端中心线是否扭曲 检查步骤如下 1 将筒体放在滚轮架上 转动筒体 用吊垂线方法 使一端口的 A 心 在最高位置 2 在另一端的 A 心上吊线 与端口交点 C 测得 C 心的偏移值 b 这说 明由于环缝组装后心线发生扭曲 3 调整中心线偏移 使两端中心线垂线重合 并重表核查等分的正确性 4 按纠正后的中收线位置重表弹好粉线并做好标记 此时筒体中收线的 扭拉已纠正 按图样的各管口位置划出所有接管开了位置线 切割线 检查线 同时划出支座安装位置线 做好标记 对于长大塔器 尤其是分段发运的塔器 每个分段的四条中收轴线 开孔 位置线 塔盘支撑圈的装配位置都要分别精确划出 如图 6 所示 图 3 5 检查筒体中心线检查筒体中心线 人孔等大管口及壳壁上的斜插管口 还应按相贯线展开后制作开孔切割样 15 49 板 4 按开孔切割位置线进行切割 坡口经打磨清理后 用焊缝检验尺检测所有管孔坡口尺寸的正确性 如有 不符合必须进行认真修正 5 人孔 接管与法兰的装配 法兰有两种类型 一种为平焊法兰 此时只需控制接管与法兰的垂直度偏 差不大于 1 且不大于 3mm 即可 如为锻制对焊法兰 则应控制对接环缝间隙 均匀 需要特别强调的是严禁将法兰密封面直接与地面或装配平台接触 以避 免弄伤密封面 通常的做法是法兰与接管的装配 焊接都在小型变位器上进行 法兰不会被电弧击伤 灶接过程在最佳位置下完成 质量容易保证 6 在壳体上组装人孔与接管 1 首先要按人孔接管伸出高度及补强圈厚度在人孔接管的四条中心上点 焊定位筋板 再与筒体上的开孔进行预组装 必要时用气割修正坡口处孔径 使接管顺利装入且装配环隙适当均匀 2 组对时注意法兰对中安装 3 接管内伸出余量可按图样要求待内角焊缝焊好后割去 也可用样板划 线预先将接管内伸出余量割去 4 人孔及大直径接管组装后在焊接前 对于薄壁容器 尤其是塔器 内 部预先采取支撑加固 以防焊后下塌 5 角焊缝由于有补强圈而使得无损检测难以实施 该角焊缝的质量主要 取决于坡口的清洁度及尺寸精度 而低劣的焊缝质量又会造成泄漏 甚至安全 隐患 因些 对于装配的全过程 包括划线 气割 组装 焊接 检查等环节 必须认真作好记录 明确质量责任 7 支座的装配 压力容器的安放或安装都要通过各种支座再与基础平面接触 支座作为部 件 其本身的制造质量 及其与容器壳壁的装配 焊接质量的好坏 将直接影 响到压力容器运行的平稳与操作的安全性 此外 支座与容器壳壁的装配通常 都处在该容器的总阶段 因而将直接影响到容器的管口方位 标高 轴线倾斜 度等质量要求素 因此支座的制作与装配全过程必须予以足够重视 16 49 根据行业标准 规定有四种类型的支座 鞍式支座 腿式支座 支承式支 座及耳式支座 各类支座有其不同的适用场合 制造与装配质量要求 安装过程及方法也 各不相同 但有些要求却是共同的 即 支座底板应保持在同一平面内 底板 螺栓也已距离的误差应予以严格控制 支座底平面不允许翘曲 倾斜 鞍式支座 图 3 6 在零部件装配焊接时可将两件成对称状点焊在一起 以 减少焊接变形 拆开后检查底板的平面度及立板的气割口弧形 如有问题应进 行火焰矫正 第四章第四章 低合金高强度钢的焊接工艺要点低合金高强度钢的焊接工艺要点 4 1 14CrMoVB 的焊接性分析 低合金高强钢的焊接性主要包括两个方面 其一是裂纹敏感性 其二是焊 接热影响区的力学性能 众所周知 扩散氢 脆性组织和残余应力是冷裂纹产生的三要素 碳当量公 式 如 IIW 的 CEN 公式 热影响区最大硬度等都被用来评价钢材的冷裂敏感 性 1 冷裂纹问题 对于现代低合金高强度钢 由于热机械控制工艺技术和微合金化技术的广 17 49 泛应用 碳含量和碳当量都大幅度降低 因此 其冷裂敏感性不明显 除非在 极端情况下 很大的拘束度或扩散氢含量很高 一般不会遭遇冷裂纹 值得注意的是焊缝金属冷裂纹问题 冷裂纹倾向 低合金高强钢随着强度等级的增高 焊接接头冷裂纹倾向增大 冷裂纹又 叫氢致裂纹或延迟裂纹 是指焊接接头冷却到较低温度 Ms 温度以下 时产生 的焊接裂纹冷裂纹一般产生在热影响区 有时也产生在焊缝金属内 产生冷裂 纹的三个主要因素是 裂缝金属内残留的扩散氢 热影响区或焊缝金属硬组织 焊接残余应力 焊接低合金高强度钢时 氢的主要来源是焊条药皮中的水分和破口表面的 水分 油污等杂质 这些物质在电弧高温作用下分解出氢 溶解在熔池金属内 熔池冷却凝时氢来不及逸出 残留在焊缝内 另外 焊接低合金高强度钢的一 个重要特点是热影响区有较大的淬硬倾向 随强度等级的提高 含碳元素或合 金元素含量增多 其淬硬性也增大 当焊接浮大焊件或冷却速度过快时 热影 响区或焊缝金属更容易产生淬硬组织 焊接时由于不均匀的加热和冷却以及构 件本身的拘束作用 在焊缝内仍然会产生很大的残余应力 所以 低合金高强 度钢焊接时有较大的冷裂倾向 为防止冷裂纹的产生 焊前应严标按照说明书的规定烘干焊条 将坡口清 理干净 并采取焊前预热 焊后保温缓冷及热处理等措施 母材强度的提高和焊接性的改善 促使冷裂纹发生的位置从热影响区转移 到焊缝 基于焊后随时间变化氢对局部临界开裂应力的影响 国际焊接联合会 提出了判别高强钢冷裂纹位置的基本方法 焊后焊缝中的氢含量随时间单调减 少 而热影响区的氢含量先从母材基础值升高到峰值然后下降 整个过程只有 几分钟 恰好与残余应力发生的过程同步 通过计算残余应力值 时间的变化 以及热影响区和焊缝受实时扩散氢含量影响的临界开裂应力 即可预测冷裂纹 发生的位置 高强度焊缝金属对裂纹敏感性大 当然有利于焊缝冷裂纹 影响 焊缝冷裂纹的还有残余应力值及其产生的时间 如果较早地产生较大的残余应 力 则有利于焊缝冷裂纹值 相反 低强度焊缝金属 低残余应力或较晚产生 残余应力有利于热影响区冷裂纹的产生 18 49 2 热裂纹倾向 在焊接过程中 焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区产生的焊 接裂纹 热裂纹都是沿着晶界开裂分布在焊缝中心或两侧 表面是不规则的锯 齿状 产生热裂纹的主要原因是由于焊缝金属中碳 硫元素含量偏高 在焊接 过程中形成低熔点共晶物 当液态金属冷却到结晶时聚集在晶界处 在焊接应 力的作用下沿晶界开裂 形成热裂纹 低合金钢焊接时 应考虑钢材和焊接材 料的含碳量 由于锰可以和硫形成硫化锰 硫化锰熔点高 会增加钢的抗裂纹 性 同时还要减小焊接结构的刚性 控制焊缝成形系数等 防止热裂纹倾向 3 热影响区的组织和韧性 热影响区由不同区域的组织构成 每一区域的组织都受加热速度 峰值温 度和冷却速度的影响 对于单道焊 根据峰值温度 热影响区可划分为粗晶区 GC 热影响区 细晶区 GR 热影响区 中间临界区 IC 热影响区 和亚临 界区 SC 热影响区 对于双道焊或多层焊 第二道焊道的热影响区与第一道 重叠 在第一道的热影响区中形成被部分或完全再热区 其中最引人注目的是 亚临界再热粗晶区 SCGC 热影响区 和中间临界再热粗晶区 ICGC 热影响区 粗晶区的组织与韧性 粗晶区因为奥氏体长大和易形成脆性组织而倍受关注 在 1000 C 以上 奥 氏体长大迅速 利用微合金元素形成微小的碳化物或氮化物粒子是限制奥氏体 晶粒长大的有效途径 Nb 和 Ti 是应用最多的微合金元素 在管线钢 船板和 建筑结构中均广泛使用 然而 必须严格控制其含量 使得碳氮化物粒子即不 会太粗 也不会过分地细小 粗晶区的相变组织是影响其韧性水平的主要因素 粗晶区奥氏体在冷却过 程中发生相变 相变组织主要取决于材料的淬透性和冷却速度 还取决于是否 存在抑制晶界铁素体的 B 以及晶内是否有促进铁素体形核的细小粒子如 TiO2 而这一切均能够在相变温度范围中体现 中间临界再热粗晶区往往是可能的低韧性区 尤其是形成 M A 组元的情况 下 在再热粗晶区中 后续焊道将前边焊道的粗晶区再热到 Ac1 Ac3的温度 使其发生部分奥氏体化转变 部分奥氏体化转变导致局部富碳的奥氏体的形成 19 49 并在冷却时转变为高碳孪晶马氏体 这些脆性的 小岛 尺寸可达 5mm 在再热 粗晶区中的相比例可达 5 因此导致再热粗晶区的韧性大幅度下降 局部脆性区一般发生在粗晶区和再热粗晶区 较少地发生在再热热影响区 上世纪 80 年代以来 局部脆性区问题引起了广泛的关注和争议 一方面 裂纹 尖端张开位移试验发现局部脆性区的韧性很低 有时裂纹尖端张开位移值低到 0 05mm 以下 另一方面 尚没有关于局部脆性区导致焊接结构提早失效的案例 有关局部脆性区的研究很多 总的说来局部脆性区的韧性取决于局部脆性区的 宽度 局部脆性区越宽 裂纹尖端张开位移值就越低 而热影响区的韧性又是 最低的 所以 在多层焊时焊道的布置和焊接工艺的控制十分重要 4 2 焊接方法的选择焊接方法的选择 焊条电弧焊的特点 1 焊条电弧焊的优点 1 操作灵活 可全位置焊接 焊条电弧焊广泛用于平焊 立焊 横焊 仰焊等各种空间位置和对接 搭接 角接 T 型接头等各种接头形式的焊接 2 待焊接头装配要求低 焊接时可以随时调整电弧的位置和运条姿势 修正焊接参数 保证跟踪焊缝和均匀熔透 3 可焊金属材料广 焊条电弧焊广泛用于低碳钢 低合金结构钢的焊接 也可以用于不锈钢 耐热钢 低温钢等合金钢的焊接 4 焊缝质量强 2 焊条电弧焊缺点 1 生产效率低 劳动强度大 由于焊接电流小 焊完焊条后必须进行更 换 以及清渣而停止焊接 2 焊缝质量依赖性强 埋弧焊的特点 1 埋弧焊的优点 1 焊接生产效率高 由于允许使用较大电流 使埋弧焊电弧功率 熔透 深度以及焊丝的融化速度都相应提高 另外 由于焊剂和熔渣的隔热作用 降 低了热损耗 热效率提高 因此焊接速度大大提高 2 焊接质量好 由于埋弧焊时电弧及熔池均处在焊剂和熔渣的保护之中 20 49 保护效果比焊条电弧焊好 焊剂的存在也使熔池金属凝固速度减缓 液体金属 与融化焊剂之间有较多的时间进行冶金反应减少焊缝中产生气孔 裂纹等焊接 缺陷的可能性 3 焊接成本低 埋弧焊时可开 I 坡口和小坡口 因而节约了因坡口加工 而消耗的金属 也减少了焊缝的焊丝的填充量 由于焊接厚大焊件时 可获得 较好的经济效益 2 埋弧焊的缺点 1 难以在空间位置施焊 埋弧焊通常只适合平焊或者倾斜度不大的位置 焊接 2 对焊件装配质量要求高 埋弧焊时焊件装配必须保证接口中间隙均匀 焊件平整无错边现象 3 不适合焊接薄板和短焊缝 当焊接电流小于 100A 时电弧稳定性不好 故不适合焊接太薄的焊件 另外 由于埋弧焊操作灵活性差 一般只适合焊接 长焊缝或者大圆焊缝 综合考虑 由于压力容器采用单面焊双面成型的焊法 所以内部结构采用 焊条电弧焊 外部的长焊缝和大圆焊缝采用埋弧焊 4 3焊接材料的选择焊接材料的选择 选择焊接材料时一般要求所得焊缝金属在焊态下应具有接近于母材的机械 性能 即 等强匹配 此外还应该根据母材的化学成分 力学性能 使用条 件以及焊接方法综合考虑选用焊接材料 必要时通过实验确定 在特殊条件下 如结构的刚度很大 冷裂纹很难避免时 选择比母材强度稍低的材料作为填充 金属 即 低强匹配 在少许牺牲焊缝强度而提高韧性的情况下 对焊接接 头的性能更为有利 1 焊条电弧焊的焊材选择 根据母材的成分和性能 应选择接近于14CrMoVB钢的国产焊条J857 其 结构成分见表4 1 表4 1 J857焊条的成分 21 49 1 焊条直径的选择 焊条直径一般根据焊件厚度选择 同时考虑接头的 形式 施焊位置和焊接层数的因素 一般情况下 焊条直径与焊件厚度之间的 关系的参考数据如表4 2 表4 2 焊条直径与焊件厚度间的关系 焊接厚度焊接厚度 mm mm 2 23 34 4 5 6 12 1313 焊条直径焊条直径 mm mm 2 23 23 2 3 2 44 54 6 结论 应选择直径为6mm的J857焊条 2 焊接电流的选择 选择焊接电流时 应根据焊条类型 直径 焊件厚 度 接头形式 焊接位置和层数等综合因素 对于一定直径的焊条有一个合适 的焊接电流范围 可以参考表4 3 表4 3 焊条直径与电流的关系 焊条直焊条直 径径 mm mm 1 61 62 02 02 52 53 23 24 45 56 6 焊接电焊接电 流流 A A 2525 40 40 6550 80100 130160 210200 270260 300 结论 应选择90A以上的焊接电流进行焊接 此范围内的电流焊接时电弧稳 定 焊缝成形性好且不易出现夹渣等焊接缺陷 需要注意的是 在保证不焊穿 和成形良好的条件下 应尽量采用较大的焊接电流 并且适当提高焊接速度 以提高效率 3 焊接电流的种类和极性的选择 用交流电源焊接时 电弧稳定性差 采用直流电源焊接时 电弧稳定 柔顺 飞溅少 J857焊条是低氢钠型药皮的 成分成分CMnSiSPMo 含量 质含量 质 量分数 量分数 0 10 0 150 10 0 150 4 0 8 0 020 0 035 0 020 0 035 0 60 1 20 22 49 低合金高强钢焊条 低氢型焊条稳定性差 通常必须采用直流弧焊电源 低氢型焊条采用直流电源进行焊接时 一般要用反接 因为反接电流比较 稳定 4 焊接层数的选择 在焊件厚度比较大的时候 往往需要进行多层焊接 对于低合金钢的多层焊 每层焊缝的厚度过大时 对焊缝金属的塑性有不利影 响 焊接层数主要根据焊件厚度 焊条直径 坡口形式和装配间隙等来决定 可做如下的估算 n d 等式中 n为焊接层数 为焊件厚度 mm d为焊条直径 mm 当接头厚度超过 5mm 就要求开一定形状的坡口并采用多层焊或多层多道 焊技术 一般采用打底焊 填充焊和盖面焊的焊接方式 2 埋弧焊的焊材选择 埋弧焊时焊丝和焊剂直接参与焊接过程中的冶金反应 因而它们的化学成 分和物理特性都会影响焊接工艺过程 并对焊缝金属的化学成分 组织和性能 产生影响 正确选择焊丝和焊剂并合理配合使用 是埋弧焊技术的一项重要内 容 1 焊丝的选择 焊丝在埋弧焊中作为填充金属 也是焊缝金属的组成部分 所以对焊缝质 量有直接影响 在选择埋弧焊用丝时 主要考虑焊丝中锰和硅的含量 无论是单道焊还是 多道焊 应考虑焊丝向溶敷金属中过渡的 Mn Si 对熔敷金力学性能的影响 埋弧焊焊接较厚焊件或对力学性能要求高时 则可选用含 Mn 较多的焊丝 如 H10Mn2 2 焊剂的选择 焊剂在埋弧焊中主要的作用是造渣 以隔绝空气对金属熔池的污染 控制 焊缝金属化成分 保证焊缝金属的力学性能 防止裂纹 气孔 夹渣等缺陷的 产生 按制造方法焊接可分为熔炼焊剂 烧结焊剂和粘结焊剂 熔炼焊剂成分均 23 49 匀 颗粒强度高 吸水性好 易储存 是国内生产应用最多的一种焊剂 3 焊丝和焊剂的选用与配合 焊丝和焊剂的正确选用及二者之间的合理配合 是获得优质焊缝的关键 也是埋弧焊工艺的重要环节 焊接低合金高强度钢时 除要使焊缝和母材等强度外 还要特别注意提高 焊缝的塑性和韧性 一般选用低锰低硅或者低锰中硅焊剂配合相应钢种焊丝 低合金高强度钢的埋弧焊焊接常用焊剂及配合焊丝见图 表 4 4 焊丝与焊剂的配合 焊剂类别焊剂类别焊剂型号焊剂型号成分类型成分类型用途用途配用焊丝配用焊丝 适用电流种适用电流种 类类 HJ250HJ250 低低 MnMn 中中 SiSi 中中 F F 低合金高强低合金高强 度钢度钢 相应钢种焊相应钢种焊 丝丝 直流直流 熔炼型熔炼型 HJ350HJ350 中中 MnMn 中中 SiSi 中中 F F 重要低合金重要低合金 高强度钢高强度钢 MnMoMnMo MnSiMnSi 及含及含 NiNi 高高 强度焊丝强度焊丝 交直流交直流 根据焊接工艺要求及筒体钢种 查阅常用焊剂及焊丝配合表 选用中锰焊 丝H08MnA 或 H10MnSi 焊剂选择为 HJ350 4 44 4 焊前准备工作焊前准备工作 1 焊接顺序遵循的原则 1 尽可能让焊缝能自由收缩 减少施焊时的拘束度 图纸设计时应避免 交叉焊缝 有交叉时设计应力释放孔 2 先焊接收缩量大的焊缝 减少内应力 3 把部件整体结构划分为若干个小部件 将小部件按要求焊接后再组装 成大部件 这样就大大减少了总装时的焊接量 减少一次受热量 2 制定合理的焊接顺序的目的 焊接顺序的目的 削弱焊接接应力的集中 保证焊接的连续性和防止变形 焊接顺序的原列 广义原对 1 焊接时尽量减少热输入量和尽量减少填充金属 2 组焊结构应合理分配各个组单元 并进行合理的组对焊接 24 49 3 位于构件钢性最大的部位最后焊接 4 由中间向两侧进行对称焊接 5 先焊短焊缝 后焊长焊缝 6 先焊对接焊缝 再焊角焊缝 7 先焊对接焊缝 后焊环焊缝 8 当存在焊接应力时 先焊拉应力区 后焊剪应力和压应力区 9 当对变形有特殊限制时 可采用分段退焊法 局部接头的焊接顺序原则 由中部向外焊接 由下向上焊接 由渣多的地方起焊 3 焊条电弧焊的焊前准备 1 焊工在施焊前需要进行技术准备工作 如熟悉图纸 了解产品结构 熟悉产品的焊接工艺 了解产品的焊接接头要求 掌握焊接参数等 2 在器材准备方面 焊接设备以及工装的检验调整 包括焊接参数的调 整 按焊接工艺规定领取焊接材料 按照技术要求焊前要对 J857 焊条必须经 350 400 烘焙 1 小时 后放在保温箱内 随用随取 焊前应清除焊件铁锈及 在脏物 并预热 200 左右 3 坡口清理工作 施焊前应检查坡口表面 不得有裂纹 分层 夹渣等 缺陷 应清除焊接接头的内外坡口表面及坡口两侧母材表面至少 20mm 范围内 的氧化物 油污 熔渣以及其它影响焊接质量的物质 4 焊接接头的组对 使用卡具定位或者直接在坡口内点焊的方法进行焊 接接头的组对 组对时应保证在焊接过程中焊点不开裂 并不影响底层焊缝施 焊 控制对口错边量 对口间隙及棱角度等参数不超过按相应的产品制造 验 收标准的规定 5 焊接前的安全保障工作 主要包括施焊工人必须穿戴好保障安全生产 的产品 主要是焊接面罩 皮手套 工作鞋等 检查设备运行情况 防止漏电 等安全事故的发生 4 埋弧焊的焊前准备工作 25 49 埋弧焊的焊前准备工作包括焊件的坡口加工 焊件的清理与装配 焊丝表 面及焊剂的烘干 焊机而检查与调整等工作 这些准备工作与焊缝的质量好坏 有密切的关系 所以必须认真完成 1 坡口的选择与加工 由于可使用较大的电流焊接 一般不开坡口也能 将焊件焊透 但随着焊件厚度的增加 不能无限的提高焊接电流 为保证焊件 焊透 并使焊缝有良好的成形 应在焊件上开坡口 坡口形式与焊条电弧焊时 基本相同 其中尤以 Y 形 X 形 U 形坡口最为常用 当焊件厚度为 10 24mm 时 多为 Y 形坡口 厚度为 24 60mm 时 可开 X 形坡口 对一些要 求高的厚大焊件的重要焊缝 如锅炉锅筒等压力容器 一般多开 U 形坡口 埋 弧焊焊缝坡口的基本形式已经标准化 各种坡口适用的厚度 基本尺寸和标注 方法见 GB T986 1988 的规定 坡口常用气割或者机械加工方法制备 手工气割很难保证坡口的平直光滑 用刨削 车削等机械加工方法制备坡口 可以达到比气割更高的精度要求 目 前 U 型坡口通常采用机械加工方法制备 2 焊件的清理与装配 焊件装配前 需将坡口及附近区域表面上的锈蚀 油污 氧化物 水分等清理干净 大量生产时可用喷丸处理方法 批量不大时 也可用手工清理 即用钢丝刷 风动和电动砂轮或钢丝轮等进行清除 必要时 还可用氧乙炔火焰烘烤焊接部位 以烧掉焊件表面的污垢和油漆 并烘干水分 机械加工的坡口容易在坡口表面沾染切削液或其他油脂 焊前也可用挥发性溶 剂将污染部位清洗干净 焊件装配时必须保证接缝间隙均匀 高低平整不错边 特别是在单面焊双 面成形的埋弧焊中更应严