压力容器制造相关技术问题.doc

. . . . .压力容器制造相关技术问题摘要：综述了压力容器近年来出现的焊接新技术、新工艺，在此基础上，针对焊接应力问题分别从焊接工艺与热处理着手，提出了具体的消除与减少焊接应力的措施。关键词：压力容器；焊接技术；焊接应力；热处理压力容器广泛用于石油、化工等行业，属于特种设备结构件，主要由各种钢质材料经焊接成形。压力容器焊接后，由于焊接时不均匀加热的温度场所造成的内应力达到材料屈服极限，使局部区域产生塑性变形，当温度回到原始的均匀状态以后，内应力仍然残留在结构中，造成结构焊缝区的残余应力。焊接残余应力的存在影响容器的可靠性和使用寿命。研究证明，容器一经焊接，残余应力就不可避免地同时伴生，它的产生机理虽已被初步认识，但由于压力容器的外形尺寸、焊接工艺、施焊程序以及拘束大小的不同，残余应力的水平也大不一样，并且分布十分复杂，故需要确定合理的消除( 或减少）焊接残余应力的对策，使压力容器在制造时，保证质量，经济合理；在役时,安全运行，杜绝安全事故。为消除或减少残余应力，国内外许多学者对此进行了有关研究，归纳起来，一方面是采用先进的焊接技术与合理的焊接工艺，另一方面是实施合适的热处理工艺。1.压力容器焊接新技术近年来，伴随着压力容器向大型化方向发展，国内外相继开发了相关的技术，特别是一些新材料、新钢种的焊接技术得到越来越广泛的应用，同时在提高焊接质量方面，无论从工艺设备上还是焊接材料的研制方面，都取得了长足的进步。1.1 厚壁壳体窄间隙埋弧焊技术随着电站锅炉和石化压力容器的大型化、高参数化，锅炉筒体和压力容器壳体的壁厚在不断增加，我国从80年代中期先后从国外引进了这一技术，并于近年自主发明了“双丝窄间隙埋弧焊”技术，已成功应用于大型压力容器(如：加氢反应器）的生产，有效解决了焊接效率与质量的矛盾。该技术的主要特点是：（1）能进行移动立柱式焊接作业，可完成各种直径的筒体纵、环缝的焊接操作；（2）可获得性能优良、致密性高的焊缝接头；（3）采用带有侧壁光电跟踪和自动防偏的焊接转胎，能提供最佳焊接操作和产品焊接质量的可重复性；（4）为不等厚结构的压制筒体的加工制造提供了便利条件，且降低了制造成本。1.2 接管自动焊接技术接管的自动焊接有两种情况：一种是接管与筒体的焊接；另一种是接管与封头的焊接，通常都采用接管插入的形式。（1）接管与筒体的自动焊接 利用近年来开发的数控马鞍形埋弧自动焊接设备，实现用一台设备，三套程序，分别完成外马鞍、内马鞍和水平环焊缝的自动焊接。（2)接管与封头的自动焊接接管与封头的焊接有两种形式：向心接管的焊接和非向心接管的焊接.该技术的主要特点是：可以实现焊前自动定心、自动寻位、自动定位，焊中自动跟踪，生产效率得到了大幅提高。1.3 管道内壁堆焊接技术为提高化工和核电设备的抗腐蚀能力，接管内壁有时需要堆焊不锈钢耐蚀层。主要采用以下两种方法：（1）300弯管内壁堆焊 弯管内壁堆焊采用沿圆周环向方式进行自动堆焊，工艺方法为填丝的钨极氩弧焊或弱压缩等离子弧焊。300弯管内壁自动堆焊机采用5轴协调运动，依据各自的数学模型，自动排列焊道。对应各轴运动的数学模型，以弯管的曲率半径r和内径d为参数，为保证焊接过程稳定运行，设备具有弧压自动跟踪系统和断点记忆、自动复位功能。（2）900弯管内壁堆焊 弯管内壁堆焊采用沿弯管母线纵向方式进行自动堆焊，工艺方法为熔化极气体保护焊(gmaw)。其主要特点是：工件安装在二维变位机上，工件旋转运动实现焊接过程；工件翻转运动，使每一条焊道处于平焊位置；900弯曲焊枪安装在三维导轨上，用于焊枪的自动变位。1.4 新型激光复合焊接技术钨极填丝氩弧焊广泛应用于压力容器的焊接，虽然焊接质量稳定，接头性能好，没有飞溅，但是存在效率低下等问题。为此，近年来，随着对焊接电弧物理的深入研究，采用了基于先进的全数字化精确控制技术的焊接电弧与激光进行复合焊接，焊接过程极为稳定，飞溅极少，成型美观圆滑。采用这种激光一精确控制电弧的复合热源焊接方法与常规的自钨极填丝(冷丝)氩弧焊方法分别对304不锈钢(6 mm)进行焊接接头力学性能对比试验。2.压力容器焊接应力消除方法2.1在设计上的措施在保证结构性能的前提下，按照jb1618-75的规定，尽量减少焊缝的长度、数量和截面尺寸。当直径2200 mm时，焊缝不能多于1条，直径2200 mm时，不能多于2条，同时焊缝不能过于密集，又要避免交叉；焊接时尽可能地降低接头刚度，选择刚性较小的接头形式；采用反变形法，用翻边连接的方式替代插入管连接的方式，且尽量将平板少量翻边，以减少焊缝的约束，降低焊接应力。2.2 在焊接工艺上的措施在焊接重要结构钢或焊接高强度钢时，进行构件整体焊前预热，将构件加热到一定温度后再焊接。预热可以减小焊缝区金属和周围金属的温差，焊后又能够相对均匀地同时冷却，从而降低了焊接的内应力。焊接塑性较好的钢材时，可以使用手锤锤击焊缝，锤击要在焊后热态情况下按一定方向进行，以延展焊缝材料金属的塑性，降低内应力。2.3 液压超压消应法在可控条件下，对压力容器施加一次或多次比其工作状态下稍大的外载荷，使外载荷产生的应力与压力容器的焊接应力相互叠加，实际上是借助液体压力产生的拉应力，来释放或消除焊接应力，由不稳定的状态进入稳定状态。若叠加后的合成应力低于材料屈服极限时，早现弹性状态，应力与应变变成直线关系；若叠加后的合成应力达到材料屈服极限，局部区域便产生塑性变形，伴随外加应力值的递增，合成应力达到屈服极限的范围变大，产生塑性变形的范围也相应变大，但是应力值没有增加，然后开始卸除外载荷，屈服变形和弹性变形的区域同时以弹性状态恢复，这样便部分消除了压力容器内部的焊接残余应力，其实被消除的焊接残余应力等于外载荷的应力值。2.4 机械降低应力处理方法机械降低应力处理方法主要包括锤击法和振动法。2.5 爆炸冲击法在高温动态冲击波作用下，材料的强度是随压力、温度和应变率而变化的一个参数。爆炸冲击法的主要原理是利用爆炸产生的冲击波作用力与工件残余应力的相互叠加产生的合成应力，使工件产生定的塑性变化，从而达到释放或消除焊接应力的目的。3.压力容器热处理近年来，在压力容器等焊接结构制造中，低合金高强钢材料的应用日趋增多，但在提高钢材强度的同时，其焊接裂纹敏感性也增强。因此，焊前预热、焊接后热及焊后热处理等工艺措施就显得至关重要，它们是保证压力容器等焊接结构件质量的关键环节。3.1焊前预热是在焊接前进行的，其目的是为降低焊缝熔敷金属和母材的冷却速度，以防止对裂纹敏感的淬硬组织和氢的共同作用而出现裂纹。3.2 焊接后热焊接后紧接着对焊接区进行后热处理的目的，在于排除焊接区内氢等有害气体，在一定程度上降低焊接接头的硬度。在大型压力容器制造过程中，特别是用crmo钢制造的压力容器，为防止焊缝氢诱导裂纹的产生，经常需要多次进炉进行中间消除应力退火(isr)。3.3 焊后热处理对压力容器等焊接结构进行焊后热处理，是为了提高断裂韧性、降低残余应力水平，以增强抗脆断的能力，软化材料组织和消除应力腐蚀开裂的可能性。焊后热处理按施工方法可分为炉内热处理和炉外热处理，炉外热处理又分为炉外整体热处理和局部热处理。研究证明，经过消除应力热处理后工件的应力一般能消除60 80以上。3.4 焊后消除应力热处理最短保温时间的确定压力容器焊后消除应力热处理最短保温时间应按照jbt4709第8章确定。值得注意的是gb 150是按照钢材厚度s确定焊后热处理最短保温时间的,而jbt4709则将压力容器焊后消除应力热处理厚度pwht作为确定压力容器焊后消除应力热处理规范参数的依据，也就是将pwht作为确定焊后消除应力热处理最短保温时间的厚度。王长明等人以壳体材料为16mnr，厚度36mm，接管材料为16mn，厚度65mm的压力容器为例进行了计算比较，结果表明，两种方法计算得出的最短保温时间相差42.6mi。4.结语压力容器采用哪种方法消除焊接残余应力应进行具体的分析。 因此， 根据焊接残余应力在压力容器中的分布状态、 压力容器的不同用途 ，正确选用消除对策， 使不同的处理方法在不同性质、不同压力容器上各扬其长，各得其所， 从而达到既保证安全可靠又经济适用的目的。参考文献1 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册m. 北京: 机械工业出版社， 19922陈晓冬.压力容器中焊接残余应力的消除对策j.材料工程，2003（6）：15-173雷万庆,杨松,杨文健.压力容器制造行业焊接、热处理技术的发展j.大型铸锻件,2004(2):45-474林尚扬，于丹，于静伟.压力容器焊接新技术及其应用m.压力容器，2009,26(11)：2-35 林晓斌 .零件失效分析和抗疲劳设计 j.热