压力容器焊接与无损检测PPT课件

压力容器焊接与无损检测 开封市锅炉压力容器检验所张士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 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 5 压力容器焊接的基本概念 1 2焊接方法的分类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 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 包括热压焊 爆炸焊 锻焊 扩散焊 气压焊和冷压焊等 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 包括火焰钎焊 炉中钎焊 感应钎焊和电子束焊等 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 9 压力容器焊接的基本概念 1 3 1坡口坡口的作用使焊条或焊丝或焊矩能直接伸到待焊工件的底部 使根部焊透 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 调节母材金属与焊缝金属的比例 10 压力容器焊接的基本概念 1 3 1坡口坡口的基本形式 11 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 12 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 13 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 14 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 15 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 16 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 17 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 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 1 2 3 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 4 5 6 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 7 8 9 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 10 11 12 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 13 14 15 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 16 17 18 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 19 20 21 25 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 26 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 27 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焊接是制造压力容器的重要工艺 焊接质量在很大程度上决定了制造质量 压力容器焊接质量包括诸多方面的内容 焊缝外观 焊接缺陷 焊接变形与应力 焊接接头的使用性能 力学性能 弯曲性 耐腐蚀性能 低温性能 高温性能等 和焊接接头外型尺寸等 掌握焊接性能 进行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 28 1 压力容器焊接的基本概念 焊接工艺评定 与 焊接性能试验 是两个不同概念 不能相互代替 母材的焊接性能是焊接工艺评定基础 或前提 以可靠的材料焊接性能为依据 并没有要求进行焊接工艺评定的单位亲自从头到尾做出钢材焊接性能全部试验 材料的焊接性能可以通过调研 查找资料 咨询及必要的试验获得 但真实性必须可靠 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焊接工艺评定规则只是在焊接工艺评定时使用 焊接工艺评定规则与焊接规程是两个不同概念 29 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 30 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 31 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 32 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 有人以为承压设备焊接工艺评定只是施焊试件并通过了拉伸 弯曲 冲击试验即可施焊产品 产品焊接质量便得到保证 这是十分错误的 焊接工艺评定只对焊接接头的力学性能与弯曲性能和堆层焊层化学成分负责 并不对焊接接头的耐腐蚀性 抗裂性 回火脆化 低温冲击韧性 再热裂纹 高温蠕变等等使用性能与焊接缺陷敏感性负责 对承压设备焊接工艺评定的监督检查 应首先对施焊单位掌握材料焊接性能的程度进行测定检验 尤其对耐蚀钢 耐热钢 低温钢 标准抗拉强度下限值大于540Mpa的高强钢更应如此 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 本单位技能熟练的焊接人员 使用本单位焊接设备 限定了焊接工艺评定需在本单位进行 不允许 借用 输入 或 交换 33 压力容器焊接的基本概念 1 4 3焊接工艺评定GB150 4 2011规定 7 2 1容器施焊前 受压元件焊缝 与受压元件相焊的焊缝 熔入永久焊缝内的定位焊缝 受压元件母材表面堆焊与补焊 以及上述焊缝的返修焊缝都应按NB T47014进行焊接工艺评定或者具有经过评定合格的焊接工艺支持 7 2 2用于焊接结构受压元件的境外材料 含填充材料 压力容器制造单位在首次使用前 应按NB T47014进行焊接工艺评定 7 2 7焊接工艺评定技术档案应保存至该工艺评定失效为止 焊接工艺评定试样保存期不少于5年 GB150 98为7年 34 1 压力容器焊接的基本概念 1 4 3焊接工艺评定一般过程根据金属材料的焊接性能 按照设计文件规定和制造工艺拟定 预焊接工艺规程 施焊试件和制取试样 检测焊接接头是否符合规定的要求 并形成焊接工艺评定报告对预焊接工艺规程进行评价 焊接工艺评定具体过程 1 对于产品上每条需要评定的焊缝 拟定 预焊接工艺规程 内容包括每种焊接方法的重要因素 补加因素和次要因素 2 按照 预焊接工艺规程 和工艺评定标准的规定施焊试件 检验和测定试样性能 填写 焊接工艺评定报告 内容主要包括每种焊接方法施焊试件所需控制的重要因素 补加因素数据和各项检测结果 如果评定不合格应修改预焊接工艺规程继续评定 直到评定合格 3 当进行冲击试验时 预焊接工艺规程上每个重要因素和补加因素都要得到评定 当不规定冲击试验时 预焊接工艺规程上每个重要因素都要得到评定 35 压力容器焊接的基本概念 1 4 4焊接工艺规程WPS 焊接作业指导书WWI 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 这是预焊接工艺规程不能解决的 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 36 压力容器焊接的基本概念 1 4 4焊接工艺规程WPS 焊接作业指导书WWI 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 38 压力容器常用焊接方法及特点 焊条电弧焊 SMAW 39 压力容器常用焊接方法及特点 焊条电弧焊 SMAW 焊条电弧焊的电源设备分三类 交流电弧焊变压器直流弧焊电源逆变弧焊电源焊条电弧焊的特点 焊条电弧焊设备简单 轻便 操作灵活 可以应用子维修及装配中短缝的焊接 特别是可以用于难以达到的部位的焊接 焊条电弧焊配用相应的焊条可适用于大多数工业用碳钢 不锈钢 铸铁 铜 铝 镍及其合金的焊接 40 压力容器常用焊接方法及特点 埋弧焊 SAW 41 压力容器常用焊接方法及特点 埋弧焊 SAW 埋弧焊的焊接过程与焊条电弧焊的基本一样 热源也是电弧 但把焊丝上的药皮改变成了颗粒状的焊剂 焊接前先把焊剂铺撒在焊缝上 大约40 60毫米厚 焊接时 焊丝与焊件之间的电弧 完全淹埋在焊剂层下燃烧 埋弧焊的特点 埋弧焊的优点 1 生产效率高 埋弧自动焊的生产率可比手工焊提高5 10倍 可采用大电流焊接 比手工焊大6 8倍 电弧热量大 焊丝熔化快 熔深也大 焊接速度比手工焊快的多 而且焊接变形小 2 焊剂层对焊缝金属的保护好 所以焊缝质量好 3 节约钢材和电能 钢板厚度一般在10毫米以下时 埋弧自动焊可不开坡口 这就大大节省了钢材 而且由于电弧被焊剂保护着 使电弧的热得到充分利用 从而节省了电能 4 改善了劳动条件 减少劳动量 无弧光 焊接过程中发出的气体量少 这对保护焊工眼睛和身体健康是很有益 埋弧自动焊的缺点 适应能力差 只能在水平位置焊接长直焊缝或大直径的环焊缝 42 压力容器常用焊接方法及特点 钨极气体保护焊 43 压力容器常用焊接方法及特点 钨极气体保护焊 钨极氩弧焊 GTAW TIG 电极 纯钨或活化钨 如 钍钨极 铈钨极等钨极只起导电作用不熔化 通电后在钨极和工件间产生电弧 保护气体 氩气 氦气等钨极气体保护焊的特点 优点 焊缝保护好 故焊缝金属纯度高 性能好 焊接时加热集中 焊件变形小 电弧稳定性好 在小电流 10A 时电弧也能稳定燃烧 缺点 氩气较贵 焊前对焊件的清理要求很严格 44 压力容器常用焊接方法及特点 熔化极气体保护焊 GMAW MIG MAG 45 压力容器常用焊接方法及特点 熔化极气体保护焊 GMAW MIG MAG 常见的熔化极气体保护焊有混合气体保护焊 MAG 熔化极氩弧焊 MIG CO2气体保护焊等 操作方式主要是半自动焊和自动焊两种 直流电源熔化极气体保护焊的特点 优点 1 焊接效率高 2 熔深大 3 焊接厚板时 可以用较低的焊接电弧和较快的焊接速度 其焊接变形小 缺点 有飞溅 易产生气孔 焊接材料 47 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 填充丝 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焊条电弧焊焊条 埋弧焊焊丝及焊剂 48 焊接材料 3 1焊条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 2008 镍及镍合金焊条 NB T47018 承压设备用焊接材料订货技术条件 49 焊接材料 3 1焊条电弧焊焊条焊条统一编号的意义焊条通常用型号和牌号来反映其主要性能特点及类别 焊条型号是以焊条国家标准为依据 反映焊条主要特性的一种表示方法 焊条牌号是根据焊条的主要用途及性能特点 对焊条产品的具体命名 由焊条厂家制定 我国焊条行业采用型号 注意 不管是焊条厂自定的牌号 还是全国焊接材料行业牌号 都必须在质量证明书上注明该产品是 符合国标 相当国标 或不加标注 即与国标不符 以便用户结合产品性能要求 对照标准去选用 多种牌号焊条可同时对应一个型号 如 牌号J507RH和J507R 型号均为E5015 G 50 3 焊接材料 焊条牌号的表示方法 通常用一个汉语拼音字母 或汉字 与三位数字表示 如A302 奥302 W607 温607 有的焊条牌号在三位数字后面加注后缀字母和 或数字 如J507RH A022Mo J422Fe16第一位字母 表示焊条种类 前两位数字 表示熔敷金属强度或合金类型 第三位数字 表示药皮类型及电流种类 数字后面的字母和数字 附加合金元素或焊条特性 具有特殊性能和用途 如 G 高韧性焊条 R 压力容器用焊条 Fe 高效铁粉焊条 X 向下立焊用焊条 H 超低氢焊条 RH 高韧性超低氢焊条 51 焊接材料 3 1焊条电弧焊焊条焊条型号的表示方法1 碳钢焊条 根据GB T5117 1995 碳钢焊条 标准规定 碳钢焊条型号按熔敷金属的力学性能 药皮类型 焊接位置和焊接电流种类划分 碳钢焊条型号的编制方法 首位字母 E 表示焊条 前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值 单位为kgf mm2 第三位数字表示焊条的焊接位置 0 和 1 表示焊条适用于全位置焊接 2 表示焊条适用于平焊及平角焊 4 表示焊条适用于向下立焊 第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型 52 焊接材料 焊条型号的表示方法续 在第四位数字后面附加字母或数字 R 表示耐吸潮焊条 M 表示对吸潮和力学性能有特殊规定的焊条 1 表示冲击性能有特殊规定的焊条 举例 E4303 43kgf mm2 全位置 钛钙型 交直流两用 E5015 50kgf mm2 全位置 低氢钠型 直流反接 E5018 1 50kgf mm2 全位置 铁粉低氢型 交流或直流反接 46 低温冲击保证值 53 焊接材料 焊条型号的表示方法续 2 低合金钢焊条 根据GB T5118 1995 低合金钢焊条 标准规定 低合金钢焊条型号按熔敷金属的力学性能 化学成分 药皮类型 焊接位置和焊接电流种类划分 低合金钢焊条型号的编制方法 首位字母 E 表示焊条 前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值 kgf mm2 第三位数字表示焊条的焊接位置 0 和 1 表示焊条适用于全位置焊接 2 表示焊条适用于平焊及平角焊 第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型 后缀字母为熔敷金属的化学成分分类代号 并以短划 与前面分开 若还具有附加化学成分时 附加化学成分直接用元素符号表示 并以短划 与前面后缀字母分开 如 E5515 B2 V R317 对于E50XX X E55XX X E60XX X型低氢焊条的熔敷金属化学成分分类后缀字母或附加化学成分后面加字母 R 时 表示耐吸潮焊条 54 焊接材料 焊条型号的表示方法续 2 低合金钢焊条 举例 1 E5015 G J507RH J507R等 50kgf mm2 490MPa 低氢钠型 高韧性 低温冲击保证值 直流反接 全位置焊接 2 E6015 G J607RH 60kgf mm2 610MPa 低氢钠型 超低氢高韧性 40 低温冲击保证值 直流反接 全位置焊接 3 E5515 C1 W707Ni 低氢钠型 含2 5Ni 55kgf mm2 540MPa 高韧性 70 冲击保证值 直流反接 全位置焊接 4 E5515 C2 W907Ni 低氢钠型 含3 5Ni 55kgf mm2 540MPa 高韧性 90 冲击保证值 直流反接 全位置焊接 5 E5515 B1 R207 低氢钠型 0 5Cr 0 5Mo 540MPa 常温冲击保证值 直流反接 全位置焊接 6 E5515 B2 R307 低氢钠型 1Cr 0 5Mo 540MPa 常温冲击保证值 直流反接 全位置焊接 7 E5515 B2 V R317 低氢钠型 1Cr 0 5Mo V 540MPa 常温冲击保证值 直流反接 全位置焊接 8 E6015 B3 R407 低氢钠型 2 5Cr 1Mo 590MPa 常温冲击保证值 直流反接 全位置焊接 55 焊接材料 焊条型号的表示方法续 3 不锈钢焊条 根据GB T983 1995 不锈钢焊条 标准规定 不锈钢焊条型号按熔敷金属的化学成分 药皮类型 焊接位置和焊接电流种类划分 不锈钢焊条型号的编制方法 首位字母 E 表示焊条 E 后面的数字表示熔敷金属化学成分分类代号 如有特殊要求的化学成分 该化学成分用元素符号表示 放在数字的后面 短线 后面的两数字表示药皮类型 焊接位置及焊接电流种类 16 表示碱性 钛型或钛钙型药皮 全位置焊接 交流或直流反接 15 表示低氢钠型 全位置焊接 直流反接 17 是 16 的变型 不锈钢焊条型号与美国 日本等工业发达国家的不锈钢焊条型号相同 举例 1 E308L 16 A002 钛钙型 超低碳 含C 0 04 公称成分00 19Cr 10Ni 交流或直流反接 尽可能采用直流电源 全位置焊接 2 E308 15 A107 碱性 低碳 含C 0 08 公称成分0 19Cr 10Ni 直流反接 全位置焊接 56 焊接材料 焊条型号的表示方法续 3 不锈钢焊条 举例 3 E316L 16 A022 钛钙型 超低碳 含C 0 04 公称成分00 18Cr 12Ni 2Mo 交流或直流反接 尽可能采用直流电源 全位置焊接 4 E316 15 A207 碱性 低碳 含C 0 08 熔敷金属公称成分0 18Cr 12Ni 2Mo 直流反接 全位置焊接 5 E347 15 A137 碱性 低碳 含C 0 08 含Nb稳定剂 公称成分0 19Cr 10Ni Nb 直流反接 全位置焊接 6 E309 15 A307 碱性 含C 0 15 公称成分1 23Cr 13Ni 直流反接 全位置焊接 7 E310 16 A402 钛钙型 含C 0 08 0 20 纯奥氏体组织 公称成分2 26Cr 21Ni 交流或直流反接 尽量采用直流电源 全位置焊接 注 L表示碳含量较低 C 0 04 H表示碳含量较高 C 0 15 特殊情况 E5MoV 15 R507 低氢钠型 5Cr 0 5Mo V 520MPaE9Mo 15 R707 低氢钠型 9Cr 1Mo 590MPa按牌号 属于珠光体耐热钢 低合金钢 焊条 按型号 属于不锈钢焊条 GB T983 1995提出 将放入下次修订的GB T5118标准中 57 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 58 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 59 焊接材料 3 3焊接用保护气体焊接用气体标准GB T4842 2006 氩 GB T6052 1993 工业液体二氧化碳 GB T4844 2 1995 纯氦 GB T7445 1995 纯氢 高纯氢和超纯氢 GB T3863 2008 工业氧 GB T3864 2008 工业氮 60 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 焊丝可分为埋弧焊焊丝 电渣焊焊丝 CO2焊焊丝和气体保护焊焊丝等 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 61 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 例如镀铜处理 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 63 压力容器焊接设计 钢材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 64 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 65 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 66 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 67 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 NB T47018 2011 JB T4709 压力容器焊接规程 68 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 一般用酸性焊条 69 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 如果主要考虑操作及焊缝外观因素 奥氏体不锈钢多选用钛钙药皮焊条 70 压力容器焊接设计 4 2焊接材料选用 参考 4 2 2埋弧焊和电渣焊与焊剂的选配原则 需做匹配 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 71 压力容器焊接设计 4 2焊接材料选用 参考 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 镍不锈钢时 采用H08Cr21Ni10 S30408 H08Cr19Ni10Ti S32168 H03Cr21Ni10 S30403 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 72 压力容器焊接设计 4 2焊接材料选用 参考 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 73 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 74 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 75 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Ar 20 CO2的活性气体保护焊用于低合金钢的焊接正逐步增多 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 76 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 77 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 78 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 79 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 80 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 81 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 82 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 83 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 1 2008 气焊 焊条电弧焊 气体保护焊和高能束焊的推荐坡口 GB T985 2 2008 埋弧焊的推荐坡口 GB T985 3 2008 铝及铝合金气体保护焊的推荐坡口 GB T985 4 2008 铝及铝合金气体保护焊的推荐坡口 GB T985 5 2008 复合钢的推荐坡口 HG20583 2011 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 84 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 85 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不需开坡口 焊条电弧焊由于其熔深较浅 厚度大于2mm的钢板就要开坡口 埋弧焊其熔深大 一般10mm以下钢板双面焊可以不开坡口 86 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焊条电弧焊与气体保护焊相比 前者坡口角度应大些 因为焊条电弧焊的焊条较粗 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45 50 而焊条电弧焊的V形坡口角度一般要 60 87 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 88 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70 80 89 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 4 2011对坡口要求6 3坡口坡口应符合下列要求 a 坡口表面不得有裂纹 分层 夹杂等缺陷 b 标准抗拉强度下限值Rm 540MPa的低合金钢材及Cr Mo低合金钢材经热切割的坡口表面 加工完成后应按JB T4730 4行磁粉检测 级合格 C 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 的氧化皮 油污 熔渣及其它有害杂质 90 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 91 压力容器焊接设计 焊接接头的分类 GB150 2011规定容器受压元件之间的焊接接头分为A B C D四类 非受压元件与受压元件的连接接头为E类焊接接头 如图 92 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 93 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 较薄壳壁厚度不大于10mm时 厚度差大于3mm 较薄壳壁厚度大于10mm时 厚度差大于较薄壳壁厚度的30 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 94 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的要求作焊接试件 作为焊接质量的实际见证 除图样规定制作见证环外 B类接头则一般不作焊接试件 95 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 96 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 97 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 98 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 99 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 100 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 101 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 102 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 103 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 104 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 105 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 106 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8 2 2容器及其受压元件符合下列条件之一者 应进行焊后热处理 焊后热处理应包括受压元件间及其与非受压元件的连接焊缝 当制订热处理技术要求时 除满足以下规定外 还应采取必要的措施 避免由于焊后热处理导致的再热裂纹 8 2 2 1焊接接头厚度符合表5规定者 表5略 8 2 2 2图样注明有应力腐蚀的容器 8 2 2 3用于盛装毒性为极度或高度危害介质的碳素钢 低合金钢制容器 8 2 2 4当相关标准或图样另有规定时 107 4 压力容器焊接设计 4 4焊后热处理8 2 3对于异种钢材之间的焊接接头 按热处理要求高者确定是否进行焊后热处理 8 2 4当需对奥氏体型不锈钢 奥氏体 铁素体型不锈钢进行焊后热处理时 按设计文件规定 8 2 5除设计文件另有规定 奥氏体型不锈钢 奥氏体 铁素体型不锈钢的焊接接头可不进行热处理 对工程上常见的低温钢板 低温锻件适用高于其使用温度下限的情况 GB150 4表5根据设计温度不同 对这部分材料给出了不同要求 以在保证焊接容器及其受压元件本质安全的前提下合理降低制造成本 108 压力容器焊接设计 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 8 2 6焊后热处理要求8 2 6 1制造单位应按设计文件和标准的要求在热处理前编制热处理工艺 8 2 6 2不得使用燃煤炉进行焊后热处理 8 2 6 3热处理装置 炉 应配有自动记录温度曲线的测温仪表 并能自动绘制热处理的时间与工作壁温关系的曲线 109 压力容器焊接设计 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 110 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 111 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 112 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