9NI钢焊接课程设计

1、1 前言本次课程设计主要脱乙烷塔顶冷凝器的焊接生产工艺设计，包括材料的焊接性分析、焊接工艺方案分析及工艺评定、确定焊接结构生产工艺流程、确定产品外壳主要零件的加工工艺及检验、绘制焊接结构简图、确定部件的装焊工艺等。通过设计，初步掌握根据产品图样及技术要求制定焊接工艺规程的方法、焊接工艺设计的步骤，提高分析焊接生产实际问题、解决问题的能力。2 焊接生产工艺性分析2.1 焊接结构工艺性审查2.1.1 产品图样结构审查此次设计的设备为脱乙烷塔顶冷凝器外壳，筒体直径900mm，容器总长7190mm，壁厚16mm。产品外观图样如图2-1所示。主要加工手段为焊接，此外还采用冲压、卷弯、机加工等辅助工艺。焊

2、接方法采用手工电弧焊，埋弧自动焊，接头形式为对接、角接。2.1.2 产品技术特性及检验要求设计数据名称壳程管程焊缝系数 1设计压力 kg/cm235.6x105(36.3kg/cm2)5x105pa(5.1kg/cm2)壳程数 1设计温度 。C6748管程数 6操作介质C3海水管子连接方式 强度胀+容封焊水压试验压力 kg/cm244.5x105pa(45.4kg/cm2)6.25x105pa(6.4kg/cm2)传热面积 195 m3腐蚀裕度 mm1.51.5容器类别 二类开口说明符号公 称直 径连接尺寸及标准连接形 式开口焊接伸出高 度用途或名称形式图号a200Pg40dg200 HG50

3、16-58凹面9bb-0256-1200海水入口b200Pg40dg200 HG5016-58凹凸面9bb-0256-1200海水出口c200Pg40dg200 HG5016-58凹凸面9bb-0256-1200物料入口d25Pg40dg200 HG5016-58凹面见图bb-0256-1200排液口e200Pg40dg200 HG5016-58凹面9bb-0256-1200物料出口2.2 母材的焊接工艺性分析2.2.1 9NI钢特性9%Ni钢属于低碳马氏体型低温钢，具有良好的低温韧性，良好的焊接性能以及其他特殊性能。在焊接9%Ni钢时可能遇到的主要问题是焊接接头的低温韧性差、焊接裂纹、电弧的

4、磁偏吹等。在影响9Ni钢脆性转变温度的主要因素中,合金元素和杂质含量都与化学成分密切相关。9Ni钢化学成分设计标准见表1：表19Ni钢的化学成分元素CSiMnPSNiASTM A5530.130.150.300.900.0350.048.509.50ASTM A3530.130.150.450.980.0400.0358.409.60BS1501-5090.100.100.300.300.800.0300.0258.759.75VDEh6800.100.100.350.300.800.0350.0358.509.50JIS G 31270.120.300.0.900.0250.0258.509

5、.50各合金元素的影响：C 碳化物析出会造成孔蚀，一般控制在0.08%；Mn奥氏体相稳定化元素，提高耐磨性及氮的固容量；Si有助于高温耐高温氧化及耐酸蚀性能；Ni稳定化元素，减轻脆性并改善机械性能，增强耐酸能力9Ni钢的钢板使用时，应注意以下几方面：(1)9Ni钢化学成分标准的范围要求应严格,如Si质量分数为0.15% 0.30%,Ni质量分数为8.50%9.50%；(2) 一般来说,标准允许P和S的最大值约10倍于9Ni钢板的实物值,也就是说： 当9Ni钢用于-196的设计条件时,必须大幅降低P和S含量；9Ni钢的设备制造要求尽可能地降低P和S含量,以保证9%Ni钢的设备能够满足设计温度为-

6、196时的使用要求。(3)9Ni钢化学成分设计时人为加入和控制的关键合金成分为Ni和Mn,在控制方法许可的条件下,趋于得到较大值。2.2.2 9Ni钢力学性能9Ni钢的强度极限高,而且在低温时,会进一步大幅度提高(韧性降低)。对于经QT热处理的9Ni钢,常温下的屈强比约为0. 85,且存在较高的冷作硬化倾向。因此,用9Ni钢进行设备制造时,应严格控制成型和组对工艺,防止裂纹,特别是表面裂纹的产生。9Ni钢的力学性能见表2。钢号热处理常温横向冲击韧性ASTM A553QTs(MPa)b(MPa)5(MPa)T()Akv（Jcm-2）58569022-196352.2.3 9NI钢的焊接性分析冷裂

7、纹2-6 钢材的焊接冷裂纹敏感性一般与母材和焊缝金属的化学成分有关，为了说明冷裂 纹敏感性与钢材化学成分的关系，通常用碳当量来表示5 。9Ni钢w(C)为0.05，因此采用CEN碳当量计算公式，含碳量允许范围较宽w(C)0.0340.254，具体如下: (1) 式中A（C）碳的适用系数 A(C)=0.75+0.25tanh20（W(C)-0.12）式中tanh双曲线正切函数。 A(C)=0.75+0.25*tanh(20*(0.05-0.12)=0.56 CEN=0.05+0.56*(0.27/24+0.48/16+0.02/15+8.86/20+0.1/5) CEN=0.333 根据JGJ8

8、1-2002规定：钢材碳当量小于0.38，焊接难度一般；在0.380.45范围内，焊接程度较难。9Ni钢的碳当量0.333，可焊接性比较好。 冷裂纹产生的原因有三方面： 1熔合区出现硬化层。9Ni钢本身含碳量不变( 0.10)，焊接时本不会产生硬化组织，但如果选用含碳量较高的焊材也会因熔合、扩散使熔合区含碳量增高而产生硬化层。 2氢含量过高。氢在硬化层中积聚是由于焊缝坡口附近不洁(有水、油及有机物)，及焊条扩散氢含量高所致。 3焊接接头应力包括组织应力、热应力和拘束应力。热裂纹2-5、13-14 热裂纹的产生与焊缝金属结晶过程中的低熔点杂质偏析的数量及分布有关。液体金属结晶过程越长偏折越严重，

9、偏析产生的低熔点杂质分布在晶界上，尤其在纯奥氏体组织中，杂质在晶界上的分布是连续的。 焊接热裂纹具有高温沿晶断裂性质，发生高温沿晶断裂的条件是，在高温阶段晶间延性或塑性变形能力min不足以承受凝固过程或高温时冷却过程积累的应变量，即min。宏观可见的焊接热裂纹，其断口均有较明显的氧化色彩，这可作为初步判断是否属于热裂纹的依据。 对于低温钢的热裂敏感系数HCS公式： (2) 当HCS4时可以防止热裂纹。 HCS=0.05(0.003+0.01+0.27/25+8.86/100) 1000/(30.48+0.03+0.06+0.01） HCS=3.65 4 可以防止热裂纹。 低温韧性下降2-5、1

10、3-14 低温韧性降低的原因有两方面； 1焊接材料的影响 焊缝金属及熔合区的化学成分与焊材有关，如果焊材含碳量高，或者Ni、Cr当量搭配以及焊材与母材熔合后的Ni、Cr当量搭配落在不锈钢组织图中含马氏体的区域内，都会引起低温韧性下降。 2焊接线能量和层间温度会改变焊接热循环的峰值、温度，从而影响热影响区的金相组织。如峰值温度过高，会使逆转奥氏体减少并产生粗大的贝氏体，从而使低温韧性下降。 磁偏吹149Ni钢在加工运输过程中可能被磁化，当用直流焊机焊接时会进一步磁化，导致电弧磁偏吹(如下图1)。钢板为正极，焊条为负极，坡口中漏磁通方向由N极至S极，电弧将向图中背后方向偏吹乃至拉断，使焊接无法正常

11、进行。 N S 焊条磁偏吹方向（向纸里） 图1 磁偏吹示意图9Ni钢焊接问题针对措施 冷热裂纹倾向的预防 冷裂纹产生的原因是应力、淬硬组织和焊缝金属扩散氢含量；热裂纹的产生则与应力、杂质和化学成分有关。通过对不锈钢焊条如THl7/l5TTW 与 ENiCrMo-6镍合金焊条焊接9Ni钢后的裂纹倾向进行比较，发现ENiCrMo-6镍合金焊条具有如下特点： 1ENiCrMo-6焊条中的镍合金与9Ni钢在室温和高温下的线胀系数基本相近，从而避免因不均匀的热胀冷缩造成的热应力。 2ENiCrMo-6镍合金焊条中含Ni量高达55 66，含碳量与9Ni钢相同，均为低碳型，考虑母材对焊缝金属的稀释作用，仍有

12、足够高的奥氏体组织避免熔合线出现硬脆马氏体带。 3ENiCrMo-6镍合金焊条具有低碳性(含碳量保持在0.05左右，在Fe-C状态图中处于很小的“脆性温度区间”以及高纯度(含S0.03 ，P0.02)，低含氢量等特性。 4采用Ni基、Fe-Ni基焊条焊接9Ni钢,所得的组织为奥氏体组织。强度略低,焊接时对热裂纹敏感性高,熔深浅,控制不当易产生未焊透及熔合不良等缺陷。要消除以上裂纹，最有效的方法是减少有害杂质、采用正确的收弧技术并配合打磨处理。 59Ni钢本身与同等强度水平的其它低合金钢相比有较好的抗裂纹的能力，在低氢情况下一般不会产生冷裂纹。但采用低镍高锰型奥氏体焊条时，因母材的稀释作用，在熔

13、合区会出现高硬度的马氏体带，对氢脆敏感。防止冷裂纹的措施是在施焊中严格执行焊接工艺规程，特别是焊条烘干、焊接环境温度、焊接规范等。采用Ni基合金材料焊接，使熔合区基本上不出现高硬度马氏体带。有利于避免冷裂纹的产生。由此可见，ENiCrMo-6镍合金焊条的使用可提供降低9Ni钢焊缝冷、热裂纹倾向的基本条件。同时说明，在严格控制扩散氢含量的条件下，选用ENiCrMo-6镍合金焊条可基本避免9Ni钢的焊接冷、热裂纹倾向。 焊接接头低温韧性的保证 焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区，焊接接头的低温韧性问题一般是出现在焊缝金属、熔合区和粗晶区中，焊缝金属的低温韧性主要与采用的焊接材料类型有关。用与9Ni

14、钢成份相同的焊接材料焊接9Ni钢时，焊缝金属的低温韧性很差，这主要是焊缝金属中的含氧量太高，有时可达610-4，因此焊接9Ni钢的材料通常选用Ni基、Fe-Ni基焊条。 采用ENiCrMo-6镍合金焊条焊接9Ni钢时，每个区域的化学成分和金相组织各不相同。其中焊缝金属为奥氏体组织，具有良好的低温韧性；在熔合区由于焊条的含碳量与9Ni钢相同，含Ni量高达55以上，可有效阻止碳迁移，避免熔合区产生脆组织，从而保证熔合区低温韧性；热影响区，在1100以上峰值温度的热循环作用下，会产生粗大的马氏体和贝氏体组织，逆转奥氏体减少，使低温韧性下降。因此，尽量控制线能量并采用多道焊，以减少高温停留时间。克服磁

15、偏吹的途径 （1）母材和焊接材料：母材运至现场时的剩磁要求，必要时进行消磁处理，同时选择能防止电弧磁偏吹的焊接材料。 （2）9Ni钢属强磁材料，直流焊接时会产生磁偏吹现象，在焊接时应尽量使用交流焊接（焊接设备：采用交流方波焊接电源）或用磁铁进行退磁。 （3）打磨方式：由于碳弧气刨采用直流电焊机，气刨电流通常在500A以上，这样气刨、直流焊机和罐壁之间构成直流外加强磁场，当碳刨结束，罐壁中容易产生较强的剩磁，从而导致焊接电弧磁偏吹。因此尽量用砂轮打磨6。2.3 9NI钢焊接工艺要点2.3.1 Ni钢焊接方法的选择目前，在LNG储罐的建造过程中，9Ni钢的主要焊接方法是焊条电弧焊(Shielded

16、Metal Arc Welding，简称：SMAW)、埋弧焊(Submerged Are Welding，简称：SAW)、钨极惰性气体保护焊(Gas TungstenAreWelding；简称：GTAW)和熔化极惰性气体保护焊Gas Metal Are Welding，简称：GMAW)。SMAW是9Ni钢现场焊接的一种适合各种焊接位置且非常灵活可行的焊接方法。该焊接方法可以获得很高的合金过度系数，甚至高达170。但是SMAW的焊接效率太低。SAW是熔敷速率最高的一种焊接方法，特别是在环焊缝焊接时，由于使用了埋弧横焊机，埋弧焊的优点表现得更加突出，埋弧焊几乎适于焊接所有横焊缝和水平位置焊缝。GT

17、AW能得到具有窄坡口的高质量的焊接接头。由于能够分别控制焊接电流和送丝速度，容易控制稀释率而得到满意的焊缝形状。但是GTAW的焊接效率太低，在工程中选择这种焊接方法不太经济，且不易在户外使用。只是在特定的场合下才选择使用钨极氩弧焊，比如采用低镍型焊接材料焊接9Ni钢时，GTAW是非常好的焊接方法。GMAW的熔敷速率大，主要问题是焊缝质量，容易产生熔合不良和气孔，为了防止熔合不良缺陷的产生，通常要采用脉冲电流来焊接9Ni钢，然而也未能完全解决熔合不良的问题。虽然现在已经开发出了气电立焊设备，且自动化程度很高，但是由于气电立焊的线能量偏大且不易控制，所以不适合用来焊接9Ni钢立式储罐的纵焊缝。立焊

18、缝仍然用焊条电弧焊焊接。生产实践证明，SMAW和SAW是9Ni钢储罐现场焊接效率最高且最实用的两种焊接方法。所以，本文将9Ni钢的SMAW和SAW焊接工艺作为重点研究对象。2.3.2 9Ni钢焊接材料的选择1 选择焊接材料需要考虑的几个问题(1)低温韧性问题9Ni钢主要用来建造低温设备，焊缝要在低温下工作，在选择焊接材料时一定要考虑焊缝的低温韧性问题。(2)热膨胀问题9Ni钢的线膨胀系数较大，在+20196之间线膨胀系数为805xlO6，。为了减少接头的焊接应力，在选择焊接材料时，必须使焊缝金属与母材的膨胀系数相接近，不能产生过大的差异。用9Ni钢所建造的低温设备在服役过程中要发生热胀冷缩。母

19、材和焊接接头要经历严峻的温度变化的考验。如果焊缝金属的热膨胀系数和9Ni钢的热膨胀系数相差太大，而引起较高的交变内应力，最终导致焊接接头疲劳寿命的缩短。因此，焊缝金属的热膨胀系数应该尽可能的接近9Ni钢的热膨胀系数。(3)电弧磁偏吹问题由于9Ni钢是一种强磁性材料，极易被磁化，采用直流电源时，易产生磁偏吹现象，影响焊接工艺的稳定性，直接影响到接头的质量，尽量选用适应交流电源施焊的焊条或焊丝焊剂。2 焊接9Ni钢常用的焊接材料比较和选择9Ni钢的电弧焊中，常用的焊接材料有四种，即与9Ni钢成分相似的含Nill的铁素体型，含Nil3Crl6的奥氏体不锈钢型，含Ni约60以上的Ni基型(NiCr-Mo系合金)和含Ni约40的Fe-Ni基型(Fe-NiCr系合金)。(1)铁素体型焊接材料铁索体焊接材料成本低，但是并不适于用来焊接现代工业所要求的大尺寸的容器。该种焊接材料与9Ni钢具有相似的成分。用该材料焊接9Ni钢所得焊缝如果不进行焊后热处理，其低温韧性要低于母材。这除了与焊缝的铸态组织有关外，主要与焊缝金属中的含氧量有关，焊缝中的含氧量有时可达600ppm。因此，与9Ni钢同质的11N