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焊接压力容器设计
一、压力容器用低合金高强钢及其焊接特点
在钢中除碳外少量加入一种或多种合金元素(合金元素总量在5%以下),以提高钢的力学性能,使其屈服强度在275MPa以上,并具有良好的综合性能,这类钢称之为低合金高强钢,其主要特点是强度高、塑性和韧性也较好。
按钢的屈服强度级别及热处理状态,压力容器用低合金高强钢可分为二类。
①热轧、正火钢屈服强度在294Mpa~490MPa之间,其使用状态为热轧、正火或控轧状态,属于非热处理强化钢,这类钢应用最为广泛。
②低碳调质钢屈服强度在490Mpa~980Mpa之间,在调质状态下使用,属于热处理强化钢。
其特点是既有高的强度,且塑性和韧性也较好,可以直接在调质状态下焊接。
近年来,这类低碳调质钢应用日益广泛。
目前应用于压力容器的低合金高强钢。
钢板牌号有:
16MnR、15MnVR、13MnNiMoNbR、18MnMoNbR等。
锻件牌号有16Mn、15MnV、20MnMo、20MnMoNb等。
低合金高强钢的含碳量一般不超过0.20%,合金元素总量一般不超过5%。
正是由于低合金高强钢含有一定量的合金元素,使其焊接性能与碳钢有一定差别,其焊接特点表现在:
(一)焊接接头的焊接裂纹
(1)冷裂纹低合金高强钢由于含使钢材强化的C、Mn、V、Nb等元素,在焊接时易淬硬,这些硬化组织很敏感,因此,在刚性较大或拘束应力高的情况下,若焊接工艺不当,很容易产生冷裂纹。
而且这类裂纹有一定的延迟性,其危害极大。
(2)再热(SR)裂纹再热裂纹是焊接接头在焊后消除应力热处理过程或长期处于高温运行中发生在靠近熔合线粗晶区的沿晶开裂。
一般认为,其产生是由于焊接高温使HAZ附近的V、Nb、Cr、Mo等碳化物固溶于奥氏体中,焊后冷却时来不及析出,而在PWHT时呈弥散析出,从而强化了晶内,使应力松弛时的蠕变变形集中于晶界。
低合金高强钢焊接接头一般不易产生再热裂纹,如16MnR、15MnVR等。
但对于Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金高强钢,如07MnCrMoVR,由于Nb、V、Mo是促使再热裂纹敏感性较强的元素,因此这一类钢在焊后热处理时应注意避开再热裂纹的敏感温度区,防止再热裂纹的发生。
(二)焊接接头的脆化和软化
(1)应变时效脆化焊接接头在焊接前需经受各种冷加工(下料剪切、筒体卷圆等),钢材会产生塑性变形,如果该区再经200~450℃的热作用就会引起应变时效。
应变时效脆化会使钢材塑性降低,脆性转变温度提高,从而导致设备脆断。
PWHT可消除焊接结构这类应变时效,使韧性恢复。
GB150-1998《钢制压力容器》作出规定,圆筒钢材厚度δs符合以下条件:
碳素钢、16MnR的厚度不小于圆筒内径Di的3%;其他低合金钢的厚度不不小于圆筒内径Di的2.5%。
且为冷成形或中温成形的受压元件,应于成形后进行热处理。
(2)焊缝和热影响区脆化焊接是不均匀的加热和冷却过程,从而形成不均匀组织。
焊缝(WM)和热影响区(HAZ)的脆性转变温度比母材高,是接头中的薄弱环节。
焊接线能量对低合金高强钢WM和HAZ性能有重要影响,低合金高强钢易淬硬,线能量过小,HAZ会出现马氏体引起裂纹;线能量过大,WM和HAZ的晶粒粗大会造成接头脆化。
低碳调质钢与热轧、正火钢相比,对线能量过大而引起的HAZ脆化倾向更严重。
所以焊接时,应将线能量限制在一定范围。
(3)焊接接头的热影响区软化由于焊接热作用,低碳调质钢的热影响区(HAZ)外侧加热到回火温度以上特别是Ac1附近的区域,会产生强度下降的软化带。
HAZ区的组织软化随着焊接线能量的增加和预热温度的提高而加重,但一般其软化区的抗拉强度仍高于母材标准值的下限要求,所以这类钢的热影响区软化问题只要工艺得当,不致影响其接头的使用性能。
二、压力容器用低合金高强钢焊材选用
(1)根据钢材不同的强度级别选择与母材强度相当的焊缝金属是这类钢焊材选用的基本原则,当然,与此同时还要根据产品的使用条件、产品结构和板材厚度等因素,综合考虑焊缝金属的韧性、塑性和焊接接头的抗裂性。
只要焊缝强度不低于或略高于母材标准抗拉强度的下限值即可。
若选择的焊材焊缝金属强度过高,将会导致接头的韧性、塑性及抗裂性降低,接头的弯曲性能不易合格。
(2)由于这类钢都具有不同程度的冷裂纹倾向,所以,在等强度原则的前提下,严格控制焊材中的氢含量是非常重要的,应尽量选用低氢型的焊材。
对于强度较高的低碳调质钢焊接时,更是如此,甚至要选择超低氢型的焊材,并严格控制焊材的存放和使用。
(3)考虑焊后加工工艺的影响。
对焊后需经热处理、热卷(热弯)的焊件,应考虑焊缝金属经受高温处理作用对其力学性能的影响,应保证焊缝金属经热处理后仍具有要求的强度、塑性和韧性等。
例如,对于压力容器常见的16MnR钢的埋弧焊,一般情况下选用H10Mn2焊丝+HJ431焊剂即可。
但对于焊后需经正火温度下冲压的封头拼板焊缝,其焊材选用应适当提高一档,使用H08MnMo焊丝+HJ431焊剂,可弥补其强度损失。
三、压力容器用低合金高强钢焊接要点
(1)选用低氢或超低氢高韧性的焊材,且重视烘干、保存以及坡口的清理,以减少焊缝中的扩散氢。
(2)为了避免热影响区粗晶区的脆化,一般应注意不要使用过大的线能量。
对于含碳量偏下限的16MnR钢焊接时,焊接线能量没有严格的限制,因为这种钢焊接热影响区脆化倾向较小,但对于含钒、铌、钛等微合金化元素的钢,则应选用较小的焊接线能量。
(3)对于碳及合金元素含量较高、屈服强度也较高的低合金高强钢,如18MnMoNbR,由于这种钢淬硬倾向较大,又要考虑其热影响区的过热倾向,则在选用较小线能量的同时,还要增加焊前预热、焊后及时后热等措施。
(4)焊接低碳调质钢时,为了使热影响区保持良好的韧性,同时使焊缝金属既有较高的强度又有良好的韧性,这就要求焊缝金属得到针状铁素体组织,而这种组织只有在较快的冷却条件下才能获得,为此要严格控制焊接线能量,不推荐采用大直径的焊条和焊丝,且要采用多道多层的窄焊道焊,尽量不作横向摆动的运条方式。
为防止冷裂纹的产生,焊前需要预热,但应严格控制预热温度,预热温度过高,会使热影响区冷却速度过于缓慢,从而在该区内产生马氏体+奥氏体混合组织和粗大的贝氏体,使强度下降,韧性变坏。
一般要求最高预热温度不得高于推荐的最低预热温度加50℃。
采用低温预热加后热的方法既可防止低碳调质钢产生冷裂纹,又可减轻或消除预热温度过高带来的不利影响。
(5)加强对焊接接头的无损检测,对再热裂纹敏感的钢种,应在PWHT前后都要做射线或超声检测。
四、低合金高强钢压力容器焊接实例
直径为2000mm,壁厚为32mm的缓冲罐(图1-1),壳体材质为16MnR,其主要承压焊缝的焊接工艺见表11-1。
图1-1缓冲罐简图
表1-1缓冲罐焊接工艺
焊缝编号
焊缝位置
焊接方法
焊接材料
说明
O1A1、O2A1
封头拼缝
双面SAW
H08MnMo+HJ431
①
1A1、2A1、B1、B3
壳体纵、环缝
双面SAW
H10Mn2+HJ431
②
B2
壳体环缝(大合拢)
内SMAW
外SAW
J507
H10Mn2+HJ431
③
B4
D1-D3
人孔接管与对应法兰环缝
人孔、小接管与壳体角焊缝
双面SMAW
J507
④
B5、B6
小接管与对接法兰环缝
GTAW打底
SMAW盖面
TIG-50
J507
⑤
E1
鞍座与壳体焊接角焊缝
GMAW
(CO2焊)
TWE-711
⑥
说明:
①封头拼缝在平板状态下焊接完成后,需再经过950~1000℃的加热后进行冲压成形,故拼缝要经过Ac3以上温度的加热,焊缝的力学性能不仅取决于化学成分,而且和焊缝的组织状态有很大关系。
虽然焊缝的含碳量要比母材低很多,但由于焊接是一个局部加热过程,冷却速度很大,因此焊缝呈现为一种柱状晶的特殊的过饱和铸造组织,其中少量的马氏体主要靠碳的固溶强化存在,而低碳马氏体的亚结构存在许多位错,过饱和的固溶的碳就聚集在位错周围,起着钉扎位错的作用,使位错难于运动,马氏体便不易变形而呈现强化焊缝的作用。
经过Ac3以上的温度加热后,焊缝组织从柱状晶变成了等轴晶,打破了原来的亚结构状态,使过饱和程度降低,其碳的固溶强化作用也随之降低了,所以势必焊缝强度降低。
为了弥补上述情况造成的焊缝强度降低,只有调整焊缝的化学成分,使用合金元素更多一些的、强度高一档的焊丝来焊接热压封头拼缝。
②壳体纵、环缝焊接条件好,考虑到板厚因素,从提高效率、保证焊接质量出发,选用双面埋弧焊,焊丝啊等强度原则选用。
③设备大合拢焊缝,考虑到设备因素,内焊缝采用埋弧焊较困难,故内侧采用焊条电弧焊、外侧采用碳弧气刨清根后再进行外环缝埋弧焊。
B2焊缝据人孔较近,故将其为大合拢焊缝。
④人孔接管与人孔法兰环缝,由于人孔直径较大,故采用焊条电弧焊进行双面焊。
对于人孔、小接管与壳体角焊缝,鉴于此部位焊缝形状和焊接条件,一般选用焊条电弧焊进行双面焊。
⑤对于小直径接管环缝,由于只能单面焊,又要保证质量,选用TIG焊打底是保证焊缝质量最有效的方法。
TIG-50为焊材牌号,其焊材型号为ER70S-G(AWSA5.18)。
⑥鞍座与壳体焊接角焊缝属非承压焊缝,采用熔化极气体保护焊(保护气体为纯CO2),效率高,焊缝成形好。
TWE-711为焊材牌号,其焊材型号为E71T-1(AWSA5.20)。
附录三焊接工艺规程示例
焊接工艺规程
WeldingProcedureSpecification
WPS№
版次Rev.№
日期Date2001-05-02
支持的焊接工艺评定号:
A53-B-φ60x4-WVQ-1326
SupportingPQR№
焊接工艺:
GTAW
WeldingProcess(s)
焊接方法:
手工□自动□半自动□机械
Type(s)ManualAutomaticSemi-AutoMachine
接头型式Joints
接头设计:
V形坡口
JointsDesign
垫板(有/无):
无
Backing(Yes/No)
垫板材料:
□金属□非熔金属
BackingmaterialMetalNonfusingMetal
□非金属□其它
NonmetalOther
母材BaseMetal
材质:
A53-B与A53-B
SpecificationtypeandgradetoSpecificationtypeandgrade
类别号组别号与类别号组别号
P-№Group№toP-№Group№
壁厚范围:
4
ThicknessRange
管径范围:
All
PipeDia.Range
填充金属FillerMetal
牌号
Trademark
ER70S-G
AWS号
AWS№
A5.18ER70S-6
组别号
F-№£A-№
规格
Size
2.0mm
焊接位置Position
对接焊缝位置:
All角焊缝位置:
—
PositionofGroovePositionoffillet
焊接方向:
—
WeldingProgression
气体保护Gas
保护方式
Type
气体类型
Gas(es)
气体成份
Mixure
气体流速
FlowRate
喷嘴
Shielding
Ar
≥99.75%
8~12L/Min
电特性ElectricalCharacteristics
电流类型和极性:
GTAW直流正接
CurrentType&Polarity
最大线能量:
—8-15
Max.HeatIntput
拖罩
Trailing
—
—
—
背面
Backing
—
—
—
预热Preheat
最小预热温度:
Min.PreheatTemp.
最大层间温度:
Max.InterpassTemp.
焊后热处理PostWeldHeatTreatment
温度范围:
—
TemperatureRange
处理时间:
—
TimeRange
操作技术Technique
钨极类型和尺寸:
钍钨极Φ2.0喷嘴孔径:
Φ8~10
TungstenElectrodeSizeandTypeOrificeorGasCupSize
运条方式:
摆动摆幅:
—
StringorWeaveBeadOscillation
内部或层间清理:
砂轮机打磨背部清根:
—
InitialandInterpassCleaningMethodofBackGouging
其它—
Other
焊接层次
WeldLayers
焊接方法
Process
填充金属FillerMetal
电特性Electrical
焊接速度
TravelSpeed
备注
Remarks
牌号
Trademark
直径
Dia.
电流
Amp.Range
电压
VoltRange
1
GTAW
ER70S
2.4
70~120
10~16
5~10
2
GTAW
ER70S
2.4
70~120
10~16
5~15
空白
附录四
焊接工艺卡示例
单位名称:
工艺卡编号:
AQ-WPS-001
所依据的工艺评定报告编号:
5-033-005B
批准日期:
2002年8月8日
修改文件编号:
/
日期:
/
评定项目:
1.外观检查2.无损探伤3.断口检查4.机械性能5.金相
焊接方法:
Ws/Ds
产品名称:
φ273×27P91钢大口径管焊接
自动化程度:
手工施焊
接头:
接头型式对接
衬垫/
衬垫材料/
其他/
母材:
类号Ⅴ级号/与类号Ⅴ级号/
钢号P91与钢号P91相焊接
母材厚度范围:
对接接头27~31mm角接接头/
焊缝金属厚度范围:
27~31mm
管子直径范围:
对接接头φ273mm角接接头/
其他:
填充金属
根部
填充
盖面
焊条型号
/
E9015-B9
E9015-B9
规格(mm)
/
Ф2.5、Ф3.2
Ф2.5
焊丝牌号
ER505
/
/
规格(mm)
Ф2.5
/
/
焊剂型号
/
/
/
其他
/
/
/
焊接位置:
对接接头焊接位置:
2G、5G
焊接方向:
由下至上
角接接头焊接位置:
/
预热:
预热温度:
200~230℃
层间温度:
200~250℃
预热保持方式:
电阻加热,持续控温
后热、焊后热处理:
温度范围:
750~770℃
时间范围:
≥3h
其他:
焊后热处理前,冷却至80~100℃,恒温1~2小时。
焊接工艺卡
单位名称:
工艺卡编号:
AQ-WPS-001
电(火焰)特性:
焊层
道号
焊接
方法
焊条(丝)
电流范围(气体压力)
电压范围(V)
(焊炬型号、焊嘴号码)
焊接速度范围
(mm/min)
其他
型(牌)号
直径(mm)
极性
[乙炔(MPa)]
电流(A)
[氧气(MPa)]
1~2
Ws
ER505
Ф2.4
直流正接
100~130
10~13
20~40
3~4
Ds
9MV-N
Ф2.5
直流反接
80~100
21~25
190~230
5~14
Ds
E9015-B9
Ф3.2
直流反接
90~120
22~25
140~220
15
Ds
E9015-B9
Ф2.5
直流反接
80~100
22~25
190~230
/
气体:
保护气体Ar流量8~12L/min
背面保护气体Ar流量15~30L/min
后拖保护气体/流量/L/min
钨极型号与尺寸:
Wce-20Ф2.5
送丝速度范围:
/
其他:
/
施焊技术:
焊嘴尺寸:
M10×L65×Ф6
无摆动或摆动焊:
摆动范围小于3倍焊条直径
打底焊道和中间焊道清理方法:
机械法清理
清根方法:
/
导电嘴与工件距离:
/
其他:
/
其他:
编制
年月日
(单位盖章)
审核
年月日
批准
年月日
焊接工艺卡基本内容
1.原料检验
2.划线根据压力容器的整体装配图,计算出相应部件的下料尺寸并划线
3.切割下料根据技术要求以及材质的特性确定相应的切割方法和切割设备。
4.刨边对切割完材料的飞边和毛刺进行清理,并根据实际情况确定刨边的设备和参
数
5.成形根据图纸要求选用相应的成形设备和成形工艺参数
6.焊接选择适合实际生产的焊接方法、焊接设备、焊接材料、焊接工艺参数,并要遵
守相应的标准、法规。
7.检验根据每种检验方法的特点以及结构设备的特点选用适合的检测方
法,并根据相应的操作规范检测焊缝判定其是否合格并作相应的处理。
8.校形选用合适的设备对前期出现的变形进行校正。
9.组装进行最后的装配、定位、焊接成形
10.检验包装
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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- 焊接 压力容器 设计
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