压力容器的焊接技术

压力容器的焊接技术内容摘要：

鉴于此部位焊缝形状和焊接条件，一般选用焊条电弧焊。 ④ 换热管 管板焊接是 热交换设备 的重要 焊缝 ，其焊接方法有焊条电弧焊、手工钨极氩弧焊、全位置 自动氩弧焊。 焊条电弧焊是最早使用的焊接方法，其特点是效率高，但是质量对比于其他两种方法来说要差很多，现在基本上已被淘汰。 但是在某些特殊场合，如丝堵式空冷器，其管子 管板焊接必须通过管板前的丝堵板进行焊接，这时只能用采用焊条电弧焊的方法，用小直径焊条焊接，这对焊工操作技术要求很高，一般在焊前需要对焊工进行专门培训。 目前使用最广泛，质量最好的焊接方法为自动氩弧焊。 本设备 中 换热管 管板焊接 采用全位置自动氩弧焊，焊接接头形式 为角焊缝（ 图 1050）。 焊丝直径为 1mm，填丝焊两道。 13 图 105 加热器换 热管 管板接头形式 ⑤ 耳 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。 TWE811B2 为焊材牌号，其焊材型号为 E81T1B2(AWS )。 第三节 低温钢 压力容器 的焊接 一、 压力容器用低温钢及其焊接特点 GB1501998《钢制压力容器》附录 C 规定，设计温度低于或等于－ 20℃的钢制压力容器为低温容器。 众所周知，钢材在低温条件下工作时具有冷脆性。 衡量低温钢性能的主要指标是低温韧性，即低温下的冲击韧性和脆性转变温度，钢的低温冲击韧性越高，脆性转变 温度越低，则该钢低温韧性越好。 钢的成分和组织对低温性能都有显著影响，磷、碳、硅使 钢的 脆性转变温度升高，其中尤以磷、碳最为显著，而锰和镍会使脆性转变温度降低，对低温韧性有利。 钢中含镍量增高时，可以使 其 在更低的温度下保持相当高的冲击韧性。 一般来说，具有面心立方晶格的金属，其韧性随温度的变化极小， 188 型奥氏体不锈钢就是由于具有面心立方晶格，故在很低的温度下仍具有较高的冲击韧性。 此外，钢的晶粒越细，低温冲击韧性越好。 低温钢就是通过严格控制钢材中的碳、硫、磷含量或加入一些钒、铝、钛和镍等合金元素，达到固溶强化、 晶粒细化之目的，并通过正火或正火 +回火处理来细化晶粒，使组织均匀化或使钢具有面心立方晶格，从而使钢在低温下具有足够的低温韧性及抵抗脆性破坏的能力，以保证设备在低温条件下能安全运行。 低温钢一般可分为无镍和含镍两大类。 无镍钢的最低使用温度为 50℃，含镍钢最低使用温度根据含镍量的多少范围在 60℃ ~196℃之间， 196℃以下则使用奥氏体不锈钢 ，有关奥氏体不锈钢的焊接在介绍不锈钢焊接时再作详细叙述，表 104 为部分典型的低温钢的低温冲击韧性指标。 表 104 部分典型的 低温钢的低温冲击韧性 钢材牌号 使用状 态 厚度 /mm 最低冲击试验温度/℃ AKV/J 16MnDR 正火 6 ~ 36 40 ≥ 24 36~100 30 15MnNiDR 正火，正火 +回火 6 ~ 60 45 ≥ 27 09MnNiDR 正火，正火 +回火 6 ~ 60 70 ≥ 27 14 钢 (SA203B级 ) 正火 ≤ 50 101 ≥ 20 50 ~75 87 对不含镍的低温钢而言，由于其含碳量低，其他合金元素含量也较少，故其淬硬倾向和冷裂倾向都小，因而具有良好的焊接性能，一般可不预热或用较低的 预热温度来进行焊接，当板厚较厚或低温环境下焊接时，才需要一定的预热温度。 所以，这一类钢焊接时，只要选择相匹配的 焊材 和合适的工艺，保证焊缝及热影响区的低温韧性是不成问题的。 含镍低温钢由于添加了镍，虽然对冷裂纹倾向影响不显著，但却增大了热裂纹的倾向，必须严格控制钢及焊材中的碳、硫、磷含量， 同时 采用合适的焊接规范，使焊缝有较大的焊缝成形系数，即避免形成窄而深的焊道成形截面，就可以有效地避免热裂纹的产生。 总之，低温钢焊接的重点是保证焊缝及热影响区获得足够的低温冲击韧性。 二、 压力容器用低温钢焊材选用 （ 1）所选 用的 焊材 必须保证焊缝含有最少的有害杂质（ S、 P、 O、 N 等），对于含镍低温钢尤其要严格控制。 （ 2）选用的 焊材 应保证焊缝金属的低温韧性。 对于含镍低温钢，选用的焊材的含镍量应与母材相当或稍高。 三、 压力容器用低温钢焊接要点 （ 1）采用小的焊接 线能量 为避免焊缝及热影响区形成粗大组织而使其冲击韧性严重降低，焊接时必须采用较小的焊接 线能量 ，具体要求是，焊接电流不宜过大，焊条电弧焊时，焊条尽量不摆动，采用窄焊道、多道多层焊和快速多道焊以减小焊道过热，并通过多层焊的重复加热作用细化晶粒。 多层焊时要严格控制层间温度。 （ 2）选择适当的焊接速度 对于含镍低温钢进行埋弧自动焊时，切不可以提高焊接速度来获得较低的焊接 线能量。 这是因为当焊接速度较高时，由于熔池形成典型的雨滴状，且焊道成形变成窄而深的截面形状，此时就易产生焊道中心的热裂纹。 所以，这类钢焊接时，焊接速度要特别选择适当，不可过小，也不可过大。 （ 3）避免咬边缺陷 低温钢焊接时应注意避免弧坑、未焊透及咬边等缺陷，这些缺陷在低温条件下，在应力作用时，都会造成较大的应力集中而引起脆性破坏。 所以对于低温压力容器而言，不允许有任何尺寸的咬边缺陷存在。 四、 低温钢压力容器焊 接实例 15 直径 4400mm，长 90m， 壁厚为 34mm 的 乙烯精硫塔 （图 106）， 设计温度为 45℃。 因设备上管口、内件众多， 简图中 只画出部分。 壳体材质为 09MnNiDR，其主要承压焊缝的焊接工艺见表 105。 图 106 丙烯精馏塔简图 表 105 丙烯精馏塔 焊接工艺 焊缝位置 焊接方法 焊接材料 说明 封头拼缝 壳体纵、环缝 SAW UNION S3 Si UV418TT ① 16 焊缝位置 焊接方法 焊接材料 说明 现场 合拢焊缝 SMAW W707 ② 接管、人孔与壳体角焊缝 人孔筒体拼缝、 人孔筒体与对接法兰环缝 SMAW R307 ③ 接管与法兰环缝 GTAW UNION I Ni ④ 内件与壳体内壁角焊缝 GMAW (CO2 焊 ) THYSEN TG 50Ni E81T1Ni1 ⑤ 说明： ① 壳程筒体直径较小，焊工无法钻入筒体内焊接，故壳程筒体纵、环缝只能从外侧施焊。 同样，由于该设备结构方面的原因，壳程、管程筒体与管板的环缝焊接也只能从外侧进行。 至于接管与对接法兰环缝，本设备中接管规格为φ 273 12，亦无法从内侧施焊。 以上焊缝需要单面焊，但又要保证质量，选用 TIG 焊打底是 保证焊缝质量最有效的方法。 对于壳程筒体环缝，也可采用 GTAW打底， SMAW 再焊两道，然后 SAW 焊剩余层的方法。 ② 尽管管程筒体直径较小，但其长度很短，管程筒体纵缝、管程筒体与法兰环缝具备内侧焊条电弧焊的条件，故采用焊条电弧焊进行双面焊。 ③ 接管、整体法兰与法兰盖、管板、壳体的角焊缝设备大合拢焊缝，鉴于此部位焊缝形状和焊接条件，一般选用焊条电弧焊。 ④ 换热管 管板焊接是热交换设备的重要焊缝，其焊接方法有焊条电弧焊、手工钨极氩弧焊、全位置自动氩弧焊。 焊条电弧焊是最早使用的焊接方法，其特点是效率高，但是质量 对比于其他两种方法来说要差很多，现在基本上已被淘汰。 但是在某些特殊场合，如丝堵式空冷器，其管子 管板焊接必须通过管板前的丝堵板进行焊接，这时只能用采用焊条电弧焊的方法，用小直径焊条焊接，这对焊工操作技术要求很高，一般在焊前需要对焊工进行专门培训。 目前使用最广泛，质量最好的焊接方法为自动氩弧焊。 本设备中换热管 管板焊接采用全位置自动氩弧焊，焊接接头形式为角焊缝（图 1050）。 焊丝直径为 1mm，填丝焊两道。 ⑤ 内壁与壳体内壁角焊缝，鉴于此部位焊缝形状和焊接条件，一般选用焊条电弧焊。 第四节 不锈钢 压力容 器 的焊接 17 一、 压力容器用不锈钢及其焊接特点 所谓不锈钢是指在钢中加入一定量的铬元素后，使钢处于钝化状态，具有不生锈的特性。 为达到此目的，其铬含量必须在 12％以上。 为提高钢的钝化性，不锈钢中还往往需加入能使钢钝化的镍、钼等元素。 一般所指的不锈钢实际上是不锈钢和耐酸钢的总称。 不锈钢并不一定耐酸，而耐酸钢一般均具有良好的不锈性能。 不锈钢按其钢的组织不同可分为四类，即奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体一铁素体双相不锈钢。 1. 奥氏体不锈钢及其焊接特点 奥氏体不锈钢是应用最广泛的不锈钢，以高 CrNi 型 最为普遍。 目前奥氏体不锈钢大致可分为Cr18Ni8 型、 Cr25Ni20 型、 Cr25Ni35 型。 奥氏体不锈钢有以下焊接特点： ① 焊接热裂纹 奥氏体不锈钢由于其热传导率小，线膨胀系数大，因此在焊接过程中，焊接接头部位的高温停留时间较长，焊缝易形成粗大的柱状晶组织，在凝固结晶过程中，若硫、磷、锡、锑、铌等杂质元素含量较高，就 会 在晶间形成低熔点共晶，在焊接接头承受较高的拉应力时，就易在焊缝中形成凝固裂纹，在热影响区形成液化裂纹，这都属于焊接热裂纹。 防止热裂纹最有效的途径是降低钢及 焊材 中易产生低熔点共晶的杂质元 素和使 铬镍 奥氏体不锈钢中含有 4％ ~ 12％的铁素体组织。 ② 晶间腐蚀 根据贫铬理论，在晶间上析出碳化铬，造成晶界贫铬是产生晶间腐蚀的主要原因。 为此，选择超低碳 焊材 或含有铌、钛等稳定化元素的 焊材 是防止晶间腐蚀的主要措施。 ③ 应力腐蚀开裂 应力腐蚀开裂 通常表现为脆性破坏，且发生破坏的过程时间短，因此危害严重。 造成奥氏体不锈钢应力腐蚀开裂的主要原因是焊接残余应力。 焊接接头的组织变化或应力集中的存在，局部腐蚀介质浓缩也是影响应力腐蚀开裂的原因。 ④ 焊接接头的 σ 相脆化 σ 相是一种脆硬的金 属间化合物，主要析集于柱状晶的晶界。 γ 相和 δ相都可发生 σ相转变。 比如对于 Cr25Ni20 型焊缝在 800℃ ~ 900℃加热时，就会发生强烈的 γ→δ转变。 对于 铬镍 型奥氏体不锈钢，特别是 铬镍钼 型不锈钢，易发生 δ→σ 相转变，这主要是由于铬、钼元素具有明显的 σ化作用，当焊缝中 δ 铁素体含量超过 12％时， δ→σ 的转变非常显著，造成焊缝金属的明显的脆化，这也就是为什么热壁加氢反应器内壁堆焊层将 δ 铁素体含量控制在 3％~10％的原因。 2. 铁素体不锈钢及其焊接特点 铁素体不锈钢分为普通铁素体不锈钢和超纯铁素体不锈钢两大类， 其中普通铁素体不锈钢有 Cr12 ~ Cr14 型，如 00Cr1 0Cr13Al； Cr16 ~ Cr18 型，如 1Cr17Mo； Cr25 ~ 30 型。 18 由于普通铁索体不锈钢中的碳、氮含量较高，故加工成形及焊接都较困难，耐蚀性也难以保证，使用受到限制，在超纯铁素体不锈钢中严格控制了钢中的碳和氮总量，一般控制在 ％ ~ ％、 ％、 ％ ~ ％三个层次，同时还加入必要的合金元素 以 进一步提高钢的耐腐蚀性和综合性能。 与普通铁素体不锈钢相比，超纯高铬铁素体不锈钢具有很好的耐均匀腐 蚀、点蚀及应力腐蚀性能，较多的应用于石化设备中。 铁素体不锈钢有以下焊接特点： ① 焊接高温作用下，在加热温度达到 1000℃以上的热影响区特别在近缝区的晶粒会急剧长大，焊后即使快速冷却，也无法避免因晶粒粗大化引起的韧性急剧下降及较高的晶间腐蚀倾向。 ② 铁素体钢本身含铬量较高，有害元素碳、氮、氧等也较多，脆性转变温度较高，缺口敏感性较强。 因此，焊后脆化现象较为严重。 ③ 在 400℃ ~ 600℃长时间加热缓冷时，会出现 475℃脆化，使常温韧性严重下降。 在 550℃ ~ 820℃长时间加热后，则容易从铁素体中析出 σ相，也明显降低其塑、韧性。 3. 马氏体不锈钢及其焊接特点 马氏体不锈钢可分为 Cr13 型马氏体不锈钢、低碳马氏体不锈钢和超级马氏体不锈钢。 Cr13 型具有一般抗腐蚀性能，从 Cr12 为基的马氏体不锈钢，因加入镍、钼、钨、钒等合金元素，除具有一定的耐腐蚀性能，还具有较高的高温强度及抗高温氧化性能。 马氏体不锈钢的 焊接特点： Cr13 型马氏体不锈钢焊缝和热影响区的淬硬倾向特别大， 焊接接头 在空冷条件下便可得到硬脆的马氏体，在焊接拘束应力和扩散氢的作用下，很容易出现焊接冷裂纹。 当冷却速度较小时，近缝区及焊缝金属会形成粗 大铁素体及沿晶析出碳化物，使接头的塑、韧性显著降低。 低碳及超级马氏体不锈钢的焊缝和热影响区冷却后，虽然全部转变为低碳马氏体，但没有明显的淬硬现象，具有良好的焊接性能。 二、 压力容器用不锈钢焊材选用 1. 奥氏体不锈钢焊材选用 奥氏体 不锈钢 焊材 的选择原则是在无裂纹的前提下，保证焊缝金属的耐蚀性能及力学性能与母材基本相当，或高于母材，一般要求其合金成分大致与母材成分匹配。 对于耐蚀的奥氏体不锈钢，一般希望含一定量的铁素体，这样既能保证良好的抗裂性能，又能有很好的抗腐蚀性能。 但在某些特殊介质中，如尿素设备的焊缝金属是 不允许有铁素体存在的，否则就会降低其耐蚀性。 对耐热用奥氏体钢，应考虑对焊缝金属内铁素体含量的控制。