【文章內(nèi)容簡介】 構(gòu)在焊后消除應(yīng)力熱處理或長期處于高溫運行中產(chǎn)生的裂縫。這種裂縫一般起始于焊趾或焊縫根部等應(yīng)力集中處靠近熔合線的粗晶 區(qū) ,沿原始奧氏體晶界擴展 ,很少進入細(xì)晶區(qū)或焊縫金屬。 關(guān)于再熱裂縫的機理尚未取得一致意見。一般認(rèn)為是晶內(nèi)沉淀硬化的結(jié)果。即焊接時 ,靠近熔合線部位在焊接熱循環(huán)作用下被加熱到超過 1300℃ ,鋼中的 V、 Nb、 Cr、 Mo 等碳化物固溶于奧氏體 ,焊后冷卻過程中來不及析出。在焊后消除應(yīng)力熱處理時 ,這些合金碳化物呈彌散狀析出 ,從而強化了晶粒 ,使應(yīng)力松弛時的蠕變變形集中于晶界。另一種認(rèn)為發(fā)生裂縫是晶界脆化的結(jié)果。即鋼中的 B、 P 及其它殘留元素 Sb、 As、 Sn 等在晶界富集 ,減弱了晶界的結(jié)合力。 對發(fā)生再熱裂縫的 18MnMoNb 鋼 試樣分析結(jié)果表明 ,在響區(qū)粗晶區(qū)有碳化妮質(zhì)點 ,而在晶界上有 Sn 的偏析。 (2)再熱裂縫敏感性的評定方法 根據(jù)鋼的化學(xué)成份 ,按日本中村和伊藤的 Δ G和 PSR公式可預(yù)測再熱裂縫的敏感性。取 18MnMoNb 鋼 標(biāo) 準(zhǔn) 成 份 的 上 限 ,Δ G=0。PSR= －0,18MnMoNb 鋼應(yīng)屬于有輕微敏感性的鋼種。 又可分成直接試驗法和間接試驗法。直接試驗法是用模擬實際結(jié)構(gòu)的試樣或可焊性試樣 (如里海、小鐵研等 ),經(jīng) 600℃左右的消除應(yīng)力處理 ,觀察有否裂縫。間接法有恒載高溫緩慢拉伸試驗 (測 600℃ 時的斷面收縮率 ψ )和高溫應(yīng)力松弛試驗 (測載荷 — 斷裂時間 )等。 對 18MnMoNb 鋼 ,采用了里海 ,平板對接反面拘束試驗 ,均未發(fā)生再熱裂縫 ,只是在 Y 型坡口的小鐵研試驗中出現(xiàn)裂縫。經(jīng) 180℃預(yù)熱的小鐵研試樣 ,在550℃經(jīng) 12 小時開裂 ,而在 600℃只經(jīng) 1 小時即開裂。高溫應(yīng)力松弛試驗表明 ,18MnMoNb 鋼的應(yīng)力松弛能力較大 ,再熱裂縫敏感性較小 ,高溫緩慢拉伸試驗的結(jié)果是 :經(jīng)峰值溫度為 1350℃熱模擬試樣 ,在 600℃測得的斷面收縮勸為～ %(15%),屬于有輕微敏感性的鋼種。 (3)防止措施 材的冶煉質(zhì)量 ,尤其是降低各種殘留元素的含量。 ,宜采用強度 (特別是高溫屈服強度 )較低的焊接材料 ,使發(fā)生的蠕變變形轉(zhuǎn)移到焊縫中。 (如插入式大接管 ),應(yīng)設(shè)法減小焊接應(yīng)力 ,采用中間熱處理措施及修磨焊縫表面等。 ,適當(dāng)提高預(yù)熱溫度。如將預(yù)熱溫度提高到220℃或采用 180℃預(yù)熱 ,焊后立即進行 180℃ 2 小時的后熱 ,在小鐵研試樣上就不再出現(xiàn)再熱裂縫。 3. 球罐的設(shè)計結(jié)構(gòu)和承載特點分析 球罐的設(shè)計結(jié)構(gòu) 球殼結(jié)構(gòu) 球形儲罐的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜 ,但它的制造和安裝較其它 形式儲罐困難 ,主要原因是它的殼體為空間曲面 ,壓制成型、安裝組對及現(xiàn)場焊接難度較大。由于球形儲罐大多數(shù)是壓力或低溫容器 ,它盛裝的物料又大部分是易燃、易爆物 ,且裝載量又大 ,一旦發(fā)生事故 ,后果不堪設(shè)想。結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理是球形儲罐發(fā)生事故的主要原因之一。 球殼結(jié)構(gòu)型式主要分足球瓣式、桔瓣式和混合瓣式三種。國內(nèi)自行設(shè)計、制造、組焊的球罐多為桔瓣式 , GB1233719985 鋼制球形儲罐采用的是桔瓣式和混合瓣式球殼結(jié)構(gòu)。桔瓣式的優(yōu)點是焊縫布置簡單 ,組裝容易 ,球殼制造簡單 。缺點是材料利用率低 ,小型球罐適合采用桔瓣式球殼結(jié) 構(gòu)。混合式球殼 具有材料利用率高 ,球殼板互換性好、焊縫總長度減少和焊接工作量、焊接用料及能源消耗低的特點。大型球罐適合采用混合式球殼結(jié)構(gòu) ,因此 2021m3鋼制球罐采用混合式球殼結(jié)構(gòu)比較合理。 確定球殼幾何尺寸的原則是少分帶并盡量加大球殼板的幾何尺寸 ,以減少焊縫長度。但受到鋼板幅面以及壓機能力的制約 ,球殼板幾何尺寸按四帶十支柱混合式結(jié)構(gòu)確定（如圖 1）。其中赤道帶、上溫帶各 20 塊板，上、下極各 7 塊，焊縫總長 458 m，赤道帶板以上壁厚為 52mm、以下為 54mm。 圖 1 球罐總體結(jié)構(gòu)示意圖 支座結(jié) 構(gòu) 支座是球形儲罐中用以支承本體重量和儲存物料重量的結(jié)構(gòu)部件。由于球形儲罐殼體呈圓球狀 ,給支座設(shè)計帶來一定的困難 ,它既要支承較大的重量 ,又由于球形儲罐設(shè)置在室外 ,需承受各種自然環(huán)境影響 ,如風(fēng)載荷、地震載荷和環(huán)境溫度變化的作用。為了應(yīng)對各種影響因素 ,設(shè)計出多種結(jié)構(gòu)形式 ,但設(shè)計計算也比較復(fù)雜。 支座可分為柱支座和裙式支座兩大類 , GB1233719985 鋼制球形儲罐采用的支座型式是赤道正切柱式支座。 支柱與球殼的連接主要分為有墊板和無墊板兩種結(jié)構(gòu) ,有墊板結(jié)構(gòu)可增加球殼板的剛性 ,但又增加了球殼板的搭接焊縫 ,在低 合金高強鋼的施焊中由于易產(chǎn)生裂紋 ,無損檢測又困難 ,故應(yīng)盡量避免采用墊板結(jié)構(gòu)。 GB1233719985鋼制球形儲罐采用的是無墊板結(jié)構(gòu) ,引進球形儲罐中也大部分采用無墊板結(jié)構(gòu)。只有當(dāng)殼體連接處局部強度驗算發(fā)現(xiàn)不夠時 ,才采用加強板。 支柱與球殼連接端部結(jié)構(gòu)分為平板式和半球式兩種 ,平板式結(jié)構(gòu)造成高應(yīng)力的邊角 ,結(jié)構(gòu)不合理 , 半球式受力較合理 ,抗拉斷能力較強。 支柱與球殼下部結(jié)構(gòu)一般分為直接連接 、連接處下端加托板、 U 形柱和翻邊 4 種。直接連接結(jié)構(gòu)在特大型球罐中被采用 。支柱與球殼連接部下端 ,由于夾角小 ,間隙狹窄而難以施焊 ,采用加托板結(jié)構(gòu) ,可彌補難以施焊而削弱的部分 。 U 形柱結(jié)構(gòu)既避免了支柱與球殼連接部下端由于夾角小而造成焊接的困難 ,又保證了支柱與球殼焊接質(zhì)量的可靠性 。翻邊結(jié)構(gòu)不但解決了連接部位下端施焊困難 ,確保了焊接質(zhì)量 ,對該部位的應(yīng)力狀態(tài)也有所改善 ,但翻邊結(jié)構(gòu)是近幾年來開發(fā)并使用的 ,翻邊工藝尚不成熟。 綜合考慮以上因素 , 2021m3 液化石油氣的球形儲罐確定采用赤道正切 U形柱結(jié)構(gòu) ,支柱與球殼連接端部 采用半球式結(jié)構(gòu)（如圖 2）。 圖 2 球罐支柱結(jié)構(gòu)示意圖 支柱與球殼的連接形式 在支柱與球殼相連接的球殼局部區(qū)域中，受力及變形相當(dāng)復(fù)雜，應(yīng)力數(shù)值高、變化梯度大，是整個球罐的高應(yīng)力區(qū)。 支柱與球殼相焊焊縫的最低點（ a 點）是重點應(yīng)力校核部位。 GB123371998《鋼制球形儲罐》 中規(guī)定支柱與球殼連接采用赤道正切結(jié)構(gòu)。 赤道正切結(jié)構(gòu)是由多根圓柱狀的支柱在球殼赤道部位等距離布置， 與球殼相切或近似結(jié)構(gòu)而成的焊接結(jié)構(gòu)。支柱支撐著球罐的重量，為承受風(fēng)載和地震力， 保證球罐穩(wěn)定性， 在支柱之間設(shè)置拉桿相連接。 這種 結(jié)構(gòu)受力均勻、彈性好，能承受熱膨脹的變形，組焊方便、施工簡單、容易調(diào)整，現(xiàn)場操作和檢修也方便。 球殼支柱是用以支撐球殼及其附件和物料載荷的部件。 GB123371998《鋼制球形儲罐》中，支柱與球殼以赤道正切連接，可采用直接連接、加托板、 U形支柱和翻邊 4 種結(jié)構(gòu)。直接連接結(jié)構(gòu)適用于特大型球罐； U形支柱結(jié)構(gòu)既避免了支柱與球殼連接部下端由于夾角小而造成的焊接困難， 又保證了支柱與球殼的焊接質(zhì)量的可靠性， U 形支柱由鋼板彎制而成，特別適用于低溫球罐對支柱材料的要求；支柱翻邊結(jié)構(gòu)解除了連接部位下端施焊的困難， 確 保了焊接質(zhì)量，對該部位的應(yīng)力狀態(tài)也有所改善，但由于翻邊工藝問題，尚未被廣泛應(yīng)用。 在 2 000 m3 液化石油氣球罐設(shè)計中， 上支柱采用赤道正切式的加托板結(jié)構(gòu)，見圖 3。 將支柱分為上下 2 段，均采用 18MnMoNb 鋼板卷制。 支柱與球殼連接部位下端由于夾角小、間隙狹窄，難以施焊，托板結(jié)構(gòu)可以彌補難以施焊而削弱的部分， 改善支撐和焊接條件，消除了焊接死角。 制造工藝簡單，被多數(shù)制造廠采用。 圖 3 加托板連接結(jié)構(gòu) 球罐的承載特點 該球罐為 2 000 m3乙烯儲罐，球殼厚度為 38 mm，計算中考慮了 mm 的腐蝕余量。計算壓力的選取按照 JB473295 規(guī)定，計算中包括二次應(yīng)力強度的組合應(yīng)力強度時，該選用工作載荷進行計算分析。這次分析中均選用了設(shè)計載荷進行計算，對于分析結(jié)果是偏于安全的。因為該球罐具有安全閥，需要做氣密試驗，根據(jù) TSGR00042021《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，最大允許操作壓力定為 MPa，本次分析中計算壓力采取最大允許操作壓力。球罐的具體參數(shù)如表 4所示。 表 4 球罐的基本設(shè)計參數(shù)