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壓力容器的焊接技術(shù)-展示頁

2024-11-15 13:13本頁面
  

【正文】 縫區(qū)足夠高的擴散氫濃度和一定的焊接殘余應(yīng)力共同作用,焊接接頭易產(chǎn)生氫致延遲裂紋。其中 Mo的作用比 Cr 大 50倍。 低合金耐熱鋼含有一定量的合金元素,因此它與低合金高強鋼都具有一些相同的焊接特點,而 又由于 其 含有一些特殊的微量元素 及其 不同的介質(zhì)工作環(huán)境,所以也有 其 獨特的焊接特點。 7 ⑤ 接頭的物理均一性 耐熱鋼焊接接頭應(yīng)具有與母材基本相同的物理性能。在安裝檢修完后,要經(jīng)歷水壓試驗 及冷啟動過程。 ③ 接頭的組織穩(wěn)定性 耐熱鋼焊接接頭在制造過程中,特別是厚壁接頭將經(jīng)受長時間多次熱處理,在運行過程中將長期受高溫高壓的作用,接頭各區(qū)不應(yīng)產(chǎn)生明顯的組織變化及由此引起的脆變或軟化。 ② 接頭的抗氫性和抗氧化性 耐熱鋼接頭應(yīng)具有與母材基本相同的抗氫性和高溫抗氧化性。 為保證耐熱鋼焊接接頭在高溫、高壓和各種腐蝕介質(zhì)條件下長期安全的運行,其焊接接頭性能應(yīng)滿足下列幾點要求。 作為耐熱鋼,除上面已講到的低合金耐熱鋼外,還有合金含量在在 6% ~ 12%之間的中合金耐熱鋼,如 1Cr5Mo、 1Cr9Mo1,和合金大于 13%的高合金耐熱鋼,如 1Cr17。 壓力容器上使用的低合金耐熱鋼主要是以加入鉻和鉬元素或輔以加入少量的釩、鈦等元素來提高鋼的蠕變強度和組織穩(wěn)定性,所以也經(jīng)常 稱之為 CrMo 耐熱鋼或 CrMoV 系耐熱鋼。由于合金含量在 %以下的低合金耐熱鋼具有珠光體 +鐵素體組織,故也經(jīng)常稱為珠光體耐熱鋼,如 15CrMoR。 第二節(jié)耐熱鋼 壓力容器 的焊接 一、 壓力容器用耐熱鋼及其焊接性 在普通碳鋼中加入一定量的合金元素,以提高鋼的高溫強度和持久強度,就形成了低合金耐熱鋼,對于壓力容器用低合金耐熱鋼,為改善 其 焊接性能,常常把碳 含量控制在 %以下。 6 ⑥ 鞍座與殼體焊接角焊縫 屬 非承壓焊縫, 采用熔化極氣體保護焊 (保護氣體為純 CO2),效率高,焊縫成形好。 ⑤ 對于小直徑接管環(huán)縫, 由于只能單面焊 ,又要保證質(zhì)量,選用 TIG 焊打底是保證焊縫質(zhì)量最有效的方法。 ④ 人孔接管與人孔法蘭環(huán)縫, 由于 人孔 直徑較大, 故 采用焊條電弧焊進(jìn)行雙面焊。 ③ 設(shè)備大合攏焊縫,考慮到設(shè)備因素,內(nèi)焊縫 采用 埋弧焊 較困難 , 故內(nèi)側(cè) 采用 焊條電弧焊、外側(cè)采用碳弧氣刨清根后再進(jìn)行 外環(huán)縫 埋弧焊。為了彌補上述情況造成的焊縫強度降低,只有調(diào)整焊縫的化學(xué)成分,使用合金元素更多一些的、強度高一檔的 焊絲來焊接熱壓封頭拼縫。雖然焊縫的含碳量要比母材低很多,但由于焊接是 一個局部加熱過程,冷卻速度很大,因此焊縫呈現(xiàn)為一種柱狀晶的特殊的過飽和鑄造組織,其中少量的馬氏體主要靠碳的固溶強化存在,而低碳馬氏體的亞結(jié)構(gòu)存在許多位錯,過飽和的固溶的碳就聚集在位錯周圍,起著釘扎位錯的作用,使位錯難于運動,馬氏體便不易變形而呈現(xiàn)強化焊縫的作用。 五、 低合金高強鋼 壓力容器 焊接實例 直徑 為 2020mm,壁厚為 32mm 的 緩沖罐 (圖 101),殼體材質(zhì)為 16MnR,其主要 承壓焊縫的 焊接 工藝 見表 101。采用低溫預(yù)熱加后熱的方法既可防止低碳調(diào)質(zhì)鋼產(chǎn)生冷裂紋,又可減輕或消除預(yù)熱溫度過高帶來的不利影響。為防止冷裂紋的產(chǎn)生,焊前需要預(yù)熱,但應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度,預(yù)熱溫度過高,會使熱影響區(qū)冷卻速度過于緩慢,從而在該區(qū)內(nèi)產(chǎn)生馬氏體 +奧氏體混合組織和粗大的貝氏體,使強度下降,韌性變壞。 4 ( 3)對于碳及合金元素 含量 較高、屈服強度也較高的低合金高強鋼,如 18MnMoNbR,由于這種鋼淬硬傾向較大,又要考慮其熱影響區(qū)的過熱傾向,則 在 選用較小 線能量 的同時,還要增加焊前預(yù)熱、焊后及時后熱等措施。 ( 2)為了避免熱影響區(qū)粗晶區(qū)的脆化,一般應(yīng)注意不要使用過大的 線能量 。但對于焊后需經(jīng)正火溫度下沖壓的封頭拼板焊縫,其焊材選用應(yīng)適當(dāng)提高一檔,使用H08MnMo 焊絲 +HJ431 焊劑,可彌補其強度損失。對焊后需經(jīng)熱處理、熱卷(熱彎)的焊件, 應(yīng) 考慮焊縫金屬經(jīng)受高溫處理作用對其力學(xué)性能的影響,應(yīng)保證焊縫 金屬經(jīng)熱處理后仍具有要求的強度、塑性和韌性等。對于強度較高的低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時,更是如此,甚至要選擇超低氫型的 焊材 ,并嚴(yán)格控制焊材的存放和使用。若選擇的焊材焊縫金屬強度過高,將會導(dǎo)致接頭的韌性、塑性及抗裂性降低,接頭的 彎曲 性能不易合格。 三、 壓力容器用低合金高強鋼焊材選用 ( 1)根據(jù)鋼材不同的強度級別選擇與母材強度相當(dāng)?shù)暮缚p金屬是這類鋼焊材選用的基本原則,當(dāng)然,與此同時還要根據(jù)產(chǎn)品的使用條件、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和板材厚度等因素,綜合考慮焊縫金屬的韌性、塑性和焊接接頭的抗裂 性。 ( 3)焊接接頭的 熱影響區(qū) 軟化 由于焊接熱作 用, 低碳 調(diào)質(zhì)鋼的 熱影響區(qū) (HAZ)外側(cè)加熱到回火溫度以上特別是 Ac1 附近的區(qū)域,會產(chǎn)生強度下降的軟化帶。 低碳 調(diào)質(zhì)鋼與 熱軋、 正火鋼相比,對 線能量 過大而引起的 HAZ 脆化傾向更嚴(yán)重。焊縫 (WM)和熱影響區(qū) (HAZ)的脆性轉(zhuǎn)變溫度比母材高,是接頭中的薄弱環(huán)節(jié)。且為冷成形或中溫 成形的受壓元件,應(yīng)于成形后進(jìn)行熱處 3 理。 PWHT 可消除焊接 結(jié)構(gòu) 這類應(yīng)變時效,使韌性恢復(fù)。 (二)焊接接頭的脆化和軟化 ( 1)應(yīng)變時效脆化 焊接接頭在焊接前需經(jīng)受各種冷加工 (下料剪切、筒體卷圓等 ),鋼材會產(chǎn)生塑性變形,如果該區(qū)再經(jīng) 200 ~ 450℃的熱作用就會引起應(yīng)變時效。 低合金高強鋼焊接接頭一般不易產(chǎn)生再熱裂紋,如 16MnR、 15MnVR 等。 ( 2)再熱( SR)裂紋 再熱裂紋是焊接接頭在焊后消除應(yīng)力熱處 理過程或長期處于高溫運行中發(fā)生在靠近熔合線粗晶區(qū)的沿晶開裂。正是由于 低合金高強鋼 含有一定量的合金元素,使其焊接性能與碳鋼有一定差別,其焊接特點表現(xiàn)在: (一)焊接接頭的焊接裂紋 ( 1)冷裂紋 低合金高強鋼由于含使鋼材強化的 C、 Mn、 V、 Nb 等元素,在焊接時易淬硬,這些硬化組織很敏感,因此,在剛性較大或拘束應(yīng)力高的情況下,若焊接工藝不當(dāng),很容易產(chǎn)生冷裂紋。鍛件牌號有 16Mn、 15MnV、 20MnMo、 20MnMoNb 等。 目前應(yīng)用于壓力容器的低合金高強鋼。其特點是既有高的強度,且塑性和韌性也較好,可以直接在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接。 ① 熱軋、正火鋼 屈服強度在 294Mpa ~ 490MPa 之間,其使用狀態(tài)為熱軋、正火或控軋狀態(tài),屬于非熱處理強化鋼,這類鋼應(yīng)用最為廣泛。 二、 壓力容器用低合金高強鋼及其焊接特點 在鋼中除碳外少量加入一種或多種合金元素 (合金元素總量在 5%以下 ),以提高鋼的力學(xué)性能,使 2 其屈服強度在 275 MPa 以上,并具有良好的綜合性能,這類鋼稱之為低合金高強鋼 ,其 主要特點是強度高、塑性和韌性也較好。 ( 2)在現(xiàn)場低溫條件下焊接、 焊接厚度 或 剛性較大 的焊縫時,由于焊接接頭冷卻速度較快,冷裂紋的傾向增大。 (二)低碳鋼焊接要點 ( 1)埋弧焊時若焊接 線能量 過大,會使熱影響區(qū)粗晶區(qū)的晶粒過于粗大, 甚至?xí)a(chǎn)生魏氏組織,從而 使該區(qū) 的沖擊韌性 和 彎曲性能 降低,導(dǎo)致沖擊韌性和彎曲性能不合格 。這種鋼的塑性和沖擊韌性優(yōu)良, 其 焊接接頭 的 塑性 、 韌性也 極其良好 。 常用的壓力容器用碳鋼 牌號 有 Q235B、 Q235C、 20R 等。在《容規(guī)》中規(guī)定:“用于焊接結(jié)構(gòu)壓力容器主要受壓元件的碳素鋼和低合金鋼,其含碳量不應(yīng)大于 %。 碳鋼根據(jù)含碳量的不同,分為低碳鋼 (C≤ % )、中碳鋼 (C= % ~ % )、高碳鋼 (C≥ % )。而其他元素,如 Ni、 Cr、 Cu 等,控制在殘余量限度內(nèi),更不是合金元素 。 第一節(jié) 碳鋼、低合金高強鋼壓力容器的焊接 一、 壓力容器用碳鋼的焊接 碳鋼以 鐵為基礎(chǔ) ,以 碳為合金元素 ,含量一般不超過 %。 1 第十 章 壓力容器的焊接 技術(shù) 隨著工程焊接技術(shù)的迅速發(fā)展,現(xiàn)代壓力容器也已發(fā)展成典型的全焊結(jié)構(gòu)。壓力容器的焊接成為壓力容器制造過程中最重要最關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié),焊接質(zhì)量直接影響壓力容器的質(zhì)量。此外,含錳量不超過 %,含硅量不超過 %, Si、 Mn 皆不作為合金元素 。 S、 P、 O、 N 等作為雜質(zhì)元素 ,根據(jù)鋼材品種和等級,也都有 嚴(yán)格限制。壓力容器主要受壓元件用碳鋼,主要限于低碳鋼。在特殊條件下,如選用含碳量超過 %的鋼材,應(yīng)限定碳當(dāng)量不大于 %,由制造單位征得用戶同意,并經(jīng)制造單位壓力容器技術(shù)總負(fù)責(zé)人批準(zhǔn),并按相關(guān)規(guī)定辦理批準(zhǔn)手續(xù)”。 (一)低碳鋼焊接特點 低碳鋼含碳量低,錳、硅含量少,在通常情況下不會因焊接而引起嚴(yán)重組織硬化 或出現(xiàn) 淬火 組織 。焊接時一般不需預(yù)熱和后熱, 不需采取特殊的工藝措施, 即可獲得質(zhì)量滿意的焊接接頭,故 低碳鋼 鋼具有優(yōu)良的焊接性能,是所有鋼材中焊接性能最好的鋼種。 故在使 用埋弧焊焊接,尤其是焊接厚板時, 應(yīng)嚴(yán)格按經(jīng)焊接工藝評定合格的焊接 線能量 施焊。為避免焊接裂紋,應(yīng) 采取 焊前預(yù)熱 等措施 。按鋼的屈服強度級別及熱處理狀態(tài),壓力容器用低合金高強 鋼可分為二類。 ② 低碳調(diào)質(zhì)鋼 屈服強度在 490Mpa ~ 980Mpa 之間 ,在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下使用,屬于熱處理強化鋼。近年來,這 類 低碳調(diào)質(zhì)鋼應(yīng)用日益廣泛。鋼板牌號有: 16MnR、 15MnVR、 13MnNiMoNbR、18MnMoNbR 等。 低合金高強 鋼的含碳量一般不超過 %,合金元素總量一般不超過 5%。而且這類裂紋有一定的延遲性,其危害極大。一般認(rèn)為, 其產(chǎn)生 是由于焊接高溫使 HAZ 附近的 V、 Nb、Cr、 Mo 等碳化物固溶于奧氏體中,焊后冷卻時來不及析出 , 而在 PWHT 時呈彌散析出,從而強化了晶內(nèi),使應(yīng)力松弛時的蠕變變形集中于晶界。但對于 MnMoNb 和MnMoV系低合金高強鋼, 如 07MnCrMoVR, 由于 Nb、 V 、 Mo 是促使再熱裂紋敏感性較強的元素,因此這一類鋼在焊后熱處理時應(yīng)注意 避開再熱裂紋的敏感 溫度 區(qū), 防止 再熱裂紋的發(fā)生。應(yīng)變時效脆化會使鋼材塑性降低,脆性轉(zhuǎn)變溫度提高,從而導(dǎo)致設(shè)備脆斷。 GB1501998《鋼制壓力容器》 作出規(guī)定,圓筒鋼材厚度δ s 符合以下條件:碳素鋼、 16MnR 的厚度不小于圓筒內(nèi)徑 Di的 3%;其他低合金鋼的厚度不不小于圓筒內(nèi)徑 Di 的 %。 ( 2)焊縫和熱影響區(qū)脆化 焊接是不均勻 的 加熱和冷卻過程,從而形成不均勻組織。焊接 線能量 對 低合金 高強鋼WM 和 HAZ 性能有重要影響, 低合金 高強鋼易淬硬, 線能量 過小, HAZ 會出現(xiàn)馬氏體引起裂紋;線能量 過大, WM 和 HAZ 的晶粒粗大會造成接頭脆化。所以焊接時,應(yīng)將 線能量 限制在一定范圍。 HAZ 區(qū)的 組織 軟化隨著焊接 線能量的增加和預(yù)熱溫度的提高而加重,但一般其軟化區(qū)的抗拉強度仍高于母材標(biāo)準(zhǔn)值的下限要求,所以這類鋼的熱影響區(qū)軟化問題只要工藝得當(dāng),不致影響其接頭的使用性能。只要焊縫強度不低于或略高于母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度的下限值即可。 ( 2)由于這類鋼都具有不同 程度 的冷裂紋傾向,所以,在等強度原則的前提下,嚴(yán)格控制 焊材 中的氫含量是非常重要的,應(yīng)盡量選用低氫型的 焊材 。 ( 3)考慮焊后加工工藝的影響。例如,對于壓力容器常見的 16MnR 鋼的埋弧焊,一般情況下選用 H10Mn2 焊絲 +HJ431 焊劑即可。 四、 壓力容器用低合金高強鋼焊接要點 ( 1)選用低氫或超低氫高韌性的焊材,且重視烘干、保存以及坡口的清理,以減少焊縫中的擴散氫。對于含碳量偏下限的16MnR 鋼焊接時,焊接 線能 量 沒有嚴(yán)格的限制,因為這 種 鋼焊接熱影響區(qū)脆化傾向較小,但對于含釩、鈮、鈦 等 微合金化元素的鋼,則應(yīng)選用較小的焊接 線能量 。 ( 4)焊接低碳調(diào)質(zhì)鋼時,為了使熱影響區(qū)保持良好的韌性,同時使焊縫金屬既有較高的強度又有良好的韌性,這就要求焊縫金屬得到針狀鐵素體組織,而這種組織只有在較快的冷卻條件下才能獲得,為此要嚴(yán)格控 制焊接 線能量 ,不推薦采用大直徑的焊條和焊絲,且要采用多道多層的窄焊道焊,盡量不作橫向擺動的運條方式。一般要求最高預(yù)熱溫度不得高于推薦的最低預(yù)熱溫度加 50℃。 ( 5)加強對焊接接頭的無損檢測,對再熱裂紋敏感的鋼種,應(yīng)在 PWHT 前后都要做射線或 超聲檢測。 圖 101 緩沖罐簡圖 表 101 緩沖罐 焊接工藝 焊縫編號 焊縫位置 焊接方法 焊接材料 說明 O1A O2A1 封頭拼縫 雙面 SAW H08MnMo+HJ431 ① 5 焊縫編號 焊縫位置 焊接方法 焊接材料 說明 1A 2A BB3 殼體縱、環(huán)縫 雙面 SAW H10Mn2+HJ431 ② B2 殼體環(huán)縫 (大合攏 ) 內(nèi) SMAW 外 SAW J507 H10Mn2+HJ431 ③ B4 D1D3 人孔接管與 對應(yīng) 法蘭環(huán)縫 人孔 、小接管 與殼體角焊縫 雙面 SMAW J507 ④ B B6 小 接管與對接法蘭環(huán)縫 GTAW 打底 SMAW 蓋面 TIG50 J507 ⑤ E1 鞍座與殼體焊接 角焊縫 GM AW (CO2 焊 ) TWE711 ⑥ 說明: ① 封頭拼縫在平板狀態(tài)下焊接完成后,需再經(jīng)過 950 ~ 1000℃的加熱后進(jìn)行沖壓成形,故拼縫要經(jīng)過 Ac3 以上溫
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