壓力容器殼體與接管異種鋼焊接材料的選用

摘要：在壓力容器設(shè)計(jì)中，為保持其外殼的強(qiáng)度和韌性，需要選取優(yōu)質(zhì)異種鋼予 以焊接，并進(jìn)一步控制生產(chǎn)加工成本。本文對(duì)壓力容器接管強(qiáng)度的計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，闡述了當(dāng)接管與筒體強(qiáng)度不同時(shí)，焊接材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：壓力容器殼體；異種鋼；焊接材料

在金屬壓力容器的焊接作業(yè)時(shí)，需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。因此，在焊接作業(yè)前，需要對(duì)焊接壓力容器外殼和母材的適應(yīng)性有良好的考量，以實(shí)現(xiàn)高韌性、高強(qiáng)度的設(shè)計(jì)需求。若焊接材料選擇不當(dāng)，則很可能造成焊接作業(yè)的氣孔、凹陷、裂紋等質(zhì)量問(wèn)題的產(chǎn)生。加強(qiáng)對(duì)壓力容器的焊接鋼材的工藝技術(shù)研究及合理應(yīng)用，做好配套的缺陷檢查工作；根據(jù)金屬壓力容器外殼所需焊接材料的選用原則，確定質(zhì)量達(dá)標(biāo)的焊接鋼材的選取，對(duì)提高壓力容器殼體的質(zhì)量有著十分重要的意義。

一、壓力容器殼體與接管異種鋼焊接材料選用的原則

（一）滿足焊縫的使用性能

在焊接材料的選用中，首先需要對(duì)被焊接材料的化學(xué)性質(zhì)和性能進(jìn)行了解，尤其是對(duì)焊縫在結(jié)構(gòu)中的作用有一個(gè)充分的認(rèn)識(shí)。其中焊縫的使用性能主要包括：力學(xué)性能、韌性、耐高溫性、耐腐蝕性等。焊縫從力學(xué)性能可分為連接焊縫和工作焊縫。連接焊縫的主要功能是，在結(jié)構(gòu)工作過(guò)程中將兩個(gè)工件緊密的連接在一起，承受較少或不承受工件工作的負(fù)荷，對(duì)焊縫性能的要求較低；工作焊縫則主要是在工件工作中，承受較大的應(yīng)力，因此容易損壞，對(duì)焊縫的性能要求較高。其中壓力容器殼體與接管連接焊縫在《鋼制壓力容器》中劃分為D類(lèi)，屬于工作焊接，其結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性，承受較大的負(fù)荷。

（二）異種鋼焊接材料選用標(biāo)準(zhǔn)

異種鋼材焊接材料的選取一般依照低匹配原則，即焊縫的強(qiáng)度匹配于強(qiáng)度較低的母材。如接管20鋼的強(qiáng)度需呀高于400MPa.鋼殼體Q345R的強(qiáng)度一般高于490MPa，選用E43××型焊條熔敷金屬的強(qiáng)度則是420MPa。其中，對(duì)于強(qiáng)度性較低的鋼材則主要選取等強(qiáng)原則，以保障焊接頭的韌性，提高焊接頭的抗脆性。

插入式結(jié)構(gòu)形式

騎座式結(jié)構(gòu)形式

二、壓力容器開(kāi)孔設(shè)計(jì)

（一）壓力容器開(kāi)孔的影響

壓力容器上開(kāi)孔主要是根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、加工工藝及檢驗(yàn)工作共同決定的。因此，大多數(shù)容器都需要進(jìn)行開(kāi)孔、安裝接管。如檢查孔，進(jìn)料、出料口，安全閥門(mén)，排污口等。容器的開(kāi)孔焊接接管會(huì)對(duì)應(yīng)力分布和強(qiáng)度帶來(lái)一定的影響。

1、開(kāi)孔對(duì)應(yīng)力分布的影響。在壓力容器中，開(kāi)孔區(qū)域去除了殼體金屬，減少了殼體受力面積，使得原本均勻分布的應(yīng)力會(huì)集中到孔的邊緣，導(dǎo)致孔邊緣的應(yīng)力迅速升高，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2、接管處的不連續(xù)應(yīng)力。在容器殼體和接管組成的結(jié)構(gòu)之間，會(huì)照成應(yīng)力的不連續(xù)現(xiàn)象；殼體與接管連接的拐角處，也會(huì)因?yàn)榻孛孢^(guò)度不等的情況導(dǎo)致集中應(yīng)力的產(chǎn)生。

上述現(xiàn)象都是由于開(kāi)孔，使得開(kāi)孔部位或接管部位處應(yīng)力高于殼體膜應(yīng)力，形成的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（二）壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

由于開(kāi)孔使得孔周?chē)鷳?yīng)力的上漲，而在壓力容器厚度計(jì)算中，一般只考慮容器的直徑、壓力、材質(zhì)等，忽視了對(duì)開(kāi)孔造成的應(yīng)力集中現(xiàn)象的預(yù)防。因此，為保障產(chǎn)品的安全、正常使用，降低孔周?chē)膽?yīng)力，需要對(duì)容器結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)?！?/p>

補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)一般根據(jù)《鋼制壓力容器》中的等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行計(jì)算，容器殼體由于開(kāi)孔喪失的拉伸承載截面積，需要在孔邊的有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)進(jìn)行等面積的補(bǔ)償。

補(bǔ)強(qiáng)的主要形式為，在孔邊增加相應(yīng)的承載金屬面積，以達(dá)到降低開(kāi)孔產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象。補(bǔ)強(qiáng)的主要手段為增加殼體壁厚、增加接管壁厚或增加一塊補(bǔ)強(qiáng)板等。其中增加殼體壁厚會(huì)明顯提高設(shè)備質(zhì)量，提高不必要的制造成本，，多選用后兩者補(bǔ)強(qiáng)手段。

一般的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)分為為插入式（a，b，c，d）和騎座式（e）。其中騎座式開(kāi)孔需要機(jī)加工，因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，一般選用插入式結(jié)構(gòu)形式。

三、壓力容器焊接質(zhì)量控制措施

（一）焊接準(zhǔn)備

在壓力容器焊接作業(yè)之前，首先需要先對(duì)壓力容器受壓組件焊縫坡口進(jìn)行嚴(yán)格檢查，在檢查合格后方可進(jìn)行焊接作業(yè)；其次，需要對(duì)坡口表明進(jìn)行預(yù)處理工作，主要包括油污、雜物等的清理過(guò)程，在坡口呈現(xiàn)出金屬光澤后，即達(dá)到要求；再者，定位焊接的焊條材料一般選取3.2mm左右的焊條，且其縱縫和環(huán)縫定位焊長(zhǎng)度在3-5cm，間距為35cm左右，厚度在0.5cm以?xún)?nèi)；最后，在正式焊接作業(yè)前，需要對(duì)焊縫進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)調(diào)整，如用砂輪機(jī)將定位焊兩端處進(jìn)行緩坡處理。

（二）質(zhì)量控制

一、在焊接作業(yè)前，需要對(duì)施焊技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，避免在正式容器殼體上進(jìn)行調(diào)試，所使用的焊條需要進(jìn)行烘干處理，并用專(zhuān)用保溫桶儲(chǔ)存；二、在焊接作業(yè)完成之后，需要對(duì)施工作業(yè)的工序進(jìn)行仔細(xì)檢查，確認(rèn)無(wú)誤后方可進(jìn)行下一步的焊接，表面焊道的寬度需要大于坡口寬度的2-4mm，焊縫大小在2mm以?xún)?nèi)；三、焊接組件、作業(yè)卡具及拉筋等，需要與容器殼體使用同種材質(zhì)的焊條進(jìn)行焊接作業(yè)，其焊道長(zhǎng)度應(yīng)在5cm以上；四、對(duì)引弧板、外殼焊接試用板設(shè)施的拆除工作，需要嚴(yán)格按照施工標(biāo)準(zhǔn)，不得隨意進(jìn)行錘擊拆除；五、焊接頭、接管及筒體的焊接需要采用全焊透方式，并將接管里端打磨成圓角，進(jìn)行光滑過(guò)度。

（三）焊接接頭的處理控制

焊接接頭主要包括對(duì)接接頭、T形（十字形）接頭、角接頭及搭接接頭等四種基本形式。對(duì)接接頭作為最常見(jiàn)的一種接頭形式，其主要特點(diǎn)有，強(qiáng)度高、受力均勻等，一般使用在筒體和封頭等重要部分的焊接中。A類(lèi)接頭主要有筒體的縱向接頭、球狀封頭、連接筒體環(huán)向接頭以及各類(lèi)凸形封頭等形式；B類(lèi)接頭則指的是長(zhǎng)頸法蘭和接管連接部分的接頭；C類(lèi)接頭以平蓋、管板與圓筒非對(duì)接接頭，法蘭與殼體、接管連接的接頭為主；D類(lèi)接頭則指的是接管、人孔、補(bǔ)強(qiáng)圈等與殼體等的連接接頭。因此，對(duì)于A類(lèi)接頭一般采取，全焊透或雙面焊接方式；B類(lèi)接頭則根據(jù)其作業(yè)應(yīng)力選擇焊接方式，一般在作業(yè)應(yīng)力為A類(lèi)接頭的1/2時(shí)，采用襯墊單面焊方式；C類(lèi)接頭通常在焊接過(guò)程中受力小，一般采取角焊接方式；D類(lèi)焊縫一般是接管和容器間的交叉縫，其應(yīng)力分布相對(duì)集中，一般采用全焊透接頭較為可靠。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在焊接材料的選取中，首要的是對(duì)工件結(jié)構(gòu)和焊縫作用的考量，并聯(lián)系強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。在插入式接管與壓力容器殼體的異種鋼焊接中，焊接材料的選取需要與殼體材料相匹配，若選用低配的焊接材料，則難以達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)的需求；而對(duì)于騎座式接管與殼體的異種鋼的焊接來(lái)說(shuō)，則可以選擇低配的焊接材料，降低產(chǎn)品制造成本。

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