综合性实验报告压力容器焊接结构及工艺设计

综合性实验报告压力容器焊接结构及工艺设计 实 验 者： 指导老师溜达 班 级：o8hanie 学 号：10目 录摘要2关键字2前言1 概述31.1压力容的分类31.2 压力容器的结构特点 42 实验方案及方法 42.1 材料的选则 4 2.2 焊接性能分析 6 2.2.1 裂纹问题 6 2.2.2 脆化问题 72.3 焊接方法及参数的确定 7 2.3.1 焊接接头形式 8 2.3.2 焊缝坡口的选择82.3.4 焊接方法的选择10 2.3.4 焊接材料的选择 123 实验过程 12 3.1 焊前准备 133.2 焊接操作 13 3.3 焊后热处理 13 3.3 焊缝机械性能检验 134 实验结果与分析 14 4.1 焊接接头硬度分析 15 4.2 焊接接头机械性能分析 15 4.3 焊接接头金相图 165 结论 186 总结 187 致谢 188 参考文献 19 摘 要目前中国生产的电站锅炉、工业锅炉和各种石油化工容器均为焊接结构，其焊接工作量之大，对焊接质量要求之高居整个焊接结构制造业之首位。目前中国的压力容器制造行业已经能够制造大型、超重型、高压和超高压容器。本文主要介绍压力容器的结构、使用性能、材料的选择、焊接结构与工艺的设计、憨厚的热处理、失效形式等。通过多步骤的实验得出了硬度数据、拉伸图、金相图片等资料，并就实验中出现的问题做了整理和分析，以供参考。 根据工件的工作环境、使用性能可知道工件的力学性能有高强度、好的塑性、韧性和焊接性。根据其工作要求、性能要求、服役条件和经济状况决定零件素需要的材料为16MnR钢。并根据工件的结构、性能要求以及材料确定工件的热处理工艺。关键词：压力容器、手工电弧焊、坡口、金相图 前 言压力容器一般是指用于一定压力流体的贮存、运输或者是传质、传热、反应的密闭容器。广泛应用于采矿、炼油、冶金、化工、医药等行业以及人民生活的很多方面。1.概述1.1压力容器的分类压力容器的设计、制造、安装、使用、检验、改造和修理都要受到国家压力容器安全技术监察规程的监察。压力容器的焊接工作有严格的参数，必须遵循国家有关标准、行业标准和专业标准。按压力容器的工作压力p,压力容器可分为低压、中压、高压和超高压容器四类。这四类容器的压力范围规定如下：a. 低压容器（L），0.1p1.6MPa;b. 中压容器（M），1.6p10MPa;c. 高压容器（H），10p100MPa;d. 超高压容器（U）,p100MPa。按照压力容器安全技术的角度可将容器分为固定式容器和移动式容器。从压力容器的用途和化工工艺过程的性质，可将压力容器分为反应容器、换热容器、分离容器和贮运容器。鉴于各种容器的工作压力和介质差别较大，容器按工作压力、温度的高低以及在运行过程中的危害程度可以分为一类容器、二类容器和三类容器。一类容器是指装有非易燃或无毒介质的低压容器，或者是装有易燃或有毒介质的低压分离器和换热器。二类容器包括中压容器，或者装有剧毒介质的低压容器和装有易燃或有毒介质的低压反应器和贮运容器。三类容器是指高压或超高压容器。或者装有剧毒介质的大型低压和中压容器，或者装有剧毒介质的低压容器和装有易燃或有毒介质的中压反应器和贮运容器。1.2压力容器的结构特点压力容器最常见的结构形式为圆柱形、球形和圆锥形三种。大多数压力容器是由封头、端盖、筒体和接管等部件组成。压力容器的封头按其外形可分为椭圆形，蝶形和球形三种。厚度在20mm以下的薄壁封头可采用冷冲压或旋压成形制造。20mm以上的壁厚封头一般采用热冲压成型制造。大直径封头可由瓜瓣片和圆顶盖拼焊而成。厚壁容器的顶盖以及热交换器的管板大部分采用大型锻件加工而成。圆柱形筒体和椎体可采用冷卷或热卷成形，也可采用压制成形工艺制造。封头、端盖、筒体（椎体）和接管之间几乎全部用焊接而成。2 实验方案及方法2.1 材料选择 压力容器所用的材料一般为碳钢、低合金钢和合金钢，含碳量一般规定0.25%。压力容器用钢必须满足使用条件下的力学性能要求，主要包括强度和塑韧性的要求。压力容器用钢要求室温下的冲击韧性60-70J/cm2 ,-40时的冲击韧性为35-40J/cm2 （U型缺口）。压力容器所用的材料都应有供应厂商完整的质量证明书。初步选择Q235和16Mn进行对比。Q235：普通碳素结构钢，是一种钢材的材质。Q代表的是这种材质的屈服度，后面的235就是这种材质的屈服值，在235左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。由于含碳量适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好的配合，用途广泛。常用于制作钢筋或厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不高的机械零件。化学成分见下表2-1与力学性能见下表2-2 表2-1牌号等级化学成分（质量分数）（%）CMnSiSPQ235A0.140.220.300.650.300.0500.045B0.120.200.300.700.045C0.180.350.800.0400.040D0.170.0350.035 表2-2 牌号拉力强度MPa屈服点MPa伸长率（%）Q2353755002352616MnR：强度级别为343Mpa，在热轧或正火状态下使用。综合力学性能、焊接性及低温韧性、冷冲压及切削性均好，与Q235相比，强度提高50%，耐大气腐蚀性能提高20%-38%,低温冲击韧性也比Q235钢优越，价廉，应用广泛。用于各种大型船舶、车辆、桥梁、管道、锅炉、压力容器、石油贮藏、矿山机械、电站设备、厂房钢架等承受动载荷的焊接结构。化学成分见下表2-3与力学性能见下表2-4 表2-3牌号化学成分(质量分数)(%)CSiMnPSCrMoV16MnR0.12-0.200.20-0.601.20-1.600.0300.030- 表2-4牌号拉力强度MPa屈服点MPa伸长率(%)16MnR490-67032021Q235和16MnR都具有良好的综合性能和焊接性能，但16Mn的强度比Q235的高、冲击韧性也比Q235的优越、耐大气腐蚀性也好。价格也便宜。综合考虑，选择16MnR。16MnR的性能参数见表2-5 表2-5钢号拉伸性能冲击性能板厚/mm状态s/MPab/MPa5/%弯曲180温度/冲击功Aku/J时效冲击16MnR6-16热轧或热处理345510-65521d=2a室温272.2压力容器焊接性能分析2.2.1 裂纹问题（1）热裂纹：热轧钢一般含碳量较低，而含锰量较高，因此它们Mn/S比较大，具有良好的抗热裂性能。正常情况下焊缝中不会出现热裂纹，但当材料成分不合格或有严重偏析，使碳、硫含量偏高，Mn/S比偏低，易出现热裂纹。锰在钢种可与硫形成硫化锰，减少了硫的有害影响，增强了钢的抗热裂性能。 （2） 冷裂纹：钢材冷裂纹主要取决于钢材的淬硬倾向，而刚才的淬硬倾向又主要取决于它的化学成分。热轧钢由于含有少量合金元素，其碳当量比低碳钢碳当量略高些，所以这种钢淬硬倾向比低碳钢要大些，而且随钢材强度级别的提高，合金元素的增加，它的淬硬倾向逐渐增大，应根据接头形式和钢材厚度来调整线能量、预热和后热温度，以控制热影响区的冷却速度，同时降低焊缝金属的含氢量等措施，防止冷裂纹的产（3） 再热裂纹：从钢材的化学成分考虑，由于热轧钢中不含强碳化物形成元素，因此对再热裂纹不敏感，而且还可以通过提高预热温度和焊后立即后热等措施来防止再热裂纹的产生。2.2.2 脆化问题（1） 过热区脆化：热轧钢焊接时近缝区中被加热到100以上粗晶区，易产生晶粒长大现象，是焊接接头中塑性最差的部位，往往会承受不住应力的作用而破坏。防止过热区脆化的措施是提高冷却速度，尤其是提高奥氏体最小稳定性范围内的冷却速度，缩短在这一温度区间停留时间，减少或防止奥氏体组织的出现，以提高钢的冲击韧度，而且为防止过热区粗晶脆化，也不宜采用过大线能量。 （2）热应变脆化：热应变脆化是由于焊接过程中热应力产生塑性变形使位错增殖，同时诱发氮碳原子快速扩散聚集在位错区，出现热应变脆化。16Mn和15MnV这两类钢具有一定得热应变脆化倾向，焊接时消除热应变脆化的有效措施是焊后退火处理。2.3 焊接方法及参数的确定（筒体的焊接）研究对象选择厚度为6mm的钢板焊接低压容器的筒体2.3.1 焊接接头形式（1）对接两件表面构成大于或等于1350,小于或等于1800夹角的接头。在各种焊接结构中它是采用最多的一种接头形式。(2) 交接接头 两焊件端面间构成大于300、小于1350夹角的接头，这种接头受力状况不好，常用于不重要的结构中。（3) T形接头 一件之端面与另一件表面构成直角或近似直角的接头。（4） 搭接接头两件部分重叠构成的接头。经综合分析考虑，应采用对接接头。因为这种接头的强度可以达到与母材相等，受力也比较均匀。2.3.2焊缝坡口的选择当压力容器的板厚超过一定厚度时，为了保证压力容器的焊缝全部焊透又无缺陷，应将钢板接头处开各种形状的坡口。破口的形状和尺寸取决于被焊材料和所采用的焊接方法。 表2-6名称接头形式基本尺寸适用范围标注代号备注对接接头手工电弧焊d234b0+11+1薄板拼接,筒体纵、环焊缝d340a605b用于根部间隙较大且无法用机械方法加工坡口的容器环焊缝d6101226a455355b7+18+1P112-1筒体内无法焊接，但是允许衬垫板的焊缝注：一般不推荐使用垫板尺寸由施焊者自定d1660a555b2+1P21钢板拼接，筒体的纵焊缝d309092150b6242b1+1P2+1R6+1钢板拼接，筒体的纵焊缝d3060a655b102b2+1P21H10+2厚壁筒体的环焊缝，多用于筒体内径DN600mm的单面焊接压力容器的筒体内壁焊接起来比较困难，且因为要装液体或气体所以必须保证内壁的光滑无毛刺来保证所装东西的纯净。经分析，为了得到更好的焊缝质量和更好的操作方便选用单面V型坡口。2.3.3焊接方法的选择 在压力容器制造中，焊接方法主要根据被焊材料、接头厚度、焊缝位置和坡口形式选择。目前，常用的焊接方法有手工电弧焊、埋弧自动焊、电渣焊、气体保护焊及等离子弧焊等。埋弧焊：1.生产效率高这是因为，一方面焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，因此电弧的溶深和焊丝溶敷效率都大大提高。（一般不开坡口单面一次溶深可达20mm）另一方面由于焊剂和溶渣的隔热作用，电弧上基本没有热的辐射散失,飞溅 也少，虽然用于熔化焊剂的热量损耗有所增大，但总的热效率仍然大大增加。2.焊缝质量高 熔渣隔绝空气的保护效果好，焊接参数可以通过自动调节保持稳定，对焊工技术水平要求不高,焊缝成分稳定，机械性能比较好。3.劳动条件好 除了减轻手工焊操作的劳动强度外，它没有弧光辐射，这是埋弧焊的独特优点。CO2保护焊： 焊接成本低 CO2气体是酿造厂和化工厂的副产品，来源广，价格低，其综合成本大概是手工电弧焊的1/2。生产效率高 CO2气体保护焊使用较大的电流密度（200A/mm2左右），比手工电弧焊（10-20A/mm2左右）高得多，因此熔深比手弧焊高2.2-3.8倍，对10mm以下的钢板可以不开坡口，对于厚板可以减少坡口加大钝边进行焊接，同时具有焊丝熔化快，不用清理熔渣等特点，效率可比手弧焊提高2.5-4倍。 焊后变形小 CO2气体保护焊的电弧热量集中，加热面积小，CO2气流有冷却作用，因此焊件焊后变形小，特别是薄板的焊接更为突出。 抗锈能力强 CO2气体保护和埋弧焊相比，具有较高的抗锈能力，所以焊前对焊件表面的清洁工作要求不高，可以节省生产中大量的辅助时间。 缺点：由于CO2气体本身具有较强的氧化性，因此在焊接过程中会引起合金元素烧损，产生气孔和引起较强的飞溅，特别是飞溅问题，虽然从焊接电源、焊丝材料和焊接工艺上采取了一定的措施，但至今未能完全消除，这是CO2焊的明显不足之处。手工电弧焊： 设备简单，可用成本较低的交流或直流焊接电源。1. 灵活方便，可用焊接各种位置、各种厚度和形状的焊件。2. 焊条品种齐全，可供焊接不同的钢材选用。3. 焊接质量主要取决于焊工的熟练程度和焊条的质量。焊接方法应根据焊接结构、制造要求以及对焊接接头质量的影响及所具有的焊接设备条件灵活选择，通过综合考虑，采用手工电弧焊。电源种类：交流（交流比较普遍，增强了实际操作中的灵活性） 2.3.4 焊接材料的选择 压力容器的焊接材料的选用必须保证焊缝性能不低于母材，尤其是焊缝的韧性指标是选材考虑的重点。根据各项查的应选J427或J426 型焊条（交流电源）J506或J507（直流电源）。此处我们用J426型焊条。焊接工艺参数如下表2-7和表2-8所示： 表2-7焊缝空间位置坡口形式焊件厚度（mm) 第一条焊缝 其他各层焊缝 封底焊缝平对接焊缝单面V 形56焊条直径（mm)焊接电流（A)焊条直径（mm)焊接电流（A)焊条直径（mm)焊接电流（A)4200-2204200-2204200-220表2-8电源焊条焊接位置前倾/(）侧倾/(）交流J406平焊10-1580-90 3 实验过程本实验采用两个工件，工件一进行焊后热处理，工件二不进行焊后热处理。并对实验结果加以比较。3.1焊前准备 （1）坡口加工采用热切割时应注意防止母材边缘会形成一定深度的淬硬层，这种低塑性的淬硬层往往成为冷加工的开裂源。（2）焊前必须消除焊接区钢板表面的水分，坡口表面的氧化皮、锈斑、油脂以及其他污物。（3）焊接材料在使用前应按生产厂推荐的规范进行烘干。（4）装配定位焊缝必须采用与正式焊缝同一类型的焊条。3.2 焊接操作(1) 起弧：现在试板上调好电流，直至所需电流为止。一切正常后在压板上划擦引弧，待电弧稳定燃烧后引至坡口处中心尽量压低电弧，并稳弧1-2秒，当管口发出电弧击穿后立即进行正常运条。（2）运条：采用直线运条法。3.3 焊后热处理 为改善压力容器焊接区的性能和消除焊接残余应力等有害影响，对焊接区及其有关部位在金属相变温度点以下充分均匀加热，然后又均匀冷却以进行消除应力退火。焊后热处理是保证压力容器焊接接头性能的一个非常重要的环节。本实验采用600-640回火，保温40分钟来消除应力。3.4焊缝机械性能检验（1）根据GB2649-1989焊接接头试样标准取样，把工件一和二制成拉伸式样一、二（如图3-1和3-2）。（2）加工成无余高的拉伸试样后，分别在洛氏硬度机上从焊缝中心相热影响区打硬度，并记录相应数值，并分析.（3）分别在万能拉伸机上进行拉伸试验。观察宏观断口，并对拉伸数据进行比较，看是否复合要求。（4）制取焊缝区的金相，并用金相显微镜对焊接接头进行金相观察。图3-1 图3-24 实验结果与分析4.1焊接接头硬度分析（热处理工件） 表4-1如上表4-1为焊缝到焊接热影响区的硬度走势图。可以看出过热区是硬度最高区域。焊缝和母材的硬度相差不大，一般是相近的。熔合线外侧过热区组织粗大，奥氏体晶粒最粗，显微硬度也最高。所以在过热区出现了硬度的峰值。热影响区的硬度在过热区会突然上升，然后再很快将下来，对应高硬度的过热区韧性恰好是个最低值。所以，在熔合线外侧过热区的高硬度是造成热影响区裂缝的必要条件。所以测定热影响区的硬度分布是极为重要的。4.2焊接接头机械性能分析（1）宏观断口观察。如图4-1（热处理）和4-2（未热处理）。肉眼观察可看出经过热处理的式样为韧性断口，而未处理过的则为脆性断口。所以焊后热处理可提高焊缝的韧性。断口在焊接接头处，说明，焊接接头还是整个工件最薄弱的地方。正所谓组织影响性能，因为焊接热影响区组织粗大，不均匀，所以此处的强度和韧性都不如工件的其他区域。外加焊接时突然加热，冷却，是工件内部产生应力，有可能产生热裂，微观裂纹等缺陷。是此处更加薄弱。（2）力学性能比较拉断后的的数据可查附表1式样二最大载荷43154.2 N，抗拉强度431.542MPa,断裂强度398.312MPa。工件在焊缝区断裂，此数值已达到所规定数值，所以满足要求。式样一比二性能更好，力学性能指数更高，所以式样二也满足要求。可见，焊后热处理对焊缝性能是会有一定影响的。所以，做好焊后热处理很重要。 图4-1 图4-24.3焊接接头金相图分(热处理工件) 侵蚀剂：4%的硝酸酒精。1-3图放大倍数均为500倍。图1焊缝组织图中白条状为先共析铁素体，描绘出焊缝柱状晶原奥氏体晶界。晶体内部为针状铁素体图2：熔合区组织。焊缝与母材过热区交界。图3（左）：母材组织 珠光体和铁素体图4（右）：焊接接头整体样貌（放大50倍）以上图片为所拍金相图。对焊接接头进行了分析。从宏观上看，16Mn热影响区是一个即与母材不同又与焊缝不同的组织区域。这部分区域的组织就是珠光体在热循环过程中形成的细小铁素体与珠光体和原来未发生相变较粗大的铁素体构成的组织。由于有未转变的铁素体，即使发生部分重结晶过程，仍然能看出组织的带状特征。过热粗晶区的性能尤其是冲击韧性最差，韧性差主要归因于奥氏体晶粒粗大的结果。16Mn的过热区组织是先共析铁素体沿晶分布，同时靠近先共析铁素体的三角形黑色组织小区是索氏体组织，从晶界先共析铁素体近处伸展于晶体内的粗大铁素体片为魏氏组织铁素体。晶体内部细小的点状组织为粒状贝氏体组织。16Mn的熔合区是靠近焊缝金属过度区域，与焊缝组织和过热粗大晶粒间也没有明显的界线这个区域温度是金属局部局部熔化温度，化学成分和组织极不均匀，使这个区域易产生裂缝，夹杂物的熔化再重新分配也造成极不利的的影响，是易于造成脆性破坏的发源地。16Mn的正火区也称相变重结晶区，此区域具有细小均匀的组织，所以此区一把将在性能方面是比较好的，甚至超过母材。正火区一般出现的问题较少。在此试验金相组织中未发现明显的气孔、夹渣等缺陷。 5 结论（1）在正确的工艺措施和焊接工艺条件下，对16Mn进行手工电弧焊可获得性能良好的焊接接头。（2）采用手工电弧焊焊接的压力容器筒体，强度满足应用要求。（3）焊前一定要将坡口处理干净，这会导致气孔和裂纹的产生。 6 总结金属材料的焊接是实际很强的工作，书上是一套，而实际又是一套。这要求我们在现实的学习和工作中要不断的观测，不断的与同学和老师交流，总结分析自已工作中的不足，来提高自已。通过本次试验，让我收获颇多：对焊接材料的使用条件及性能有了初步的了解，对焊接结构、工艺设计的步骤和要求有了初步的了解，通过对制作金相、材料的焊接等实践操作，大大锻炼了自己的动手能力。但在这中间也对发现了自己存在很多的不足。当面对一些复杂的实验问题是还不能很好很快的完成。我将在今后的学习和工作中不断提高、完善、不断地探索。7 致谢王鑫老师在理论课上详细的讲解和郑署阳老师在实验中细心的指导，使我对实验更加清楚明白。杨通老师和刘健康老师在实验中给予大力的支持与帮助，在此表示衷心的感谢！8【参考文献】1 吕德林 李砚珠编 焊接金相分析 机械工业出版社 1987.102 焊接手册二材料的焊接M . 北京:机械工业出版社, 2003.3 陈祝年. 焊接工程师手册M . 北京:中国机械工业出版社, 2002.4 殷树言. 气体保护焊技术问答. 机械工业出版社 2004年1月5 于增瑞 钨极氩弧焊实用技术 化学工业出版社 2004年10月6 李亚江 王娟 刘鹏. 低合金钢焊接及工程应用 化学工业出版社 2003年9月7 王宽福 压力容器焊接结构工程分析 化学工业出版社 1998年5月8 王晓敏 工程材料学 哈尔滨工业大学出版社 2005年3月 - 19 -