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摘要:在压力容器设计中,为保持其外壳的强度和韧性,需要选取优质异种钢予以焊接,并进一步控制生产加工成本。本文对压力容器接管强度的计算进行了简要分析,阐述了当接管与筒体强度不同时,焊接材料的选择标准。
关键词:压力容器壳体;异种钢;焊接材料
在金属压力容器的焊接作业时,需要严格按照设计标准进行。因此,在焊接作业前,需要对焊接压力容器外壳和母材的适应性有良好的考量,以实现高韧性、高强度的设计需求。若焊接材料选择不当,则很可能造成焊接作业的气孔、凹陷、裂纹等质量问题的产生。加强对压力容器的焊接钢材的工艺技术研究及合理应用,做好配套的缺陷检查工作;根据金属压力容器外壳所需焊接材料的选用原则,确定质量达标的焊接钢材的选取,对提高压力容器壳体的质量有着十分重要的意义。
一、压力容器壳体与接管异种钢焊接材料选用的原则
(一)满足焊缝的使用性能
在焊接材料的选用中,首先需要对被焊接材料的化学性质和性能进行了解,尤其是对焊缝在结构中的作用有一个充分的认识。其中焊缝的使用性能主要包括:力学性能、韧性、耐高温性、耐腐蚀性等。焊缝从力学性能可分为连接焊缝和工作焊缝。连接焊缝的主要功能是,在结构工作过程中将两个工件紧密的连接在一起,承受较少或不承受工件工作的负荷,对焊缝性能的要求较低;工作焊缝则主要是在工件工作中,承受较大的应力,因此容易损坏,对焊缝的性能要求较高。其中压力容器壳体与接管连接焊缝在《钢制压力容器》中划分为D类,属于工作焊接,其结构具有一定的复杂性,承受较大的负荷。
(二)异种钢焊接材料选用标准
异种钢材焊接材料的选取一般依照低匹配原则,即焊缝的强度匹配于强度较低的母材。如接管20钢的强度需呀高于400MPa.钢壳体Q345R的强度一般高于490MPa,选用E43××型焊条熔敷金属的强度则是420MPa。其中,对于强度性较低的钢材则主要选取等强原则,以保障焊接头的韧性,提高焊接头的抗脆性。
插入式结构形式
骑座式结构形式
二、压力容器开孔设计
(一)压力容器开孔的影响
压力容器上开孔主要是根据产品结构、加工工艺及检验工作共同决定的。因此,大多数容器都需要进行开孔、安装接管。如检查孔,进料、出料口,安全阀门,排污口等。容器的开孔焊接接管会对应力分布和强度带来一定的影响。
1、开孔对应力分布的影响。在压力容器中,开孔区域去除了壳体金属,减少了壳体受力面积,使得原本均匀分布的应力会集中到孔的边缘,导致孔边缘的应力迅速升高,出现应力集中现象。
2、接管处的不连续应力。在容器壳体和接管组成的结构之间,会照成应力的不连续现象;壳体与接管连接的拐角处,也会因为截面过度不等的情况导致集中应力的产生。
上述现象都是由于开孔,使得开孔部位或接管部位处应力高于壳体膜应力,形成的应力集中现象。
(二)压力容器开孔补强计算
由于开孔使得孔周围应力的上涨,而在压力容器厚度计算中,一般只考虑容器的直径、压力、材质等,忽视了对开孔造成的应力集中现象的预防。因此,为保障产品的安全、正常使用,降低孔周围的应力,需要对容器结构进行补强作业。·
补强作业一般根据《钢制压力容器》中的等面积补强法进行计算,容器壳体由于开孔丧失的拉伸承载截面积,需要在孔边的有效补强范围内进行等面积的补偿。
补强的主要形式为,在孔边增加相应的承载金属面积,以达到降低开孔产生的应力集中现象。补强的主要手段为增加壳体壁厚、增加接管壁厚或增加一块补强板等。其中增加壳体壁厚会明显提高设备质量,提高不必要的制造成本,,多选用后两者补强手段。
一般的补强结构分为为插入式(a,b,c,d)和骑座式(e)。其中骑座式开孔需要机加工,因此,在实际生产过程中,一般选用插入式结构形式。
三、压力容器焊接质量控制措施
(一)焊接准备
在压力容器焊接作业之前,首先需要先对压力容器受压组件焊缝坡口进行严格检查,在检查合格后方可进行焊接作业;其次,需要对坡口表明进行预处理工作,主要包括油污、杂物等的清理过程,在坡口呈现出金属光泽后,即达到要求;再者,定位焊接的焊条材料一般选取3.2mm左右的焊条,且其纵缝和环缝定位焊长度在3-5cm,间距为35cm左右,厚度在0.5cm以内;最后,在正式焊接作业前,需要对焊缝进行检查,发现问题及时调整,如用砂轮机将定位焊两端处进行缓坡处理。
(二)质量控制
一、在焊接作业前,需要对施焊技术参数进行调整,避免在正式容器壳体上进行调试,所使用的焊条需要进行烘干处理,并用专用保温桶储存;二、在焊接作业完成之后,需要对施工作业的工序进行仔细检查,确认无误后方可进行下一步的焊接,表面焊道的宽度需要大于坡口宽度的2-4mm,焊缝大小在2mm以内;三、焊接组件、作业卡具及拉筋等,需要与容器壳体使用同种材质的焊条进行焊接作业,其焊道长度应在5cm以上;四、对引弧板、外壳焊接试用板设施的拆除工作,需要严格按照施工标准,不得随意进行锤击拆除;五、焊接头、接管及筒体的焊接需要采用全焊透方式,并将接管里端打磨成圆角,进行光滑过度。
(三)焊接接头的处理控制
焊接接头主要包括对接接头、T形(十字形)接头、角接头及搭接接头等四种基本形式。对接接头作为最常见的一种接头形式,其主要特点有,强度高、受力均匀等,一般使用在筒体和封头等重要部分的焊接中。A类接头主要有筒体的纵向接头、球状封头、连接筒体环向接头以及各类凸形封头等形式;B类接头则指的是长颈法兰和接管连接部分的接头;C类接头以平盖、管板与圆筒非对接接头,法兰与壳体、接管连接的接头为主;D类接头则指的是接管、人孔、补强圈等与壳体等的连接接头。因此,对于A类接头一般采取,全焊透或双面焊接方式;B类接头则根据其作业应力选择焊接方式,一般在作业应力为A类接头的1/2时,采用衬垫单面焊方式;C类接头通常在焊接过程中受力小,一般采取角焊接方式;D类焊缝一般是接管和容器间的交叉缝,其应力分布相对集中,一般采用全焊透接头较为可靠。
结束语
综上所述,在焊接材料的选取中,首要的是对工件结构和焊缝作用的考量,并联系强度计算结果。在插入式接管与压力容器壳体的异种钢焊接中,焊接材料的选取需要与壳体材料相匹配,若选用低配的焊接材料,则难以达到安全标准的需求;而对于骑座式接管与壳体的异种钢的焊接来说,则可以选择低配的焊接材料,降低产品制造成本。
参考文献:
[1]李金华.基于MATLAB的压力容器壳体优化[J].广东化工,2014,41(18)
[2]沈江涛.压力容器壳体壁厚设计要点[J].化工设备与管道,2014,51(2)