压力容器壳体与接管异种钢焊接材料的选用徐爱玲

压力容器壳体与接管异种钢焊接材料的选用徐爱玲

徐爱玲

仪征鸿钧化工机械有限公司211900

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）