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低温钢压力容器焊接技术

发布时间:2017-07-04 23:11:00 点击:    

一、压力容器用低温钢及其焊接特点

无锡瑞升不锈钢反应锅:GB150-1998《钢制压力容器》附录C规定,设计温度低于或等于-20℃的钢制压力容器为低温容器。

众所周知,钢材在低温条件下工作时具有冷脆性。衡量低温钢性能的主要指标是低温韧性,即低温下的冲击韧性和脆性转变温度,钢的低温冲击韧性越高,脆性转变温度越低,则该钢低温韧性越好。钢的成分和组织对低温性能都有显著影响,磷、碳、硅使钢的脆性转变温度升高,其中尤以磷、碳最为显著,而锰和镍会使脆性转变温度降低,对低温韧性有利。钢中含镍量增高时,可以使其在更低的温度下保持相当高的冲击韧性。一般来说,具有面心立方晶格的金属,其韧性随温度的变化极小,18-8型奥氏体不锈钢就是由于具有面心立方晶格,故在很低的温度下仍具有较高的冲击韧性。此外,钢的晶粒越细,低温冲击韧性越好。

低温钢就是通过严格控制钢材中的碳、硫、磷含量或加入一些钒、铝、钛和镍等合金元素,达到固溶强化、晶粒细化之目的,并通过正火或正火+回火处理来细化晶粒,使组织均匀化或使钢具有面心立方晶格,从而使钢在低温下具有足够的低温韧性及抵抗脆性破坏的能力,以保证设备在低温条件下能安全运行。

低温钢一般可分为无镍和含镍两大类。无镍钢的最低使用温度为-50℃,含镍钢最低使用温度根据含镍量的多少范围在-60℃~-196℃之间,-196℃以下则使用奥氏体不锈钢,有关奥氏体不锈钢的焊接在介绍不锈钢焊接时再作详细叙述,下表为部分典型的低温钢的低温冲击韧性指标。

对不含镍的低温钢而言,由于其含碳量低,其他合金元素含量也较少,故其淬硬倾向和冷裂倾向都小,因而具有良好的焊接性能,一般可不预热或用较低的预热温度来进行焊接,当板厚较厚或低温环境下焊接时,才需要一定的预热温度。所以,这一类钢焊接时,只要选择相匹配的焊材和合适的工艺,保证焊缝及热影响区的低温韧性是不成问题的。

含镍低温钢由于添加了镍,虽然对冷裂纹倾向影响不显著,但却增大了热裂纹的倾向,必须严格控制钢及焊材中的碳、硫、磷含量,同时采用合适的焊接规范,使焊缝有较大的焊缝成形系数,即避免形成窄而深的焊道成形截面,就可以有效地避免热裂纹的产生。

总之,低温钢焊接的重点是保证焊缝及热影响区获得足够的低温冲击韧性。

二、压力容器用低温钢焊材选用

(1)所选用的焊材必须保证焊缝含有最少的有害杂质(S、P、O、N等),对于含镍低温钢尤其要严格控制。

(2)选用的焊材应保证焊缝金属的低温韧性。对于含镍低温钢,选用的焊材的含镍量应与母材相当或稍高。

三、压力容器用低温钢焊接要点

(1)采用小的焊接线能量 为避免焊缝及热影响区形成粗大组织而使其冲击韧性严重降低,焊接时必须采用较小的焊接线能量,具体要求是,焊接电流不宜过大,焊条电弧焊时,焊条尽量不摆动,采用窄焊道、多道多层焊和快速多道焊以减小焊道过热,并通过多层焊的重复加热作用细化晶粒。多层焊时要严格控制层间温度。

(2)选择适当的焊接速度 对于含镍低温钢进行埋弧自动焊时,切不可以提高焊接速度来获得较低的焊接线能量。这是因为当焊接速度较高时,由于熔池形成典型的雨滴状,且焊道成形变成窄而深的截面形状,此时就易产生焊道中心的热裂纹。所以,这类钢焊接时,焊接速度要特别选择适当,不可过小,也不可过大。

(3)避免咬边缺陷 低温钢焊接时应注意避免弧坑、未焊透及咬边等缺陷,这些缺陷在低温条件下,在应力作用时,都会造成较大的应力集中而引起脆性破坏。所以对于低温压力容器而言,不允许有任何尺寸的咬边缺陷存在。

四、低温钢压力容器焊接实例

直径4400mm,长90m,壁厚为34mm的乙烯精硫塔,设计温度为-45℃。壳体材质为09MnNiDR,其主要承压焊缝的焊接工艺见下表。

说明:

① 壳程筒体直径较小,焊工无法钻入筒体内焊接,故壳程筒体纵、环缝只能从外侧施焊。同样,由于该设备结构方面的原因,壳程、管程筒体与管板的环缝焊接也只能从外侧进行。至于接管与对接法兰环缝,本设备中接管规格为φ273×12,亦无法从内侧施焊。以上焊缝需要单面焊,但又要保证质量,选用TIG焊打底是保证焊缝质量最有效的方法。对于壳程筒体环缝,也可采用GTAW打底,SMAW再焊两道,然后SAW焊剩余层的方法。

② 尽管管程筒体直径较小,但其长度很短,管程筒体纵缝、管程筒体与法兰环缝具备内侧焊条电弧焊的条件,故采用焊条电弧焊进行双面焊。

③ 接管、整体法兰与法兰盖、管板、壳体的角焊缝设备大合拢焊缝,鉴于此部位焊缝形状和焊接条件,一般选用焊条电弧焊。

④ 换热管-管板焊接是热交换设备的重要焊缝,其焊接方法有焊条电弧焊、手工钨极氩弧焊、全位置自动氩弧焊。焊条电弧焊是最早使用的焊接方法,其特点是效率高,但是质量对比于其他两种方法来说要差很多,现在基本上已被淘汰。但是在某些特殊场合,如丝堵式空冷器,其管子-管板焊接必须通过管板前的丝堵板进行焊接,这时只能用采用焊条电弧焊的方法,用小直径焊条焊接,这对焊工操作技术要求很高,一般在焊前需要对焊工进行专门培训。

目前使用最广泛,质量最好的焊接方法为自动氩弧焊。本设备中换热管-管板焊接采用全位置自动氩弧焊,焊接接头形式为角焊缝。焊丝直径为1mm,填丝焊两道。

⑤ 内壁与壳体内壁角焊缝,鉴于此部位焊缝形状和焊接条件,一般选用焊条电弧焊。


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