压力容器焊接结构设计

第六章焊接结构设计2本章重点和难点：焊接结构的设计要求和原则焊接接头的设计（接头、坡口等）焊接结构细节的设计3焊接结构是金属结构中一种最主要的结构形式，如钢结构、船舶壳体、锅炉及压力容器，以及工程机械、动力机械、汽车拖拉机、铁路车辆等结构都是焊接结构，它们大多依据有关的规程规范进行设计，《焊接手册》第3卷、《焊接结构设计手册》及其他大量著作。一、焊接结构、接头和细节设计41．焊接结构设计的内容1)选择结构材料，包括制造结构材料种类和规格。2)确定结构的形式，进行结构强度、刚度、稳定性等进行的计算(这种计算是在力系分析基础上进行的)。3)结构细节设计、焊接设计和计算。4)绘制焊接图，规定产品的技术条件、工艺要求等。5)编制设计计算说明书，其中包括设计结构的构造合理性和技术经济先进性的论证。52.焊接结构设计的基本要求和遵循原则基本要求：实用性、安全性、工艺性和经济性等。遵循原则：1)合理选择材料的种类，尽量采用标准件、通用件和型材。2)合理地设计结构形式。尽量采用简洁明快的结构构造形式，采用最简单和最合理的接头形式，并且种类越少越好，减少短而不规则的焊缝和避免不易加工的空间曲面结构。3)合理地布置焊缝。例如对称布置焊缝、避免焊缝交叉、密集，重要的工作焊缝要连续，次要的联系焊缝可用断续焊缝，这有利于焊接施工和减少焊接工作量，便于控制焊接应力和变形。4)施工方便并考虑改善工人劳动条件。设计结构时就要考虑到日后施工的很多问题，如可达性问题，保证各种施工必需的操作空间问题等。6二、焊接接头形式对接接头角接接头及T字形接头搭接接头焊接接头形式（a）对接接头；（b）角接接头；（c）搭接接头焊接接头的三种形式7板材对接焊缝试件管材对接焊缝试件板材角焊缝试件管与板角焊缝试件对接焊缝试件角焊缝试件注意：接头是由焊缝连接而成，同一种焊缝可以连接不同的接头。8注意：焊接工艺评定时考察的对象是“焊缝”，而不是焊接接头。对接接头T形接头角接接头锁底接头对接焊缝对接焊缝对接焊缝对接焊缝角接接头T形接头搭接接头对接接头角焊缝角焊缝角焊缝角焊缝9受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容易得到保证。1．对接接头结构：两个相互连接零件在接头处的中面处于同一平面或同一弧面内进行焊接的接头。特点：应用：最常用的焊接结构形式。10结构不连续，承载后受力状态不如对接接头，应力集中比较严重，且焊接质量也不易得到保证。2．角接接头和T型接头结构：两个相互连接零件在接头处的中面相互垂直或相交成某一角度进行焊接的接头。T型接头指两构件成T字形焊接在一起的接头。角接接头和T字接头都形成角焊缝。特点：某些特殊部位：接管、法兰、夹套、管板和凸缘的焊接等。应用：113．搭接接头主要用于加强圈与壳体、支座垫板与器壁以及凸缘与容器的焊接。结构：两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起，中面相互平行，进行焊接的接头。特点：属于角焊缝，与角接接头一样，在接头处结构明显不连续，承载后接头部位受力情况较差。应用：121.焊接坡口——为保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般将焊件连接处预先加工成各种形状。不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度。三、坡口形式Ⅰ形V型单边V形U形J形基本坡口形状组合形状坡口形状13坡口的基本形式特例：一般接头应开设坡口，而搭接接头无需开坡口即可焊接。J型U型单边V型V型I型141516双V形坡口由两个V形坡口和一个I形坡口组合而成双V形坡口172.坡口形式的选择熔焊坡口形式根据其形状可分为三类：•基本型，I形、V形和单V形、U形和单U形等；•特殊型，如卷边的、带垫板的、锁边的和开槽焊等；•组合型18压焊接头电阻焊、摩擦焊、扩散焊、超声波焊和爆炸焊统称为压焊，其中电阻焊和摩擦焊应用最广。电阻焊和摩擦焊在汽车工业中应用很普遍，电阻焊中的点焊和缝焊多是采用搭接接头。摩擦焊接头通常采用对接接头。钎焊接头钎焊接头也有多种类型，但基本类型只有对接接头和搭接接头两种。19坡口形式的选择1)工厂的加工条件。采用双V形、Y形、单边V形、双单边V形、V形、I形等坡口可用气割、等离子弧切割或金属切削方法加工。但双U形、带钝边U形、带钝边J形、U形、Y形坡口一般需用刨边机加工，效率较热切割低。2)可达性的好坏。采用Y形、带垫板Y形、带垫板V形、VY形(上图g)、带钝边的U形(上图h)等坡口的接头，施焊时，一般可不需翻转。内径较小的容器或管道，不便翻转的结构，为避免仰焊及不能从内侧施焊，可采用这种坡口和焊缝形式。2021坡口形式的选择3)减小焊接材料的消耗量。一般熔敷金属量小，焊接材料消耗也小，也节省加工时间。同样板厚：Y形比双Y形坡口的熔敷金属量增加最大可达50％，双U形或UY形则更加节省熔敷金属。因此，常用于大厚度的焊接接头。4)考虑焊接变形与应力。例如：单面焊可能引起角变形和焊缝根部的严重焊接残余应力，此时要考虑材料(母材)特点，采用适当的工艺和坡口形式，以便获得合格的接头。22四、压力容器焊接接头分类（GB150－1998《钢制压力容器》）圆筒部分的纵向接头、球形封头与圆筒连接的环向接头、各类凸形封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头。目的：为对错边量、热处理、无损检测、焊缝尺寸等方面有针对性地提出不同的要求，GB150根据位置，接头所连接两元件的结构类型以及应力水平，把接头分成A、B、C、D四类，如下页图示。A类：23压力容器焊接接头分类球形封头筒体锥形封头法兰接管24壳体部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接头、长颈法兰与接管连接的接头。但已规定为A、C、D类的焊接接头除外。B类：平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头。C类：接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头。但已规定为A、B类的焊接接头除外。D类：25焊接接头分类的原则仅根据焊接接头在容器所处的位置而不是按焊接接头的结构形式分类，所以，在设计焊接接头形式时，应由容器的重要性、设计条件以及施焊条件等确定焊接结构。这样，同一类别的焊接接头在不同的容器条件下，就可能有不同的焊接接头形式。注意：26易于保证焊接质量，所有的纵向及环向焊接接头、凸形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其它位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。五、压力容器焊接结构设计的基本原则1．尽量采用对接接头角焊缝，改用对接焊缝［图5（a）改为（b）和（c）]。减小了应力集中，方便了无损检测，有利于保证接头的内部质量。举例：27图5容器接管的角接和对接（a）（b）（c）282．尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷选择合适的坡口形式，如双面焊；当容器直径较小，且无法从容器内部清根时，应选用单面焊双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或采用带垫板的坡口等。指基体金属和焊缝金属局部未完全熔合而留下空隙的现象。未熔透导致脆性破坏的起裂点，在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳破坏。未熔透改进29尽可能采用等厚度焊接，对于不等厚钢板的对接，应将较厚板按一定斜度削薄过渡，然后再进行焊接，以避免形状突变，减缓应力集中程度。一般当薄板厚度δ2不大于10mm，两板厚度差超过3mm；或当薄板厚度δ2大于10mm，两板厚度差超过薄板的30%，或超过5mm时，均需按图6的要求削薄厚板边缘。3．尽量减少焊缝处的应力集中接头常常是脆性破坏和疲劳破坏的起源处，因此，在设计焊接结构时必须尽量减少应力集中。措施：30图6板厚不等时的对接接头31①尽量减少填充金属量；②保证熔透，避免产生各种焊接缺陷；③便于施焊，改善劳动条件；④减少焊接变形和残余变形量，对较厚元件焊接应尽量选用沿厚度对称的坡口形式，如X形坡口等。六、压力容器常用焊接结构设计主要内容：选择合适的焊缝坡口，方便焊材(焊条或焊丝）伸入坡口根部，以保证全熔透。坡口选择因素：32纵、环焊缝必须采用对接接头。对接接头的坡口形式可分为不开坡口（又称齐边坡口）、V形坡口、X形坡口、单U形坡口和双U形坡口等数种，应根据筒体或封头厚度、压力高低、介质特性及操作工况选择合适的坡口形式。1．筒体、封头及其相互间连接的焊接结构一般只能采用角接焊和搭接焊，具体的焊接结构还与容器的强度和安全性要求有关。有多种接头形式，涉及是否开坡口、单面焊与双面焊、熔透与不熔透等问题。设计时，应根据压力高低、介质特性、是否低温、是否需要考虑交变载荷与疲劳问题等来选择合理的焊接结构。常用的结构：2.接管与壳体及补强圈间的焊接结构33图（a）：单面焊接结构，适用于内径小于600mm、盛装无腐蚀性介质的接管与壳体之间的焊接，接管厚度应小于6mm；（1）不带补强圈的插入式接管焊接结构中低压容器不需另作补强的小直径接管用得最多的焊接结构，接管与壳体间隙应小于3mm，否则易产生裂纹或其它焊接缺陷。(a)34(b)(c)图（b）：最常用的插入式接管焊接结构之一，为全熔透结构。适用于具备从内部清根及施焊条件、壳体厚度在4～25mm、接管厚度大于等于0.5倍壳体厚度的情况；图（c）：在（b）的基础上，将接管内径边角处倒圆，可用于疲劳、低温及有较大温度梯度的操作工况。35图（b）：承受低温、疲劳及温度梯度较大工况的容器，保证接管根部及补强圈内侧焊缝熔透。（2）带补强圈的接管焊接结构要求：尽量与补强处的壳体贴合紧密，焊接结构力求完善合理。但只能采用搭接和角接，难于保证全熔透，也无法进行无损检测，因而焊接质量不易保证。坡口：大间隙小角度，利于焊条伸入到底，减少焊接工作量图（a）：一般要求的容器，即非低温、无交变载荷的容器36带补强圈的插入式接管焊接结构（a）（b）37图（a）：适用于接管内径小于或等于100mm的场合；（3）安放式接管的焊接结构优点：结构拘束度低、焊缝截面小、较易进行射线检测等。（a）38安放式接管与壳体的焊接结构（b）（c）/3,6,ntntKmmh且不小于图（b）和（c）：适用于壳体厚度δn≤16mm的碳素钢和碳锰钢，或δn≤25mm的奥氏体不锈钢容器，其中图（b）的接管内径应小于或等于50mm，厚度δnt≤6mm，图（c）的接管内径应大于50mm，且小于或等于150mm，厚度δnt＞6mm。39（a）（b）属于整体补强结构中的一种，适用于承受交变载荷、低温和大温度梯度等较苛刻的工况。图（a）：适用于球形封头或椭圆形封头中心部位的接管与封头的连接，且封头厚度δn≤50mm。（4）嵌入式接管的焊接结构嵌入式接管与封头的焊接结构40图11凸缘与壳体的角接焊接结构（b）（a）（c）环与壳体应紧贴内径侧应允许进行内部填角焊（5）凸缘与壳体的焊接结构1）角焊连接：连接不承受脉动载荷的容器凸缘与壳体，如图11所示。2）对接连接：连接压力较高或要求全熔透的容器凸缘与壳体，如图12。41图12凸缘与壳体的对接焊接结构K≥6mm(a)K≥6mm(b)(c)(d)42焊缝的空间位置：平焊、横焊、立焊、仰焊43管子对接水平固定全位置焊接44二、结构修改图为一压力容器。涂黑处为焊缝，请修改该焊接件的不合理结构。思考题一、问答题1.焊缝的接头形式及其坡口形式有哪些？2.焊接结构设计的原则有哪些？