压力容器压力管道焊接知识

1压力容器焊接基础21、常用焊接方法及原理简介31.1焊条电焊弧一、焊条电弧焊的基本原理焊条电弧焊通常用英文简称SMAW表示。焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。焊条电弧焊的过程如图所示：气——渣联合保护的熔化焊。456焊条电弧焊是利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件和焊条加热熔化而进行焊接的。焊条电弧焊的特点：设备简单、易于维护、使用灵活方便，可以在室内、室外和高空等各种位置施焊。对材料的适用性强，碳钢、低合金钢、耐热钢、低温用钢、不锈钢等都可以采用焊条电弧焊。7在锅炉和压力容器等设备制造中，焊条电弧焊多用于设备内部附件的焊接和支座、接管与开孔补强等部位的焊接。对于单件生产的设备，其他焊缝也采用焊条电弧焊8焊条电弧焊所用工具1、电焊钳（300A、500A）300A和500A两种要求绝缘隔热2、面罩/护目镜93、焊条保温筒104、焊缝尺115、渣锤126、钢丝刷137、气铲、角磨机14151617手工电弧焊的缺点：（1）生产效率较低，这是由于使用的焊接电流上限不高，焊条熔敷速度较低，加之在焊接过程中需要不断的更换焊条，增加了辅助时间；（2）焊条的利用率较低；（3）焊接质量的好坏受焊工操作水平的影响很大。181.2埋弧自动焊埋弧焊的原理是，电弧在一层颗粒状的可熔焊剂覆盖下燃烧，电弧光不外露，利用电弧所产生的热量来熔化焊丝、焊剂和母材金属而形成焊缝的方法。1920埋弧自动焊和焊条电弧焊比较有以下优点。（1）生产效率高（2）焊接质量高而且稳定，特别是焊缝表面光洁美观；（3）自动化程度高，焊剂层有效的阻挡了有害的光辐射，从而改善了焊工的劳动条件；（4）熔深大，焊丝利用率高，节省了焊接材料；（5）生产效率高。改善劳动条件埋弧自动焊的缺点是占地面积较大，设备费用较高，且仅适用于平焊位置的焊接。21埋弧自动焊特别适用于厚度10mm以上受压壳体纵、环缝的焊接。既可焊接碳钢，也可焊接低合金钢、耐热钢和不锈钢等。22232425262728293031321.3.1钨极氩弧焊通常又称作“TIG”焊，为非熔化极气体保护焊。以燃烧于非熔化电极（钨棒）与焊件间的电弧作为热源，电极和电弧区及熔化金属都用一层氩气保护，使之与空气隔绝。33钨极氩弧焊具有下列独特的优点：①惰性气体与任何金属不起化学反应，熔池金属不发生冶金变化。②氩弧具有相当好的稳定性。③氩弧热量集中，熔透能力强。34钨极氩弧焊的缺点：钨极承受电流的能力较差，过大的电流将引起钨极的熔化和蒸发；氩气和钨极的价格较贵，与其它常用的焊接方法相比，成本较高。因此，只有在对焊缝质量要求特别高的场合才用。35在锅炉和压力容器制造中，钨极氩弧焊主要用于要求全焊透的薄壁管焊接，厚壁管和接管封底焊缝和不锈钢管件及薄板成型件的焊接。换热器管子与管板焊接和容器封底焊也采用钨极氩弧焊。容器和管道的环缝封底焊采用钨极氩弧焊代替焊条电弧焊，可以单面焊双面成形，质量好、工作效率高。361.3.2熔化极气体保护焊根据保护气体的种类，熔化极气体保护焊包括熔化极惰性气体保护电弧焊（简称MIG）、熔化极氧化性混合气体保护电弧焊（简称MAG）和二氧化碳气体保护电弧焊（简称CO2焊）等。熔化极气体保护焊的热源是在可熔化的焊丝与被焊工件之间并在保护气氛中产生的电弧。它利用电弧热效应产生的热来加热和熔化焊丝和工件金属，形成焊缝，达到连接工件的目的。37383940414243442焊接缺陷的类型与危害2.1焊接缺陷类型常见的焊接缺陷有咬边、凹陷、焊瘤、气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未熔合等。通常按缺陷在焊缝中的位置不同，分为外部缺陷和内部缺陷两大类。4546外部缺陷有表面裂纹、表面气孔、咬边、凹陷、满溢、焊瘤、弧坑等，这些缺陷主要与焊接工艺和操作技术水平有关。还有些是外观形状和尺寸不合要求的外部缺陷，如错边、角变形和余高过高等。47内部缺陷有气孔、夹渣、裂纹、未焊透、未熔合等。482.2焊接缺陷的危害焊接缺陷对设备的影响，主要是在缺陷周围产生应力集中。严重时使原缺陷不断扩展，直至破裂。同时，焊接缺陷对疲劳强度，脆性断裂以及抗应力腐蚀开裂都有重大影响，由于各类缺陷的形态不同，所产生的应力集中程度也不同，因而对结构的危害程度也各不一样。49焊接缺陷引起的应力集中焊接缺陷对脆性断裂的影响焊接缺陷对疲劳强度的影响焊接缺陷对应力腐蚀开裂的影响50515253542.3焊接裂纹裂纹是焊接结构中比较普遍而又十分严重的一种缺陷。严重的裂纹明显地削弱容器的承载能力和耐腐蚀性能。即使开始不很严重的裂纹，由于在裂纹尖端处存在应力集中，低温、交变或冲击载荷的作用会使裂纹扩展，从而有造成突然脆断的可能。由于裂纹而造成的事故在国内、外都为数不少。55焊接裂纹可能产生在焊缝区，也可能产生在热影响区或熔合处；有时出现纵向裂纹，有时出现横向裂纹；在断弧处还会出现火口裂纹亦称弧坑裂纹。从形成裂纹的本质来看，大体上可分为热裂纹和冷裂纹两大类。565758592.4热裂纹热裂纹又称结晶裂纹，是在焊缝凝固或高温时形成的。其外形特征具有晶间破坏的性质，在多数情况下裂纹面上有强烈氧化的彩色（深兰色或黑色）。多出现在焊缝上，个别情况下也出现于热影响区。热裂纹分微观裂纹和宏观裂纹两种，微观裂纹沿晶界分布，火口裂纹属热裂纹。60影响因素热裂纹的形成主要与两个因素有关：一是冶金因素：主要决定于化学成分，杂质的分布情况，晶粒的大小及方向性以及变形速度等。二是力学因素：主要决定于金属的膨胀系数，焊接接头刚性，焊缝位置以及焊接温度分布情况等。61预防裂纹措施预防热裂纹的基本措施是：严格控制焊缝化学成分，限制碳、硫、磷含量，当上述措施还无法避免热裂纹时，就必须采取工艺措施，如焊前预热、伴热，用大线能量施焊（但要保证焊缝形状系数不过小）以及尽量降低焊件刚性等。622.5冷裂纹3.2.2.1冷裂纹的特点冷裂纹是焊接高强钢、中合金钢和中碳钢等易淬火钢材最易产生的焊接缺陷。它与热裂纹有本质区别。其特点是：①产生于焊缝金属凝固之后，一般产生于马氏体转变温度以下或常温。②主要产生于热影响区，个别情况下产生于焊缝区。63③常具有延迟性。有的钢材不是焊后立即产生冷裂纹，而是在焊后几小时、几十小时甚至更长时间才产生。这类不是在焊后立即产生的冷裂纹又称延迟裂纹，它是冷裂纹中比较普遍的形态。由于它不能在制造过程中被检测出来，故更具有危险性能。④裂纹表面无明显氧化色彩，属脆口断裂。64产生原因冷裂纹的产生就其本质而言，是焊件热影响区的低塑性组织，焊接接头中的氢气和焊接应力综合作用的结果。（1）淬硬作用（2）氢的作用（3）焊接应力的作用65综上所述，冷裂纹是上述三个因素综合作用的结果，排除或消弱其中任何一个因素都对防冷裂有利。若仅存在某一因素的作用，冷裂纹也不致产生，这也是防冷裂的基本出发点。66预防冷裂纹措施（1）最大限度地降低焊缝氢含量（2）采用预热、伴热和焊后热处理以及采用大线能量施焊均利于氢的逸出和降低淬火倾向。（3）严格控制母材含磷量，以防冷脆。（4）采取有利于降低焊接残余应力的措施。673.压力容器焊接接头的分类锅炉锅筒、管道和各种压力容器均为受压壳体，其焊接接头的结构和要求具有同类性。设备上的焊接接头按受力状态及所处的部位可分为A、B、C、D、E、F六类，其中A、B、C、D四类均为受压壳体上直接承受压力载荷的接头；E类是非受压元件与受压壳体间的接头，不承受压力载荷；F类是受压元件表面上的堆焊接头，起耐磨或防腐蚀作用，一般不计入承压厚度。68693.1压力容器焊接接头的特点与设计要求A、B类接头压力容器上的A、B类焊接接头，主要是壳体上的纵、环向对接接头，是受压壳体上的主承力焊接接头，这类接头要求采用全焊透结构，应尽量采用双面焊的全焊透对接接头。如因结构尺寸限制，只能从单面焊接时，也可采用单面坡口的接头，但必须保证能形成相当于双面焊的全焊透对接接头。为此，采用氩弧焊之类的焊接工艺完成全熔透的打底焊道，或在焊缝背面加衬板来确保焊缝根部完全熔透或成形良好。7071为避免相邻焊接接头焊接残余应力的叠加和热影响区的重叠，压力容器上的A类或B类接头之间的距离至少应为壁厚的3倍，且不小于100mm。同时不应采用十字焊缝，且A、B类接头及其附近不得开设管孔。若因管子密集必须开在A、B类接头上时，则要求开孔部位焊缝作100%射线或超声波探伤，对超标缺陷妥善处理后再焊接接管。容器筒身和封头上的A、B类接头均应布置在不直接受局部弯曲应力作用的部位。若受压部件在载荷作用下发生弯曲而使焊缝根部受到弯曲应力作用，则不应采用单面对接接头或直角填充焊缝。72A、B类对接接头均应按GB150的有关规定进行局部或全部射线或超声波探伤检查。其中A类接头中的圆筒纵焊缝还应按GB150的要求作焊接试板，作为焊接质量的实际见证，而B类接头则一般不作焊接试板。733.2C类接头C类接头以用于法兰与筒身或接管的连接为最多。法兰的厚度是按所加弯矩进行刚度和强度计算确定的，因此比壳体或接管的壁厚大得多。对于这类接头不必要求采用全焊透结构形式，而允许采用局部焊透的T形接头，低压容器中的小直径法兰甚至可采用不开坡口的角焊缝连接，但必须在法兰内外两面进行封焊，这样既可防止法兰的焊接变形，又可保证法兰所要求的刚度。74对于平封头，管板与筒身相接的C类接头，因工作应力较高，应力状态较复杂，应采用全焊透角接接头或对接接头，并提出探伤要求，搭接、角接焊缝不采用。为减小角焊缝趾部位的应力集中，角焊缝表面可按要求加工成圆角、圆角半径最小为0.25倍圆筒壳或接管壁厚，且不小于4.5mm。753.3D类接头在压力容器和锅炉等过程设备中，D类接头主要是接管与壳体和补强圈与壳体间的连接焊缝，其受力状况差，且较A、B类接头复杂，在载荷作用下会产生较大的应力集中。在壁厚较大时，D类接头的拘束度相当大，故焊接残余应力亦较大，易产生裂纹之类的缺陷，对于承受交变载荷的压力容器、低温压力容器、厚壁压力容器和高强钢制压力容器的不利影响更为显著。一般情况下，开孔直径越大，对容器安全性的不利影响也越大，而且接管与壳体的连接结构不同，其不利影响程度也不同。76压力容器中常见的D类接头形式有插入式接管T形接头，安放式接管和凸缘的角接接头等。其中插入式接管T形接头又分为带补强圈和不常补强圈T形接头等形式。777879803.4压力容器焊接接头坡口设计压力容器和锅炉等设备中的焊接接头焊缝，当壁厚较大时均应开设坡口。其目的是为了使焊缝全部焊透和减小或避免焊接缺陷，保证焊接质量，常用对接接头坡口型式有：不开坡口、V形坡口、U型坡口、X型坡口、双U形坡口。坡口主要结构参数有坡口角度α，钝边高度p和根部间隙b等。81坡口形状和尺寸的主要影响因素（1）单就操作而言，坡口越小，耗用焊接材料越小，生产效率和经济效益越高。（2）焊接方法首先决定是否需要开坡口。（3）在焊接方法一定时，坡口的形状和尺寸主要决定于板厚的大小。（4）焊件的材料不同，对坡口的形状和尺寸要求也有差异。82（1）I形坡口。（2）单面V形坡口。（3）X形坡口。（4）U形坡口。（5）双U形坡口。83848586874.焊接材料及选择884.1焊接过程对焊接材料的要求（1）限制空气侵入焊接区。（2）保证焊缝合理的化学成分。894.2手工电弧焊条4.2.1.1碳钢与低合金钢焊条型号这类型号包括碳钢、低合金高强度钢和铬钼耐热钢用焊条。碳钢焊条型号的基本形式为E××××。4.2.1焊条的型号9091其中：E表示焊条，第1、2位数字表示熔敷金属最低抗拉强度（kgf/mm2）第三位数字表示焊接位置，“0”或“1”表示适用于全位置焊接，第3、4位组合表示药皮类型与电源要求。92934.2.1.2不锈钢焊条型号不锈钢包括铬不锈钢和铬镍奥氏体不锈钢等。其焊条型号基本形式为E××××-××，其中E×××为化学成分类别编号，大多为三位数，首位为“3”者代表铬镍奥氏体不锈钢，首位为“4”者代表铬