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压力容器焊接技术培训,主讲人：XXX,压力容器焊接技术培训,一、前言焊接技术，又称连接工程，是一种重要的材料加工工艺，它广泛地应用于石油化工、电力、航天航空、海洋工程、微电子技术，桥梁、船舶、潜艇，以及各种金属结构等工业部门。凡是用焊缝连接的构件都可称为焊接结构。压力容器是一种焊接结构，压力容器设计就是焊接结构的设计，因此压力容器设计人员了解和掌握一些焊接基本知识，不仅有利于压力容器的优化设计、而且也有利于压力容器的安全运行。今天主要介绍压力容器设计过程中常用焊接基本概念、焊接方法、焊接坡口、WPS、PQR、常用材料易产生的焊接缺陷及其设计方面的预防措施及目前压力容器焊接新技术。二、焊接基本知识2.1 焊接,压力容器焊接技术培训,概念：通过加热或加压或两者并用，使被焊材料达到原子间的结合，从而形成永久性连接的工艺。包括三方面的含义：是焊接的途径，即加热或加压或二者并用；是焊接的本质，即微观上达到原子间的结合；是焊接的结果，即宏观上形成永久性连接。实现焊接的途径：加压或加热加压二者并用：压力焊；加热：熔化焊（重点介绍）。2.2 焊接接头 焊接接头：被焊材料经焊接之后发生组织和性能变化的区域；组成：焊缝、热影响区、熔合区；焊缝：由熔化的被焊材料和填加材料经凝固以后所形成的；,压力容器焊接技术培训,热影响区：是被焊材料受焊接热影响发生组织和性能改变的母材区域；熔合区：是介于焊缝和热影响区之间的狭小的过渡区，由部分熔化的母材和部分未熔化的母材组成；焊接接头的形成过程：焊接热过程 固-液状态演变过程 焊接化学冶金过程 固态相变过程2.3 焊接应力与变形 残余应力：不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服极 限，局部产生了塑性变形。温度恢复原始的均匀状态后，就 产生的内应力。这种内应力是温度均匀后残存在物体中。相 变应力也是残余应力的一种。是三维的，是拉伸应力。,压力容器焊接技术培训,焊接残余变形：是焊后残存于结构中的变形，分为七类；纵向收缩变形：构件焊后的焊缝方向发生收缩；横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩；挠曲变形：构件焊后发生挠曲：纵、横向收缩均可引起。角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角位移。波浪变形：焊后构件呈波浪形。错边变形：焊接过程中，两焊间的热膨胀不一致，引起长 度和厚度方向上的错边。螺旋形变形：焊后构件上出现的扭曲。2.4 焊缝及接头的基本形式 焊缝的基本形式：对接焊缝和角焊缝。角焊缝按其承载方向分为三种：焊缝与载荷垂直的正面角焊缝。,压力容器焊接技术培训,焊缝与载荷平行的侧面角焊缝。焊缝与载荷倾斜的斜向角焊缝。接头的基本形式有四种：对接，搭接，丁字，角接；对接接头是较理想的接头形式；2.5 焊接材料的选用原则：根据母材的化学成分、力学性能、可焊性，并结合压力容器 的结构特点、使用条件及焊接方法综合考虑选用焊接材料。必要时可通过试验确定。总体要求应该保证焊缝金属的性能应高于或等于相应母材标 准规定值的下限，或满足图样规定的技术条件要求。碳素钢、低合金钢的焊缝金属应保证力学性能，且其抗拉强 度不应超过母材标准规定的上限加30MPa。,压力容器焊接技术培训,耐热型低合金钢焊缝金属在保证力学性能外，还应保证化学 成分。高合金钢的焊缝金属应保证力学性能和耐腐蚀性能。不锈钢复合钢：基层的焊缝金属应保证力学性能。复层的焊缝金属应保证耐腐蚀性能，当有力学性能要求时 还应保证力学性能。复层焊缝与基层焊缝以及复层焊缝与基层钢板的交界处宜 采用过渡焊缝。不同强度钢号的碳素钢、低合金钢之间的异种钢焊缝金属应 保证力学性能且其抗拉强度不应超过强度较高母材标准规定 的上限值。,压力容器焊接技术培训,奥氏体不锈钢与碳素钢、低合金钢之间的异种钢焊缝金属应 保证抗裂性能和力学性能。宜采用铬镍含量较高的奥氏体不 锈钢焊材。三、常用焊接方法及其适用的坡口形式3.1 焊条电弧焊：设备较为简单，便携带，不适于焊接活性材料，由于焊条长度和药皮过热脱落的限制，降低了焊接生产率。3.2 埋弧焊：消除飞溅，焊缝洁净，熔敷效率率高,仅限于平焊；3.3 等离子弧焊：电弧挺直，对弧长变化不敏感，焊接速度快，缺点设备费用高；3.4 CO2气体保护焊：它具有相当高的熔敷率。缺点是受焊枪尺寸的限制，难于达到狭小的区域或角落，飞溅大，氧气性大；3.5 钨极气体保护焊：适用于焊接薄板，焊接活性材料，其缺点是熔敷效率低，过大的焊接电流易造成焊缝夹钨。,压力容器焊接技术培训,3.6 焊接坡口开坡口的根本目的：是为了确保接头的质量及其经济性，坡口型式必须考虑一下问题：焊材的消耗量；可焊到性；坡口加工的难易程度；焊接变形；四、WPS及PQR4.1 WPS：焊接工艺规程（welding procedure specification）;为验证性试验所拟定的、经评定合格的、用于指导产品施焊的焊接工艺评定文件。焊接工艺规程是压力容器制造单位必须自行编制的重要工艺 文件。,压力容器焊接技术培训,工艺规程必须已经过焊接工艺评定验证其正确性和合理性。编制焊接工艺规程的主要依据是相对应的焊接工艺评定报告。焊接工艺评定的定义：是指为验证所拟定的焊件焊接工艺的正确性而进行的试验过程及结果评价。4.2 WPQ：焊接工艺评定（welding procedure qualification）；为使焊接接头符合标准要求，对所拟定的焊接工艺进行验证性试验及结果评价过程。4.3 PQR：焊接工艺评定报告（procedure qualification record）；记载验证性试验结果，对拟定焊接工艺进行评价的报告。,压力容器焊接技术培训,五、常用材料易产生的焊接缺陷及其设计方面的预防措施 珠光体耐热钢的焊接冷裂纹，再热裂纹 奥氏体不锈钢的焊接热裂纹 复合板结构焊接5.1 珠光体耐热钢的焊接 以Cr-Mo为基加入少量V W Nb Ti 的低中合金钢，具有很好的抗氧化性和热强性。主要问题是HAZ的硬化、冷裂纹以及再热裂纹和回火脆化现象。常用的焊接方法有手弧焊、窄间隙埋弧焊等。焊接材料US521-PF200,CMA-106N;H08Cr2.25-Mo1A+SJ602SJ603，R407B,压力容器焊接技术培训,正确选择预热温度和焊后退火温度以防止冷裂和消除近缝区硬化。冷裂纹：是焊后冷至较低温度产生的，对于低合金高强钢，大约在Ms附近，由于应力、淬硬组织和氢的共同作用产生。主要发生在中碳钢、高碳钢及合金结构钢的焊接接头，特别易于出现在焊接热影响区。冷裂纹有三种：延迟裂纹：不在焊后立即出现，有一定的孕育期、具有延迟现象。主要决定于钢种的淬硬、倾向、接头应力状态、熔敷金属中扩散氢含量。淬硬脆化裂纹：一些淬硬倾向很大的钢种，即没有氢的诱发，仅在拘束应力的作用下也能开裂。完全由冷却时M相变产生脆性造成，没有延迟现象，可在焊缝也可在热影响区。,压力容器焊接技术培训,低塑性脆化裂纹：某些塑性较低的材料，焊接后冷却至低温时，由于收缩力而引起的应变超过了材质本身所具有的塑性的储备或材质变脆而产生裂纹。铸铁补焊、硬质合金堆焊、高Cr合金的焊接。无延迟现象。加氢设备设计制造中避免延迟裂纹应注意的焊接问题。机理：内部缺陷提供了潜在裂源，在应力的作用下缺陷的前沿形成了三向应力区，氢向该区扩散并积聚，达到一定浓度时，产生较大应力阻碍位错移动，所以变脆形成裂纹；低合金高强钢易产生：防止措施：（1）冶金措施1）改进母材的化学成分2）严格控制氢的来源,压力容器焊接技术培训,3）适当提高焊缝韧性4）选用低氢焊材和焊接方法（2）工艺措施1）适当预热2）严格控制焊接热输入3）焊后低温热处理4）采用多层焊5）合理安排焊缝及焊接次序主体焊缝的焊接 纵缝的焊接（错边）环缝的焊接（错边，环缝的位置）封头拼版的焊接（成型方法，拼缝的位置，后热的性能）,压力容器焊接技术培训,主体焊缝可能是多种焊接方法焊接（反应器的两个封头焊缝，裙座焊缝）三热：预热、后热、最终热 阶冷试验 不同部位用不同焊接方法进行耐热层堆焊 充氢试验装置5.2 奥氏体不锈钢的焊接热裂纹 热裂纹是在较高温度下产生的；热裂纹有三种结晶裂纹：焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收缩，残余液体金属不足而不能及时填充，在拉应力作用下发生沿晶开裂。断面有氧化色，含杂质较多的合金和单相A、镍基合金、铝合金。,压力容器焊接技术培训,高温液化裂纹：在熔合线附近的热影响区或多层焊的层间部位，在焊接热循环峰值温度的作用下，低熔共晶被重新熔化，在拉应力的作用下沿A晶界发生开裂。主要发生在含有CrNi的高强钢、A钢、Ni基合金的热影响区或多层焊的层间。SPSiC偏高时，裂纹倾向高。多边化裂纹：焊接时，当焊缝或熔合区温度处于固相线稍下的高温区间时，刚凝固的金属存在很多缺陷，在一定的温度和应力作用下，这些晶格缺陷发生迁移和聚集，形成了二次边界多边化边界，轻微的拉伸应力就会沿多边化的边界开裂。主要发生在纯金属或单相A合金的焊缝或热影响区。应力腐蚀裂纹：金属在某种特定的腐蚀介质与相应的水平的拉伸应力的共同作用下产生的裂纹。应力腐蚀裂纹的防止措施：采用双相不锈钢代替奥氏体不锈钢；,压力容器焊接技术培训,控制焊接残余应力的生产，可以防止应力腐蚀裂纹。5.3 复合板结构焊接的设计 保证错边量1.5mm 先焊基板一侧 接近复层的过渡部分选用过渡层焊材 过渡层焊后热处理 最后焊不锈钢层 基层焊后RT、堆焊层PT6 目前压力容器焊接新技术 双相不锈钢的焊接双相组织比例 镍基合金的焊接热裂纹 钛合金的焊接焊接保护 换热器管与管板焊接结构的新型设计,压力容器焊接技术培训,6.1 钛材复合板结构焊接的设计 钛密度小（4.5g/cm3），在海水及大多数酸、碱、盐介质中具有优良的抗腐蚀性能，良好的低温冲击性能；我国钛资源丰富，得以广泛应用；钛和任何金属液态不能互溶，因此不能实现熔化焊；钛从250开始吸收氢，从400开始吸收氧，从600开始吸收氮，所以焊接时，不仅要保护熔池，还要保护高温固态金属及背保护；每条焊缝应设计检查孔；,压力容器焊接技术培训,压力容器焊接技术培训,6.2 双相不锈钢的焊接双相组织比例点腐蚀试验条件 焊接规范：I=60A U=14V V=90mm/min 试验温度：501 试验试剂：6%三氯化铁溶液 试验时间：24小时双相不锈钢焊接应注意的问题 材料国产和进口的问题（钢锭进口国内轧制）焊接时控制冷却速度 加入适量的氮气可以促进A化 严格控制相比例,压力容器焊接技术培训,6.3 换热器管与管板焊接结构的设计管头焊接质量影响管束寿命细节决定成败芯头材质会影响焊缝质量坡口质量的影响尺寸公差的影响尺寸公差的检测打底焊缝的影响焊缝表面质量的影响检测精度决定焊缝质量,
