下载文档原格式
《焊接技术》课程标准课程编码：课程类别：一门专业主干课适用专业：机械设计与制造授课单位：机械设计与制造专业团队学分：2 学时：36编写执笔人及编写日期：审定负责人及审定日期：1．课程定位和课程设计1.1课程性质与作用本课程是一门专业主干课程。
其任务主要是讲述常用的各种焊接方法的过程本质、焊接工艺、焊接方法、质量控制，使学生了解各种焊接方法的特点和应用，从而进一步掌握常用金属材料的焊接性及焊接工艺，掌握焊条电弧焊等常用焊接方法与焊接工艺。
本课程是以《工程材料与热处理》、《电工电子》等为专业前导课，教学中要求学生对这几门专业课程知识点的衔接，注意融会贯通。
1.2课程设计思路1.这门课内容上有难度，经反复讨论研究，觉得在“够用、实用”的前提下，开展教学。
在具体教学中注意讲清楚概念，要避免涉及过多过深的理论叙述和复杂的公式推导，在课堂上要充分利用多媒体PPT、录像等手段，以提高课堂的教学效果；必要时可在现场教学，以增加学生的感性认识。
2.焊接的冶金基础、焊接的方法、焊接的材料、焊接的工艺是本课程的基础，要重点讲解，对焊接应力与变形、焊接的缺陷防止、典型焊接钢结构等作必要的介绍。
3.为了使学生更好的掌握本课程的内容，除课堂教学外，应重视实验，实验课应有意识地培养学生分析问题和实际动手能力。
4.本课程的课外作业，应明确和巩固所学的基本知识和概念为主，不应过偏、过难；为培养学生的应用所学知识解决问题的能力，应注意选择一些实际问题作为习题，供学生分析探讨。
2．课程目标（1）专业能力①培养学生理解掌握常见的焊接原理、冶金基础、焊接工艺，具备对焊接图纸一定识读能力；②培养能正确的选择焊接方法、选择焊接材料、确定焊接工艺，能分析常见焊接缺陷产生原因及防止措施；③培养具有电弧焊接、气体保护焊等焊接的一定操作能力；④能正确查阅相关资料、手册选择用焊接结构、焊接材料、焊接设备、焊接工艺等能力。
（2）方法能力①具有较好的学习新知识和技能的能力；②具有较好的分析问题和解决问题的能力；③具备查阅相关资料、手册选用焊接结构、焊接材料、焊接设备、焊接工艺等能力。
《焊接结构》课程设计说明一、课程基本信息课程名称：焊接结构学时：60授课对象：焊接专业学分：2课程性质：专业必修课二、课程定位《焊接结构》是焊接技术专业的一门主干专业课程，主要介绍焊接结构生产及现场管理方面的知识，要求具备一定的管理水平，又有较强的焊接结构现场生产实践性。
本课程采用“项目导向、任务驱动”理论实践一体化的教学方法，不单独开设实验课程，强调围绕企业生产为主，积累经验，学会在生产现场进行独立分析、创新设计各种焊接辅助设备，主要内容包括：引导项目：焊接结构（梁、柱、桁架、支架）的生产与管理，主导项目：焊接接头的质量控制（包括变形与应力控制）；焊接接头的结构设计；焊接结构件的装配、定位、检测、焊接的全过程；焊接工艺的审定；典型案例的分析等。
通过对焊接结构件的生产管理，学会钢结构类、承压类设备的焊接设计、焊接工艺思路与程序，注重焊前准备、焊接过程控制、焊后检测等环节，生产中体现各种准备要素（包括相应文件资料），焊接结构生产的装配与焊接之间的关系，保证学生的实际动手能力三、课程设计1.能力目标（1）熟悉焊接结构课程的主题框架（2）能对焊缝、焊接接头的各种类型进行优势比较（3）熟悉焊接梁、柱、桁架等结构件的生产流程（4）熟悉焊接生产中注意的问题（焊接应力与变形）进行分析与控制（5）熟悉焊接结构件生产的装配、定位、检测要求（6）熟悉焊接工艺性审查的主要内容2、知识目标（1）熟悉各种焊接接头、基本符号、各种焊缝特点的基本知识（2）掌握焊接结构生产的工作流程与步骤（3）掌握控制焊接应力与变形的方法，了解形成的主要原因（4）熟悉焊接结构件装配、定位器的使用3、态度目标（1）具有勤奋学习的态度，良好的职业道德和爱岗敬业精神（2）具有认真、严谨、耐心、细致的工作作风4、工作目标能进行焊接生产项目的管理，利用各种知识形成体系，具备生产中设计简单夹具、定位机构、旋转机构的能力，对各种焊缝、焊接接头的布局能严格按照工艺要求进行合理的装配—焊接的顺序选择，熟悉承压类设备焊缝的代码编号，焊接工艺编码语言，能根据焊接装配图纸掌握焊缝、焊接位置的全局关系。
《焊接结构与生产》课程标准湘西民族职业技术学院课程标准课程名称：焊接结构与生产适用专业：焊接技术学时数：140学分： 72013年5月《焊接结构与生产》课程标准一、适用对象三年制高等职业教育层次的学生。
二、课程的性质《焊接结构与生产》是焊接专业的主要专业课程之一。
通过学习，使学生具备焊接及相关职业应用性人才所必需的关于焊接结构生产的国家基础技术标准知识，了解锅炉、压力容器、核电容器生产的常用标准和规程，了解造船、建筑工程、水利、电力、铁路桥梁、机车车辆、石油天然气及其它等行业常用标准及规程知识。
通过课程学习具备分析和控制焊接应力和变形的能力，熟练掌握预防和消除应力、变形、断裂的工艺手段，了解典型焊接结构的生产工艺过程及质量控制方法，具备布置一般焊接生产车间、组织管理生产和安全的能力。
本课程是《焊接工艺技术》、《焊接方法与设备》、《焊接电工》、《焊接检验》等课程知识综合运用的专业技术课程，是《船舶原理》等选修课程的前修课程。
三、参考学时 140学时四、学分 6五、课程教学目标通过本课程的学习，使学生在掌握焊接应力、变形和断裂等基本理论和预防、控制、消除它们的设计与工艺方法的基础上，具备处理焊接结构生产过程中常见问题的能力；通过对焊接结构生产工艺过程相关知识的学习，具备制定焊接工艺评定、工艺性审查等焊接工艺文件的能力，具备布置一般焊接车间、组织管理生产和安全的能力。
通过学习，使学生养成严格遵守工艺纪律的习惯、认真对待生产过程中的所有细节的基本态度。
1.能正确分析焊接应力和变形产生的原因，会制定预防、控制和消除焊接应力和变形的设计与工艺措施。
2.能正确分析焊接结构发生断裂的材料、工艺、环境因素，会制定防止断裂事故发生的材料选择与处理措施和焊接结构生产工艺措施。
3.能正确识读焊缝代号和焊接结构图，会正确选择焊接接头的组成、种类和形式以保证焊接结构产品的生产质量。
4.能根据产品图样、技术要求和生产性质，制定焊接结构生产工艺流程，会选择焊接工艺评定项目、焊接方法与设备、工艺装备等。
前言１第1局部储罐设计阐发2第1章储罐总体阐发21.1 储罐底子设计要求21.2 储罐材料21.３储罐用钢板31.4 配用锻件51.5 配用螺栓、螺母5第2章储罐罐底设计62.1 储罐罐底板尺寸62.2 罐底布局7第3章罐壁布局设计103.1 罐壁的排板与连接103.2 罐壁厚度113.3 罐壁加强圈12第4章罐顶布局设计13第2局部储罐的焊接工艺阐发14第5章压力容器的焊接接头145.1 压力容器焊接接头的分类145.2 圆筒形容器焊接接头的设计15第6章压力容器的焊接方法176.1 熔化极氩弧焊17CO气体庇护焊186.22埋弧焊19第7章压力容器的焊接工艺21第3局部储罐的组装与查验22第8章储罐的安装施工挨次22储罐底板的焊接挨次22储罐壁板的焊接挨次22储罐固定顶的焊接挨次23第9章储罐焊缝的查验与修补24焊缝检测24焊缝修补25设计体会26参考文献27前言大型油气储罐是油气产物储存运输最便利、廉价的方式之一。
储罐的形式可跟据盖顶的样式不同分为浮顶式储罐〔包罗气柜〕和固定顶式储罐〔包罗内浮顶式储罐〕，而固定顶式储罐又包罗锥顶式储罐和拱顶式储罐两种。
目前原油的储罐使用中浮顶式储罐在不竭减少，液化气储运主要是球罐和立式筒形低压储罐。
常用的几种灌顶形式为双子午线网客机构拱顶、辐射网壳布局拱顶、短程线网壳布局拱顶和梁柱支撑布局拱顶，见图1。
本次课程设计主要讨论立式固定顶筒形钢制焊接储罐的施工工艺。
此中包罗储罐的材料选择、加工工艺路线选择、相关组件形式选择、机械加工装配、施焊成型、焊后检测调试等相关出产内容。
第1局部储罐设计阐发第1章储罐总体阐发1.1 储罐底子设计要求由石油化工立式筒形钢制焊接储罐设计尺度SH 3046-1992，储罐的设计条件不得少于以下内容：（一）地动设防烈度、风载、雪载等气候条件及地质条件；（二）储罐的操作温度及操作压力〔正负压〕；（三）介质的种类及密度；（四）腐蚀裕量；（五）储罐的容积；（六）灌顶形式；（七）开口接管尺寸、形式、数量及法兰规格；（八）附件的安装位置。
《焊接结构与工艺》课程设计实训内容一、加氢反应器的焊接焊接结构设计简介1、加氢反应器结构的简介及设计要求该设计题目是：加氢反应器的焊接结构设计，压力容器的设计参数如表1所示。
表1. 设计数据2、加氢反应器结构的组成加氢反应器的结构如图1所示。
有顶部弯管、封头、筒节、热偶法兰、底部弯管、卸料管、冷氢法兰、裙底等几部分组成图1.加氢反应器压力容器结构示意图此压力容器焊缝有A、B、C、D类，各类焊缝的特点及要求；各焊缝的布置原则。
二、加氢反应器焊接结构材料选择及强度校核1、筒体及封头材料的选择、材料特点、力学性能、焊接性1）筒体及封头材料的选择序号项目数值单位备注1 名称加氢反应器的焊接结构设计2 用途普通低压压力容器3 最大工作压力0.8 MPa4 工作温度150 ℃5 公称直径600 mm6 壁厚8-10 mm2.9钢板厚度超过100毫米卷制时，需在加热炉升温到200度，出炉采用吊车4只板钩吊装，板钩在吊装过程中易发生滑脱现象，需要人工量尺寸或找吊装位置来掌握平衡。
卷制时，先进行板端压头，用样板测量弧度，板的两端达到标准要求后进行中间部位卷制。
卷制时开始水平部位使用普通钢管管辅助，吊车配合进行，板材的强度和厚度达到支持拱高塌陷幅度最小为止，卷制到可以合口的部位，吊车配合进行纵缝的点焊加固，吊装到焊接架上进行埋弧焊焊接。
3.1 钢板 80 毫米以下钢板卷制成筒节纵缝焊接好后，回圆时要比组对纵缝时多向下压。
2毫米，在卷板机上多转几圈，通过应力释放达到圆度值，回圆样板检查尤为重要，椭圆度最大值在焊道部分，直径超过4.5米的需要拼板形成两道纵缝，进行回圆必须进行焊道位置多方测量和压力调整，达到圆度值要求。
3.2 钢板厚度超过 100 毫米筒节焊接后还要进行二次加热，回圆时卷板机压力非常大,对钢板产生的外力会作用在筒体其它部位，所以要在钢板200度时尽快利用很短的时间回正、找圆。
3.3圆度达到标准规定(筒节内径的1%，尽量不大于15mm）或图样要求。
压力容器通常是由板、壳组合而成的焊接结构。
受压元件中，圆柱形筒体、球罐(或球形封头)、椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头、锥形封头和膨胀节所对应的壳分别是圆柱壳、球壳、椭球壳、球冠+环壳、球冠、锥壳和环形板+环壳。
而平盖(或平封头)、环形板、法兰、管板等受压元件分别对应于圆平板、环形板(外半径与内半径之差大于10倍的板厚)、环(外半径与内半径之差小于10倍的板厚)以及弹性基础圆平板。
上述7种壳和4种板可以组合成各种压力容器结构形式，再加上密封元件、支座、安全附件等就构成了一台完整的压力容器。
图1-1为一台卧式压力容器的总体结构图，下面结合该图对压力容器的基本组成作简单介绍。
筒体筒体的作用是提供工艺所需的承压空间，是压力容器最主要的受压元件之一，其内直径和容积往往需由工艺计算确定。
圆柱形筒体(即圆筒)和球形筒体是工程中最常用的筒体结构。
筒体直径较小(一般小于1000mm)时，圆筒可用无缝钢管制作，此时筒体上没有纵焊缝；直径较大时，可用钢板在卷板机上卷成圆筒或用钢板在水压机上压制成两个半圆筒，再用焊缝将两者焊接在一起，形成整圆筒。
由于该焊缝的方向和圆筒的纵向(即轴向)平行，因此称为纵向焊缝，简称纵焊缝。
若容器的直径不是很大，一般只有一条纵焊缝；随着容器直径的增大，由于钢板幅面尺寸的限制，可能有两条或两条以上的纵焊缝。
另外，长度较短的容器可直接在一个圆筒的两端连接封头，构成一个封闭的压力空间，也就制成了一台压力容器外壳。
但当容器较长时，由于钢板幅面尺寸的限制，就需要先用钢板卷焊成若干段筒体(某一段筒体称为一个筒节)，再由两个或两个以上筒节组焊成所需长度的筒体。
筒节与筒节之间、筒体与端部封头之间的连接焊缝，由于其方向与筒体轴向垂直，因此称为环向焊缝，简称环焊缝。
圆筒按其结构可分为单层式和组合式两大类。
1、单层式筒体筒体的器壁在厚度方向是由一整体材料所构成，也就是器壁只有一层(为防止内部介质腐蚀,衬上的防腐层不包括在内)。
7 承压设备焊接接头设计焊接接头由焊缝金属、热影响区及相邻母材三部分组成。
在压力容器、锅炉和管道等过程设备中，焊接接头不仅是重要的连接元件，而且与所连接部件一起承受工作压力、其它载荷、温度和化学腐蚀介质的作用。
焊接接头作为整个受压部件或承压设备不可分割的组成部分，对运行可靠性和工作寿命起着决定性的影响。
因此，焊接接头的正确设计对于保证产品的质量具有十分重要的意义。
7．1 焊接接头设计基础7.1.1 焊接接头的基本类型与特点焊接接头主要起两个作用：一是连接作用，即把被焊件连成一个整体；二是承力作用，即承受被焊工件所受的载荷。
焊接与被焊工件并联的接头，焊缝仅承担很小的载荷，即使焊缝断裂，结构也不会立即失效，这种接头中的焊缝称为联系焊缝，如图7－1a所示。
焊缝与被焊工件串联的接头，焊缝承受全部载荷，一旦焊缝断裂，结构会立即失效，这种焊缝称为承载焊缝，如图7－1b所示。
设计时联系焊缝不一定要求焊透或全长焊接，也不必计算焊缝强度，而承载焊缝必须计算强度，且必须采用全熔透焊接。
过程设备中常用的典型焊接接头类型有对接接头、T形或十字接头、搭接接头和角接接头等，如图7－2所示。
(a) (b)图7－1 联系和承载焊缝a）联系焊缝b）承载焊缝对接接头较其它接头受力状况好，应力集中程度小，焊接时易保证质量，是优先广泛应用的接头。
对于不同厚度的焊件，为了保证焊透，大多都要把焊件的对接边缘加工成各种形式的坡口。
对接接头焊前对工件的边缘加工和装配要求较高。
通常设备壳体上的纵、环焊缝均为对接接头。
T形及十字形接头能承受各种方向的力和力矩，其接头亦有不同类型，有不焊透和焊透的，有不开坡口和开坡口的。
不开坡口者通常均为不焊透的，其应力集中很大，不适用于重载或动载荷。
开坡口焊透的T形或十字形接头其应力集中显著减小，适用于承受动载荷及重载荷。
接管、人孔等与设备壳体或封头相连的多为T形或角接接头。
搭接接头的应力分布很不均，受力状况不好，疲劳强度较低，不宜承受动载荷。
压力容器的焊接技术第十章压力容器的焊接技术随着工程焊接技术的迅速发展现代压力容器也已发展成典型的全焊结构压力容器的焊接成为压力容器制造过程中最重要最关键的一个环节焊接质量直接影响压力容器的质量第一节碳钢低合金高强钢压力容器的焊接压力容器用碳钢的焊接碳钢以铁为基础以碳为合金元素含量一般不超过10％此外含锰量不超过12％含硅量不超过05％SiMn皆不作为合金元素而其他元素如NiCrCu等控制在残余量限度内更不是合金元素SPON等作为杂质元素根据钢材品种和等级也都有严格限制碳钢根据含碳量的不同分为低碳钢 C≤030％中碳钢 C 030％ 060％高碳钢 C≥060％压力容器主要受压元件用碳钢主要限于低碳钢在《容规》中规定用于焊接结构压力容器主要受压元件的碳素钢和低合金钢其含碳量不应大于025％在特殊条件下如选用含碳量超过 025％的钢材应限定碳当量不大于 045％由制造单位征得用户同意并经制造单位压力容器技术总负责人批准并按相关规定办理批准手续常用的压力容器用碳钢牌号有Q235-BQ235-C102020R等一低碳钢焊接特点低碳钢含碳量低锰硅含量少在通常情况下不会因焊接而引起严重组织硬化或出现淬火组织这种钢的塑性和冲击韧性优良其焊接接头的塑性韧性也极其良好焊接时一般不需预热和后热不需采取特殊的工艺措施即可获得质量满意的焊接接头故低碳钢钢具有优良的焊接性能是所有钢材中焊接性能最好的钢种二低碳钢焊接要点1埋弧焊时若焊接线能量过大会使热影响区粗晶区的晶粒过于粗大甚至会产生魏氏组织从而使该区的冲击韧性和弯曲性能降低导致冲击韧性和弯曲性能不合格故在使用埋弧焊焊接尤其是焊接厚板时应严格按经焊接工艺评定合格的焊接线能量施焊2在现场低温条件下焊接焊接厚度或刚性较大的焊缝时由于焊接接头冷却速度较快冷裂纹的倾向增大为避免焊接裂纹应采取焊前预热等措施压力容器用低合金高强钢及其焊接特点在钢中除碳外少量加入一种或多种合金元素合金元素总量在5％以下以提高钢的力学性能使其屈服强度在275 MPa以上并具有良好的综合性能这类钢称之为低合金高强钢其主要特点是强度高塑性和韧性也较好按钢的屈服强度级别及热处理状态压力容器用低合金高强钢可分为二类①热轧正火钢屈服强度在294Mpa 490MPa之间其使用状态为热轧正火或控轧状态属于非热处理强化钢这类钢应用最为广泛②低碳调质钢屈服强度在490Mpa 980Mpa之间在调质状态下使用属于热处理强化钢其特点是既有高的强度且塑性和韧性也较好可以直接在调质状态下焊接近年来这类低碳调质钢应用日益广泛目前应用于压力容器的低合金高强钢钢板牌号有16MnR15MnVR13MnNiMoNbR18MnMoNbR等锻件牌号有16Mn15MnV20MnMo20MnMoNb等低合金高强钢的含碳量一般不超过020％合金元素总量一般不超过5％正是由于低合金高强钢含有一定量的合金元素使其焊接性能与碳钢有一定差别其焊接特点表现在一焊接接头的焊接裂纹1冷裂纹低合金高强钢由于含使钢材强化的CMnVNb等元素在焊接时易淬硬这些硬化组织很敏感因此在刚性较大或拘束应力高的情况下若焊接工艺不当很容易产生冷裂纹而且这类裂纹有一定的延迟性其危害极大2再热SR裂纹再热裂纹是焊接接头在焊后消除应力热处理过程或长期处于高温运行中发生在靠近熔合线粗晶区的沿晶开裂一般认为其产生是由于焊接高温使HAZ附近的VNbCrMo等碳化物固溶于奥氏体中焊后冷却时来不及析出而在PWHT时呈弥散析出从而强化了晶内使应力松弛时的蠕变变形集中于晶界低合金高强钢焊接接头一般不易产生再热裂纹如16MnR15MnVR等但对于Mn-Mo-Nb和Mn-Mo-V系低合金高强钢如07MnCrMoVR由于NbV Mo是促使再热裂纹敏感性较强的元素因此这一类钢在焊后热处理时应注意避开再热裂纹的敏感温度区防止再热裂纹的发生二焊接接头的脆化和软化1应变时效脆化焊接接头在焊接前需经受各种冷加工下料剪切筒体卷圆等钢材会产生塑性变形如果该区再经200 450℃的热作用就会引起应变时效应变时效脆化会使钢材塑性降低脆性转变温度提高从而导致设备脆断PWHT可消除焊接结构这类应变时效使韧性恢复GB150-1998《钢制压力容器》作出规定圆筒钢材厚度δs符合以下条件碳素钢16MnR的厚度不小于圆筒内径Di 的3％其他低合金钢的厚度不不小于圆筒内径Di的25％且为冷成形或中温成形的受压元件应于成形后进行热处理2焊缝和热影响区脆化焊接是不均匀的加热和冷却过程从而形成不均匀组织焊缝 WM 和热影响区 HAZ 的脆性转变温度比母材高是接头中的薄弱环节焊接线能量对低合金高强钢WM和HAZ性能有重要影响低合金高强钢易淬硬线能量过小HAZ会出现马氏体引起裂纹线能量过大WM和HAZ的晶粒粗大会造成接头脆化低碳调质钢与热轧正火钢相比对线能量过大而引起的HAZ脆化倾向更严重所以焊接时应将线能量限制在一定范围3焊接接头的热影响区软化由于焊接热作用低碳调质钢的热影响区 HAZ 外侧加热到回火温度以上特别是Ac1附近的区域会产生强度下降的软化带HAZ 区的组织软化随着焊接线能量的增加和预热温度的提高而加重但一般其软化区的抗拉强度仍高于母材标准值的下限要求所以这类钢的热影响区软化问题只要工艺得当不致影响其接头的使用性能压力容器用低合金高强钢焊材选用1根据钢材不同的强度级别选择与母材强度相当的焊缝金属是这类钢焊材选用的基本原则当然与此同时还要根据产品的使用条件产品结构和板材厚度等因素综合考虑焊缝金属的韧性塑性和焊接接头的抗裂性只要焊缝强度不低于或略高于母材标准抗拉强度的下限值即可若选择的焊材焊缝金属强度过高将会导致接头的韧性塑性及抗裂性降低接头的弯曲性能不易合格2由于这类钢都具有不同程度的冷裂纹倾向所以在等强度原则的前提下严格控制焊材中的氢含量是非常重要的应尽量选用低氢型的焊材对于强度较高的低碳调质钢焊接时更是如此甚至要选择超低氢型的焊材并严格控制焊材的存放和使用3考虑焊后加工工艺的影响对焊后需经热处理热卷热弯的焊件应考虑焊缝金属经受高温处理作用对其力学性能的影响应保证焊缝金属经热处理后仍具有要求的强度塑性和韧性等例如对于压力容器常见的16MnR钢的埋弧焊一般情况下选用H10Mn2焊丝HJ431焊剂即可但对于焊后需经正火温度下冲压的封头拼板焊缝其焊材选用应适当提高一档使用H08MnMo焊丝HJ431焊剂可弥补其强度损失压力容器用低合金高强钢焊接要点1选用低氢或超低氢高韧性的焊材且重视烘干保存以及坡口的清理以减少焊缝中的扩散氢2为了避免热影响区粗晶区的脆化一般应注意不要使用过大的线能量对于含碳量偏下限的16MnR钢焊接时焊接线能量没有严格的限制因为这种钢焊接热影响区脆化倾向较小但对于含钒铌钛等微合金化元素的钢则应选用较小的焊接线能量3对于碳及合金元素含量较高屈服强度也较高的低合金高强钢如18MnMoNbR 由于这种钢淬硬倾向较大又要考虑其热影响区的过热倾向则在选用较小线能量的同时还要增加焊前预热焊后及时后热等措施4焊接低碳调质钢时为了使热影响区保持良好的韧性同时使焊缝金属既有较高的强度又有良好的韧性这就要求焊缝金属得到针状铁素体组织而这种组织只有在较快的冷却条件下才能获得为此要严格控制焊接线能量不推荐采用大直径的焊条和焊丝且要采用多道多层的窄焊道焊尽量不作横向摆动的运条方式为防止冷裂纹的产生焊前需要预热但应严格控制预热温度预热温度过高会使热影响区冷却速度过于缓慢从而在该区内产生马氏体奥氏体混合组织和粗大的贝氏体使强度下降韧性变坏一般要求最高预热温度不得高于推荐的最低预热温度加50℃采用低温预热加后热的方法既可防止低碳调质钢产生冷裂纹又可减轻或消除预热温度过高带来的不利影响5加强对焊接接头的无损检测对再热裂纹敏感的钢种应在PWHT前后都要做射线或超声检测低合金高强钢压力容器焊接实例直径为2000mm壁厚为32mm的缓冲罐图10-1壳体材质为16MnR其主要承压焊缝的焊接工艺见表10-1图10-1 缓冲罐简图表 10-1 缓冲罐焊接工艺焊缝编号焊缝位置焊接方法焊接材料说明O1A1O2A1 封头拼缝双面SAW H08MnMoHJ431 ①1A12A1B1B3 壳体纵环缝双面SAW H10Mn2HJ431 ②B2 壳体环缝大合拢内SMAW外SAW J507H10Mn2HJ431 ③B4D1-D3 人孔接管与对应法兰环缝人孔小接管与壳体角焊缝双面SMAW J507 ④B5B6 小接管与对接法兰环缝GTAW打底SMAW盖面TIG-50J507 ⑤E1 鞍座与壳体焊接角焊缝 GMAWCO2焊TWE-711 ⑥说明①封头拼缝在平板状态下焊接完成后需再经过950 1000℃的加热后进行冲压成形故拼缝要经过Ac3以上温度的加热焊缝的力学性能不仅取决于化学成分而且和焊缝的组织状态有很大关系虽然焊缝的含碳量要比母材低很多但由于焊接是一个局部加热过程冷却速度很大因此焊缝呈现为一种柱状晶的特殊的过饱和铸造组织其中少量的马氏体主要靠碳的固溶强化存在而低碳马氏体的亚结构存在许多位错过饱和的固溶的碳就聚集在位错周围起着钉扎位错的作用使位错难于运动马氏体便不易变形而呈现强化焊缝的作用经过Ac3以上的温度加热后焊缝组织从柱状晶变成了等轴晶打破了原来的亚结构状态使过饱和程度降低其碳的固溶强化作用也随之降低了所以势必焊缝强度降低为了弥补上述情况造成的焊缝强度降低只有调整焊缝的化学成分使用合金元素更多一些的强度高一档的焊丝来焊接热压封头拼缝②壳体纵环缝焊接条件好考虑到板厚因素从提高效率保证焊接质量出发选用双面埋弧焊焊丝啊等强度原则选用③设备大合拢焊缝考虑到设备因素内焊缝采用埋弧焊较困难故内侧采用焊条电弧焊外侧采用碳弧气刨清根后再进行外环缝埋弧焊B2焊缝据人孔较近故将其为大合拢焊缝④人孔接管与人孔法兰环缝由于人孔直径较大故采用焊条电弧焊进行双面焊对于人孔小接管与壳体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进行双面焊⑤对于小直径接管环缝由于只能单面焊又要保证质量选用TIG焊打底是保证焊缝质量最有效的方法TIG-50为焊材牌号其焊材型号为ER70S-G AWS A518⑥鞍座与壳体焊接角焊缝属非承压焊缝采用熔化极气体保护焊保护气体为纯CO2 效率高焊缝成形好TWE-711为焊材牌号其焊材型号为E71T-1 AWS A520 第二节耐热钢压力容器的焊接压力容器用耐热钢及其焊接性在普通碳钢中加入一定量的合金元素以提高钢的高温强度和持久强度就形成了低合金耐热钢对于压力容器用低合金耐热钢为改善其焊接性能常常把碳含量控制在02％以下这类钢通常以退火态或正火回火状态交货由于合金含量在25％以下的低合金耐热钢具有珠光体铁素体组织故也经常称为珠光体耐热钢如15CrMoR合金含量在3％ 5％之间的低合金耐热钢供货状态为贝氏体铁素体组织故也称为贝氏体耐热钢如12Cr2Mo1R压力容器上使用的低合金耐热钢主要是以加入铬和钼元素或辅以加入少量的钒钛等元素来提高钢的蠕变强度和组织稳定性所以也经常称之为Cr-Mo耐热钢或Cr-Mo-V系耐热钢也正由于这一类钢在耐高温的同时还具有良好的抗氢腐蚀性能为此Cr-Mo或Cr-Mo-V系的低合金耐热钢亦经常称为抗氢钢作为耐热钢除上面已讲到的低合金耐热钢外还有合金含量在在6％ 12％之间的中合金耐热钢如1Cr5Mo1Cr9Mo1和合金大于13％的高合金耐热钢如1Cr17由于在压力容器中这两类耐热钢并不多见本节以叙述低合金耐热钢为主为保证耐热钢焊接接头在高温高压和各种腐蚀介质条件下长期安全的运行其焊接接头性能应满足下列几点要求①接头的等强性耐热钢接头不仅应具有与母材基本相等的室温和高温短时强度而且更重要的是应具有与母材相近的高温持久强度②接头的抗氢性和抗氧化性耐热钢接头应具有与母材基本相同的抗氢性和高温抗氧化性为此焊缝金属的合金成分和含量应与母材基本一致③接头的组织稳定性耐热钢焊接接头在制造过程中特别是厚壁接头将经受长时间多次热处理在运行过程中将长期受高温高压的作用接头各区不应产生明显的组织变化及由此引起的脆变或软化④接头的抗脆断性虽然耐热钢压力容器大多数是在高温下工作但当压力容器和管道制造完工后将在常温下进行设计压力125倍压力的水压试验在安装检修完后要经历水压试验及冷启动过程因此耐热钢焊接接头亦应具有一定的抗脆断性⑤接头的物理均一性耐热钢焊接接头应具有与母材基本相同的物理性能焊缝金属的热膨胀系数和热导率应基本一致这样就可避免接头在高温运行过程中的热应力低合金耐热钢含有一定量的合金元素因此它与低合金高强钢都具有一些相同的焊接特点而又由于其含有一些特殊的微量元素及其不同的介质工作环境所以也有其独特的焊接特点1淬硬性低合金耐热钢中的主要合金元素Cr和Mo等都能显著提高钢的淬硬性其中Mo的作用比Cr大50倍这些合金元素推迟了钢在冷却过程中的转变提高了过冷奥氏体的稳定性从而在较高的冷却速度下可能形成全马氏体组织比如12Cr2Mo1R焊接时如果焊接线能量较小钢板厚度较大且不预热焊接时就有可能发生100％的马氏体转变2冷裂纹由于Cr-Mo钢极易产生淬硬的显微组织再加上焊缝区足够高的扩散氢浓度和一定的焊接残余应力共同作用焊接接头易产生氢致延迟裂纹这种裂纹在热影响区和焊缝金属中都易发生在热影响区大多是表面裂纹在焊缝金属中通常表现为垂直于焊缝的的横向裂纹也可能发生在多层焊的焊道下或焊根部位冷裂纹是Cr-Mo钢焊接中存在的主要危险3消除应力裂纹因为这类裂纹是在消除应力热处理时接头再次处于高温下所产生的裂纹故又称为再热裂纹Cr-Mo钢是再热裂纹敏感性钢种敏感的温度范围一般在500 700℃之间大量试验结果表明钢中CrMoVNbTi等强碳化物形成元素对再热裂纹形成有很大影响通常以裂纹指数PSR粗略地评价钢的消除应力裂纹敏感性PSR按下式计算PSR Cr％ Cu％ 2Mo％ 10V％ 7Nb％ 5Ti％ - 2当PSR≥0时就有可能产生消除应力裂纹但对于碳含量低于01％的钢种上式不适用4热裂纹对低合金耐热钢人们往往注重冷裂纹的防止实际上当焊道的成形系数熔宽与熔深比小于12 13时焊道中心 Cr-Mo钢及其焊接接头在350 500℃温度区间长期运行过程中发生脆变的现象称为回火脆性例如某厂一台225Cr-1Mo钢制压力容器在332 432℃运行30000h后钢的40J脆性转变温度从-37℃提高到了60℃并最终导致灾难性的脆性断裂事故Cr-Mo钢及其焊接接头的回火脆性敏感性有两种评价方式①X系数和J系数X 10P5Sb4SnAs×10-2式中元素以ppm含量代入如001％应以100ppm代入J SiMnPSn×104 式中元素以百分数含量代入如015％应以015代入这两个系数的界定是随着工业的不断发展和进步一步步提高的最早要求X ≤25ppmJ≤200后来达到X≤20ppmJ≤150直至目前又提高了要求要求X≤15ppmJ ≤100②分步冷却试验法步冷分步冷却试验法是将试件加热到规定的最高温度后分步冷却温度每降一级保温更长时间如图10-2步冷处理目的是在200 300 h内使钢产生最大的回火脆性与350 500℃温度区间设备经过2000 5000 h才能产生的效果相同图10-2 测定回火脆性敏感性的步冷处理程序图10-3 回火脆化程度的曲线按图10-2曲线加热使钢材发生快速回火脆化分别对步冷试验前后的钢材进行系列冲击绘制出步冷试验前后回火脆化程度的曲线图10-3 确定延脆性转变温度VTr54 试样经Min PWHT处理后的夏比冲击功为54J时相应的转变温度的变量ΔVTr54 试样经Min PWHT 步冷处理后的夏比冲击功为54J时相应的转变温度增量按下式进行计算美国雪弗龙公司早期提出的指标VTr54 15ΔVTr54 ≤ 38℃ 100℉20世纪90年代普遍采用的指标VTr54 25ΔVTr54 ≤ 38℃随着对设备安全性要求的提高及钢材焊材性能的提高对该指标的要求越来越高2006年某工程公司为宁波和邦化学有限公司设计的两台加氢反应器提出的指标是VTr54 3ΔVTr54 ≤ 10℃压力容器用耐热钢焊材选用1与低合金高强钢相同焊缝金属和母材等强度原则仍是低合金耐热钢焊材选用的基本原则只不过此时不但要考虑焊缝金属与母材的常温强度等强同时也要使其高温强度不低于母材标准值的下限要求2为使其焊缝金属具有与母材同样的使用性能因此要求其焊缝金属的铬钼含量不得低于母材标准值的下限3为保证焊缝金属有同样小的回火脆性应严格限制焊材中的氧硅磷锑锡砷等微量元素的含量4为提高焊缝金属的抗裂性应控制焊材中的含碳量低于母材的碳含量但应注意含碳量过低时经长时间的焊后热处理会促使铁素体形成从而导致韧性下降因此对于低合金耐热钢的焊缝金属含碳量最好控制在008％ 012％范围内这样才会使焊缝金属具有较高的冲击韧性和与母材相当的高温蠕变强度压力容器用耐热钢焊接要点1预热与层间温度在Cr-Mo钢的焊接特点中提到的冷裂纹热裂纹及消除应力裂纹都与预热及层间温度相关一般来说在条件许可下应适当提高预热及层间温度来避免冷裂纹和再热裂纹的产生表10-2为对各种低合金耐热钢推荐选用的预热温度和层间温度但在设备制造过程中还要结合实际选用表10-2 推荐选用的低合金耐热钢预热及层间温度钢种预热温度℃层间温度℃15CrMoR ≥150 150 25012Cr1MoV ≥200 250左右12Cr2Mo1R 200 250 200 300在Cr-Mo钢上堆焊不锈钢≥100 对于预热和层间温度应注意以下几点①整个焊接过程中的层间温度不应低于预热温度②要保证焊件内外表面均达到规定的预热温度③对于厚壁容器必须注意焊前焊接过程和焊接结束时的预热温度基本保持一致并将实测预热温度做好记录④若容器焊前进行整体预热不仅费时而且耗能实际上作局部预热可以取得与整体预热相近的效果但必须保证预热区宽度大于所焊厚度的4倍且至少不小于150mm⑤预热与层间温度必须低于母材的Mf点马氏体转变结束点否则当焊件经SR处理后残留奥氏体可能发生马氏体转变其中过饱和的氢逸出会促使钢材开裂如对12Cr2Mo1R的预热和最高层间温度应低于300℃⑥钢材下料进行热切割时类似焊接热影响区的热循环切割边缘的淬硬层可能成为钢材卷制或冲压时的裂源因此也应适当预热2焊后热处理对于低合金耐热钢焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力而且更重要的是改善组织提高接头的综合力学性能包括提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性降低焊缝及热影响区硬度还有就是使氢进一步逸出以避免产生冷裂纹因此在拟定低合金耐热钢焊接接头的焊后热处理规范时应综合考虑下列冶金和工艺特点①焊后热处理应保证近缝区组织的改善②加热温度应保证焊接接头的焊接应力降到尽可能低的水平③焊后热处理不应使母材及焊接接头各项力学性能降低到设计规定的最低限度以下这一点往往要通过对母材及焊接接头进行最大和最小模拟焊后热处理PWHT及Min PWHT 后的各项力学性能检测来确定④由于耐热钢的回火脆性及再热裂纹倾向焊后热处理应尽量避免在所处理钢材回火脆性敏感区及再热裂纹倾向敏感区的温度范围内进行应规定在危险温度范围内要有较快的加热速度综合考虑以上4个特点需要制定一个合适的耐热钢焊后热处理规范经过大量的试验研究引出了一个指导性参数即纳尔逊米勒RarsonMiller参数 Tp也称回火参数Tp T 20log t ×10-3式中T 热处理绝对温度Kt 热处理保温时间h从式中可以看出热处理的温度和保温时间决定了Tp值的高低也就影响了Cr-Mo钢焊接接头的强度和韧性Tp值过低接头的强度和硬度会过高而韧性较低若Tp值太高则强度和硬度会明显下降同时由于碳化物的沉淀和聚集也会使韧性下降因此Tp值在182 214可以使接头具有较好的综合力学性能当然对于每一种Cr-Mo钢都有一个最佳的回火参数范围如125Cr-05Mo钢焊缝金属的最佳Tp值为200 206之间对于225Cr-1Mo钢而言其最佳的Tp值在202 206之间3后热和中间热处理 Cr-Mo钢冷裂倾向大导致生产裂纹的影响因素中氢的影响居首位因此焊后或中间停焊必须立即消氢一般说来Cr-Mo钢容器的壁厚刚性大制造周期长焊后不能很快进行热处理为防裂并稳定焊件尺寸在主焊缝或主焊缝和壳体接管焊缝完成后进行比最终热处理温度低的中间热处理这类钢的后热温度一般为300 350℃也有少数制造单位取350 400℃的中间热处理规范随钢种结构制造单位的经验而异一般中间热处理温度为 620 640℃±15℃4焊接规范的选择焊接线能量预热温度和层间温度直接影响到焊接接头的冷却条件一般来说焊接线能量越大冷却速度越慢加之伴有较高的预热和层间温度就会使接头各区的晶粒粗大强度和韧性都会降低对于低合金耐热钢而言对焊接线能量在一定范围内变化并不敏感也就是说允许的焊接线能量范围较宽只有当线能量过大时才会对强度和韧性有明显的影响所以为了防止冷裂纹的产生。
前言１第1部分储罐设计分析2第1章储罐总体分析2
1.1 储罐基本设计要求2
1.2 储罐材料2
1.３储罐用钢板4
1.4 配用锻件5
1.5 配用螺栓、螺母5第2章储罐罐底设计7
2.1 储罐罐底板尺寸7
2.2 罐底结构8第3章罐壁结构设计12
3.1 罐壁的排板与连接12
3.2 罐壁厚度13
3.3 罐壁加强圈14第4章罐顶结构设计15第2部分储罐的焊接工艺分析16第5章压力容器的焊接接头16
5.1 压力容器焊接接头的分类16
5.2 圆筒形容器焊接接头的设计17第6章压力容器的焊接方法19
6.1 熔化极氩弧焊19
CO气体保护焊20
6.2
2
6.3埋弧焊21第7章压力容器的焊接工艺23第3部分储罐的组装与检验24第8章储罐的安装施工顺序24
8.1储罐底板的焊接顺序24
8.2储罐壁板的焊接顺序25
8.3储罐固定顶的焊接顺序25第9章储罐焊缝的检验与修补26
9.1焊缝检测26
9.2焊缝修补27设计体会28参考文献29
前言
大型油气储罐是油气产品储存运输最方便、廉价的方式之一。
储罐的形式可跟据盖顶的样式不同分为浮顶式储罐（包括气柜）和固定顶式储罐（包括内浮顶式储罐），而固定顶式储罐又包括锥顶式储罐和拱顶式储罐两种。
目前原油的储罐使用中浮顶式储罐在不断减少，液化气储运主要是球罐和立式筒形低压储罐。
常用的几种灌顶形式为双子午线网客机构拱顶、辐射网壳结构拱顶、短程线网壳结构拱顶和梁柱支撑结构拱顶，见图1。
本次课程设计主要讨论立式固定顶筒形钢制焊接储罐的施工工艺。
其中包括储罐的材料选择、加工工艺路线选择、相关组件形式选择、机械加工装配、施焊成型、焊后检测调试等相关生产内容。
第1部分储罐设计分析
第1章储罐总体分析
1.1 储罐基本设计要求
由石油化工立式筒形钢制焊接储罐设计规范SH 3046-1992，储罐的设计条件不得少于以下内容：
（一）地震设防烈度、风载、雪载等气候条件及地质条件；
（二）储罐的操作温度及操作压力（正负压）；
（三）介质的种类及密度；
（四）腐蚀裕量；
（五）储罐的容积；
（六）灌顶形式；
（七）开口接管尺寸、形式、数量及法兰规格；
（八）附件的安装位置。
对于固定顶式储罐，设计压力范围一般为-490Pa~6000Pa，设计温度不超过250°C，而最低设计温度应大于-2°C。
1.2 储罐材料
储罐用钢的选择必须考虑到储罐的使用条件，材料的焊接性能、加工制造工艺以及经济的合理性.
由液化石油气钢瓶国标GB 5842-2006一般规定钢瓶主体（指筒体、封头等受压元件）材料，必须采用平炉、电炉或氧气转炉冶
炼的镇静钢，具有良好的冲压和焊接性能。
材料必须有相关制造许可证书和质量合格证书（原件）。
主体材料力学性能应符合国标GB 6654《压力容器用碳素钢和低合金钢厚钢板》的规定，主体材R R不得大于0.80。
主体材料的化学成分应符合料的屈强比()
e L m
下列范围：
碳C ………不大于0.18% 硅Si ………不大于0.10%
锰Mn ………0.70~1.50% 硫S ………不大于0.020%
磷P ………不大于0.025% 硫S+磷P……不大于0.040%
根据上述要求并考虑储罐压力不是很大和制造成本的问题，选择16MnR钢代替焊接钢瓶专用钢板。
它是一种普通低合金钢,是锅炉压力容器专用钢，锅炉压力容器的常用材料。
它的强度较高、塑性韧性良好。
常见交货状态为热轧或正火。
属低合金高强度钢，含Mn量较低。
性能与20G（412-540）近似，抗拉强度为（450-655）稍强，伸长率为19-21%，比20G的大于24%差。
它的主要化学成分如表1-1。
表1-1 16MnR低合金结构钢的主要化学成分
1.３储罐用钢板
储罐用钢板的适用范围应符合表1-2.
表 1-2 钢板的适用范围
16MnR钢的屈服强度见表1-3。
表 1-3 钢板的许用应力
1.4 配用锻件
储罐用锻件应符合JB 755
《压力容器用锻件技术条件》的要求。
见表1-4。
表 1-4 锻件的许用应力
1.5 配用螺栓、螺母
螺栓、螺母的用钢标准及许用温度标准，见表1-5。
表 1-5 螺栓螺母材料的许用温度
第2章储罐罐底设计
2.1 储罐罐底板尺寸
储罐罐底板尺寸不包括腐蚀裕量的罐底中幅板的钢板规格厚度应不小于一定尺寸，见表2-1。
表 2-1 螺栓螺母材料的许用温度
不包括腐蚀裕量的罐底边缘钢板规格厚度应不小于表2-2的规定，其材质应与底圈罐壁相同。
表 2-2 螺栓螺母材料的许用温度
罐底边缘板沿罐半径方向的尺寸应不小于700mm，对于软弱地基，边缘板的径向尺寸应适当加大。
2.2 罐底结构
罐内径小于12.5m时，罐底宜采用条形排板，如图4-1。
图 2-1 条形排板罐底
罐内径大于或等于12.5m时，罐底宜采用弓形边缘板，如图4-2。
图2-3 弓形边缘板罐底
罐底边缘板伸出罐壁外表面的宽度应不小于50mm。
罐底板的焊接接头可采用搭接、对接或者搭接与对接组合，如图4-3。
图 2-4(a) 罐底板的搭接接头
图 2-4(b) 罐底板的对接接头
边缘板与罐壁相焊接的部分应做成平滑支撑面，如图4-5。
图2-5(a) 搭接罐底边缘板
图2-5(b) 对接罐底边缘板三层底板重叠处，应将上层底板切角，如图4-6.
图2-6 对接罐底边缘板
罐底板任意两个相邻焊接接头之间的距离以及边缘板焊接接头距底圈罐壁焊缝的距离均不应小于300mm。
底圈罐壁板与边缘板之间的链接应采用两侧连续角焊，焊脚高度等于二者中较薄件的厚度，且不应大于13mm。
如图2-7
图2-7 焊脚
第3章罐壁结构设计
3.1 罐壁的排板与连接
上层壁板的厚度不得大于下层壁板的厚度，相邻两层壁板的纵向接头应相互错开，最小间距应大于下层壁板厚度的5倍，且不得小于100mm。
罐壁纵向接头、环向接头均应采用全熔透的对接形式，顶部包边角钢与最上一圈罐壁板之间可采用搭接接头连接。
对于固定顶罐及内浮顶罐的罐壁上端，应设的包边角钢的选用最小尺寸见表3-1。
表3-1 包边角钢最小尺寸
储罐内径（m）包边角钢最小尺寸（mm）
D≤5 ∠50×5
5<D≤10 ∠63×6
10<D≤20 ∠75×8
20<D≤60 ∠90×9
D>60 ∠100×12
包边角钢自身的对接焊缝必须全焊透、全熔合，接头对接、搭接均可。
对于浮顶罐，角钢的水平肢必须向外，而固定顶罐不做严格要求。
如图3-1
图3-1 包边角钢3.2 罐壁厚度
罐壁设计厚度按下列公式计算，且取其中较大值。
t1=0.0049+C1+C2 （3.2-1）
t2=4.9+C1 （3.2-2）式中t1 ——储存介质时的设计厚度（mm）
t2 ——储存水时的设计厚度（mm）
ρ——储液密度（kg/m3）
H ——罐高（m）
D ——储罐内径（m）
[σ]t——设计温度下罐壁钢板许用应力（MPa）
[σ]——常温下罐壁钢板许用应力（MPa）
φ——焊缝系数，一般取0.9
罐壁的设计厚度应向上圆整至钢板的规格厚度，且不小于表3-2中的规定。
表3-2 罐壁最小壁厚
储罐内经（m）
钢板最小规格厚度（mm）碳素钢不锈钢
D≤16 5 4 16<D≤35 6 5 35<D≤60 8。
