容器的焊接结构

第六章高压厚壁容器第一节厚壁容器设计理论及结构【学习目标】掌握高压容器设计理论及壁厚计算公式，了解多层包扎压力容器、热套压力容器等多层厚壁圆筒结构。

一、厚壁容器设计理论高压容器（10MPa≤P＜100MPa）又称为厚壁容器，δ/D＞0.1或K=D0/D i＞1.2。

厚壁容器由于径向应力较大，不能忽略，因此筒壁处于三向应力状态。

在三向应力中，除经向应力仍可视为沿壁厚均匀分布外，径向应力和环向应力并不沿壁厚均匀分布，最大当量应力发生在容器的内壁上。

1、厚壁容器的失效准则（1）弹性失效准则这种观点认为，器壁上应力最大处（内壁）的应力达到屈服极限后，容器便失去正常的工作能力，亦即失效，这种失效称之为弹性失效。

厚壁容器内壁屈服后，可能会在局部应力较大处出现微裂纹，并且在各种因素作用之下，可能会使裂纹进一步扩展，最终导致破坏。

弹性失效准则被许多国家采用，我国的GB150《压力容器》标准也是依据了这一准则。

（2）塑性失效准则这种观点认为，器壁上应力最大处的材料进入屈服阶段，并不导致整个容器的破坏，因为容器都是用具有一定塑性及韧性的材料制成的，内壁处的材料虽然屈服了，但在它外面的材料仍处于弹性状态，故屈服了的材料想进一步发生塑性变形，便要受到仍处于弹性状态的外层材料的约束。

只有当压力逐渐增加，塑性区不断扩展，直至容器的整个截面从里到外都达到屈服，才失去正常的工作能力。

这种失效称之为塑性失效。

（3）爆破失效准则这种观点认为，厚壁容器的壁很厚，材料的塑性又较好，它不会一达到整体屈服就发生破坏，它有明显的应变硬化现象，只有当容器承受的压力继续增大时，器壁中的应力和应变才会继续增加，直至压力增大到爆破压力，容器发生爆破，才能算真正失效。

2、厚壁容器弹性设计理论弹性设计理论下厚壁容器三向应力计算公式见表6-1。

在材料力学中，三个主应力按一定的顺序排列，即σ1＞σ2＞σ3，对应厚壁圆筒的三向应力为σt＞σx＞σr。

在弹性失效准则下，有四个不同的弹性强度理论，见表6-2。

焊接容器结构原理焊接容器是由板材经成形加工，并焊接成能够承受内外压力的封闭性结构。

容器结构（包括锅炉、压力容器和管道）是各工业部门必不可少的生产装备，近年来，我国有关部门对容器的设计、制造、安装、检验及使用管理等诸方面制订了一系列详尽的规程和标准。

1、焊接容器的分类焊接容器种类很多，分类方法有十几种。

（1）按用途有反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器和储存压力容器四类（见表1）。

表1.压力容器按用途分类（2）按设计压力分为低压容器、中压容器、高压容器和超高压容器。

（3）按设计温度分为低温容器、中温容器和高温容器。

（4）按容器壳体结构分为整体式和组合式两类。

（5）按制造容器材料分为钢制容器、有色金属容器和复合材料容器等。

除上述分类方法外，还可按压力容器的壁厚、结构形式、工作介质、装配方法及空间位置等分类。

焊接容器分类方法虽有多种，然而，就容器基本组成而言，大多是由各种壳体（圆柱形、圆锥形和球形）与各种封头（椭圆形、球形和圆锥形）以及管接头、法兰和支座等基本部件构成。

2、容器的工作条件压力容器的设计制造，应根据不同工作条件、使用寿命、重要程度及焊接特点等综合因素，来合理选择材料、制订和选用相应的制造和验收技术条件，严格遵循各类标准、规程和规范。

根据焊接容器工作条件不同，主要包括载荷、温度与介质三项内容。

（1）载荷性质大多数容器主要承受静载荷的作用，包括内压、外压、温差应力及自重等。

除静载荷外，还要承受疲劳载荷的作用，包括水压试验、调试和检修等载荷的波动变化。

对于一些特殊要求的结构，还应考虑风载荷、雪灾、地震等引起的载荷作用。

（2）环境温度指焊接容器处于高温、常温或低温的工作温度条件。

（3）工作介质包括容器内部的储存介质和外部的环境介质，如空气、水蒸气等大气介质；海水和各种成分的水质；硫化物和氮化物；石油气、天然气，以及各种酸、碱及其水溶液等。

对于核电站和宇航技术领域中应用的焊接容器，还要接受核辐射及宇航射线的工作环境。

压力容器制造中双相钢S22053与碳钢Q345R的焊接工艺常见不锈钢材料与碳钢焊接工艺已经非常成熟，但双相钢S22053是第一次遇到。

众所周知，不锈钢利用氩弧焊焊接是非常有优势的，特别是打底焊，可是我公司焊工还没有取得这方面的资格，根据公司焊工所取得压力容器焊接资格，只能采用手工气体保护焊打底、填充和盖面。

根据压力容器及特种设备检验研究院的要求，制定了预焊工艺规程，并制作了试件，进行了力学性能、弯曲等试验，经过两次试验，终于获得了合理的焊接参数，最终顺利完成了一台广西某化工行业用的加压过滤机。

1. 焊接工艺试验过程（1）焊接人员资质 S22053为双相钢，在承压设备焊接工艺评定（NB/T47014—2011）中承压设备用母材分类分组规定其类别号为F-10H，从事操作的焊工应具有相应的资格，我公司王某持证项次中有SMAW-FeⅣ-1G-12-Fef4J，符合要求。

（2）焊接设备及材料焊接设备选用山东奥太ZX7-400s逆变式直流焊机，此焊机具有引弧电流可调，温度保护功能，母材选用Q345R 碳钢（GB713），厚度6 m m及双相钢S 2 2 0 5 3（GB24511），厚度6mm的试件，焊材选用E2209焊条，其化学成分及常温力学性能如表1~表3所示。

（3）制定焊接试板评定任务书根据两种母材材质、承压设备焊接工艺评定（NB/T47014-2011）及本公司现有焊接资质，采用手工气体保护焊，试件母材开单边V形坡口，分解为拉伸、弯曲试样，分别为2件、4件；弯曲分为面弯和背弯各两件。

（4）制定预焊工艺规程（pWPS）根据公司制定焊接评定编号，本次评定编号为pWPS-32。

焊条型号采用E2209，规格为φ2.5mm、φ3.2mm，利用φ2.5mm焊条打底，φ3.2mm焊条填充盖面，单面焊双面成形。

坡口形式如图1所示，其焊接参数如表4所示，焊前将焊件近焊缝区20mm范围内的表面浮锈及油污仔细清理干净。

张仲平一大早就和徐艺出了家门。

果对100％探伤的，I级为合格；局部探伤的，Ⅱ级为合格。 公称直径小于250mm，且壁厚小于等于28mm时仅做表面无损检测（磁
粉或着色），其合格级别为JB4730规定的I级。 注：进行100％无损检测或局部无损检测由标准：GB150、GB151等规
定。 2) 对口错边量b和棱角度E 对口错边量b直接导致结构不连续影响容器的应力分布均匀性。而错边 量b对应力分布的影响，主要取决于b与板厚δ之比b/δ，考虑工艺实现的 可能性，我国标准参照ASMEⅧ-1，按δ的不同，确定b的允许值，且A类 焊缝严于B类焊缝。详见图3-2和表3-1。
5) 焊缝间距
相邻筒体的A类焊缝间的距离，封头上A类焊缝端点与相邻筒体的A类焊 缝间的距离均应大于等于3δn，且大于100mm。
公司要求：200-300mm。在符合标准要求的情况下，尽量小，以利于接 管开孔（不至于开到焊缝上）。
4.换热设备常用焊接结构
换热设备的焊接接头的设计的合理性是保证其制造、运行安全可靠的基本 条件。换热装备焊接结构较常见的典型接头型式有：
度的场合。要求补强圈与壳体紧密贴合，并应有M10的讯号孔。
图4-5 有补强圈的T型接头
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4.3 接管与法兰的焊接接头
钢制法兰与接管的连接，有角接和对接两种，如图4-6所示。角接结构主要 用于工作压力≤2.5MPa的容器，对接一般用于较高工作压力容器。铝、 铜制容器，主要采用活套法兰如图4-7所示。
图4-6 接管与法兰的焊接接头
加工和焊透，以最大限度地减少焊接缺陷。 4) 按等强度要求，接头的强度应不低于母材标准规定的强度下限值。 5) 焊缝外形应尽量连续、圆滑过渡，以减少应力集中。
3.压力容器焊缝形式及分类 3.1 压力容器焊接接头形式