压力容器焊接结构及工艺设计

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综合性实验报告

压力容器焊接结构及工艺设计

实 验 者：

指导老师溜达

班 级：o8hanie

学 号：10

- 1 - 目 录

摘要…………………………………………………………………………………2

关键字………………………………………………………………………………2

前言

1 概述………………………………………………………………………………3

1.1压力容的分类…………………………………………………………………3

1.2 压力容器的结构特点……………………………………………………… 4

2 实验方案及方法……………………………………………………………… 4

2.1 材料的选则 …………………………………………………………………4

2.2 焊接性能分析……………………………………………………………… 6

2.2.1 裂纹问题 ………………………………………………………………6

2.2.2 脆化问题 ……………………………………………………………… 7

2.3 焊接方法及参数的确定 ……………………………………………………7

2.3.1 焊接接头形式 …………………………………………………………8

2.3.2 焊缝坡口的选择…………………………………………………………8

2.3.4 焊接方法的选择…………………………………………………………10

2.3.4 焊接材料的选择……………………………………………………… 12

3 实验过程 ……………………………………………………………………… 12

3.1 焊前准备 ……………………………………………………………………13

3.2 焊接操作 ……………………………………………………………………13

3.3 焊后热处理………………………………………………………………… 13

3.3 焊缝机械性能检验………………………………………………………… 13

4 实验结果与分析 ……………………………………………………………… 14

4.1 焊接接头硬度分析………………………………………………………… 15

4.2 焊接接头机械性能分析 ……………………………………………………15

4.3 焊接接头金相图…………………………………………………………… 16

5 结论…………………………………………………………………………… 18

6 总结…………………………………………………………………………… 18

7 致谢…………………………………………………………………………… 18

8 参考文献……………………………………………………………………… 19

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摘 要

目前中国生产的电站锅炉、工业锅炉和各种石油化工容器均为焊接结构，其焊接工作量之大，对焊接质量要求之高居整个焊接结构制造业之首位。目前中国的压力容器制造行业已经能够制造大型、超重型、高压和超高压容器。本文主要介绍压力容器的结构、使用性能、材料的选择、焊接结构与工艺的设计、憨厚的热处理、失效形式等。通过多步骤的实验得出了硬度数据、拉伸图、金相图片等资料，并就实验中出现的问题做了整理和分析，以供参考。

根据工件的工作环境、使用性能可知道工件的力学性能有高强度、好的塑性、韧性和焊接性。根据其工作要求、性能要求、服役条件和经济状况决定零件素需要的材料为16MnR钢。并根据工件的结构、性能要求以及材料确定工件的热处理工艺。

关键词：压力容器、手工电弧焊、坡口、金相图

- 3 - 前 言

压力容器一般是指用于一定压力流体的贮存、运输或者是传质、传热、反应的密闭容器。广泛应用于采矿、炼油、冶金、化工、医药等行业以及人民生活的很多方面。

1.概述

1.1压力容器的分类

压力容器的设计、制造、安装、使用、检验、改造和修理都要受到国家《压力容器安全技术监察规程》的监察。压力容器的焊接工作有严格的参数，必须遵循国家有关标准、行业标准和专业标准。

按压力容器的工作压力p,压力容器可分为低压、中压、高压和超高压容器四类。这四类容器的压力范围规定如下：

a. 低压容器（L），0.1≦p＜1.6MPa;

b. 中压容器（M），1.6≦p＜10MPa;

c. 高压容器（H），10≦p＜100MPa;

d. 超高压容器（U）,p≥100MPa。

按照压力容器安全技术的角度可将容器分为固定式容器和移动式容器。

从压力容器的用途和化工工艺过程的性质，可将压力容器分为反应容器、换热容器、分离容器和贮运容器。

鉴于各种容器的工作压力和介质差别较大，容器按工作压力、温度的高低以及在运行过程中的危害程度可以分为一类容器、二类容器和三类容器。 - 4 - 一类容器是指装有非易燃或无毒介质的低压容器，或者是装有易燃或有毒介质的低压分离器和换热器。

二类容器包括中压容器，或者装有剧毒介质的低压容器和装有易燃或有毒介质的低压反应器和贮运容器。

三类容器是指高压或超高压容器。或者装有剧毒介质的大型低压和中压容器，或者装有剧毒介质的低压容器和装有易燃或有毒介质的中压反应器和贮运容器。

1.2压力容器的结构特点

压力容器最常见的结构形式为圆柱形、球形和圆锥形三种。大多数压力容器是由封头、端盖、筒体和接管等部件组成。

压力容器的封头按其外形可分为椭圆形，蝶形和球形三种。厚度在20mm以下的薄壁封头可采用冷冲压或旋压成形制造。20mm以上的壁厚封头一般采用热冲压成型制造。大直径封头可由瓜瓣片和圆顶盖

拼焊而成。厚壁容器的顶盖以及热交换器的管板大部分采用大型锻件加工而成。圆柱形筒体和椎体可采用冷卷或热卷成形，也可采用压制成形工艺制造。封头、端盖、筒体（椎体）和接管之间几乎全部用焊接而成。

2 实验方案及方法

2.1 材料选择

压力容器所用的材料一般为碳钢、低合金钢和合金钢，含碳量一般规定≤0.25%。压力容器用钢必须满足使用条件下的力学性能要求，主要包括强度和塑韧性的要求。压力容器用钢要求室温下的冲击韧性 - 5 - 60-70J/cm2 ,-40℃时的冲击韧性为35-40J/cm2 （U型缺口）。压力容器所用的材料都应有供应厂商完整的质量证明书。初步选择Q235和16Mn进行对比。

Q235：普通碳素结构钢，是一种钢材的材质。Q代表的是这种材质的屈服度，后面的235就是这种材质的屈服值，在235左右。并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。由于含碳量适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好的配合，用途广泛。常用于制作钢筋或厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不高的机械零件。

●化学成分见下表2-1与力学性能见下表2-2

表2-1

牌号 等级 化学成分（质量分数）（%）

C Mn Si S P

≤

Q235

A 0.14~0.22 0.30~0.65

0.30

0.050 0.045

B 0.12~0.20 0.30~0.70 0.045

C ≤0.18 0.35~0.80 0.040 0.040

D ≤0.17 0.035 0.035

表2-2

16MnR：强度级别为343Mpa，在热轧或正火状态下使用。综合力学性能、焊接性及低温韧性、冷冲压及切削性均好，与Q235相比，强度提高50%，耐大气腐蚀性能提高20%-38%,低温冲击韧性也比Q235钢优越，价廉，应用广泛。用于各种大型船舶、车辆、桥梁、管道、锅炉、压力容器、石油贮藏、矿山机械、电站设备、厂房牌号 拉力强度MPa 屈服点MPa 伸长率（%）

Q235 375~500 235 26 - 6 - 钢架等承受动载荷的焊接结构。

●化学成分见下表2-3与力学性能见下表2-4

表2-3

牌号 化学成分(质量分数)(%)

C Si Mn P≤ S≤ Cr Mo V

16MnR 0.12-0.20 0.20-0.60 1.20-1.60 0.030 0.030 - -

-

表2-4

Q235和16MnR都具有良好的综合性能和焊接性能，但16Mn的强度比Q235的高、冲击韧性也比Q235的优越、耐大气腐蚀性也好。价格也便宜。综合考虑，选择16MnR。

●16MnR的性能参数见表2-5

表2-5

钢号 拉伸性能 冲击性能

板厚/mm 状态 σs/MPa σb/MPa σ5/% 弯曲180º 温度/℃ 冲击功Aku/J 时效冲击

16MnR 6-16 热轧或热处理 ≥345 510-655 ≥21 d=2a 室温 ≥27 ——

2.2压力容器焊接性能分析

2.2.1 裂纹问题

（1）热裂纹：热轧钢一般含碳量较低，而含锰量较高，因此它们Mn/S比较大，具有良好的抗热裂性能。正常情况下焊缝中不会出现热裂纹，但当材料成分不合格或有严重偏析，使碳、硫含量偏高，Mn/S比偏低，易出现热裂纹。锰在钢种可与硫形成硫化锰，减少了硫的有害影牌号 拉力强度MPa 屈服点MPa 伸长率(%)

16MnR 490-670 320 21 - 7 - 响，增强了钢的抗热裂性能。 （2）

冷裂纹：钢材冷裂纹主要取决于钢材的淬硬倾向，而刚才的淬硬倾向又主要取决于它的化学成分。热轧钢由于含有少量合金元素，其碳当量比低碳钢碳当量略高些，所以这种钢淬硬倾向比低碳钢要大些，而且随钢材强度级别的提高，合金元素的增加，它的淬硬倾向逐渐增大，应根据接头形式和钢材厚度来调整线能量、预热和后热温度，以控制热影响区的冷却速度，同时降低焊缝金属的含氢量等措施，防止冷裂纹的产

（3） 再热裂纹：从钢材的化学成分考虑，由于热轧钢中不含强碳化物形成元素，因此对再热裂纹不敏感，而且还可以通过提高预热温度和焊后立即后热等措施来防止再热裂纹的产生。

2.2.2 脆化问题

（1） 过热区脆化：热轧钢焊接时近缝区中被加热到100℃以上粗晶区，易产生晶粒长大现象，是焊接接头中塑性最差的部位，往往会承受不住应力的作用而破坏。防止过热区脆化的措施是提高冷却速度，尤其是提高奥氏体最小稳定性范围内的冷却速度，缩短在这一温度区间停留时间，减少或防止奥氏体组织的出现，以提高钢的冲击韧度，而且为防止过热区粗晶脆化，也不宜采用过大线能量。

（2）热应变脆化：热应变脆化是由于焊接过程中热应力产生塑性变形使位错增殖，同时诱发氮碳原子快速扩散聚集在位错区，出现热应变脆化。16Mn和15MnV这两类钢具有一定得热应变脆化倾向，焊接时消除热应变脆化的有效措施是焊后退火处理。