100 m3中壓12CrMo儲(chǔ)罐焊縫及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王 鑫，王 皓，張志浩，王文革，李麗茹

(1.吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林吉林132022;2.中國(guó)石油吉林石化公司乙二醇廠，吉林吉林132022)

儲(chǔ)罐屬于密封貯運(yùn)壓力容器，主要用于存儲(chǔ)或盛裝氣體、液體、液化氣體等介質(zhì)，在化工、石油、能源、冶金、消防、輕工、環(huán)保、制藥、食品、城市燃?xì)獾刃袠I(yè)得到了廣泛的應(yīng)用［1］.12CrMo是低合金珠光體耐熱鋼，屬Cr-Mo系列合金結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的抗氧化性和熱強(qiáng)性以及良好的抗硫和氫腐蝕的能力，最高工作溫度為550～580℃;鋼中合金元素含量少，價(jià)格比較便宜;冷、熱加工性能和焊接性能較好，熱膨脹系數(shù)低，導(dǎo)熱性能強(qiáng)，從而可避免焊接時(shí)引起局部過熱和產(chǎn)生較大的應(yīng)力;熱處理工藝簡(jiǎn)單，通過正火處理可以細(xì)化晶粒.采用12CrMo，不僅可以減薄容器的壁厚，減輕重量，節(jié)約鋼材，而且能解決大型壓力容器在制造、檢驗(yàn)、運(yùn)輸、安裝中因壁厚太厚所帶來的各種困難，因此是制造壓力容器的較為理想材料［2-3］.

儲(chǔ)罐類壓力容器是典型的焊接結(jié)構(gòu)，在運(yùn)行和使用過程中承受自重以及其它重力載荷、風(fēng)載荷外還承受交變作用載荷，因此其焊接質(zhì)量直接影響容器的使用壽命及安全.本文設(shè)計(jì)12CrMo儲(chǔ)罐的焊接工藝及接頭結(jié)構(gòu)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有一定借鑒意義.

1 焊接性分析

按安全技術(shù)管理，根據(jù)容器壓力與容積乘積大小、介質(zhì)危害程度以及容器的作用將壓力容器分類［4］，本設(shè)計(jì)中12CrMo 儲(chǔ)罐容積 100 m3，設(shè)計(jì)壓力 P=3.2 MPa，內(nèi)徑 DN=3 200 mm，壁厚 δ=45 mm屬Ⅲ類壓力容器.12CrMo化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、2所示，其焊接性分析如表1～2所示.

表112CrMo的化學(xué)成分(ωt%)

表2 12CrMo的力學(xué)性能

焊接性判定標(biāo)準(zhǔn):當(dāng)Cep＜0.4%時(shí)，鋼種焊接性好，無冷裂傾向;

當(dāng)Cep為0.4～0.6%時(shí)，鋼種的焊接性較差，有冷裂傾向;焊接時(shí)需要較高的預(yù)熱溫度;

當(dāng)Cep＞0.6%時(shí)，鋼種的焊接性差，冷裂傾向大;焊接時(shí)需要更高的預(yù)熱溫度.

2 焊接工藝

儲(chǔ)罐主要由筒體、封頭、法蘭、接管、液面計(jì)、鞍座及補(bǔ)強(qiáng)圈組成，各個(gè)部位通過組焊完成，標(biāo)準(zhǔn)GB150根據(jù)位置將容器接頭分為 A、B、C、D四類，圖1為100 m3儲(chǔ)罐接頭焊縫分布情況.

圖1 儲(chǔ)罐焊縫簡(jiǎn)圖

2.1 筒體縱縫、環(huán)縫的焊接

筒體縱縫屬于A類接頭，筒體環(huán)縫屬于B類接頭，見圖1，板厚45 mm屬于中厚板，滿足壓力容器對(duì)焊縫的性能要求，及經(jīng)濟(jì)上考慮，選擇熔敷率較高的埋弧自動(dòng)焊(SAW).為保證接觸腐蝕介質(zhì)的內(nèi)表面具有較高的焊接質(zhì)量，首先用TIG焊作為打底焊道，填充和蓋面焊用自動(dòng)埋弧焊.根據(jù)《熔化焊用鋼絲》GB/T14957-1994標(biāo)準(zhǔn)，12CrMo常用TIG焊焊絲型號(hào)為ER55-B2，埋弧焊焊絲型號(hào)為H08CrMoA(化學(xué)成分和力學(xué)性能如表3，4所示)，配合焊劑牌號(hào)為HJ250，屬于低錳中硅中氟型焊劑［6］，如表 5.

表3 焊絲化學(xué)成分/(%)

表4 焊絲力學(xué)性能

表5HJ250焊劑組成成分/(%)

筒體縱縫、環(huán)縫采用對(duì)接接頭，通過機(jī)械加工U型坡口［7］，如圖2所示.坡口內(nèi)先TIG焊焊至4～6 mm，清根后埋弧焊焊妥.由于儲(chǔ)罐體積較大，通過加焊接擺動(dòng)器、柔性軌道和行走小車實(shí)現(xiàn)TIG自動(dòng)焊機(jī)在筒體內(nèi)環(huán)縫上的應(yīng)用［8］，具體焊接工藝見表 6［9］.

圖2 單面U形坡口

表6 筒體焊接工藝參數(shù)

焊接時(shí)近焊縫區(qū)的加熱溫度可達(dá)奧氏體化溫度，奧氏體晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，焊后快冷，使粗大的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮拇喽驳鸟R氏體組織，淬硬傾向大，易產(chǎn)生冷裂紋.埋弧焊有焊劑覆蓋，冷卻速度小，可降低12CrMo的淬硬傾向.馬氏體的相變溫度Ms約為400℃，使焊縫至高溫冷卻時(shí)在Ms以上溫度停留較長(zhǎng)時(shí)間，不進(jìn)入馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，或把未完全冷卻的焊縫，立即重新加熱至Ms以上溫度，使未完成轉(zhuǎn)變的組織不再轉(zhuǎn)變成馬氏體，已生成的馬氏體通過重新加熱轉(zhuǎn)變成回火屈氏體，因此，需控制層間溫度在300～350℃之間，相當(dāng)于預(yù)熱處理.

2.2 補(bǔ)強(qiáng)圈、接管與筒體的焊接

壓力容器設(shè)計(jì)中，為保證開孔處的強(qiáng)度，通過面積補(bǔ)強(qiáng)原則，一般在開孔處需加設(shè)補(bǔ)強(qiáng)圈.接管及補(bǔ)強(qiáng)圈采用Q235材料，價(jià)格成本低，滿足使用要求.補(bǔ)強(qiáng)圈、接管與筒體的焊接采用全熔透的T型角接接頭，屬D類接頭，一般坡口開設(shè)在筒體或法蘭一側(cè)［2，7］，其結(jié)構(gòu)形式如圖 3 所示.

圖3 補(bǔ)強(qiáng)圈、接管與筒體坡口結(jié)構(gòu)圖

Q235的補(bǔ)強(qiáng)圈和接管與12CrMo的筒體焊接屬異種焊接，兩種金屬熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率和比熱容、線膨脹系數(shù)、電磁性以及形成脆性化合物的差異，其主要問題是熔敷金屬與兩側(cè)焊接熱影響區(qū)和母材存在化學(xué)成分、組織、性能、應(yīng)力不均勻性，以及兩側(cè)母材對(duì)熔敷金屬的“稀釋”，易出現(xiàn)過渡層［10，11］.Q235 含碳及合金元素量低，焊接性良好，優(yōu)于12CrMo的焊接性，選擇焊接方法和焊材時(shí)要依照難焊金屬;另外，異種鋼焊接通常希望熔合比越小越好，以降低焊縫金屬的稀釋程度;一般TIG焊的熔合比范圍最寬，可在10% ～100%范圍調(diào)節(jié)，焊條電弧焊熔合比范圍最窄，只有15% ～30%，因此焊接方法選擇焊條電弧焊(SMAW)，其具體焊接工藝如表7，熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能如表 8、9.

表7 補(bǔ)強(qiáng)圈、接管與筒體焊接工藝參數(shù)

表8 R202焊條的化學(xué)成分/(%)

表9 R202焊條的力學(xué)性能

3 結(jié) 論

通過對(duì)12CrMo焊接性分析，確定了中厚壁儲(chǔ)罐類壓力容器筒體縱縫、環(huán)縫對(duì)接接頭的焊接方法為TIG打底，自動(dòng)埋弧焊填充和蓋面，從而獲得優(yōu)質(zhì)焊縫和較高的生產(chǎn)率;補(bǔ)強(qiáng)圈、接管和筒體的角接接頭采用手工電弧焊，其主要特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)且方便靈活，同時(shí)確定了焊接材料、焊接參數(shù)、焊接輔助工藝、接頭形式，符合工藝技術(shù)要求，對(duì)生產(chǎn)同類產(chǎn)品提供一定參考和借鑒作用.

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