实 训 目 的 | 目的：《焊接结构与工艺课程设计》是在完成焊接理论教学课程后，进行的综合运用所学基本知识和技能的一个非常重要的教学环节。通过课程设计，可以培养学生解决焊接生产实际问题的能力，检验学生对所学基本知识的综合运用能力；使学生进一步了解典型焊接结构（压力容器）的基本知识及相关焊接工艺，掌握焊接结构的整体设计、焊接工艺规程、焊接工艺卡的编制要领；最终使学生具有根据生产实际独立制定焊接结构焊接工艺的能力。 主要内容：了解焊接结构（压力容器）、工况环境、制造过程的特点，掌握焊接结构的整体设计、焊接工艺规程、焊接工艺卡的编制要领。最终能根据实际需要独立研究设计相应的焊接结构，制定相关的焊接工艺。 |
实 训 threadx系统内 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 加氢反应器是整个石油炼化系统中的核心设备,也是压力容器中的高端设备，操作介质:氢气、硫化氢、蜡油、汽油、柴油、轻烃等,设备在高温、高压、临氢条件下运行，使用工况恶劣。其材料2.25Cr-1Mo为耐热钢,材料焊接性较差，且设备 壁厚较厚,冷裂纹倾向较大，需采用严格的工艺措施才能保证焊接接头的质量。壳体筒体、封头所用2.25Cr-1Mo钢板，采用电炉或氧气转换加真空脱气精炼工艺冶炼，应为本质细晶粒镇静钢。在热壁加氢反应器壳体内壁堆焊不锈钢防蚀层, 形成双金属结构。其壳体材料在临氢条件下工作, 主要依据耐尔逊( Nelson) 曲线来确定, 自20世纪60年代以来,2.25Cr-1Mo钢被广泛应用于加氢设备上,是热壁加氢反应器主选材料。随着人们对设备损伤认识上的深入以及冶炼技术的不断提高, 该钢的纯洁性、均质性、抗氢性和综合力学性能不断得到提升。改善和提高, 2）2.25Cr-1Mo材料的成分及性能 2.25Cr1Mo钢是通过Cr、Mo元素的固溶强化及第二相沉淀析出强化的低合金耐热钢，该钢具有较高的热强性和组织稳定性。又称之SA387Gr22CL2或者是A387Gr22CL2，2.25Cr是指Cr的含量在2.25左右，即2250左右。1Mo是指Mo的含量在1左右，即1000左右。 2.25Cr-1Mo钢广泛应用于热壁加氢反应器,长期在高温(375～575℃)、高压(6.9～28 MPa)、临氢(H2、H2S)的恶劣环境下服役。 执行标准：外观执行ASTM A20/A20M 标准，内部执行ASTM A387/A387M标准。 2.25Cr-1Mo钢采用电炉或氧气转炉加真空脱气精炼工艺冶炼，为本质细晶粒镇静钢，供货状态为正火加回火(N+T),其化学成分见表1，力学性能见表2。其金相组织为:贝氏体,具有较好的力学性能和抗裂纹扩展性。通过Cr. Mo、Mn元素的加入提高了钢材的热强性和抗氢性，同时也增强了钢的抗高温蠕变强度。镍改善了钢材的低温冲击韧性,通过模拟MIN.PWHT+阶梯冷却试验: VTr54+2.50VTr54=-11.35°C,证明该钢具有较高的抗回火脆化能力。
表1.2.25Cr-1Mo钢化学成分
表2.2.25Cr-1Mo钢力学性能 3）2.25Cr-1Mo材料的焊接性分析 根据国际焊接学会(IIW) 碳当量计算公式可计算出2.25Cr-1Mo钢的碳当量: Ceq=C+ Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+(Ni+Cu) /15=0.87%,说明2.25Cr- 1Mo钢具有较大的冷裂倾向。较高的Cr、Mo含量加剧了钢的淬硬性，焊接过程中易产生淬硬的马氏体组织，加之设备壁厚较厚,空气湿度较大，使得冷裂纹倾向加大。因此该钢在焊接时需要采取严格的焊前预热和焊后消氢等工艺措施，以减少其产生冷裂纹的可能性。 2.25Cr-1Mo钢中含有沉淀强化元素的Cr、Mo、 Nb等，在热处理过程中，由于晶内析出这些碳、氮化物及沉淀相，从而晶内强化，而经热处理应力松弛所产生的变形就集中于晶界,当晶界的塑性不足时，就会产生再热裂纹(亦称消除应力热处理裂纹)。为保证焊接接头质量,其焊接接头通常在焊接完成24h后无损检测合格的基础上，热处理后再进行一次无损检测，主要是进行超声波和磁粉检测，以确定焊接接头的质量。 2.25Cr-1Mo钢具有较大的冷裂倾向。较高的Cr、Mo含量加剧了钢的淬硬性，焊接过程中易产生淬硬的马氏体组织，加之设备壁厚较厚，空气湿度较大，使得冷裂纹倾向加大。因此该钢在焊接时需要采取严格的焊前预热和焊后消氢等工艺措施，以减少其产生冷裂纹的可能性。 2、筒体壁厚的强度校核 压力容器的壳体壁较薄，壳体及底部的主要构成是二维面积承载件，其可以承受均匀分布的平面载荷。压力容器主要承受的是内压静载，对于每个环形单元来说，其环向合力与切向应力都是相等的，可以通过列内力与外力平衡方程来计算压力容器壳体各处切向应力σt：2σyΔlt=PeDiΔlσy=DiPe/2t由力学平衡条件可知，轴向合力与纵向力相等，可以通过列内力与外力平衡方程来计算压力容器壳体各处纵向应力σl：σlπDit≈PeDi2π/4σl≈DiPe/4tσt为σl的两倍，若压力容器的周、纵两向焊缝的厚度一样，那么在处于破裂压力时，容器壳体会沿纵向裂开。再者，在壳体内表面上的内部静压力还会产生向压力Pe，其是逐渐向外减少的，至外表面时为0，可计算出平均径向应力σr：σr=-Pe/2另外在承受内部静压的同时，压力容器还会承受焊接内应力。在容器壁上，材料的变形性能会因两向拉应力状态而大大降低，达到极限时可能引起脆性断裂。 三、加氢反应器焊接结构各部分成型工艺 1、筒体的下料及成型工艺 筒体为容器设备的主要受力部分，筒体的加工主要是由板材卷制而成，加工过程中主要控制点为筒体的圆度、对口错变量、直线度等。 1.1钢板下料，根据高压厚壁压力容器施工图，主体依据容器要求尺寸进行排版，避开开孔位置在焊道上，主体板下料根据直径计算周长，要求下料时板材对角线、长度、宽度控制在1.5毫米以内。 1.2筒体钢板周长超过15米以上，一般采用2张拼接，根据焊接工艺要求进行坡口角度切割。 2.钢板预弯卷制 2.1钢板滚弧时要考虑钢板延展，钢板的厚度与筒体直径之比大于1~3%时，则考虑钢板卷制的延展量，预完后进行实际尺寸测量后切割，保证按照图纸要求的直径误差范围之内。 2.2为了不改变材料的原来热处理状态，简节成形尽量采用冷成形，冷卷一般按中性层展开尺寸下料，钢板为防止钢板折断，要在钢板四周打磨2毫米的圆弧角，避免钢板延迟裂纹的发生。 2.3筒节预弯卷制时，由于卷板机的特性，下辊水平位移过小，在预弯时会产生直段，所以要留预弯直段，考虑1.5~2倍的板厚（根据卷板机卷制能力大小），预留100-250毫米，小直径筒体可以不留预弯量。 对于有些小径厚壁筒节因受设备能力限制需要中温热卷成形时，受焊接方法、焊接规范、板材材质、厚度、直径大小等影响。 2.4通过对卷板机性能的操作经验，压头预弯需要2-3次。确定数值后保证直段和弧度的过渡段要预制100-200毫米，第二遍要比第一遍下压3毫米，保证整个压头弧度（不小于500毫米）的均匀，小直径简节不留压头余量，才能保证第三遍要求数值。2.5筒节板预弯（压头）筒体板预弯在压力机进行时，在预弯处画出素线（压胎位置线）筒节板在预弯设备上应正，第一次下压量不宜过大，可分多次压制成形，并用样板检验。压力机预弯卷板机预弯 2.6简节预弯样板采用2米的样板测量，间隙不得大于2毫米；弧板预弯间隙不得大于1.5毫米。 2.7简节的成形（卷板）筒节板在预弯、二次划线、切割直边、加工纵焊缝坡口后便进行卷板成形。 2.8成形时根据板厚、直径大小、材质、设备能力等具体情况可分别选用冷成形或热成形工艺，一般来说尽量选用冷成形工艺，以保持材料的原来热处理状态。对于厚壁小直径或受限于设备能力的筒节可选用中温成形。 2.9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、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。 3.4简节6米以内的的环焊缝坡口加工在校圆后经机加工而成，对于6米以上的直径筒体组对纵缝时保证筒节端部平面度比较容易，可以在筒节成形前（卷板前）加工环缝坡口。 3.5为了提高焊接质量和效率，厚壁简节环缝坡口一般选用窄间隙坡口形式，外坡口保证在24毫米左右， 窄间隙坡口在加工的过程中，由于筒节有一定的圆度，可能有局部加工时达不到坡口尺寸要求，可以进行打磨修整。 3.筒体组对焊接 4.1筒节在加工完环缝坡口后，根据排版图进行组对，组对时应严格控制筒体的错边量和直线度，一般错边量控制在等于小于壁厚的1/8倍，且不超过20mm；直线度允差应不大于筒体长度的1/1000，当直立容器壳体长度超过30m时，直线度允差应不大于(0.5L/1000)+15. 4.2筒体焊接时一定要严格按焊接工艺进行，纵缝焊接时在匀速转动的托辊上进行，要对焊接部位采取不断加热方式进行施工，确认焊丝和焊药符合焊接要求，控制好焊接电流电压，一般进行倒班一次性焊接完成，焊接时采用一道压一道排焊的方法，便于气孔析出，满足焊道强度要求。 4.3 过程中控制好工序焊接质量，及时对焊接缺陷进行处理，焊接内外口后进行热处理，保证消氢处理时间。 2、封头的成型工艺 封头常用的成型方法有:冲压成型、旋压成形、爆炸成型。本压力容器采用冲压成型。流程为：材料检验→划线→气割→坡口加工→相对焊接→冲压→封头余量切割→检查。且先拼版后成型的封头，拼版的对口错变量b不应该大于材料厚度δ的10%，且不大于1.5mm，拼接复合钢板的对口错变量不应大于覆层厚度的30%，且不大于1.0mm。保证封口圆弧过渡区厚度减薄量满足要求。 1）封头冲压过程中钢板的塑性变形很大，对于厚壁或冲压深度过深的封头，若在冷态下冲压，不仅需大型压力机，而且会使成形后封头产生严重的冷作硬化，甚至形成裂纹。为保证封头的质量，提高材料的变形能力，对于壁厚较大或成形过程变形量大的封头，多采用热冲压，本品即为热压，温度约为950℃。 2）该容器选择二次成型法 图6.第一次预成型 第一次，用比凸模直径小200mm左右的凹模压成碟子形状，可2～3块坯料叠压 图7.最后成型 第二次，用配套的凹模压成所需要的封头，必要时可分2～3次拉延。如图7所示。 3）拉延:也称为拉深或压延。它是将平板毛坯或空心半成品，利用拉延模，拉延成一个开口的空心零件。 在封头拉延过程中，凸缘部分的材料受切向应力的作用。当切向应力达到一定值时，凸缘部分材料失去稳定而在整个周边方向出现连续的波浪形弯曲，这种现象称为起皱。为防止起皱采用压边圈，安在凹模上面，与凹模表面之间留有1.2倍板厚的间隙。 在拉延过程中,在钢板弯曲大的部位会变薄,所以应将封头板厚加大10%，厚度为16mm。 三、压力容器焊接工艺 1、焊接方法及焊接材料的选择 壳体对接主体焊缝的焊接：反应器的壳体在制造过程中均为上、下封头、筒节、接管的结构，每个部分均需制订制造工艺流程”，组对焊缝应采用与产品焊缝同样的工艺，组对前需对坡口进行磁粉检测(MT)。焊接前需对母材预热≥200°C,焊接过程中采用红外线测温仪监测层间温度保持在200-250°C，焊后立即进行200 ~300°C x2h的后热处理。主体的重要焊缝须进行焊后620°C中间热处理和焊后最终热处理。焊接过程中间热处理是为了消除部分焊接应力和扩散氢积聚,焊后最终热处理温度为690°C。①：纵、环焊缝的焊接：纵焊缝端部需装配引、熄弧板，环焊缝采用工艺板装配法将筒节联在一起。纵、环焊缝的焊接采用外坡口窄间隙埋弧焊，清根并无损检测（MT）后，内坡口采用埋弧焊的方法，壳体对接主体焊缝的焊接工艺见表
反应器接管与法兰的焊接：一般指小接管与法兰的焊接，大接管法兰通常为整体锻件。小接管与法兰的焊接采用外坡口手工钨极氩弧焊打底（两层）、外侧焊条电弧焊盖面的方法。小接管与法兰的焊接工艺见表
接管与壳体角焊缝的焊接:反应器接管与壳体角焊缝的焊接通常有小接管与壳体的角焊缝、大接管与壳体的角焊缝两种。小接管与壳体的焊接通常采用双面焊条电弧焊的方法。大接管与壳体的焊接通常采用内坡口焊条电弧焊、外坡口埋弧焊的方法。接管与壳体角焊缝的焊接工艺见表。
加氢反应器的壳体、接管内壁均需堆焊耐蚀层。在堆焊前，母材的对接焊缝经过焊后热处理，并经100%射线或超声波检测合格后方可进行堆焊。其余器壁表面需经打磨、喷砂或机械加工处理，彻底清除油污、氧化皮、突出物毛刺、飞溅物等，超出堆焊工艺规程的凹坑应进行打磨。被堆焊表面需经磁粉检测合格，不得有表面缺陷。堆焊前器壁预热温度及层间温度控制在150-250℃。 筒体、封头内壁:筒体、封头内壁的堆焊采用带极堆焊的方法，封头堆焊时将封头放置于变位机上，堆焊时保证堆焊位置始终处于平焊位置。工艺见表
小接管、90°弯管内壁: 内径小于100mm的接管及90°弯头内壁的堆焊采用钨极氩弧焊。焊接材料采用进口焊丝，过渡层为ER309L、p1.0mm.面层为ER347L.ψl.Omm. 大接管内壁内径大于等于100mm的接管内壁的堆焊采用二氧化碳气体保护焊。大接管内壁堆焊的焊接工艺见表。
焊条电弧焊：加氢反应器内壁某些部位(如总装环焊缝、弯管环缝内壁、堆焊层补焊等)不能采用自动堆焊时，可采用焊条电弧焊进行堆焊。焊条电弧焊焊接工艺见表
2、焊缝布置及焊接顺序 A类焊缝:圆筒部分的纵向接头(多层包扎容器层板层纵向接头除外)、球形封头与圆筒连接的环向接头、各类凸形封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头。B类焊缝:壳部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接头、长颈法兰与接管连接的接头，但已规定为A、C、D类的焊接接头除外。 C类焊缝:平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头。 D类焊缝:接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头，但已规定为A、B类的焊接接头除外。 结构对称时，采用对称焊法；焊缝多比较集中时，采用跳焊法分散受热避免集中受热。长焊缝大于1米焊缝，采用分段退焊等；对组合件，先部件组焊矫正合格后，再整体拼装;结构不对称时，先焊焊缝少的一侧。先焊收缩量较大的焊缝，使焊缝能较自由地收缩，以最大限度地减少焊接应力。先焊工作时受力较大的焊缝，使内应力合理分布。 3、焊接工艺流程 反应器的壳体在制造过程中均为上、下封头、筒节、接管的结构，每个部分均需制订“制造工艺流程”，组对焊缝应采用与产品焊缝同样的工艺，组对前需对坡口进行磁粉检测(MT)。焊接前需对母材预热≥200℃，焊接过程中采用红外线测温仪监测层间温度保持在200-250℃，焊后立即进行200~300℃x2h的后热处理。 主体的重要焊缝须进行焊后620℃中间热处理和焊后最终热处理。焊接过程中间热处理是为了消除部分焊接应力和扩散氢积聚，焊后最终热处理温度为690℃。 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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