1Cr18Ni9Ti压力容器焊接工艺设计1 5.docx
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1Cr18Ni9Ti压力容器焊接工艺设计15
专业综合课程设计
课题：
压力容器制造中的焊接工艺制定
材料：
1Cr18Ni9Ti
焊接方法：
手工电弧焊
学院：
机械工程学院
班级：
09焊接
指导老师：
题目：
压力容器制造中的焊接工艺制定
材料：
1Cr18Ni9Ti
焊接方法：
手工电弧焊
要求：
1、看懂图纸2、根据相关标准画出焊缝布置图，并标注焊缝类别
3、制定焊接工艺总则4、设计焊接工艺卡5、重要的焊缝制定相应的焊接工艺卡
材料：
不锈钢筒体厚度：
6mm法兰直径：
200mm容器长：
1000mm直径：
650mm
一、压力容器简介4-7
二、母材1Cr18Ni9T焊接性分析7-9
三、板材的成型9-11
四、手工电弧焊简介11-15
五、薄壁奥氏体不锈钢压力容器制造难点分析与控制15-16
六、焊接工艺过程16-17
七、焊接装配17
八、容器的检验17-18
九、参考资料19
十、工艺卡20-23
一、压力容器简介
1.1压力容器的分类
1、按压力等级分类：
压力容器可分为内压容器与外压容器，内压容器又可按设计压力P大小分为四个压力等级，具体划分如下；
低压（代号L）容器0.1MPa≤P1.6MPa;
中压（代号M）容器1.6MPa≤P10.0MPa;
高压（代号H）容器10MPa≤P100MPa;
超高压（代号U）容器P≥100MPa。
2.按容器在生产中的作用分类；
反应压力容器代号R）:
用于完成介质的物理、化学反应；
换热压力容器代号E）:
用于完成介质的热量交换；
分离压力容器代号S）:
用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离；
储存压力容器代号C，其中球罐代号B，用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质；
3.按安装方式分类
固定式压力容器：
有固定安装和使用地点；工艺条件和操作人员也较固定的压力容器；
移动式压力容器：
使用时不仅承受内压或外压载荷，搬运过程中还会受到由于内部介质晃动引起的冲击力，以及运输过程带来的外部撞击和振动载荷，因而在结构、使用和安全方面均有其特殊的要求。
4按安全技术管理分类；
《压力容器安全技术监察规程》采用既考虑容器压力与容积乘积大小，又考虑介质危险性以及容器在生产过程中的作用的综合分类方法以有利于安全技术监督和管理。
该方法将压力容器分为三类；
第三类压力容器；具有下列情况之一的为第三类压力容器；
高压容器，中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；
中压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且PV乘积大于等于10MPa.m3）；
中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且PV乘积大于等于0.5MPa·m3）；
低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质且乘积大于等于0.2MPa·m3）；
高压、中压管壳式余热锅炉，中压搪玻璃压力容器，使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540MPa）的材料制造的压力容器；
移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车[液化气体运输（半挂车、低温液体运输；半挂车、永久气体运输；半挂车]和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等
球形储罐，容积大于等于50m3；
低温液体储存容器（容积大于5m3）；
第二类压力容器具有下列情况之一的为第二类压力容器。
中压容器；
低压容器，仅限毒性程度为极度和高度危害介质；
低压反应容器和低压储存容器，仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质；
低压管壳式余热锅炉；
低压搪玻璃压力容器；
第一类压力容器，除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。
可见国内压力容器分类方法综合考虑了设计压力、几何容积、材料强度、应用场合和介质危害程度等影响因素。
1.2压力容器的材料
1.碳素钢压力容器
用碳素钢一般是含磷、硫杂质少，塑性好焊接性能优异，抗冷脆性能高，时效倾向小的镇静钢。
碳素钢是压力容器常用的材料，供应方便，价格低廉。
压力容器用碳素钢包括普通碳素钢和优质碳素钢，常用于制造压力容器的普通碳素
钢钢板有Q235-A·F、Q235-A、Q235-C、20R、20HP优质普通碳素钢板有10、20、25、35、45制造钢管的有10、20用于锻件的材料有20、25、35、45碳钢螺栓材
料有Q235A、35。
2.低合金钢
低合金钢具有较好的力学性能、强度高、塑性、韧性好，而且焊接性能及其他工艺
性能也较好，由于钢中含有一定量的合金元素，所以耐蚀性远比碳素钢强。
由于低合金钢的力学性能好，用它制造的压力容器重量比碳钢制造的轻20~30，成本也降低许多。
常用的低合金钢钢板有16MnR、15MnVR、15MnVNR等；钢管有16Mn、15MnV、09Mn2V、16Mo等，锻件有16Mn、15MnV、10MnMo等；螺栓有16Mn、40MnB、40MnVB、40Cr等。
3.高合金钢钢板
高合金钢钢板在空气、水、酸、碱及其他化学侵蚀性介质中具有高度的稳定性。
常
用的高合金钢钢板有0Cr13、0Cr18Ni9、0Crl8Ni10Ti、0Cr17Ni12Mo2、OCr19Ni10等，钢管有0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni12Mo2Ti等；锻件有
0Cr13、1Cr18Ni9Ti等；螺栓有2Cr13、1Cr18Ni9Ti、0Crl8Ni12Mo2Ti等。
4.复合钢板
复合钢板是由碳钢或普通低合金钢为基层、不锈钢为复层组成的钢板。
一般复层厚
度为基层厚度的13~110。
基层的作用是承受强度，复层则用作防腐层，与介质接触。
应用不锈钢复合板，不仅节约了不锈钢，而且其热导率为单一不锈钢的1.5~2
倍。
因此它特别适用于制造既要耐腐蚀又要传热效率高的设备。
5.低温容器与高温容器用钢
1低温容器我国将设计温度小于或等于20℃的压力容器定为低温容器。
低温容器破坏的主要原因是由于承压部件在低温和应力作用下发生脆性断裂，所以GB150-1998《钢制压力容器》中规定“低温容器受压元件用钢必须是镇静钢”高温容器在较高温度下承受载荷的金属材料各种性能都与在常温下的性能有明显的区别。
除了力学性能会随着温度的升高发生明显变化（一般表现为强度降低而塑性升高）外，钢材在高温下还会出现蠕变、松弛（最主要的是会产生蠕变）等异常现象。
因此，对于高温承压部件材料的强度，不仅要考虑它的短期高温强度指标，更主要是考虑它的抗蠕变性能，即蠕变极限和持久强度。
蠕变极限是材料在一定温度下，在规定的使用时间内使试件产生一定量总变形的应力值。
持久强度是指在给定温度下使材料经过规定时间发生断裂的应力值。
蠕变极限反映的是材料在高温下工作的变形量，持久强度反映的是材料在高温下长期工作的断裂抗力，它更好地反映了高温元件的失效特点。
所以特别适用于高温承压部件。
用于制造高温承压部件的材料应具有足够高的强度和持久塑性、良好的组织稳定
性、高的松弛稳定性、良好的抗氧化性等性能。
目前，高压锅炉和高温压力容器所用的耐热钢一般都是低合金耐热钢，常用的有钼钢Mo、铬钼钢Cr-Mo及铬钼钒钢Cr-Mo-V
三大类。
它们的合金元素含量少、工艺性能好，广泛用于制造使用温度在600℃以下的承压部件。
常用的高温用钢有16Mo、12CrMo、15CrMo、12Cr1MoV等。
一些承压部件工作温度可能更高些，则采用高合金镍铬钢；如0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti等。
6.有色金属
1.铝和铝合金铝能抵抗浓硝酸、磷酸、醋酸、有机化合物、厂的氯和氯化氢、硫的化合物、硫蒸气等的腐蚀，但不耐碱和盐水的腐蚀。
铝及铝合金常用于制造储罐、塔、热交换器、防污染设备及深冷设备。
《压力容器安全技术监察规程》中规定铝和铝合金用于压力容器受压元件应符合下列要求。
①设计压力不应大于8KPa，设计温度为-269~200℃。
②设计温度大于75℃时，一般不选用含镁量大于或等于3的铝合金。
2.铜和铜合金铜在碱类水溶液中有很高的耐蚀性，在醋酸和其他有机酸中铜也是耐腐蚀的，在浓度小于50、温度小于60℃的硫酸中铜能耐蚀。
但在氨水及铵盐中或有氧化剂存在时，则铜的腐蚀很强烈。
《压力容器安全技术监察规程》中规定铜和铜合金用于压力容器元件时，一般应为退火状态。
钛和钛合金钛和钛合金在中性和碱性溶液中或在氧化性酸、含有氧化剂的非氧化性酸中均具有优良的耐腐蚀性能，如在氯化物、硫酸盐、氯酸盐、湿氯气和有机酸中就完全耐蚀。
可用于制造反应器、合成塔衬里、热交换器、蒸发器等压力容器。
1.3焊接容器的力学特征：
等强度，等塑性和等韧性，等耐蚀性。
1.4本课题中容器的压力等级计算
在设计温度20度时，【δ】s=205Mpa，许用应力【δ】t=193Mpa，取焊缝系数为φ=1，厚度附加量C=C1+C2。
C1=0.6，C2=0
由下面公式可得P=3.3Mpa；即该容器为中压容器。
1.5焊缝的布置
焊缝的布置应满足焊缝布置原则
1避开应力最大处
2焊缝远离加工面
3对称布置变形小
4焊缝布置求分散
5便于操作想周到，尽量平焊效率高。
压力容器受压部件的焊接接头分为A、B、C、D四类
A类焊缝；受压部件的纵向接头，多层包扎压力容器层板层纵向接头除外，球形封头与圆筒联接的环向接头，各类凸形封头中所有拼焊接头以及嵌入式接管与圆筒，封头联接的对接接头等；
B类焊缝；受压部件的环向接头，椭圆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；
C类焊缝；平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体接管的接头，内封头与圆筒的搭接填角接头以及多层包扎压力容器层板层纵向接头；
D类焊缝；接管孔与壳体非对接连接的接头凸缘，补强圈与壳体连接的接头；
由上述四类接头的说明设计如下
椭圆形封头与圆通连接的环向焊缝————A类
受压部件的环向接头：
筒节与筒节的对接————B类
接管与人孔等与壳体非对接的接头————D类
焊接是压力容器设计制造过程中不可避免的连接方式。
压力容器筒体的周向应力是轴向应力的2倍，因此在制造过程中，对纵向焊缝的质量要求要比环向焊缝要高。
对于容器焊缝是一个薄弱区域，因此对焊缝的布置和设计上由一定的要求。
焊缝的交叉、重叠或距离太近都将增加焊接应力，恶化焊缝区域的组织和性能，从而容易形成裂纹等缺陷。
所以容器组焊时，应尽量避免十字焊缝，相邻两筒节环焊缝，封头拼缝与相邻筒节的纵缝应错开，其焊缝中心间距应大于筒壁厚度3倍且不小于100mm。
受压部件主要焊缝及其相邻区域，应避免焊接零件。
如不能避免时，焊接零件的焊缝可穿过主要焊缝和转角要错开。
开孔边缘与焊缝的距离应不小于开口处实际厚度的3倍且不小于100mm
二、母材1Cr18Ni9T焊接性分析
1Cr18Ni9Ti就是普通的不锈钢（SUS321）,其组织类别为奥氏体型。
1Cr18Ni9Ti是碳1铬18镍9钛，1、18、9分别代表碳（‰）、铬（%）、镍（%）的含量。
是我国的不锈钢材料牌号。
用于制作耐酸容器及设备衬里，抗磁仪表、医疗器械，具有较好耐晶间腐蚀性。
奥氏体钢以铬镍为主要合金元素。
一般奥氏体钢的含铬量为WCr=18％，进一步增加含铬量可提高其对酸的耐腐蚀能力。
奥氏体不锈钢主要靠镍来完成奥氏体化，在此基础上，有时用少量锰与氮部分取代镍。
在奥氏体钢中可通过加入钛或铌，或把含碳量Wc降至0.03％及以下，达到碳的稳定化，以防止出现晶间腐蚀。
加入钼可以提高铬镍奥氏体不锈钢的抗点状腐蚀和缝隙腐蚀能力。
2.1化学成分：
C
Si
P
Mn
Cr
Ni
S
Ti
≤0.12%
≤1.00%
≤0.035%
≤2.00%
17.00～19.00%
8.00～11.00%
≤0..030%
0.05～0.80%
2.2热处理规范及金相组织：
热处理规范：
1）固溶920～1150℃快冷;2）根据需方要求可进行稳定化处理,热处理温度为850～930℃,但必须在合同中注明。
金相组织：
组织特征为奥氏体型。
交货状态：
一般以热处理状态交货，其热处理种类在合同中注明；未注明者，按不热处理状态交货
2.31Cr18Ni9Ti机械性能
抗拉强度σb（MN/m2）
屈服强度σs（MN/m2）
伸长率δ5（%）〉
收缩率ψ（%）〉
硬度：
≥550
≥200
=40
=55
≤187HB;≤90HRB;≤200HV
奥氏体不锈钢在任何温度下都不发生相变，无淬硬倾向，对氢也不敏感，焊接接头在焊接状态下具有较好的塑性和韧性，所以与其他类型的不锈钢相比其焊接性良好。
但在焊接材料选择不合适或焊接工艺制定不合理时，却易产生热裂纹，晶间腐蚀等缺陷，严重影响了1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢的焊接接头质量。
2.4、1Cr18Ni9Ti不锈钢焊接特点分析
奥氏体不锈钢具有良好的焊接性，焊接时一般不需要特殊的工艺措施。
但焊条选择不当或焊接工艺不正确时，就可能出现晶间腐蚀或热裂纹。
2.5、焊接热裂纹
原因：
1Cr18Ni9Ti焊接时，具有较高的热裂纹敏感性，在焊缝及近缝区都有可能出现热裂纹，最常见的是焊缝凝固裂纹，也可能在热影响区（HAZ）或多层焊道间金属出现液化裂纹。
防治措施：
①严格控制焊缝金属中有害杂质元素的含量。
钢中镍含量越高，越应该严格控制硫、磷、硼等有害元素的含量
②调整焊缝化学成分
③控制焊缝金属中的铬镍比。
对于18-8型不锈钢来说，当焊接材料的铬镍比小于1.61时，就易产生热裂纹；而铬镍比达到2.3～3.2时，就可以防止热裂纹的产生。
这一措施的实质也是为保证有一定量的铁素体存在。
④在焊缝金属中加入少量的铈、锆、钽等微量元素。
这些元素可以细化晶粒，也可以减少焊缝对热裂纹的敏感性。
2.6、焊接接头的晶间腐蚀
原因：
1Cr18Ni9Ti的焊接接头在腐蚀介质中工作一段时间后可能发生局部沿着晶界的腐蚀，一般称此种腐蚀为晶间腐蚀。
根据母材类型和所采用焊接材料与焊接工艺不同，奥氏体不锈钢焊接接头可能发生在焊缝区、HAZ敏化去（600～1000℃）和熔合区，
防治措施：
使焊缝金属具有奥氏体-铁素体双相组织，其铁素体的体积分数应在4％～12％范围内，不仅能提高焊缝金属抗晶间腐蚀的能力和抗应力腐蚀的能力，同时还能提高焊缝金属抗热裂纹的能力。
在焊缝金属中渗入比铬更容易与碳结合的稳定化元素，如钛、铌、钽和锆等。
一般认为认为钛碳比大于5时，能提高抗晶间腐蚀的能力。
试验结果证明，钛碳比大于或等于6.7时才有明显的效果；大于7.8时，才能彻底地改善晶间腐蚀的倾向。
这是由于钛优先地与全部的碳结合，消除了晶间的贫铬地带，从而改善了抗蚀性。
超低碳有利于防止晶间腐蚀。
最大限度地降低碳在焊缝金属中的含量，达到低于碳在不锈钢中室温溶解极限值以下，使碳不可能与铬生成Cr23C6，从根本上消除晶界的贫铬区。
碳的质量分数在焊缝金属中小于0.03％时，就能提高焊缝金属的抗晶间腐蚀能力。
2.7、应力腐蚀开裂
原因：
1Cr18Ni9Ti由于导热性差、线胀系数大、屈服点低，焊接时很容易变形，当焊接变形受到限制时，焊接接头中必然会残留较大的焊接残余拉应力，加速腐蚀介质的作用。
因此，奥氏体不锈钢焊接接头容易出现应力腐蚀开裂，这是焊接奥氏体不锈钢时最不易解决的问题之一，特别是在化工设备中，应力腐蚀开裂现象经常出现。
防止措施
（1）合理地设计焊接接头。
避免腐蚀介质在焊接接头部位聚集，降低或消除焊接接头应力集中。
（2）消除或降低焊接接头的残余应力。
焊后进行消除应力处理是常用工艺措施，加热温度在850～900℃之间才可得到比较理想的消除应力效果；采用机械方法，如表面抛光、喷丸和锤击来造成表面压应力；结构设计时要尽量
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