甲醛储气罐焊接工艺.docx
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甲醛储气罐焊接工艺
甲醛储气罐焊接工艺设计
材料0801
目录
一焊接生产工艺性分析
1.1产品技术特性及检验要求
二拟定焊接方法及技术方案
2.1焊前准备
2.2焊接线能量和焊材的选择
2.3坡口设计
三焊接接头力学校核
四焊接工艺评定
五承力件结构尺寸的确定
六参考文献
1.1产品技术特性及检验要求
本次产品生产的设备为甲醛储气罐，属于一类压力容器，筒体内径4200mm，筒体长度20350mm，罐体壁厚为19mm，生产数量为一台。
由设计图纸尺寸可知：
筒体由三段筒节经对接环焊而成，筒体两端通过埋弧焊焊接连接标准椭圆形封头各一个，右端封头上的管箱接有两队接管及法兰是储气罐的进出口，筒体上接有三对接管，其中三个接管都分别连接一个平焊法兰，整个设备采用鞍式支座安装和支撑。
筒体与封头采用容器双头螺栓连接，有利于减少环焊缝数量，纵焊缝交错分布，避免了十字交叉，有利于减少焊接应力及变形；封头与接管均采用标准件，减少了劳动量；主要加工手段为焊接，此外还采用冲压，卷弯，机加工等辅助工艺。
焊接方法采用埋弧焊自动焊，手工电弧焊，接头形式为对接，角接，焊缝质量易于保证，焊缝位置分布合理，施焊方便，有利于焊后检查，具有良好的工艺性。
1.2产品技术特性及检验要求如表所示
质量/t
介质
设计温度/℃
设计压力/MPa
筒体材料
甲醛储气罐
161.7
油，油气
390
0.26
A+16MnR
1.316MnR的特性
16MnR钢属于碳锰钢，碳的含量在0.16%左右，屈服点在343MPa。
16MnR钢的合金含量较少，焊接性良好，焊前一般不必预热。
但由于16MnR钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，所以在低温下或在大刚性，大厚度结构上焊接时，为防止出现冷裂纹，需采取预热措施。
16MnR锻件的化学成分：
C：
0.13~0.19Si：
0.20~0.60Mn：
1.2~1.6Cr≤0.30P≤0.030S≤0.030Ni≤0.30
Cu≤0.25
16MnR锻件的力学性能：
公称壁厚≤300mm热处理状态：
正火，正火+回火回火温度℃≥600
拉伸试验δb：
450~600MPa，δs≥275MPa，ψ≥MPa
冲击试验：
试验温度0℃，硬度试验HB：
121~178
1.416MnR的焊接性分析
16MnR属于低合金结构钢中的热轧钢，这类钢价格便宜，而且具有满意的综合力学性能和加工工艺性能，首先来分析一下这类钢的焊接性，焊接性通常变为两方面的问题：
一是焊接引起的各种缺陷，对这类钢来说主要是各类裂纹问题：
二是焊接时材料性能的变化，对这类钢来说主要是脆化问题。
⑴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，但当材料成分不和格或有严重偏析，使碳，硫含量偏高，Mn/S比较低，易出现热裂纹。
锰在钢中可与硫形成硫化锰，减少了硫的有害影响，增强了钢的抗热裂性能。
增大焊缝成形系数，减小母材在焊缝中的融合比都防止热裂纹的产生。
②冷裂纹：
钢材冷裂纹主要取决于钢材的淬硬倾向，而钢材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，合金元素的增大，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，防止冷裂纹的产生。
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。
⑵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环。
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。
16MnR和15MnV这两类钢具有一定的热应变脆化倾向，焊接时消除热应变脆化的有效措施是焊后退火处理。
⒉拟定工装设计方案
2.1焊前准备
⑴焊接坡口形式的设计应避免采用焊不透或局部焊透的坡口，还要尽量减少焊缝的横截面积，以降低接头的残余应力，同时也可以减少焊接材料的消耗量。
⑵坡口加工采用热切割时应注意防止母材边缘会形成一定深度的淬硬层，这种低塑性的淬硬层往往成为冷加工的开裂源。
⑶焊前必须消除焊接区钢板表面的水分，坡口表面的氧化皮，锈斑，油脂以及其他污物。
⑷焊接材料在使用前应按生产厂推荐的规范进行烘干。
⑸装备定位焊缝必须采用与正式焊缝同一类型的焊条。
2.2焊接线能量的选择
线能量的参数是指焊接电流，电弧电压和焊接速度。
低合金结构钢焊接时，线能量参数除要保证接头的熔透性和焊缝成型外，还要考虑其对接头性能的影响。
焊接含碳量低的热轧钢以及含碳量偏下限的16MnR钢时，对焊接线能量没有严格的限制，但从提高过热区塑性和韧性考虑还是偏小线能量更为有利；当焊接含碳量偏高的16MnR钢时，为降低淬硬倾向，防止冷裂纹产生，焊接时线能量应偏大些。
⑴预热：
焊接低合金结构钢时，焊前预热时防止出现接头冷裂，改善接头组织性能，减少焊接应力的重要工艺措施。
焊前预热的有利作用还在于：
①改变了焊接过程的热循环，降低焊接接头各区高温转变和低温转变温度区间的冷却速度，避免或减少了淬硬组织的形成；②减少焊接区的温度梯度，降低了焊接接头的内应力，并使之较均匀分布；③扩大了焊接区的温度场，使焊接接头在较宽的区域内处于塑性状态，减少了焊接应力的不利影响；④延长了焊接区在100℃以上温度的停留时间，有利于氢从焊缝金属中逸出。
预热温度的确定，随钢材碳当量，板厚，结构的拘束度的增加而增加，环境温度的升高而降低。
⑵后热及热处理：
后热是指焊接结束后将焊件或整条焊缝立即加热到150~250℃温度范围内，并保持一段时间，这种工艺简称后热。
其作用在于首先降低了接头低温转变区的冷却速度，其效果比预热更显著，其次是延长了接头在100℃以上低温转变区间的停留时间，使焊缝金属中的氢有充分时间向外扩散。
在焊缝金属氢扩散阶段，从根本上消除了导致冷裂纹形成的力学因素。
后热的温度和时间，取决与被焊钢的冷裂敏感性，焊接材料的含氢量和接头的拘束度。
后热温度愈高，保温时间愈长，去氢效果愈明显。
去氢处理是将焊件在焊后立即加热到300~400℃温度并保温一段时间，可加速焊接接头氢的扩散逸出。
氢的排除程度取决与加热温度和时间，温度高保温时间可短一些，温度低去氢时间就要加长。
生产中消氢处理的温度为300~400℃，消氢时间为1~2小时。
消除应力处理是将焊件均匀的以一定的速度加热到AC1点以下足够高的温度，保温一段时间后随炉均匀的冷却到300~400℃，最后将工件移到炉外空冷。
低合金结构钢焊后消除应力处理的目的有以下几点：
①消除焊缝金属中的氢，提高焊接接头的抗裂性和韧性；②降低焊接接头中的参与应力；③改善焊缝及热影响区组织，使淬硬组织经受回火处理而提高接头各区的韧性；④稳定了低合金耐热钢焊缝及热影响区的碳化物，提高了接头的高温持久强度；⑤降低了焊缝及热影响区的硬度，易于切削加工。
2.2.116MnR焊接方法及参数
1.埋弧焊16MnR厚度为19mm
1.1对接工艺参数
焊缝次序
焊丝直径/mm
焊接电流/A
焊接电压/V
焊接速度/（m/h）
焊丝牌号
正
5
830~860
36~38
33
H08A
焊缝次序
焊丝直径/mm
焊接电流/A
焊接电压/V
焊接速度/（m/h）
焊丝牌号
反
5
600~620
36~38
75
H08A
1.2焊丝焊剂的选择
埋弧焊普遍使用实辛焊丝，目前已有碳素结构钢，合金结构钢，高合金钢和各种有色金属焊丝及堆焊用的特殊合金焊丝。
焊丝直径通常为1.6~6mm，焊丝表面应当干净光滑，除不锈钢和有色金属外，各种低碳钢和低合金钢焊丝的表面最好镀铜。
镀铜层不但可以防锈而且还可以改善导电性能。
焊丝和焊剂的选配，首先必须保证获得高质量的焊接接头，同时又要尽可能降低成本，还要注意到适用的电流种类和极性。
常见焊剂用途，配用焊丝及适用电流如表所示。
焊剂型号
成分类型
用途
配用焊丝
焊剂颗粒度/mm
适用电流种类
HJ230
低Mn高Si低F
低碳钢，低合金钢
H08MnA
0.4~3
交直流
HJ330
中Mn高Si低F
重要低碳及低合金钢
H10Mn2
0.4~3
交直流
HJ430
高Mn高Si低F
重要低碳及低合金钢
H08MnA
0.14~3
交直流
HJ431
高Mn高Si低F
重要低碳及低合金钢
H08MnA，H08A
0.4~3
交直流
HJ432
高Mn高Si低F
重要低碳及低合金钢（薄板）
H08A
0.25~1.6
交直流
HJ433
高Mn高Si低F
低碳钢
H08A
0.25~3
交直流
2.CO2气体保护焊焊丝牌号：
H08AM2Si
2.1焊接参数
板厚/mm
接头方式
焊丝直径/mm
焊接电流/A
焊接电压/V
送丝速度/（cm/s）
焊接速度/（m/h）
气体流量/（L/min）
预热温度/℃
19
角接头
1.6
400~430
36~38
18~19
35~45
20
≥150
16MnR焊接接头力学性能
焊接金属及热影响区的力学性能是影响接头使用性能的基本性能，而其强度和韧性又是关键的考核要素。
根据材料成分及其厚度，结构等各个要点可知，再次构建中主要有对接接头，坡口形式主要为Y型坡口。
钢种
焊接工艺
焊缝金属性能
过热区冲击韧性
16MnR
埋弧焊
σb/MPa
σ0.2/MPa
σs/MPa
Ψ/%
冲击韧性
-20℃
40℃
-20℃
-40℃
576
40
30.7
67
84
33
73
44
CO2气体保护焊
540
390
24
61
78
2.3坡口设计
合理的坡口应满足如下条件：
⑴适应所采取的焊接方法及其工艺规范，使焊接接头的内在质量和力学性能满足无损探伤和其他技术标准。
⑵残余变形和残余应力最小；
⑶有利于焊工操作和保护；
⑷焊缝填充金属最小；
⑸焊接接头的合格率高，焊接生产周期短，耗资少，紧急效益高。
焊接接头最大的隐患在于焊缝根部的未焊透和坡口两侧边缘的未熔合区，所以设计焊接坡口的根本目的在于确保坡口根部的焊透而不焊穿，并使坡口两侧的坡口面熔合良好。
为了达到此要求，在设计或选定坡口形式及其几何尺寸时，必须同时考虑所采用的焊接方法及其工艺规范参数能够达到的熔深和可焊到性。
根据熔深确定钝边尺寸；为了达到良好的可焊到性，应综合考虑坡口角度，根部圆角R值和间隙大小。
这里坡口的角度为60º，可根据坡口高度H来设计。
间隙B=2mm，圆角R=5mm。
2.3斜Y形坡口焊接裂纹试验法
焊接热影响区的最高硬度可以相对的评价被焊钢材的淬硬倾向和冷裂纹敏感性。
最高硬度允许值就是一个刚好不出现冷裂纹的临界硬度值。
斜Y型坡口对接裂纹试验主要用于评定低合金结构钢焊缝及热影响区的冷裂纹敏感性，在实际生产中应用很广泛。
因为16MnR热轧钢是低合金钢的一种，故此种试验方法对正火钢同样适用。
其坡口经机加工，实验所用焊条，应严格烘干。
焊接工艺参数为:
焊条直径5mm，焊接电流840±20A，电弧电压37±1V，焊接速度550mm/min。
试件的形状和尺寸如图。
⑴计算方法
①采取肉眼或其他适当的方法来检查焊接接头的表面和断面是否有裂纹，并分别计算出表面裂纹率，根部裂纹率，断面裂纹率。
②裂纹的长度或高度按图示进行检测，裂纹长度为曲线形状按图直线长度检测，裂纹重选时不必分别计算。
③采用下列公式计算表面裂纹率
Cf=（∑Lf）/L×100%
式中：
Cf—表面裂纹率，%
∑Lf—表面裂纹长度之和，mm
L—试验焊缝长度，mm。
④将试件采用适当的方法着色后拉断或弯断，然后计算出根部裂纹率。
Cr=（∑Lr）/L×100%
式中：
Cr—表面裂纹率，%
∑Lr根部裂纹长度之和，mm
L—试验焊缝长度，mm。
⑤对试件的横截面裂纹检查，按照要求测出裂纹的高度，用下列公式计算出横截面的裂纹率。
Cs=Hs/H×100%
式中：
Cs—断面裂纹率%
H—试验焊缝的最小厚度mm
Hs—断面裂纹的高度mm。
3.16MnR焊接接头力学性能校核
⑴焊接接头的拉伸试验
试验的目的是测定焊接接头（焊缝）的强度（抗拉强度σb，屈服点σs）和塑性（伸长率δ，断面收缩率ψ），并且可以发现端口上的某些缺陷（如白点）。
标准：
对接接头拉伸试验的抗拉强度不得低于母材的最低规定值，异种钢接头强度大与较低母材的最低规定值或产品设计技术条件规定值。
弯曲芯棒直径为4mm，弯曲角180º；试样弯曲到180º后，在焊缝和热影响区上不得有长度大于3.0mm的裂口，试样棱角处的开裂，只要不属于夹渣或内部缺陷引起，则不予考虑。
⑵冲击试验
要保证设备在使用温度下具有足够的缺口冲击韧性，从断裂学的观点出发，首先要求材料在使用温度下具有足够的抗脆性断裂能力。
冲击试验主要用于测定接头的冲击韧度和缺口敏感性，采用V型缺口冲击试验。
步骤有：
a.试样制备：
以10mm×10mm×55mm带有V型缺口的试样为标准试样。
试样缺口底部应光滑，不得有与缺口轴线平行的明显划痕，缺口处不能有肉眼可见的气孔，夹杂，裂纹等缺陷。
b.试验过程：
将试样置于低温槽的均温区冷却到试验温度后，保温足够长的一段时间，然后用手钳将试样取出进行冲击试验，使用液体冷却介质，保温时间不得少于5min.试样移出冷却介质至打断的时间不超过5s，如超过5s则应将试样放回冷却介质重新冷却，保温，再进行试验。
c.试验结果：
根据所使用技术条件的要求，试验结果可用冲击吸收功，也可以用冲击韧性表示。
然后根据相应的标准或产品技术对实验结果进行评定。
⑶对接接头弯曲试验
试验方法按GB/T232-1988的规定，弯芯直径为3倍的板厚，支辊间距离不大于6倍的板厚。
将试样放在实验机带滚轮轴的支座上，用规定的弯芯直径压头将试样弯曲到要求的角度，横向弯曲试样的中心应对准焊缝中心，当弯曲到规定角度后，焊缝拉伸面沿试样宽度方向上所允许出现的裂纹或缺陷不大于1.5，沿试样长度方向上为不大于3mm，试样四棱开裂不计，但确因夹渣或其它焊接缺陷引起的试样棱角开裂的长度应计入评定。
4.焊接工艺评定
4.1筒体与接管的焊接，法兰的焊接，以及筒体上接管法兰的焊接，支座的焊接
⑴焊接材料的选择：
焊丝牌号：
H08AM2Si，焊条直径为1.6mm
⑵焊接设备的选择：
NBC7-250半自动二氧化碳保护焊机，焊接电源及种类：
采用直流反接法。
⑶焊接方法选择：
CO2气体保护焊。
⑷焊前准备焊前预热：
气温不低于-16℃不预热，气温低于-16℃，预热温度100-150℃。
层间温度：
200℃。
⑸坡口形式及尺寸：
坡口采用机械加工。
坡口形式：
开V形坡口。
⑹焊接参数：
焊接电流：
400~430A，电弧电压：
36~38V，气体流量：
20，焊速：
35~45，焊缝层数：
多道焊。
4.2筒体上钢板对接的焊缝，筒体上环焊缝，筒体和封头的焊接
⑴焊接材料的选择焊丝牌号：
H08A，焊剂牌号：
HJ431，SJ501，焊丝直径：
5mm
⑵焊接设备的选择焊接设备：
MZ-1000自动埋弧焊机，焊接电源及种类：
采用直流反接法。
⑶焊接方法选择：
埋弧焊。
⑷焊前准备：
坡口通过火焰或刨边机加工，通过砂轮打磨坡口两侧60℃，焊机在250-300℃下烘干，2h，最高层间温度为300℃。
焊前预热：
气温不低于-16℃不预热，气温低于-16℃，预热温度100-150℃。
⑸坡口形式及尺寸：
坡口采用机械加工，Y型坡口。
⑹焊接参数焊接电流：
，电弧电压：
，焊接速度：
，送丝速度：
，焊接位置：
平焊焊接顺序：
线焊接正面焊缝，反面清理后焊接反面焊缝，焊缝层数：
双面焊。
5.承力件结构尺寸的确定
⑴支座的制造
本设备采用鞍式支座安装，其型号和尺寸如图。
公称直径DN
允许载Q/KN
高度h
底板
腹板δ2
筋板
L1
b2
δ2
L3
b2
b3
δ3
1000
143/307
200
760
170
5
0.75
170
140
180
0.7
垫板
螺纹间距12
鞍座
鞍座质量Kg
增高100mm所增质量Kg
弧长
b4
δ4
c
1184
270
0.75
40
600
44/57
7/9
鞍座的形式
形式
代号
使用公称直径
结构特征
轻型
A
1000-4000
焊制120º包角带垫板四至六块筋板
重型
B
159-4000
焊制120º包角带垫板单至六块筋板
6.参考文献
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