壓力容器殼體與接管異種鋼焊接材料的選用

摘要：在壓力容器設計中，為保持其外殼的強度和韌性，需要選取優(yōu)質(zhì)異種鋼予 以焊接，并進一步控制生產(chǎn)加工成本。本文對壓力容器接管強度的計算進行了簡要分析，闡述了當接管與筒體強度不同時，焊接材料的選擇標準。

關鍵詞：壓力容器殼體；異種鋼；焊接材料

在金屬壓力容器的焊接作業(yè)時，需要嚴格按照設計標準進行。因此，在焊接作業(yè)前，需要對焊接壓力容器外殼和母材的適應性有良好的考量，以實現(xiàn)高韌性、高強度的設計需求。若焊接材料選擇不當，則很可能造成焊接作業(yè)的氣孔、凹陷、裂紋等質(zhì)量問題的產(chǎn)生。加強對壓力容器的焊接鋼材的工藝技術研究及合理應用，做好配套的缺陷檢查工作；根據(jù)金屬壓力容器外殼所需焊接材料的選用原則，確定質(zhì)量達標的焊接鋼材的選取，對提高壓力容器殼體的質(zhì)量有著十分重要的意義。

一、壓力容器殼體與接管異種鋼焊接材料選用的原則

（一）滿足焊縫的使用性能

在焊接材料的選用中，首先需要對被焊接材料的化學性質(zhì)和性能進行了解，尤其是對焊縫在結(jié)構(gòu)中的作用有一個充分的認識。其中焊縫的使用性能主要包括：力學性能、韌性、耐高溫性、耐腐蝕性等。焊縫從力學性能可分為連接焊縫和工作焊縫。連接焊縫的主要功能是，在結(jié)構(gòu)工作過程中將兩個工件緊密的連接在一起，承受較少或不承受工件工作的負荷，對焊縫性能的要求較低；工作焊縫則主要是在工件工作中，承受較大的應力，因此容易損壞，對焊縫的性能要求較高。其中壓力容器殼體與接管連接焊縫在《鋼制壓力容器》中劃分為D類，屬于工作焊接，其結(jié)構(gòu)具有一定的復雜性，承受較大的負荷。

（二）異種鋼焊接材料選用標準

異種鋼材焊接材料的選取一般依照低匹配原則，即焊縫的強度匹配于強度較低的母材。如接管20鋼的強度需呀高于400MPa.鋼殼體Q345R的強度一般高于490MPa，選用E43××型焊條熔敷金屬的強度則是420MPa。其中，對于強度性較低的鋼材則主要選取等強原則，以保障焊接頭的韌性，提高焊接頭的抗脆性。

插入式結(jié)構(gòu)形式

騎座式結(jié)構(gòu)形式

二、壓力容器開孔設計

（一）壓力容器開孔的影響

壓力容器上開孔主要是根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、加工工藝及檢驗工作共同決定的。因此，大多數(shù)容器都需要進行開孔、安裝接管。如檢查孔，進料、出料口，安全閥門，排污口等。容器的開孔焊接接管會對應力分布和強度帶來一定的影響。

1、開孔對應力分布的影響。在壓力容器中，開孔區(qū)域去除了殼體金屬，減少了殼體受力面積，使得原本均勻分布的應力會集中到孔的邊緣，導致孔邊緣的應力迅速升高，出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。

2、接管處的不連續(xù)應力。在容器殼體和接管組成的結(jié)構(gòu)之間，會照成應力的不連續(xù)現(xiàn)象；殼體與接管連接的拐角處，也會因為截面過度不等的情況導致集中應力的產(chǎn)生。

上述現(xiàn)象都是由于開孔，使得開孔部位或接管部位處應力高于殼體膜應力，形成的應力集中現(xiàn)象。

（二）壓力容器開孔補強計算

由于開孔使得孔周圍應力的上漲，而在壓力容器厚度計算中，一般只考慮容器的直徑、壓力、材質(zhì)等，忽視了對開孔造成的應力集中現(xiàn)象的預防。因此，為保障產(chǎn)品的安全、正常使用，降低孔周圍的應力，需要對容器結(jié)構(gòu)進行補強作業(yè)。·

補強作業(yè)一般根據(jù)《鋼制壓力容器》中的等面積補強法進行計算，容器殼體由于開孔喪失的拉伸承載截面積，需要在孔邊的有效補強范圍內(nèi)進行等面積的補償。

補強的主要形式為，在孔邊增加相應的承載金屬面積，以達到降低開孔產(chǎn)生的應力集中現(xiàn)象。補強的主要手段為增加殼體壁厚、增加接管壁厚或增加一塊補強板等。其中增加殼體壁厚會明顯提高設備質(zhì)量，提高不必要的制造成本，，多選用后兩者補強手段。

一般的補強結(jié)構(gòu)分為為插入式（a，b，c，d）和騎座式（e）。其中騎座式開孔需要機加工，因此，在實際生產(chǎn)過程中，一般選用插入式結(jié)構(gòu)形式。

三、壓力容器焊接質(zhì)量控制措施

（一）焊接準備

在壓力容器焊接作業(yè)之前，首先需要先對壓力容器受壓組件焊縫坡口進行嚴格檢查，在檢查合格后方可進行焊接作業(yè)；其次，需要對坡口表明進行預處理工作，主要包括油污、雜物等的清理過程，在坡口呈現(xiàn)出金屬光澤后，即達到要求；再者，定位焊接的焊條材料一般選取3.2mm左右的焊條，且其縱縫和環(huán)縫定位焊長度在3-5cm，間距為35cm左右，厚度在0.5cm以內(nèi)；最后，在正式焊接作業(yè)前，需要對焊縫進行檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時調(diào)整，如用砂輪機將定位焊兩端處進行緩坡處理。

（二）質(zhì)量控制

一、在焊接作業(yè)前，需要對施焊技術參數(shù)進行調(diào)整，避免在正式容器殼體上進行調(diào)試，所使用的焊條需要進行烘干處理，并用專用保溫桶儲存；二、在焊接作業(yè)完成之后，需要對施工作業(yè)的工序進行仔細檢查，確認無誤后方可進行下一步的焊接，表面焊道的寬度需要大于坡口寬度的2-4mm，焊縫大小在2mm以內(nèi)；三、焊接組件、作業(yè)卡具及拉筋等，需要與容器殼體使用同種材質(zhì)的焊條進行焊接作業(yè)，其焊道長度應在5cm以上；四、對引弧板、外殼焊接試用板設施的拆除工作，需要嚴格按照施工標準，不得隨意進行錘擊拆除；五、焊接頭、接管及筒體的焊接需要采用全焊透方式，并將接管里端打磨成圓角，進行光滑過度。

（三）焊接接頭的處理控制

焊接接頭主要包括對接接頭、T形（十字形）接頭、角接頭及搭接接頭等四種基本形式。對接接頭作為最常見的一種接頭形式，其主要特點有，強度高、受力均勻等，一般使用在筒體和封頭等重要部分的焊接中。A類接頭主要有筒體的縱向接頭、球狀封頭、連接筒體環(huán)向接頭以及各類凸形封頭等形式；B類接頭則指的是長頸法蘭和接管連接部分的接頭；C類接頭以平蓋、管板與圓筒非對接接頭，法蘭與殼體、接管連接的接頭為主；D類接頭則指的是接管、人孔、補強圈等與殼體等的連接接頭。因此，對于A類接頭一般采取，全焊透或雙面焊接方式；B類接頭則根據(jù)其作業(yè)應力選擇焊接方式，一般在作業(yè)應力為A類接頭的1/2時，采用襯墊單面焊方式；C類接頭通常在焊接過程中受力小，一般采取角焊接方式；D類焊縫一般是接管和容器間的交叉縫，其應力分布相對集中，一般采用全焊透接頭較為可靠。

結(jié)束語

綜上所述，在焊接材料的選取中，首要的是對工件結(jié)構(gòu)和焊縫作用的考量，并聯(lián)系強度計算結(jié)果。在插入式接管與壓力容器殼體的異種鋼焊接中，焊接材料的選取需要與殼體材料相匹配，若選用低配的焊接材料，則難以達到安全標準的需求；而對于騎座式接管與殼體的異種鋼的焊接來說，則可以選擇低配的焊接材料，降低產(chǎn)品制造成本。

參考文獻：

[1]李金華.基于MATLAB的壓力容器殼體優(yōu)化[J].廣東化工，2014，41（18）

[2]沈江濤.壓力容器殼體壁厚設計要點[J].化工設備與管道，2014，51（2）