CN106112225A - 一种降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法 - Google Patents

一种降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法 Download PDF

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Abstract

一种降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法，属于密封容器加工制造技术领域。其特征在于：包括如下步骤：a、对封头开孔并加工接管（2）；b、将接管（2）一端伸入压力容器（1）；c、对封头和接管（2）焊接；d、对焊缝（3）位于压力容器（1）内一侧预热，再在压力容器（1）内的接管（2）管根处堆焊；e、对接管（2）内壁预热后再在接管（2）内壁堆焊；f、对压力容器（1）内的接管（2）进行切割；g、对封头回火处理。本降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法在压力容器制造过程中降低焊接残余应力，提高了压力容器的结构完整性，增强了压力容器接管焊接接头的抗应力腐蚀开裂能力。

Description

一种降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法
技术领域
一种降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法，属于密封容器加工制造技术领域。
背景技术
压力容器作为一种承压设备，广泛应用于石油化工、医药、航空航天、核电等行业。压力容器封头上含有大量的T型接管，接管与压力容器封头是通过焊接方式连接的。然而焊接不可避免的引入残余应力，焊接残余应力的存在对应力腐蚀开裂有很大的影响，应力腐蚀会使压力容器在应力低于它的强度极限时发生破裂。因此有效的降低T型接管焊接接头处的残余应力对保证压力容器安全运行具有重要的意义。现阶段降低焊接残余应力的方法主要分为焊后热处理和机械作用法两大类：焊后热处理需要消耗大量的能源和时间，不适用于大型压力容器，且残余应力不能得到充分的消除；而机械作用法对T型接头部位的残余应力难以消除，且操作不便。焊后热处理和机械作用法都是在压力容器制造完成之后进行的，这种消除方式不仅浪费时间，而且需要投入大量的人力和物力，不符合高效率生产。目前大多数压力容器都未进行消应力处理而直接投入使用，如果能在压力容器制造的过程中通过改善制造工艺来降低焊接残余应力对提高压力容器的结构完整性、增强压力容器接管焊接接头的抗应力腐蚀开裂能力具有重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种操作方便、效率高、能在制作过程中降低压力容器T型焊接接头残余应力的降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法，其特征在于：包括如下步骤：
a、对压力容器的封头开孔，并按照开孔尺寸加工接管；
b、将接管一端穿过封头开孔并伸入压力容器内；
c、打磨封头和接管，打磨后对封头和接管焊接并冷却，形成焊缝；
d、对焊缝位于压力容器内的一侧进行预热，再在压力容器内的接管管根处堆焊，形成管根堆焊层，并冷却；
e、对接管内壁预热，再在接管内壁堆焊，形成管内堆焊层，并冷却；
f、对压力容器内的接管、管根堆焊层和管内堆焊层进行切割，使伸进压力容器内的接管的端头与压力容器内壁平齐；
g、对压力容器的封头进行回火处理。
优选的，步骤a中所述的开孔为单边V型坡口或K型坡口。
优选的，步骤b中所述的接管伸进压力容器内的长度为5~20mm。
优选的，步骤c中所述的焊接为手工电弧焊或埋弧焊，焊接时层间温度低于150℃。
优选的，步骤d和步骤e中所述的预热采用的是氧乙炔焰，预热的温度为100~200℃。
优选的，所述的管根堆焊层材质为316L不锈钢或347L不锈钢，管内堆焊层的材质为316L不锈钢或347L不锈钢。
优选的，步骤d中所述的管根堆焊层的厚度为2~5mm，管根堆焊层的宽度大于位于压力容器内的接管管根部的焊缝宽度1~2mm。
优选的，步骤e中所述的管内堆焊层一端与压力容器内的接管的端头平齐，另一端与压力容器的封头外壁平齐，管内堆焊层的厚度为2mm。
优选的，步骤g中所述的回火处理的回火温度为600~650℃，冷却速度为60~80℃/h。
与现有技术相比，本发明的降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法所具有的有益效果是：
1、在接管内壁堆焊，利用堆焊时的加热冷却作用可有效降低根部第一次焊接时产生的残余应力，且压力容器内的接管和管内堆焊层多余部分以及根部堆焊层的切割能够消除大量根部焊缝区域的残余应力，有利于防止应力腐蚀开裂，管根堆焊层和管内堆焊层为开裂能力强的金属，能够很好的增强接管内壁的抗应力腐蚀开裂能力；本方法是在压力容器制造的过程中降低焊接残余应力，对提高压力容器的结构完整性、增强压力容器接管焊接接头的抗应力腐蚀开裂能力具有重要的意义。
2、封头的开孔在封头壁厚小于10mm时，采用单边V型坡口，当封头壁厚大于10mm时采用K型坡口，既方便焊接，又提高了焊接的强度。
3、接管采用插入式接管，接管插入深度控制在5-20mm以内，插入深度太深，不仅会浪费材料，而且会影响下一步的堆焊操作；此外，为保证切割具有一定的残余应力消除效果，接管插入深度应保证大于5mm。
4、316L不锈钢和347L不锈钢的抗应力开裂能力强，能够很好的增强根部的抗应力腐蚀开裂能力，管根堆焊层能够有效避免普通平齐型接头根部焊缝金属对应力腐蚀开裂造成的影响，管内堆焊层增强了接管内壁的抗应力腐蚀开裂能力。
5、根部堆焊层厚度2~5mm，宽度大于接管根部焊缝的宽度1~2mm，焊缝厚度太小，残余应力将得不到很好的消除效果，焊缝高度太大，则浪费材料、人力和时间；管内堆焊层一端与接管端头平齐，另一端与封头外壁平齐，且厚度为2mm，管内堆焊层短对残余应力消除效果不明显；管内堆焊层太长一方面会造成材料的浪费，另一方面会造成接管堵塞影响介质在接管的进出。
附图说明
图1为带有接管的压力容器封头的剖视示意图。
图2为实施例 1中残余应力消除效果示意图。
图3为实施例 2中残余应力消除效果示意图。
图中：1、压力容器 2、接管 3、焊缝 4、管根堆焊层 5、管内堆焊层。
具体实施方式
图1~2是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~3对本发明做进一步说明。
实施例1
该降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法包括如下步骤：
如图1所示：a、对压力容器1的封头开孔，并按照开孔尺寸加工接管2；
压力容器1封头和接管2的材料均为304不锈钢。压力容器1的封头厚度为10mm，封头类型为椭圆型封头，按照GB150压力容器制造标准对封头进行开孔，开孔为单边V型坡口。按照开孔尺寸加工接管2，接管2的壁厚为8mm，且接管2的外壁与开孔内壁的间隙小于1mm。
b、将接管2一端穿过封头开孔并伸入压力容器1内；
将接管2的一端穿过开孔并深入压力容器1内，且使接管2位于压力容器1内的长度为10mm。
c、打磨封头和接管2，打磨后对封头和接管2焊接并冷却，形成焊缝3；
焊接前对封头和接管2进行打磨，打磨掉焊接坡口两侧各20mm的油污、锈蚀、水分、毛刺等脏污。
利用手工电弧焊方式对封头与接管2进行焊接，形成焊缝3，焊接电压控制在12~16V，焊接电流控制在100~130A，焊接速度控制在2.0~2.5mm/s，焊丝直径2.5mm，焊接温度控制在150℃以下，焊接完成后冷却。焊缝3底面的宽度为2mm，且焊缝3的焊缝坡口为60°。
d、对焊缝3位于压力容器1内的一侧进行预热，再在压力容器1内的接管2管根处堆焊，形成管根堆焊层4，并冷却；
待焊缝3完全冷却后，采用氧乙炔焰对焊缝3位于压力容器1内的一侧进行预热，预热温度在150~200℃。然后采用钨极氩弧焊对焊缝3底部进行堆焊316L不锈钢金属，形成管根堆焊层4，管根堆焊层4宽度和厚度均为4mm。堆焊时的堆焊电压10~12V，堆焊电流160~180A，填丝速度1000~1200mm/min，堆焊速度60~80mm/min，氩气流量15~16L/min，焊丝直径2mm。堆焊完成后冷却。
e、对接管2内壁预热，再在接管2内壁堆焊，形成管内堆焊层5，并冷却；
管根堆焊层4完全冷却后，采用氧乙炔焰对焊缝3处的接管2内壁的预热，预热温度在150~200℃。然后采用钨极氩弧焊在接管2内壁堆焊一层进行堆焊316L不锈钢金属，形成管内堆焊层5，管内堆焊层5的厚度为2mm，长度为20mm。管内堆焊层5的下端与接管2的下端平齐，接管内壁堆焊采用与步骤d中底部堆焊相同的堆焊工艺，堆焊完成后冷却。
f、对压力容器1内的接管2、管根堆焊层4和管内堆焊层5进行切割，使伸进压力容器1内的接管2的端头与压力容器1内壁平齐；
对压力容器1内的接管2、管根堆焊层4和管内堆焊层5进行切割，其中管根堆焊层4完全切除，接管2和堆焊层5位于压力容器1内的部分完全切除，从而使接管2位于压力容器1内的一端与压力容器1的内壁平齐。
g、对压力容器1的封头进行回火处理，回火温度为600~650℃，冷却速度为60~80℃/h，从而消除内应力。
利用数值模拟方法对压力容器1封头和接管2进行焊接模拟及切割计算，输出接管2根部路径上的残余应力分布，如图2所示，图2中纵坐标为残余应力（MPa），表示焊缝3根部的轴向残余应力值，横坐标表示沿接管2根部路径的距离分布。图中方形点曲线表示用普通连接方法加工的焊接接头根部残余应力分布，圆形点曲线表示用本发明方法加工的焊接接头根部残余应力分布。可以看出本发明的压力容器封头与接管连接方法与普通方法相比，焊接接头根部的残余应力得到了很大程度的降低，在焊接接头根部区域的残余应力平均降低了150MPa左右，焊缝区以外残余应力平均降低了80MPa左右。
实施例2
该降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法包括如下步骤：
a、对压力容器1的封头开孔，并按照开孔尺寸加工接管2；
压力容器1封头和接管2的材料均为Q345R。压力容器1的封头厚度为16mm，封头类型为椭圆型封头，按照GB150压力容器制造标准对封头进行开孔，开孔为K型坡口。按照开孔尺寸加工接管2，接管2的壁厚为10mm，且接管2的外壁与开孔内壁的间隙小于1mm。
b、将接管2一端穿过封头开孔并伸入压力容器1内；
将接管2的一端穿过开孔并深入压力容器1内，且使接管2位于压力容器1内的长度为8mm。
c、打磨封头和接管2，打磨后对封头和接管2焊接并冷却，形成焊缝3；
焊接前对封头和接管2进行打磨，打磨掉焊接坡口两侧各20mm的油污、锈蚀、水分、毛刺等脏污。
利用埋弧焊的方式对封头与接管进行焊接，形成焊缝3，焊接电压控制在30~34V，焊接电流控制在700~750A，焊接速度控制在700~900mm/s，焊丝直径4mm，焊接时层间温度控制在150℃以下，焊接完成后冷却。焊缝3底面的宽度为15mm，且焊缝3的焊缝坡口为60°。在焊接时，先焊接位于压力容器1内的一侧，后焊接位于压力容器1外的一侧。
d、对焊缝3位于压力容器1内的一侧进行预热，再在压力容器1内的接管2管根处堆焊，形成管根堆焊层4，并冷却；
待焊缝3完全冷却后，采用氧乙炔焰对焊缝3位于压力容器1内的一侧进行预热，预热温度在100~150℃。然后采用钨极氩弧焊对焊缝3底部进行堆焊347L不锈钢，形成管根堆焊层4，管根堆焊层4的宽度为16mm，厚度为5mm。堆焊电压11~13V，堆焊电流180~200V，填丝速度900~1100mm/min，堆焊速度80~100mm/min，氩气流量15-18L/min，焊丝直径2mm。堆焊完成后冷却。
e、对接管2内壁预热，再在接管2内壁堆焊，形成管内堆焊层5，并冷却；
管根堆焊层4完全冷却后，采用氧乙炔焰对焊缝3处的接管2的内壁预热，预热温度在100~150℃。然后采用钨极氩弧焊在接管2内壁堆焊一层进行堆焊347L不锈钢金属，形成管内堆焊层5，管内堆焊层5的厚度为2mm，长度为24mm。管内堆焊层5的下端与接管2的下端平齐，接管内壁堆焊采用与步骤d中底部堆焊相同的堆焊工艺。堆焊完成后冷却。
f、对压力容器1内的接管2、管根堆焊层4和管内堆焊层5进行切割，使伸进压力容器1内的接管2的端头与压力容器1内壁平齐；
对压力容器1内的接管2、管根堆焊层4和管内堆焊层5进行切割，其中管根堆焊层4完全切除，接管2和堆焊层5位于压力容器1内的部分完全切除，从而使接管2位于压力容器1内的一端与压力容器1的内壁平齐。
g、对压力容器1的封头进行回火处理，回火温度600-650℃，冷却速度为60~80℃/h。
利用数值模拟方法对压力容器1封头和接管2进行焊接模拟及切割计算，输出接管2根部路径上的残余应力分布，如图3所示。图3中纵坐标为残余应力（MPa），表示焊接接头根部的纵环向残余应力值，横坐标表示沿根部路径的距离分布。图中方形点曲线表示用普通连接方法加工的焊接接头根部残余应力分布，圆形点曲线表示用本发明方法加工的焊接接头根部残余应力分布。可以看出本发明的压力容器封头与接管连接方法与普通方法相比，焊接接头根部的残余应力得到了很大程度的降低，在焊接接头根部区域的残余应力平均降低了162MPa左右，焊缝区以外残余应力平均降低了108MPa左右。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法，其特征在于：包括如下步骤：
a、对压力容器（1）的封头开孔，并按照开孔尺寸加工接管（2）；
b、将接管（2）一端穿过封头开孔并伸入压力容器（1）内；
c、打磨封头和接管（2），打磨后对封头和接管（2）焊接并冷却，形成焊缝（3）；
d、对焊缝（3）位于压力容器（1）内的一侧进行预热，再在压力容器（1）内的接管（2）管根处堆焊，形成管根堆焊层（4），并冷却；
e、对接管（2）内壁预热，再在接管（2）内壁堆焊，形成管内堆焊层（5），并冷却；
f、对压力容器（1）内的接管（2）、管根堆焊层（4）和管内堆焊层（5）进行切割，使伸进压力容器（1）内的接管（2）的端头与压力容器（1）内壁平齐；
g、对压力容器（1）的封头进行回火处理。
2.根据权利要求1所述的降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法，其特征在于：步骤a中所述的开孔为单边V型坡口或K型坡口。
3.根据权利要求1所述的降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法，其特征在于：步骤b中所述的接管（2）伸进压力容器（1）内的长度为5~20mm。
4.根据权利要求1所述的降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法，其特征在于：步骤c中所述的焊接为手工电弧焊或埋弧焊，焊接时层间温度低于150℃。
5.根据权利要求1所述的降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法，其特征在于：步骤d和步骤e中所述的预热采用的是氧乙炔焰，预热的温度为100~200℃。
6.根据权利要求1所述的降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法，其特征在于：所述的管根堆焊层（4）材质为316L不锈钢或347L不锈钢，管内堆焊层（5）的材质为316L不锈钢或347L不锈钢。
7.根据权利要求1所述的降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法，其特征在于：步骤d中所述的管根堆焊层（4）的厚度为2~5mm，管根堆焊层（4）的宽度大于位于压力容器（1）内的接管（2）管根部的焊缝（3）宽度1~2mm。
8.根据权利要求1所述的降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法，其特征在于：步骤e中所述的管内堆焊层（5）一端与压力容器（1）内的接管（2）的端头平齐，另一端与压力容器（1）的封头外壁平齐，管内堆焊层（5）的厚度为2mm。
9.根据权利要求1所述的降低焊接残余应力的压力容器接管与封头连接方法，其特征在于：步骤g中所述的回火处理的回火温度为600~650℃，冷却速度为60~80℃/h。
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