16Mn钢在压力容器中的焊接工艺评定.docx

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16Mn钢在压力容器中的焊接工艺评定

学号1010131021

毕业论文（设计）

课题16Mn钢在压力容器中的焊接工艺评定

学生姓名柯章春

院部机械工程学院

专业班级10金属

（1）班

指导教师杨付双

二○一四年六月

中文摘要

英文摘要

插表清单

插图清单

16Mn钢在压力容器中的焊接工艺评定

摘要

钢铁是现代社会不可缺少的一种材料。

该钢合金是一种非常重要的，因为采用合金钢具有特殊性能和机械性能，所以它的各行各业现在已经越来越多地使用。

在铝合金钢管，16Mn是非常重要的一个，所以良好的16Mn钢对中国工业化的发展和使用也变得越来越重要。

在本文中，我主要介绍16Mn钢在低温压力容器制造过程中焊接性和讨论其焊接工艺。

通过探索16Mn钢在低温压力容器中的的性能，从而焊接性能分析它，使之为设计一个完整的焊接工艺评定和考核要求按照适当的无损检测和机械性能进行测试，最终确定16Mn钢的性能满足低温压力容器生产的要求。

关键词：

焊接性能；力学性能；焊接工艺操作性能

Weldingof16Mnsteelinpressurevessel

ABSTRACT

Steelisourmodernsocietyisindispensabletoamaterial.Thesteelalloyisaveryimportantone,becausetheuseofalloysteelwithspecialpropertiesandmechanicalproperties,soit'sallwalksoflifenowhasbeenincreasinglyused.Inalloysteel,16Mnisoneoftheveryimportantone,sothedevelopmentanduseofgood16MnonChina'sindustrializationhasbecomeincreasinglyimportant.InthispaperImainlyintroduce16Mnincryogenicpressurevesselmanufacturingprocessweldabilityandweldingprocess.16Mnatlowtemperaturebyexploringtheperformanceofthepressurevessel,therebyweldingperformanceagainstittomakeitacompleteweldingprocedurequalificationandassessmentrequirementsfordesigndoneaccordingtoappropriatenon-destructivetestingandmechanicalpropertiestest,andultimatelytodetermine16Mntheperformancemeetstherequirementsofcryogenicpressurevesselproduction.

Keywords:

weldingperformance；mechanicalproperties；weldingcraftOperationalperformance

绪论

近年来，随着科技的不断发展和人们的不断探索，在压力容器的焊接技术方面，国内和国外都有着飞速的发展。

随之而来的压力容器的工作参数和应用方面的显著提高，对焊接技术的要求越来越高。

所以选择合适的的焊接方法、焊接工艺、焊接材料和焊接设备不仅关系到焊接接头的质量，而且还极大的影响焊接的效率、焊接的成本。

因此，焊接工作者始终面临着许多复杂的技术难题，在这方面仍然需要他们不断地探索，以便寻找出最佳的解决方案。

近乎年通过科学研究者的不懈努力，在很多方面已经取得了重大进展，并在实际生产中投入应用，取得了良好的实际效果，使压力容器焊接技术越来越成熟。

随着压力容器的不断发展，在压力容器用钢方面也相应地出先了一些改变：

压力容器用钢由以前的碳素钢逐渐被低合金高强度钢所取代。

和碳素钢相比，低合金钢具有较高的强度和良好的塑性、韧性，并且具有良好的焊接性这些诸多优点。

在其他方面，由于科技的发展以及中国工业实力的提高，各种专用钢材的冶炼、轧制和焊接工艺都有了很大的提高，生产处性能稳定的成熟钢种已经不是什么难题。

在我们现代生活中，钢是一种生活中随处可见的材料，我们的衣食住行都离不开它，钢的应用水平可以说是衡量一个国家的工业化水平高低的标志。

钢的产量越高就代表着这个国家的工业化水平越高。

合金钢是指钢中除含有硅、锰作为合金元素外，还含有其他金属元素或某些非金属元素的钢，16Mn钢是合金钢中的一种。

它具有综合性能好，低温性能好冷冲压性能好，焊接性和可切削性好诸多优点，正因如此，本文选用16Mn钢作为焊接压力容器的材料。

16Mn钢在各种容器和构件中均被广泛应用，目前它在我国是用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。

但是16Mn钢在焊接压力容器中存在一些焊接缺欠，正式因为这些缺欠，我们需要对它要进行焊后工艺评定，以确定是否需要对其进行缺陷的消除与修补。

焊接修复是一项复杂且相当有技术含量的工作，必须要求科学严谨，否则不但达不到修复的目的，甚至可能形成新的缺欠，造成对材料的极大浪费。

为此，我们需要应用我们所学的专业知识，充分了解各种焊接缺欠的形成条件，以及改善这些焊接缺陷的方法，通过反复分析论证，制定切实可行的工艺方案[1]。

第一章课题的背景

1.1压力容器概述

一般来说，压力容器是指盛装气体或液体，承载一定压力的密闭设备，其范围规定为最高工作压力大于或等于0.1MPa，且压力与容积的乘积大于或等于2.5MPa的气体液化气体和最高工作温度高于或等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器；盛装公称工作压力大于或等于0.2MPa，且压力与容积的乘积大于或等于1.0MPa的气体，液化气体和标准沸点等于或者低于60摄氏度液体的气瓶等。

压力容器在石油化工领域中的设备，如换热设备，分离设备，反应设备等个方面均有广泛应用。

1.按照压力的高低进行分类

在《监察规程》中，“压力容器的压力等级和种类划分”按照压力容器的设计压力（P），将容器分为低压、中压、高压、及超高压四个等级。

其具体划分的标准是：

当0.1Mpa≤P＜1.6MPa时，属于低压容器，代号为L；

当1.6MPa≤P＜10MPa时，属于中压容器，代号为M；

当10MPa≤P＜l00MPa时，属于高压容器，代号为H；

当P≥100MPa时，属于超高压容器，代号为U[2]。

1.2压力容器的组成

压力容器的结构通常是相对简单的，它主要是由一个可以承受一定压力的壳体和重要的连接件、密封件和内件构成。

另外，由于各种工艺的用途不同，有时候还需要配置相应的工艺附件，但是这些附件一般不承受介质施加的压力，其对容器安全影响很小，因此只是作为附件。

常见的压力容器通常是由筒体、法兰、接管、封头、人孔、支座等几个部分组成的。

1）筒体

筒体（壳体）是压力容器的主体。

储藏物料或者完成化学反应所需的空间，主要就是由它构成的。

筒体（壳体）的体积大小是根据工艺要求确定的。

经常用的筒体（壳体）形状有圆筒形和球形两种。

2）封头

凡是与筒体焊接连接而不可拆的，称为封头；与筒体以及法兰等连接而可拆的则称为端盖。

封头按照它的形状可以分为三种，即锥形封头、凸形封头、和平板封头。

3）法兰

（1）用途

为了满足它生产工艺的需要以及方便我们安装检修，大部分压力容器要采用可拆的连接结构，例如压力容器的端盖与通体之间、接管与管道之间的连接，则通常采用法兰结构。

法兰通过螺栓、楔口等连接件压紧密封件从而保证容器的密封。

因此，法兰连接就是由法兰、螺栓、螺母以及由密封元件所组成的密封连接件所构成的[2]。

4）接管

（1）用途

接管是为了适应压力容器的安全运行和工艺生产的需要而设置在封头（端盖）和筒体上，并且用于其内部介质的进出、安全附件的安装。

（2）接管形式

接管的形式有螺纹短管、法兰短管、平法兰短管三种。

5）人孔和手孔

（1）用途：

设置人孔或者手孔等检查孔的作用是为了根据压力容器本身的结构、介质等情况的不同，从而使容器能够被定期的检查或者清除在其产生的一些杂质。

6）支座

支座是用来支承压力容器的自身重量并且使其固定的额外构件，制作的结构形式决定于容器的安装方式、容器重量以及其它载荷，通常可以分为三种类型：

立式容器支座、卧式容器支座以及球形容器支座。

第二章压力容器的设计

2.1材料的选择

2.1.1制作材料的要求

压力容器主要是由一个能够承受载荷的壳体、连接件以及密封件等几个部分组成。

压力容器的制作材料主要是钢材。

对压力容器的结构和用材的原则主要要求是：

1）强度它是金属材料在外力作用下抵抗变形及破坏的能力。

压力容器的受压零部件都应该具有足够的强度，否则就不能保证其安全的运行。

设计时应该尽可能的将其各个部分做成等强度的，这样就能使得用材最省。

然而在一些特殊情况下，我们会专门使得压力容器设备中的某一个部件的强度非常低，这样当压力容器承受过载压力时，这一部件首先破坏泄压，从而可以避免整个压力容器的破坏。

如反应器上的爆破片就是一个实例。

2）刚度刚度是构件在外力作用下保持其原来形状的能力。

在某些情况下，压力容器的部件主要取决于它本身的刚度。

3）耐久性压力容器的耐久性取决于其所要求的使用年限。

一般来说，对于压力容器设计的使用年限通常为1～2年，然而事实上压力容器的使用年限要远远超过当时设计时所要求的时间限制。

压力容器的耐久性大多数是取决于它本身的耐腐蚀的程度，当然在一些特定时候还取决于设备运行时造成的疲劳、蠕变等因素。

高压容器的外壳成本很高，所以为了节约成本往往其使用年限设计的更久一些。

根据使用年限和腐蚀等情况，因此，正确选用容器的制作材料，是保证容器耐久性的最主要因素。

4）密封性压力容器的密封是一个重要问题，密封的可靠性直接关系到安全生产。

这是因为压力容器内的介质往往易燃、易爆或者有毒、有害，介质泄漏可能导致爆炸或者中毒事故。

5）制造、操作和运输方便压力容器结构应该考虑便于制造和检查，以确保其质量和长期运行，并且应尽量的采用标准部件。

压力容器结构应该便于操作和日常维修，如设置必要的人孔、检查孔等。

此外，还应注意运输的方便，其直径、长度和重量必须符合运输部门的规定。

而压力容器所用的材料一般是碳钢、低合金钢和合金钢，含碳量一般规定不超过0.25%。

压力容器用钢还必须满足使用条件下的力学性能要求，主要包括强度、塑性和韧性的要求。

此外，压力容器用钢要求室温下的冲击韧性在一定的范围。

因此，初步选择16MnR[3]。

2.1.2材料的选择

16MnR钢是在低碳钢的基础上加入少量的合金元素锰而形成的普通低合金钢。

由于合金元素的加人，钢材的强度提高，且材料的塑性、韧性良好，焊接性能和其它加工性能也较好。

但是当合金元素锰的含量超过1.0％时，随着Mn含量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。

根据国标GB6654-1996规定，16MnR材料中锰含量应为1.2％～1.6％。

从各钢厂出具的材料质量证明书和制造厂对材料复验数据规律可看出，16MnR材料中锰含量处于标准的下限时，钢的强度、塑性、韧性都较好，而当锰含量处于标准上限时，16MnR钢有较大的强度，但塑、韧性，特别是冲击韧性较低（处于标准规定的下限值）。

表2-1是16MnR的化学成分。

表2-116Mn的化学成分[4]

牌号

化学成分（质量分数）（%）

C

Si

Mn

P≤

S≤

Cr

Mo

V

16MnR

0.12-0.20

0.20-0.60

1.20-1.60

0.030

0.030

—

—

—

16Mn钢是屈服强度不低于350MPa的常用低合金结构钢，是我国低合金钢中产量最大、应用最广泛的钢号之一。

16Mn钢一般是在热轧状态供货，特别是厚度小于20mm的钢板，一般在热轧以后直接使用。

对于较厚的板材，为了改善其性能，有时也采用正火处理后使用。

表2-2是16Mn的力学性能指标。

表2-316Mn钢在热轧及正火后不同温度下的低温冲击韧性。

表2-216Mn的力学性能[4]

牌号

拉力强度MPa

屈服点MPa

伸长率（%）

16MnR

490-670

320

21

表2-316Mn钢在热轧及正火后不同强度下的低温冲击韧性（J／cm²）【4】

板厚（mm）

钢材状态

室温

0

-20℃

-40℃

-60℃

12

热轧

120

90

80

75

55

900℃正火

170

144

113

113

84

19

热轧

100

99

91

58

20

900℃正火

170

155

122

116

80

35

热轧

120

100

78

69

49

880℃正火

173

173

145

113

16Mn钢加热到800℃以上，就能够较容易地进行各种热压成型，加入一定量的稀土后，具有较好的冷弯及冲压性能。

16Mn钢的焊接结构，可以采用加热矫正变形，火陷矫正的温度最好控制在700—800℃，当超过900℃时．会出现过热组织，降低钢材的冲击韧性。

16Mn钢的气割性能与低碳钢一样良好，气割边缘1mm处有较窄区域的淬硬现象，焊接时一般可被熔化掉。

因此，气割后的边缘可不如工，直接进行焊接。

在大多数情况下，裂纹往往出现在第一道焊缝和焊根上，因此，在焊接大厚度、大刚性的构件时，打底焊和定位焊的焊接工艺是非常重要的。

在同样的低温条件下焊接时，气候越潮湿，出现裂纹的倾向就越大，这是由于气候潮湿而造成焊缝中氢含量增高所致。

2.2压力容器（16Mn）焊接性能分析

2.2.1裂纹问题

1）焊接冷裂纹

经过多次的在生产中的实践和在理论上的研究，表明了焊接时产生冷裂纹的主要因素包括钢种的淬硬倾向、一定的含氢量以及足够的拘束应力三个方面。

下面便从这三个方面来分析16Mn的冷裂纹倾向。

（1）淬硬倾向由于16Mn含的碳量低，所以它在淬硬时，若冷却速度不快，便会得到低碳马氏体组织，或是铁素体+珠光体组织，因为这些组织的硬度不高，所以它的淬硬倾向较小，它只有在冷却速度比较快时，才会得到高碳马氏体组织，此时才会有一定的淬硬倾向[5]。

（2）含氢量在焊接时，焊缝中的氢的主要来源有焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污及环境湿度等。

对于16Mn来说，只要焊接工件的板厚不是很大并且冷却速度控制得当，便不会有冷裂纹产生。

（3）拘束应力在焊接时，焊缝中的应力大部分来自于热应力、组织应力以及因为自身拘束条件而产生的应力。

目前，通常采用拘束度来综合表达这三种应力的大小，若板厚越大，所引起的拘束度越大，那么拘束应力也就越大，反之亦然。

因此我们只要通过选择合适的板厚，就可以控制焊接时产生的拘束应力。

如上所述，当16Mn钢板在板厚不是很大，冷却速度适宜的条件下一般是不会出现冷裂纹的，只有在板厚太大（40mm以上），冷却速度较快时，才可能出现冷裂纹倾向，不过，我们也可以通过焊前适当的预热来预防冷裂纹的出现。

2）焊接热裂纹

焊接热裂纹是指在焊接高温下产生的裂纹，在热裂纹中危害最严重的是结晶裂纹，结晶裂纹在结晶后期，它是由低熔点物质所形成的液态薄膜引发的。

它与焊缝金属的成分，主要是碳、锰、硫、镍等元素有密切关系。

由下表2-3可知，16Mn的含碳量较低，含锰量较高，并且硫和磷的控制相对严格，它的Mn/S相对较高，因此它有良好的抗结晶裂纹性能。

所以在一般情况下，16Mn钢是不会出现结晶裂纹的现象的。

表2-416Mn的化学成分【5】

牌号

C

Si

Mn

P

S

16MnR

0.12～0.20

0.20～0.60

1.20～1.60

≤0.030

≤0.030

3）消除应力裂纹（再热裂纹）

再热裂纹是由于钢中含有一定量的Mo、Cr、V、Nb等强碳化物形成的元素，以及存在一定的残余应力，并且是在焊后进行再次加热的情况下产生的。

而在16Mn中没有强碳化物形成的元素，它在热轧状态下焊后通常不需要进行热处理，因此它通常不会产生对再热裂纹。

4）层状撕裂

层状撕裂的产生与钢材的合金成分无直接关系，只与冶炼、轧制工艺以及杂质的含量和分布有关。

从Z向拘束力方面考虑，撕裂与板厚有关，通常情况下板厚在16mm以下就不易产生层状撕裂：

而从钢材本身来说，钢中原有的片状硫化物与层状硅酸盐或者大量成片地密集于同一平面内的氧化铝夹杂物都可以导致Z向塑性的降低与层状撕裂的产生。

而对于16Mn来说，其本身杂质与有害元素含量控制严格，因此我们只要控制好其板材厚度并且选择合适焊接工艺，层状撕裂便可以减少或者避免的。

2.2.2脆化问题

1）过热区脆化

过热区的脆化大多发生在被加热到1200℃以上的区域，产生脆化的原因和钢材中含有的成分以及强化方式有关。

对16Mn钢材来说，若当含碳量偏于下限（0.12%～0.15%）时，因它自身含碳量相对较少，并且它又是通过固溶强化的方式来得到相对较好的强度和韧性，所以它一般不易发生脆化。

只有在焊接线能量过太大时，才会使过热区奥氏体晶粒发生严重粗化现象，从而导致冷却时产生魏氏组织，在这种情况下它才会出现脆化。

而当含碳量偏于上限（0.2%）时，此时因线能量过大，形成魏氏组织而脆化，总之，我们只需控制好16Mn钢的成分与线能量的关系，其过热区脆化是可以减少或者避免的。

2）热应变脆化

热应变脆化一般发生在一些含固溶氮较多的低碳钢和强度较低的低合金钢中，这是因为氮、碳原子大量聚集在位错周围，对位错产生了钉扎作用，特别是易在200～400℃加热温度范围内的亚临界热影响区产生，如果焊前已经存在缺口，那么热应变脆化就会变得更加严重。

对16Mn来说，它本身含有一定的固溶氮，而且化学成分中又没有可与氮结合为氮化物的强氮化物形成元素，所以它具有一定的热应变脆化倾向。

综上所述，在裂纹方面，16Mn钢材对热裂纹、再热裂纹和层状撕裂都不敏感，只有当板材厚度足够大，而且冷却速度太快时它对冷裂纹才会有一定的敏感性；在脆化方面，16Mn有一定的热应变脆化倾向，并且它对过热区脆化不敏感。

因此，在实际生产过程中，我们只需通过一些简单的焊接工艺就可以解决16Mn在焊接过程中由于部分原因对其焊接性带来的不良影响。

总之，16Mn具有较好的焊接性，正因为如此在各种焊接结构件中它被广泛使用。

通过对16MnR钢的焊接性的分析，可以得出以下结论：

（1）16MnR钢板能够装配成各种不同形式的焊接接头，适合不同位置的焊接，而且它的焊接工艺和技术的要求都相对简单。

（2）焊前通常不需要预热。

（3）它有良好的塑性和冲击韧性，而且焊接接头一般不会产生冷裂纹或者热裂纹，且适用于各种容器。

（4）16MnR钢板对焊接电源设备无特殊要求，无论交流还是直流弧焊机都可以焊接；对于焊接材料也没有特殊要求，酸性焊条、碱性焊条和焊剂都可使用。

2.3焊接方法及参数的确定（筒体的焊接）

研究对象选择厚度为6mm的钢板来焊接低压容器的筒体。

2.3.1焊接接头形式

1）对接接头

两板件的断面通过焊接形成135°～180°的夹角，这样的焊接接头称为对接接头。

在各种形式的接头中，对接接头应力分布最均匀、最节省材料。

2）搭接接头

两板件的部分重叠起来进行焊接时，形成的焊接接头称为搭接接头。

搭接接头的应力分布非常不均匀，疲劳强度比较低，不是理想的焊接接头形式。

但搭接接头在焊前准备和装配工作时的操作相对来说比较简单，因此，在受力比较小的焊接结构中搭接接头仍能够得到广泛应用[6]。

3）T形（十字）接头

把一个焊件的断面与另一个焊件的表面构成直角或者近似于直角，并且用角焊缝连接起来的接头称为T形（十字）接头。

这种形式的接头能够承受各个方向的外力和力矩的作用。

4）角接接头

两板件断面构成30°～135°夹角的焊接接头称为角接接头。

角接接头较多用在箱形构件中。

表2-5是焊接的接头形式。

表2-5焊接的接头形式【7】

名称

接头形式

基本尺寸

适用范围

标注代号

备注

手工电弧焊

板厚

30～40

α

60°±5°

b

1+1

用于根部间隙较大且无法用机械方法加工坡口的容器环焊缝

尺

寸

由

施

焊

者

自

定

板厚

6～10

12～26

α

45°±5°

35°±5°

P

7+1

8+1

b

1±1

2-1

筒体内无法焊接，但是允许衬垫板的焊缝

注：

一般不推荐使用

板厚

16～60

α

55°±5°

P

2+1

b

2±1

钢板拼接，筒体的纵焊缝

板厚

30～90

2～150

β

6°±2°

4°±2°

B

1+1

P

2+1

R

6+1

钢板拼接，筒体的纵焊缝

板厚

30～60

α

65°±5°

β

10°±2°

b

2+1

p

2±1

H

10+2

厚壁筒体的环焊缝，多用于筒体内径DN<600mm的单面焊接

2.3.2焊缝坡口的选择

在压力容器的板厚超过一定厚度的时候，为了避免压力容器的焊缝因为没有焊透从而产生焊接缺陷，必须在钢板接头处开各种形状的坡口。

坡口的形状及尺寸由被焊材料和所采用的焊接方法决定。

由于压力容器内要装液体或气体，因此在对压力容器的筒体的内壁进行焊接时相对困难的，而且为了保证所装物质的纯净，所以必须保证压力容器内壁不仅光滑而且没有毛刺。

通过整体分析，为了方便操作以及得到更好的焊缝质量，故应选用单面V型坡口进行焊接。

2.3.3焊接方法的选择

在压力容器制造过程中，根据被焊材料、焊缝位置、接头的厚度以及坡口形式的不同而选择不同的焊接方法。

目前，一般经常使用的焊接方法有埋弧自动焊、手工电弧焊、CO2气体保护焊等。

下面通过对这几种焊接方法的比较，从而选出最适合16Mn的焊接方法[7]。

1）埋弧焊：

（1）生产效率高

一方面由于焊丝导电的长度相对较短，并且焊接电流和电流密度的相对较高，这都极大程度的提高了电弧的熔深以及焊丝熔敷效率；另一方面，因为焊剂和熔渣具有一定的隔热作用，这就很大程度上减少了电弧上热的辐射散失和飞溅，因此尽管用于熔化焊剂的热量损耗有所增加，但是总的热效率仍然提高了许多。

（2）劳动条件好

一方面减轻了手工焊操作的劳动强度；另一方面，与其他焊接方法相比它没有弧光辐射。

（3）焊缝质量高

首先，埋弧焊产生的熔渣的隔绝空气的作用比较好，焊接参数能够通过自动调节从而保证它的稳定，使得焊缝质量能够得到保障；其次，埋弧焊一般对于焊工的操作能力要求不是很高，焊缝的组织成分相对稳定，而且它的焊接机械性能相比而言较好。

2）CO2保护焊：

（1）CO2的气体来源广泛，价格便宜，并且电能消耗量较少，因此它的焊接成本较低，只有埋弧焊或者焊条电弧焊的40％～5