二氧化碳储罐的焊接性.docx
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二氧化碳储罐的焊接性
新疆机电职业技术学院
机械工程系
焊接技术及自动化专业
毕业论文
题目:
压力容器用16Mn钢板的焊接工艺
姓名:
刘江山
班级:
高焊接10-1班
专业名称:
焊接技术及自动化
学号:
20100692
指导老师:
刘宇
2013.6
目录
绪论………………………………………………………………………………2
摘要………………………………………………………………………………3
Abstract…………………………………………………………………………4
第一章论文的简介及研究背景………………………………………………6
第1节概述……………………………………………………………6
第二节压力容器的分类及应用………………………………………6
第三节压力容器的焊接结构…………………………………………6
第二章二氧化碳储存罐的设计………………………………………………8
第1节材料选择………………………………………………………8
第2节16Mn钢…………………………………………………………8
第3节16Mn化学成分及力学性能……………………………………8
第四节16Mn焊接性能分析……………………………………………9
第五节主体材料的设计及附件的选择………………………………12
第六节材料的设计计算………………………………………………12
第七节附件的选择……………………………………………………13
第八节焊接方法及参数的确定………………………………………14
第三章实验过程………………………………………………………………18
第一节焊前准备………………………………………………………18
第二节焊接实作………………………………………………………18
第三节焊后热处理……………………………………………………19
第四节焊接接头检验…………………………………………………19
第四章实验结果与分析………………………………………………………21
第一节焊接接头硬度分析……………………………………………21
第二节焊接接头性能分析……………………………………………21
第三节焊接接头金相图分析…………………………………………22
第五章结论与总结……………………………………………………………25
第一节结论……………………………………………………………25
第二节总结……………………………………………………………25
参考文献…………………………………………………………………………26
致谢………………………………………………………………………………27
绪论
合金元素多、组织结构复杂且多变给合金钢及耐蚀耐热合金焊接带来很大的困难。
焊接接头的性能好坏,直接关系着设备使用的安全性。
国内外对合金钢及耐蚀耐热合金的焊接做了大量的研究工作,其焊接性、焊接材料及焊接工艺的研究几乎与母材的研究同步,促进了合金钢及耐蚀耐热合金的发展。
有关这方面的研究成果和文献资料虽然很多,但较为系统的还是寥寥无几,在实际工作中,一部分有关的焊接技术人员和焊工,对合金钢及耐蚀耐热合金的焊接知识了解不多,有的甚至直接照搬低合金钢的工艺和方法。
虽然我国在这几年在合金钢上的努力有目共睹,但与世界先进国家相比,差距还是很大的。
为了尽快弥补这一差距,需要我们现代化的科技人才而我们也需要付出更多。
随着社会主义革命和现代化建设事业的迅猛发展以及人们对高品质的生活的要求,合金钢极其相关的技术科学将得到不断地发展和完善。
在世界上45%的钢的连接是用焊接方法来完成的,手工电弧焊又是我们生活生而中不可缺少的一部分。
我做这篇论文就是从手工电弧焊方面来研究16Mn的焊接主要从材料的力学性能化学成分,和通过焊接性的分析来讨论16Mn的焊接性能。
最能直观表现16Mn焊接性能的就是焊接工艺指导书,我们通过焊接工艺指导书的编制来反应16Mn的焊接性能。
摘要
低温贮罐一般是用来储存液N液Ar液态的CO2等低温液体的容器。
16Mn就是合金钢,我做的这个课题就是探讨16Mn在二氧化碳低温贮罐制造中的性能。
液态介质的特殊性能就决定了制造材料需要特殊性能,而16Mn就具有这样的性能。
低温贮罐在现在的生活、生产中使用已经越来越广泛,因此对16Mn的探讨就显得越来越重要。
在这篇论文中我会着重为大家阐述16Mn在低温压力容器制造中的焊接性能,力学性能,使用性能和焊接工艺。
在这篇论文中我会通过一个焊接性试验来探讨16Mn在低温压力容器中的各项性能。
方法是手工电弧焊。
针对这个试验做出完整的焊接工艺评定,并且根据评定要求对式样做相应的无损检验和力学性能的检验,从而来判定16Mn的各项性能。
关键词:
焊接性能力学性能使用性能焊接工艺
Abstract
Steelisindispensabletoourmodernsocietyofakindofmaterial,itcanbeseenasasymbolofnationalindustrializationlevel.Theoutputofsteelastherepresentativeofthecountryindustrializedlevelishigher.Steelalloyisoneofthemostimportantinsteel,thealloysteelwithspecialperformanceandmechanicalproperties,nowinallwalksoflifeinthehasbeenmoreandmoreused.Inthe16Mnsteelisveryimportantoneamongthem,indevelopedcountriesconsumedeveryyear70%ofthealloysteelisalloysteel,inourcountryhavealsoreached65%.Sothedevelopmentanduseofgood16Mnofourcountry'sindustrywordshavemoreandmoreimportant.
16Mnisalloysteel,Idothistopicisdiscussedinthelowtemperaturestoragetank16Mnproductionofperformance.LowtemperaturestorageisusedtostorealiquidN、liquidAr、liquidCO2andotherlowtemperatureoftheliquidcontainers,liquidmediumthespecialperformancetomanufacturematerialsneedspecialproperties,and16Mnhassuchperformance.Lowtemperaturestoragetanksinthepresentlife,hasbeenmoreandmorewidelyusedinproduction,sothe16Mndiscussionbecomesmoreimportant.InthispaperIwillfocusonthisforall16Mninthefabricationofthelowtemperaturepressurevesselsweldingperformance,mechanicalproperties,theuseofperformanceandweldingprocess.
InthispaperIwillpassatesttoexploretheweldability16Mnofthelowtemperaturepressurevesselsoftheperformance.Thistestisaspecificationof6x150x300mmoftwopiecesof16Mnpullleveldockingweldingmethodismanualarcwelding.Accordingtothetestmakefullofweldingprocedurequalification,andaccordingtotheevaluationofstyleofthecorrespondingrequirementsdonondestructiveexaminationandmechanicalpropertiesofinspection,andtodetermine16Mnofvariousperformance.
Keyword:
WeldingperformanceMechanicsperformanceWeldingcraftOperationalperformance.
第一章课题的背景
第1节概述
在这篇论文中我会通过一个焊接性试验来探讨16Mn在低温压力容器中的各项性能。
方法是手工电弧焊。
针对这个试验做出完整的焊接工艺评定,并且根据评定要求对式样做相应的无损检验和力学性能的检验,从而来判定16Mn的各项性能。
第二节压力容器的分类及应用
1.2.1按工艺用途分类
(1)反应压力容器:
用于完成介质的物理、化学反应。
(2)换热压力容器:
用于完成介质的热量交换。
(3)分离压力容器:
用于完成介质的流体压力平衡和气体净化分离等。
(4)储存压力容器:
用于盛装生产用的原料气体、液体、液化气体等。
1.2.2按设计压力分类
(1)低压容器(代号L),0.1MPa≤P<1.6MPa。
(2)中压容器(代号M),1.6MPa≤P<10MPa。
(3)高压容器(代号H),10MPa≤P<100MPa。
(4)超高压容器(代号U),P≥100MPa。
本课题我们讨论的是按设计压力分类的中压容器,即压力范围为1.6MPa≤P<10MPa(代号L)的容器。
第三节压力容器的焊接结构
压力容器的结构形式虽然很多,但最基本的结构就是一个密闭的焊接壳体。
根据压力容器壳体的受力特点,最适合的形状是球形,但球形容器制造相对比较困难,成本高,因此在工业生产中,中、低压容器多数采用圆筒形结构。
圆筒形容器由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔接管以及支座等六大部件组成,并通过焊接构成一个整体。
一般用途的压力容器工作压力低,焊接结构比较简单。
如载货汽车的刹车储气筒,采用Q235钢材制成。
筒体由钢板弯制,纵向焊缝采用埋弧焊一次完成,两封头采用冲压成形工艺,封头与筒体之间采用对接接头。
为了保证焊接质量,在焊缝底部设置残留垫板(又称衬环)。
对于大型储存容器,在结构上和设计上有许多特别的地方。
如铁路运输石油产品用的油罐。
油罐承受的内压力不高,但在运输车辆起动和刹车时有较大的惯性力,因此要求罐体应有适当的厚度,以保证其刚度。
油罐罐体一般用低碳钢制造,筒体由上下两部分组成,上半部分占整个筒体的3/4,由8—12mm厚的钢板成形后拼焊而成。
筒体下部分占1/4,要求有较大的刚度,采用较厚的钢板弯制。
筒体上下两部分用对接焊缝连接。
封头为椭圆封头,热压成形,与筒体之间采用对接焊缝连接。
第四节关于低温压力容器
1.4.1低温压力容器的含义
低温压力容器是指容器的设计温度不大于一%。
℃,在工艺操作过程中容器的壁温处于低温设计应力状态下的一种压力容器。
容器壁温并不一定等于容器工作的环境温度,但环境温度对容器的影响很大,所以不能把低气温地区在室外工作的压力容器都按低温压力容器设计,是否属于低温容器主要取决于它的设计温度是否在规定的低温范畴内。
容器的设计温度主要取决于容器内介质的温度,同时要考虑环境温度的影啊以及压力容器的保温状况及操作工艺等。
在低气温地区工作的压力容器,当有保温或物料经常处于流动状态时,设计温度要根据物料的温度及散热情况,通过热传导公式计算确定,对盛装压缩气体且无加热保温设施的储罐,其设计温度应与环境温度相同。
1.4.2低温压力容器脆断的特点
低温压力容器可能发生的破坏主要是低应力脆性断裂,这种脆性断裂一般发生在工作温度不大于一%∋(的工况下。
当容器的设计温度不大于一%∋(时一般采用低合金铁素体钢制造。
这种钢具有体心立方晶格,存在着二种断裂机理,即剪切断裂和解理断裂。
随着温度的降低,由剪切断裂逐步转变到解理断裂,材料的韧性也随之降低,脆性增加。
低应力脆断过程包括开裂和裂纹扩展二个阶段。
开裂是从已经存在应力集中及残余应力处产生,产生裂纹后其前端材料立即受到这突变的应力作用,裂纹随之扩大,而且局部应力随着裂纹的增加而加大,导致裂纹高速扩展,最终造成脆性断裂。
容器在破坏前并没有明显的塑性变形,是不易被人们发现的,低温容器脆性断裂只有同时具备下列三个条件才能发生;
(1)工作温度要低于材料的某一转变温度
(2)具有相当的应力水平
(3)存在足够的尖锐缺口
上述三个条件是低温容器脆断的充分必要条件,破坏其中任何一个条件,脆断都不会发生。
为了避免低温容器脆断事故的发生,要在设计、制造和使用中围绕着上述三方面采取相应的防范措施。
1.4.3低温压力容器在设计时应注意的问题
(1)在选材方面,要选用韧性较好的低温容器用钢,使容器的操作温度在钢材的脆性转变温度之上,要求含碳量低,磷、硫含量控制在规定范围之内。
(2)在结构设计中要注意消除结构的应力集中,消除尖角,要有足够的柔性。
为此在设计时要特别注意以下几个问题;
1)结构应尽量简单,尽量避免结构形状的突然变化,减少局部高应力
2)焊接时要采用全焊透结构,因为单面焊的焊缝常因根部未焊透而带有裂纹性缺陷
3)要选用低氢型焊条
4)对接焊缝要进行100%的射线探伤,所有角焊缝要进行100%表面探伤
5)用碳钢及低合金钢焊接的压力容器在所有焊接完毕后,最好进行整体热处理以消除焊接中产生的残余应力
6)避免产生过大的温度梯度
7)壳体上的开孔应尽量采用整体补强或厚壁管补强,容器的支座或支腿不能直接焊在壳体上。
(3)对低气温地区工作的压力容器在设计时应尽量采用保温和加热等措施,使容器壁温提高,不致成为低温压力容器
1.4.4低温压力容器在制造时应注意的问题
低温压力容器在制造时要消除因焊接或冷作产生的高残余应力,使结构应力处于正常状态,为此要注意以下几个间题:
(1)低温容器施焊前应进行焊接工艺评定试验,主要评定焊缝和热影响区的低温度下比v型缺口冲击试验是否合格。
(2)严格控制焊接质量,采用适当的焊接工艺使之达到图样要求和评定的标准。
焊接区域内不能有焊接缺陷,如裂纹、气孔、咬边等。
各焊缝要圆滑过渡。
(3)附件的连接焊缝不应采用不连续焊或点焊。
(4)坡口的加工应确保坡口表面无裂纹。
(5)对不做焊后消除应力热处理的容器,不能采用锤击等强制手段进行成型#不能在受压元件上刻划或敲打,避免导致产生缺口效应的划痕。
(6)采用经过热处理后的钢材制造的受压元件,宜采用冷成形;采用温成形时,须避开钢材的回火脆性。
1.4.5低温压力容器在选材时应注意的问题
由于低温条件下使用的钢材,除了应满足压力容器对一般材料的基本要求以外(指足够的前度,稳定的组织,良好的加工性能和焊接性能以及其他必要的物理性能)还必须要求钢材能具有尽量低的韧脆转变温度和足够的低温韧性,即说钢材的使用温度必须足够的高于它的韧脆转变温度,同时,钢材在其他使用温度下的低温冲击吸收功必须充分的大于设计规定值。
第二章二氧化碳储液罐的设计
第1节材料选择:
压力容器所用的材料一般为碳钢、低合金钢和合金钢,含碳量一般规定≤0.25%。
压力容器用钢必须满足使用条件下的力学性能要求,主要包括强度和塑韧性的要求。
压力容器用钢要求室温下的冲击韧性60-70J/cm2,-40℃时的冲击韧性为35-40J/cm2(U型坡口)。
压力容器所用的材料都应有供应厂商完整的质量证书.
第二节16MnR:
强度级别为343Mpa,在热轧或正火状态下使用。
综合力学性能、焊接性及低温韧性、冷冲压及切削性均好,与Q235相比强度提高50%,耐大气腐蚀性能提高20%-38%,低温冲击韧性也比Q235钢优越,价廉,应用广泛。
用于各种大型船舶、车辆、桥梁、管道、锅炉、压力容器、石油贮藏、矿山机械、电站设备、厂房钢架等承受动载荷的焊接。
第三节16Mn化学成分及力学性能:
16Mn的化学成分
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的力学性能
技术标准
板厚/mm
σs/MPa
σb/Mpa
δ5(%)
AKV-70/J
冷弯180˚
GB3531-1996
6~16
300
440~570
23
-70℃,
≥27
D=2a
16~36
280
430~560
23
36~60
260
430~560
23
牌号
拉力强度MPa
屈服点MPa
伸长率(%)
16MnR
490-670
320
21
16Mn的拉伸性能与冲击性能
钢号
拉伸性能
冲击性能
板厚/mm
状态
σs/MPa
σb/MPa
σ5/%
弯曲180º
温度/℃
冲击功Aku/J
时效冲击
16MnR
6-16
热轧或热处理
≥345
510-655
≥21
d=2a
室温
≥27
——
第四节16Mn焊接性能分析
低温钢为低碳低合金低温用钢,由于其碳及合金元素含量都很低,因而塑性良好,屈强比不高,淬硬倾向不大,各种裂纹倾向也不大(各种焊接性评价参数:
CE=0.353;Pcm=0.1808;HCS=0.8788;Psr=-1.832,按国标化学成分计算,各参数最大值则为:
CE=0.4268;Pcm=0.230;HCS=1.825;Psr=-1.72),焊接性良好,一般不需要预热。
但若碳含量较高或结构厚大、拘束度太大,可以预热,但预热温度应该控制在较低的水平(100~150℃),多层焊焊道间温度也要保持在低水平(150℃左右)。
否则将因冷却太慢导致焊接接头(包括焊缝金属和焊接热影响区过热区)晶粒粗大,而危害低温韧性。
由于是低温钢,防止结构的低温脆性断裂是最重要的要求,因此,其低温缺口韧度也就是最重要的使用性能,而且也是焊接接头应该满足的性能,已为公认的是低温缺口夏比冲击吸收功要不低于20ft·lbf(27J)。
2.4.1裂纹问题
(1)焊接冷裂纹
大量的生产实践和理论研究表明。
钢种的淬硬倾向一定的含氢量和足够的拘束应力是焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。
下面也从这三方面分析16Mn的冷裂纹倾向。
①淬硬倾向16Mn由于其含碳量低,故在淬硬时,如冷却速度不是太快,就会得到低碳马氏体组织,或者是铁素体+珠光体组织,由于这些组织硬度不高,因而其淬硬倾向小,只有在冷却速度较快时,才会得到高碳马氏体组织,则有一定的淬硬倾向。
②含氢量焊接时,焊缝中的氢主要来源于焊接材料中的水分、焊件坡口处的铁锈、油污以及环境湿度等。
对16Mn来说,只要板厚不太大且冷却速度控制得当,由于焊接温度高,增强了氢的活动能力,使大部分氢会从焊缝中扩散逸出;同时,当焊缝冷却时,其组织会从奥氏体向铁素体转变,由于氢在奥氏体中的溶解度大大高于在铁素体中的溶解度,又会有部分氢逸出。
因而到最后,焊缝中的残余氢量就不足于形成冷裂纹。
③拘束应力焊接时,焊缝中的应力主要包括热应力、组织应力和由于自身拘束条件所造成的应力。
目前,普遍采用拘束度(R)综合表达这三种应力的大小,拘束度的计算可采用如下公式:
R=K1
式中:
1---板厚拘束度系数,N/(㎜2.㎜
);
--板厚,mm.
由上式可见,拘束度与材料板厚有很的关系,板厚越大,所造成的拘束度也越大,则拘束应力也就越大,因而我们只要选择合适的板厚,就可以控制拘束应力。
综上所述,16Mn钢在板厚不是太大,冷却速度适当的情况下是不会出现冷裂纹的,只有在板厚(40mm以上)太大、冷却速度较快的情况下,才会出现冷裂纹倾向,不过,我们可以通过焊前适当预热等措施来预防。
(2)焊接热裂纹
焊接热裂纹是在焊接高温下产生的,其中危害最严重的是结晶裂纹由于结晶裂纹是在结晶后期,有低熔点物质所形成的也太薄膜而引发的。
它与焊缝金属的成分,主要是碳、硫、镍、锰等元素有密切关系。
从表2-3得知,16Mn含碳量低,含锰量高,硫和磷控制严格,它的Mn/S较高,因而具有良好的抗结晶裂纹性能。
所以在正常情况下,16Mn钢是不会出现结晶裂纹的。
(3)消除应力裂纹(再热裂纹)
再热裂纹是由于钢中含有Mo、Cr、V、Nb等强碳化物形成元素,以及存在一定的残余应力,并在焊后再次进行加热的情况下产生的。
由表2-3可知,16Mn不含强碳化物形成元素,在热轧状态下供货焊后一般不进行热处理,因而对再热裂纹不敏感。
(4)层状撕裂
层状撕裂的产生,与钢材的合金成分没有直接关系紧与冶炼、轧制工艺及杂质的含量和分布有关。
从Z向拘束力考虑,撕裂与板厚有关,一般板厚在16mm以下就不容易产生层状撕裂;从钢材本身来说钢中的片状硫化物与层状硅酸盐或大量成片地密集于同一平面内的氧化铝夹杂物都能导致Z向塑性的降低和层状撕裂的产生。
而对于16Mn来说,其本身杂质与有害元素含量控制严格,所以我们只要控制其板材厚度与选择合适焊接工艺,层次撕裂是可以减少或避免的。
2.4.2脆化问题
(1)过热区脆化
过热区脆化主要产生在被加热到1100℃以上区域它的产生原因与钢材成分及强化方式有关。
对16Mn钢来说,当碳含量偏于下限(0.12%~0.14%)时,由于其本身含碳量少,又是通过固溶强化方式来获得较好的强度和韧性的,因而其脆化倾向小。
只有当焊接线能量过大时,会导致过热区奥氏体晶粒严重粗化,冷却时产生魏氏组织,这时才会出现脆化现象。
而当含碳量偏于上限(0.2%)时,此时不仅线能量过大会因此形成魏氏组织而脆化因而只要我们控制16Mn钢的成分与线能量,其过热区脆化也是可以减少或避免的。
(2)热应变脆化
一般认为热应变脆化发生于一些固溶氮含量高的低碳钢和强度级别不高的低合金钢中,主要是由于氮,碳原子聚集在位错周围,对位错造成钉扎作用引起的,特别易于在200~400℃加热温度范围内的亚临界热影响区产生,如焊前已经存在缺口时,这种脆化就变得更加严重。
对于16Mn来说,其本身含有一定的固溶氮,化学成分中又没有强氮化物形成元素可与氮结合为氮化物,因而具有一定的热应变脆化倾向。
综合以上分析,我们知道在裂纹方面,16Mn对热裂纹、再热裂纹和层段撕裂不敏感,只有当板
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