容器焊接接头的坡口设计

原创 胡伟明  2020-09-19 20:56:00  阅读 57 次 评论 0 条
摘要:

基本原则焊缝坡口设计是焊接结构设计的重要内容,合适的坡口可让焊条或焊丝伸入坡口根部,以保证焊透。如下图所示:坡口的基本尺寸为坡口角度α、根高P和根距C。容器设计图纸上对重要的焊接接头必须用节点图表明坡口这三个尺寸的具体数值。对接、搭接和角接焊缝的坡口均有各自的特点,分别适用于不同的场合。但不论什么坡口均有一些共同的基本原则:(1)尽量减少填充金属量  既可节省焊接材料,又可减少焊接工作量。(2)保证焊透,避免产生各种焊接缺陷根据需要尽量采用双面焊或单面焊双面成型;仔细清根,保

基本原则

焊缝坡口设计是焊接结构设计的重要内容,合适的坡口可让焊条或焊丝伸入坡口根部,以保证焊透。如下图所示:

坡口基本尺寸.png

坡口的基本尺寸为坡口角度α、根高P和根距C。容器设计图纸上对重要的焊接接头必须用节点图表明坡口这三个尺寸的具体数值。对接、搭接和角接焊缝的坡口均有各自的特点,分别适用于不同的场合。但不论什么坡口均有一些共同的基本原则:

(1)尽量减少填充金属量  

既可节省焊接材料,又可减少焊接工作量。

(2)保证焊透,避免产生各种焊接缺陷

根据需要尽量采用双面焊或单面焊双面成型;仔细清根,保证焊透。

(3)改善劳动条件

要便于焊接,便于清根,尽量减少容器内部的焊接工作量,清根尽可能在容器外部进行,因此常使V形坡口的开口设置在容器内壁,焊根设在外壁。

(4)减少焊接变形和残余应力  

如较厚板材拼接时宜设计成内外对称的X形坡口。

壳体对接接头

属于对接的壳体焊缝,当厚度较小时可以进行双面焊的则可不开坡口,厚度较大时则必须开坡口。常用的对接坡口有V形、U形及X形三种。具体选用时应做如下考虑:

(1)减少填充金属  

一般板厚较薄时可采用V形坡口,但应在清根后做双面焊。厚度较厚时V形坡口的顶部将需填入大量金属,此时可改用U形坡口。厚度相同时U形坡口比V形坡口节省,而X形坡口则更节省。对100~300mm的大厚度容器的对接焊缝更倾向于采用窄间隙焊缝,其间隙比U形坡口更窄,焊接填充量更少。

(2)保证焊透  

不论什么坡口,对接焊时必须保证有合适的焊根,以造成一个熔池,根高过低易熔穿,根高过高又将使清根工作量加大,若清根不透时又将造成未焊透缺陷。另外根距过大易使熔化金属漏失,根距太小若清根不透也易形成未焊透,单面焊时尤易造成未焊透。为保证焊透,按操作的视野、空间位置、焊条运动角度来分析,V形坡口优于U形坡口,若焊件可以做双面焊,则X形坡口更好。直径小于500mm的容器,无法在内部做手工焊,则可用带垫板的单面焊,也可保证焊透。

(3)坡口加工方便  

V形和X形坡口的形状简单,可切削加工也可火焰切割加工而成。但U形坡口必须进行机械切削,比较麻烦。

当直径小于500mm的小尺寸圆筒无法做双面焊时,可在内壁垫上垫板。但下图所示的带垫板的单面坡口设计是错误的,既焊根过高又不留间隙,只要电流稍小极易造成未焊透缺陷。这常常是由于设计图纸上未用节点图明确坡口的结构与尺寸而制造中又自行其是所造成。

错误的焊接结构.png

不锈钢焊接时应注意到因导热系数较小而热膨胀系数又较大,故不宜采用过大的焊接输入能量,因此大于4mm的不锈钢壳体或管道就不能一次焊透,且需加工出坡口。另外V形坡口一般也只用到12mm厚度以下,大于12mm者为防止焊接变形采用X形坡口更为合适。

圆平板与圆筒壳体

圆平扳(包括平板封头与换热器管板)与筒体的连接焊缝其特点是两者厚度相差较大。下图(a)及(b)是适用于不能到容器内侧做双面焊时的单面填角焊,图(b)采用垫板可使焊根焊透。图(c)也是一种可使根部焊透的单面焊坡口,但内壁转角处有一间隙,有交变载荷作用时易成为疲劳裂纹源。当能进行双面焊时可以采用图(d)的结构。图(a)~图(d)均为无法对焊缝内部质量进行X射线检验的填角焊结构,若设计成图(e) 的结构则可成为对接结构,而且可以做到等厚度对接和双面焊,并便于作无损检验以保证焊缝质量。但这将使平板的毛坯厚度增大,也增加了切削工作量。

圆平板与筒体的坡口结构.png

带衬里的焊接

容器为防止介质腐蚀常采用奥氏体不锈钢、钛或铅做成衬里,衬里可采用轧制的复合钢板、堆焊(包括焊丝堆焊及带极堆焊)、爆炸复合、热套与松套等形式。接头的坡口设计与法兰密封面防腐蚀设计是带衬里容器设计中的两个重要问题。

(1)壳体衬里的焊接坡口设计

带衬里的焊接坡口设计最重要的是不降低接头处的防腐蚀性能,尽量减少由防腐材料制成的焊条用量,此外仍要考虑保证焊透、方便清根、减少焊接工作量及便于检验等。

下图(a)所示的是复合钢板最常用的薄板焊接坡口结构,这种结构的不锈钢焊条用量最少,但内部清根不便。为了不降低焊缝处的防腐蚀性能,当采用不锈钢焊条之前必须先用过渡焊条(即含Cr-Ni量更高的焊条)先与碳钢或低合金钢焊接,过渡焊条的Cr-Ni合金元素被稀释后可形成与衬里Cr-Ni含量相仿的过渡层,然后再用正常的不锈钢焊条完成衬里层的焊接。

下图(b)的坡口结构可以在外部清根,内坡口的大量金属的填入可用自动焊完成,但不锈钢焊接的工作量较大,且内壁的焊接条件较差。

下图(c)和(d)均适用于厚度更大的情况。

复合钢板纵环焊缝坡口.png

对于松套衬里的结构,外筒先已焊好,衬里层接缝坡口只要有一定的间隙即可,可以与外筒基体金属直接熔合,但也应先用过渡焊条。对于铅、铝这一类熔点明显低于基体金属的衬里材料,也可以在接缝处在基体金属上直接焊接,但实际上衬里与基体金属并未熔合。

(2)带衬里容器法兰密封面防腐蚀结构设计  

为节约不锈钢,带衬里容器的法兰一般也是用碳钢或低合金钢制造,法兰同样要用防腐蚀的金属材料覆盖。一般防腐材料只要覆盖到密封面为止,密封面以外则不需再覆盖。防腐蚀材料可以用堆焊方法也可以用板材焊接覆盖,其结构可见下图。主要应覆盖致密,不得有任何让介质泄漏至基体金属的通道。另外用不锈钢作衬里时,注意需先用含合金元素更多的过渡焊条,以防止合金元素稀释降低防腐蚀性能。

带衬里的法兰密封面结构.png

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