壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計

壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計第1頁/共45頁2

本章重點和難點：

焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求和原則焊接接頭的設(shè)計（接頭、坡口等）焊接結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的設(shè)計第2頁/共45頁3焊接結(jié)構(gòu)是金屬結(jié)構(gòu)中一種最主要的結(jié)構(gòu)形式，如鋼結(jié)構(gòu)、船舶殼體、鍋爐及壓力容器，以及工程機械、動力機械、汽車拖拉機、鐵路車輛等結(jié)構(gòu)都是焊接結(jié)構(gòu)，它們大多依據(jù)有關(guān)的規(guī)程規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，《焊接手冊》第3卷、《焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》及其他大量著作。一、焊接結(jié)構(gòu)、接頭和細(xì)節(jié)設(shè)計第3頁/共45頁41．焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容1)選擇結(jié)構(gòu)材料，包括制造結(jié)構(gòu)材料種類和規(guī)格。2)確定結(jié)構(gòu)的形式，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性等進(jìn)行的計算(這種計算是在力系分析基礎(chǔ)上進(jìn)行的)。3)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計、焊接設(shè)計和計算。4)繪制焊接圖，規(guī)定產(chǎn)品的技術(shù)條件、工藝要求等。5)編制設(shè)計計算說明書，其中包括設(shè)計結(jié)構(gòu)的構(gòu)造合理性和技術(shù)經(jīng)濟先進(jìn)性的論證。第4頁/共45頁52.焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求和遵循原則

基本要求：實用性、安全性、工藝性和經(jīng)濟性等。遵循原則：1)合理選擇材料的種類，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件、通用件和型材。2)合理地設(shè)計結(jié)構(gòu)形式。盡量采用簡潔明快的結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式，采用最簡單和最合理的接頭形式，并且種類越少越好，減少短而不規(guī)則的焊縫和避免不易加工的空間曲面結(jié)構(gòu)。3)合理地布置焊縫。例如對稱布置焊縫、避免焊縫交叉、密集，重要的工作焊縫要連續(xù)，次要的聯(lián)系焊縫可用斷續(xù)焊縫，這有利于焊接施工和減少焊接工作量，便于控制焊接應(yīng)力和變形。4)施工方便并考慮改善工人勞動條件。設(shè)計結(jié)構(gòu)時就要考慮到日后施工的很多問題，如可達(dá)性問題，保證各種施工必需的操作空間問題等。第5頁/共45頁6二、焊接接頭形式對接接頭角接接頭及T字形接頭搭接接頭焊接接頭形式（a）對接接頭；（b）角接接頭；（c）搭接接頭焊接接頭的三種形式第6頁/共45頁7板材對接焊縫試件管材對接焊縫試件板材角焊縫試件管與板角焊縫試件

對接焊縫試件角焊縫試件

注意：接頭是由焊縫連接而成，同一種焊縫可以連接不同的接頭。第7頁/共45頁8注意：焊接工藝評定時考察的對象是“焊縫”，而不是焊接接頭。對接接頭T形接頭角接接頭鎖底接頭對接焊縫對接焊縫對接焊縫對接焊縫角接接頭T形接頭搭接接頭對接接頭角焊縫角焊縫角焊縫角焊縫第8頁/共45頁9受熱均勻，受力對稱，便于無損檢測，焊接質(zhì)量容易得到保證。1．對接接頭

結(jié)構(gòu)：兩個相互連接零件在接頭處的中面處于同一平面或同一弧面內(nèi)進(jìn)行焊接的接頭。特點：應(yīng)用：最常用的焊接結(jié)構(gòu)形式。第9頁/共45頁10結(jié)構(gòu)不連續(xù)，承載后受力狀態(tài)不如對接接頭，應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，且焊接質(zhì)量也不易得到保證。2．角接接頭和T型接頭

結(jié)構(gòu)：兩個相互連接零件在接頭處的中面相互垂直或相交成某一角度進(jìn)行焊接的接頭。T型接頭指兩構(gòu)件成T字形焊接在一起的接頭。角接接頭和T字接頭都形成角焊縫。特點：某些特殊部位：接管、法蘭、夾套、管板和凸緣的焊接等。應(yīng)用：第10頁/共45頁113．搭接接頭

主要用于加強圈與殼體、支座墊板與器壁以及凸緣與容器的焊接。結(jié)構(gòu)：兩個相互連接零件在接頭處有部分重合在一起，中面相互平行，進(jìn)行焊接的接頭。特點：屬于角焊縫，與角接接頭一樣，在接頭處結(jié)構(gòu)明顯不連續(xù)，承載后接頭部位受力情況較差。應(yīng)用：第11頁/共45頁121.焊接坡口——為保證全熔透和焊接質(zhì)量，減少焊接變形，施焊前，一般將焊件連接處預(yù)先加工成各種形狀。不同的焊接坡口，適用于不同的焊接方法和焊件厚度。三、坡口形式

Ⅰ形V型單邊V形U形J形基本坡口形狀組合形狀坡口形狀第12頁/共45頁13坡口的基本形式特例：一般接頭應(yīng)開設(shè)坡口，而搭接接頭無需開坡口即可焊接。J型U型單邊V型V型I型第13頁/共45頁14第14頁/共45頁15第15頁/共45頁16雙V形坡口由兩個V形坡口和一個I形坡口組合而成

雙V形坡口第16頁/共45頁172.坡口形式的選擇熔焊坡口形式根據(jù)其形狀可分為三類：基本型，I形、V形和單V形、U形和單U形等；特殊型，如卷邊的、帶墊板的、鎖邊的和開槽焊等；組合型第17頁/共45頁18

壓焊接頭

電阻焊、摩擦焊、擴散焊、超聲波焊和爆炸焊統(tǒng)稱為壓焊，其中電阻焊和摩擦焊應(yīng)用最廣。

電阻焊和摩擦焊在汽車工業(yè)中應(yīng)用很普遍，電阻焊中的點焊和縫焊多是采用搭接接頭。摩擦焊接頭通常采用對接接頭。釬焊接頭

釬焊接頭也有多種類型，但基本類型只有對接接頭和搭接接頭兩種。第18頁/共45頁19

坡口形式的選擇1)工廠的加工條件。采用雙V形、Y形、單邊V形、雙單邊V形、V形、I形等坡口可用氣割、等離子弧切割或金屬切削方法加工。但雙U形、帶鈍邊U形、帶鈍邊J形、U形、Y形坡口一般需用刨邊機加工，效率較熱切割低。2)可達(dá)性的好壞。采用Y形、帶墊板Y形、帶墊板V形、VY形(上圖g)、帶鈍邊的U形(上圖h)等坡口的接頭，施焊時，一般可不需翻轉(zhuǎn)。內(nèi)徑較小的容器或管道，不便翻轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，為避免仰焊及不能從內(nèi)側(cè)施焊，可采用這種坡口和焊縫形式。第19頁/共45頁20第20頁/共45頁21

坡口形式的選擇3)減小焊接材料的消耗量。一般熔敷金屬量小，焊接材料消耗也小，也節(jié)省加工時間。同樣板厚：Y形比雙Y形坡口的熔敷金屬量增加最大可達(dá)50％，雙U形或UY形則更加節(jié)省熔敷金屬。因此，常用于大厚度的焊接接頭。4)考慮焊接變形與應(yīng)力。例如：單面焊可能引起角變形和焊縫根部的嚴(yán)重焊接殘余應(yīng)力，此時要考慮材料(母材)特點，采用適當(dāng)?shù)墓に嚭推驴谛问?，以便獲得合格的接頭。第21頁/共45頁22四、壓力容器焊接接頭分類（GB

150－1998《鋼制壓力容器》）圓筒部分的縱向接頭、球形封頭與圓筒連接的環(huán)向接頭、各類凸形封頭中的所有拼焊接頭以及嵌入式接管與殼體對接連接的接頭。目的：為對錯邊量、熱處理、無損檢測、焊縫尺寸等方面有針對性地提出不同的要求，GB150根據(jù)位置，接頭所連接兩元件的結(jié)構(gòu)類型以及應(yīng)力水平，把接頭分成A、B、C、D四類，如下頁圖示。A類：第22頁/共45頁23壓力容器焊接接頭分類球形封頭筒體錐形封頭法蘭接管第23頁/共45頁24殼體部分的環(huán)向接頭、錐形封頭小端與接管連接的接頭、長頸法蘭與接管連接的接頭。但已規(guī)定為A、C、D類的焊接接頭除外。B類：平蓋、管板與圓筒非對接連接的接頭，法蘭與殼體、接管連接的接頭，內(nèi)封頭與圓筒的搭接接頭以及多層包扎容器層板層縱向接頭。C類：接管、人孔、凸緣、補強圈等與殼體連接的接頭。但已規(guī)定為A、B類的焊接接頭除外。D類：第24頁/共45頁25焊接接頭分類的原則僅根據(jù)焊接接頭在容器所處的位置而不是按焊接接頭的結(jié)構(gòu)形式分類，所以，在設(shè)計焊接接頭形式時，應(yīng)由容器的重要性、設(shè)計條件以及施焊條件等確定焊接結(jié)構(gòu)。這樣，同一類別的焊接接頭在不同的容器條件下，就可能有不同的焊接接頭形式。注意：第25頁/共45頁26易于保證焊接質(zhì)量，所有的縱向及環(huán)向焊接接頭、凸形封頭上的拼接焊接接頭，必須采用對接接頭外，其它位置的焊接結(jié)構(gòu)也應(yīng)盡量采用對接接頭。五、壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則1．盡量采用對接接頭角焊縫，改用對接焊縫［圖5（a）改為（b）和（c）]。減小了應(yīng)力集中，方便了無損檢測，有利于保證接頭的內(nèi)部質(zhì)量。舉例：第26頁/共45頁27圖5

容器接管的角接和對接（a）（b）（c）第27頁/共45頁282．盡量采用全熔透的結(jié)構(gòu)，不允許產(chǎn)生未熔透缺陷選擇合適的坡口形式，如雙面焊；當(dāng)容器直徑較小，且無法從容器內(nèi)部清根時，應(yīng)選用單面焊雙面成型的對接接頭，如用氬弧焊打底，或采用帶墊板的坡口等。指基體金屬和焊縫金屬局部未完全熔合而留下空隙的現(xiàn)象。未熔透導(dǎo)致脆性破壞的起裂點，在交變載荷作用下，它也可能誘發(fā)疲勞破壞。未熔透改進(jìn)第28頁/共45頁29盡可能采用等厚度焊接，對于不等厚鋼板的對接，應(yīng)將較厚板按一定斜度削薄過渡，然后再進(jìn)行焊接，以避免形狀突變，減緩應(yīng)力集中程度。一般當(dāng)薄板厚度δ2不大于10mm，兩板厚度差超過3mm；或當(dāng)薄板厚度δ2大于10mm，兩板厚度差超過薄板的30%，或超過5mm時，均需按圖6的要求削薄厚板邊緣。3．盡量減少焊縫處的應(yīng)力集中接頭常常是脆性破壞和疲勞破壞的起源處，因此，在設(shè)計焊接結(jié)構(gòu)時必須盡量減少應(yīng)力集中。措施：第29頁/共45頁30圖6

板厚不等時的對接接頭第30頁/共45頁31①盡量減少填充金屬量；②保證熔透，避免產(chǎn)生各種焊接缺陷；③便于施焊，改善勞動條件；④減少焊接變形和殘余變形量，對較厚元件焊接應(yīng)盡量選用沿厚度對稱的坡口形式，如X形坡口等。六、壓力容器常用焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計主要內(nèi)容：選擇合適的焊縫坡口，方便焊材(焊條或焊絲）伸入坡口根部，以保證全熔透。坡口選擇因素：第31頁/共45頁32縱、環(huán)焊縫必須采用對接接頭。對接接頭的坡口形式可分為不開坡口（又稱齊邊坡口）、V形坡口、X形坡口、單U形坡口和雙U形坡口等數(shù)種，應(yīng)根據(jù)筒體或封頭厚度、壓力高低、介質(zhì)特性及操作工況選擇合適的坡口形式。1．筒體、封頭及其相互間連接的焊接結(jié)構(gòu)一般只能采用角接焊和搭接焊，具體的焊接結(jié)構(gòu)還與容器的強度和安全性要求有關(guān)。有多種接頭形式，涉及是否開坡口、單面焊與雙面焊、熔透與不熔透等問題。設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)壓力高低、介質(zhì)特性、是否低溫、是否需要考慮交變載荷與疲勞問題等來選擇合理的焊接結(jié)構(gòu)。常用的結(jié)構(gòu)：2.接管與殼體及補強圈間的焊接結(jié)構(gòu)第32頁/共45頁33圖（a）：單面焊接結(jié)構(gòu)，適用于內(nèi)徑小于600mm、盛裝無腐蝕性介質(zhì)的接管與殼體之間的焊接，接管厚度應(yīng)小于6mm；（1）不帶補強圈的插入式接管焊接結(jié)構(gòu)中低壓容器不需另作補強的小直徑接管用得最多的焊接結(jié)構(gòu)，接管與殼體間隙應(yīng)小于3mm，否則易產(chǎn)生裂紋或其它焊接缺陷。(a)第33頁/共45頁34(b)(c)圖（b）：最常用的插入式接管焊接結(jié)構(gòu)之一，為全熔透結(jié)構(gòu)。適用于具備從內(nèi)部清根及施焊條件、殼體厚度在4～25mm、接管厚度大于等于0.5倍殼體厚度的情況；圖（c）：在（b）的基礎(chǔ)上，將接管內(nèi)徑邊角處倒圓，可用于疲勞、低溫及有較大溫度梯度的操作工況。第34頁/共45頁35圖（b）：承受低溫、疲勞及溫度梯度較大工況的容器，保證接管根部及補強圈內(nèi)側(cè)焊縫熔透。（2）帶補強圈的接管焊接結(jié)構(gòu)要求：盡量與補強處的殼體貼合緊密，焊接結(jié)構(gòu)力求完善合理。但只能采用搭接和角接，難于保證全熔透，也無法進(jìn)行無損檢測，因而焊接質(zhì)量不易保證。坡口：大間隙小角度，利于焊條伸入到底，減少焊接工作量圖（a）：一般要求的容器，即非低溫、無交變載荷的容器第35頁/共45頁36帶補強圈的插入式接管焊接結(jié)構(gòu)（a）（b）第36頁/共45頁37圖（a）：適用于接管內(nèi)徑小于或等于100mm的場合；（3）安放式接管的焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)拘束度低、焊縫截面小、較易進(jìn)行射線檢測等。（a）第37頁/共45頁38安放式接管與殼體的焊接結(jié)構(gòu)（b）（c）圖（b）和（c）：適用于殼體厚度δn≤16mm的碳素鋼和碳錳鋼，或δn≤25mm的奧氏體不銹鋼容器，其中圖（b）的接管內(nèi)徑應(yīng)小于或等于50mm，厚度δnt≤6mm，圖（c）的接管內(nèi)徑應(yīng)大于50mm，且小于或等于150mm，厚度δnt＞6mm。第38頁/共45頁39（a）（b）屬于整體補強