100 m3中压12CrMo储罐焊缝及其结构设计

王 鑫，王 皓，张志浩，王文革，李丽茹

(1.吉林化工学院机电工程学院，吉林吉林132022;2.中国石油吉林石化公司乙二醇厂，吉林吉林132022)

储罐属于密封贮运压力容器，主要用于存储或盛装气体、液体、液化气体等介质，在化工、石油、能源、冶金、消防、轻工、环保、制药、食品、城市燃气等行业得到了广泛的应用［1］.12CrMo是低合金珠光体耐热钢，属Cr-Mo系列合金结构钢，具有良好的抗氧化性和热强性以及良好的抗硫和氢腐蚀的能力，最高工作温度为550～580℃;钢中合金元素含量少，价格比较便宜;冷、热加工性能和焊接性能较好，热膨胀系数低，导热性能强，从而可避免焊接时引起局部过热和产生较大的应力;热处理工艺简单，通过正火处理可以细化晶粒.采用12CrMo，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量，节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难，因此是制造压力容器的较为理想材料［2-3］.

储罐类压力容器是典型的焊接结构，在运行和使用过程中承受自重以及其它重力载荷、风载荷外还承受交变作用载荷，因此其焊接质量直接影响容器的使用寿命及安全.本文设计12CrMo储罐的焊接工艺及接头结构，对实际生产具有一定借鉴意义.

1 焊接性分析

按安全技术管理，根据容器压力与容积乘积大小、介质危害程度以及容器的作用将压力容器分类［4］，本设计中12CrMo 储罐容积 100 m3，设计压力 P=3.2 MPa，内径 DN=3 200 mm，壁厚 δ=45 mm属Ⅲ类压力容器.12CrMo化学成分和力学性能如表1、2所示，其焊接性分析如表1～2所示.

表112CrMo的化学成分(ωt%)

表2 12CrMo的力学性能

焊接性判定标准:当Cep＜0.4%时，钢种焊接性好，无冷裂倾向;

当Cep为0.4～0.6%时，钢种的焊接性较差，有冷裂倾向;焊接时需要较高的预热温度;

当Cep＞0.6%时，钢种的焊接性差，冷裂倾向大;焊接时需要更高的预热温度.

2 焊接工艺

储罐主要由筒体、封头、法兰、接管、液面计、鞍座及补强圈组成，各个部位通过组焊完成，标准GB150根据位置将容器接头分为 A、B、C、D四类，图1为100 m3储罐接头焊缝分布情况.

图1 储罐焊缝简图

2.1 筒体纵缝、环缝的焊接

筒体纵缝属于A类接头，筒体环缝属于B类接头，见图1，板厚45 mm属于中厚板，满足压力容器对焊缝的性能要求，及经济上考虑，选择熔敷率较高的埋弧自动焊(SAW).为保证接触腐蚀介质的内表面具有较高的焊接质量，首先用TIG焊作为打底焊道，填充和盖面焊用自动埋弧焊.根据《熔化焊用钢丝》GB/T14957-1994标准，12CrMo常用TIG焊焊丝型号为ER55-B2，埋弧焊焊丝型号为H08CrMoA(化学成分和力学性能如表3，4所示)，配合焊剂牌号为HJ250，属于低锰中硅中氟型焊剂［6］，如表 5.

表3 焊丝化学成分/(%)

表4 焊丝力学性能

表5HJ250焊剂组成成分/(%)

筒体纵缝、环缝采用对接接头，通过机械加工U型坡口［7］，如图2所示.坡口内先TIG焊焊至4～6 mm，清根后埋弧焊焊妥.由于储罐体积较大，通过加焊接摆动器、柔性轨道和行走小车实现TIG自动焊机在筒体内环缝上的应用［8］，具体焊接工艺见表 6［9］.

图2 单面U形坡口

表6 筒体焊接工艺参数

焊接时近焊缝区的加热温度可达奥氏体化温度，奥氏体晶粒严重长大，焊后快冷，使粗大的奥氏体转变为粗大的脆而硬的马氏体组织，淬硬倾向大，易产生冷裂纹.埋弧焊有焊剂覆盖，冷却速度小，可降低12CrMo的淬硬倾向.马氏体的相变温度Ms约为400℃，使焊缝至高温冷却时在Ms以上温度停留较长时间，不进入马氏体转变区，或把未完全冷却的焊缝，立即重新加热至Ms以上温度，使未完成转变的组织不再转变成马氏体，已生成的马氏体通过重新加热转变成回火屈氏体，因此，需控制层间温度在300～350℃之间，相当于预热处理.

2.2 补强圈、接管与筒体的焊接

压力容器设计中，为保证开孔处的强度，通过面积补强原则，一般在开孔处需加设补强圈.接管及补强圈采用Q235材料，价格成本低，满足使用要求.补强圈、接管与筒体的焊接采用全熔透的T型角接接头，属D类接头，一般坡口开设在筒体或法兰一侧［2，7］，其结构形式如图 3 所示.

图3 补强圈、接管与筒体坡口结构图

Q235的补强圈和接管与12CrMo的筒体焊接属异种焊接，两种金属熔点、热导率和比热容、线膨胀系数、电磁性以及形成脆性化合物的差异，其主要问题是熔敷金属与两侧焊接热影响区和母材存在化学成分、组织、性能、应力不均匀性，以及两侧母材对熔敷金属的“稀释”，易出现过渡层［10，11］.Q235 含碳及合金元素量低，焊接性良好，优于12CrMo的焊接性，选择焊接方法和焊材时要依照难焊金属;另外，异种钢焊接通常希望熔合比越小越好，以降低焊缝金属的稀释程度;一般TIG焊的熔合比范围最宽，可在10% ～100%范围调节，焊条电弧焊熔合比范围最窄，只有15% ～30%，因此焊接方法选择焊条电弧焊(SMAW)，其具体焊接工艺如表7，熔敷金属化学成分及力学性能如表 8、9.

表7 补强圈、接管与筒体焊接工艺参数

表8 R202焊条的化学成分/(%)

表9 R202焊条的力学性能

3 结 论

通过对12CrMo焊接性分析，确定了中厚壁储罐类压力容器筒体纵缝、环缝对接接头的焊接方法为TIG打底，自动埋弧焊填充和盖面，从而获得优质焊缝和较高的生产率;补强圈、接管和筒体的角接接头采用手工电弧焊，其主要特点是经济且方便灵活，同时确定了焊接材料、焊接参数、焊接辅助工艺、接头形式，符合工艺技术要求，对生产同类产品提供一定参考和借鉴作用.

［1］ 吴鹏.石油储罐焊接工艺研究［J］.中国石油和化工标准与质量，2013(15):108-109.

［2］ 陈庆，邵泽波.过程设备工程设计概论［M］.北京:化学工业出版社，2008.

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［4］ 刘超锋，冯辉琴，刘应凡，等.钢厂组焊氧气球罐焊接接头的失效与防范［J］.腐蚀与防护，2012，33(12):1114-1117.

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