不锈钢及复合钢板的压力容器设计与施工技术.docx
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不锈钢及复合钢板的压力容器设计与施工技术
浅谈不锈钢及复合钢板的压力容器设计与施工技术
摘要：
本文介绍不锈钢及复合钢板的压力容器设计与施工技术。
关键字：
不锈钢及复合钢板；设计；施工方案。
1.前言
不锈钢及复合钢板是一种以碳钢为基体单面或双面整体连续地包覆2~16mm不锈钢的金属高效材料。
它充分发挥两种材料特性优势，既具有不锈钢的耐腐蚀、耐磨性、抗磁性、豪华性和装饰性；又具有碳钢良好的可焊性、成型性、拉延性和导热性，因而它是一种多功能材料。
同时由于它可节约不锈钢，可降低成本，价格低廉，因而被广泛用于石油、化工、制盐制碱等国民经济各行各业，用于取代全不锈钢，甚至取代B30铜和蒙及尔合金，具有巨大的社会经济效益。
2.不锈钢复合钢板压力容器设计
2.1材料的选择及要求
a）基材基材主要作用是是承受载荷的部分，其技术要求（如交货状态、力学性能检验率、超声波检测）应该符合GB150或JB4732的规定，以锻件为基材时，应采用Ⅲ级或Ⅳ级锻件。
基材的标准抗拉强度下限值大于或等于540MPa的复合板，须经技术评定后才能使用[1]。
b）覆材覆材是与介质直接接触的部分，主要利用其耐腐蚀、耐磨性、抗磁性等特点。
覆材选用的不锈钢板，对不计入强度计算的奥氏体型不锈钢覆材，可选用GB24511以外的国家标准中的钢材，该覆材钢号的技术要求（如磷、硫含量，强度指标等）允许低于GB24511相应钢号的规定[2]。
选择覆材时，应考虑容器内的介质对覆层不锈钢的影响，比如应力腐蚀和晶间腐蚀等。
c）常见复合钢板选取可按表一进行选择：
表一覆材和基材[1]
覆材
基材
标准号
牌号示例
标准号
牌号示例
GB/T2054
YB/T5253
YB/T5253
N5
N6
N7
NCu30
NS111
NS112
NS142
NS312
NS334
NS335
GB713
Q245R,Q345R,15CrMoR
JB4726
16Mn,20MnMo,15CrMo
GB3531
16MnDR
JB4727
16MnD
GB24511
S31603
JB4728
00Cr17Ni14Mo2
2.2设计及技术要求的提法
1）按照工艺专业所提委托，选择合适的基材和覆材，并且根据所提设计参数计算基层材料的厚度。
确定基层名义厚度时应考虑容器的强度以及刚度等问题，须留有适当的安全余量。
在确定覆层厚度时应满足以下两点的要求：
1覆材厚度为2mm~16mm[1]；
2基材最小厚度为6mm，且基材厚度与覆材厚度之比通常不小于3[1]。
2）复合钢板压力容器设计中常常需要涉及的对制造、检验和验收的要求主要有：
钢板的超声复验、焊接接头无损检测比例、力学性能、冲击试验、结合状态检验及弯曲性能检验、是否需要做焊接试板、是否需要进行热处理等。
①超声波检测复合板应经超声波检测，扫查方式采用100%扫查。
其结合状态应符合表二的规定。
表二结合状态[1]
级别代号
单个未结合指示长度，mm
单个未结合区面积，cm2
未结合率，%
B1
0
0
0
B2
≤50
≤20
≤2
B3
≤75
≤45
≤5
2力学性能复合板复合界面的结合剪切强度不小于210MPa，对于双面复合板，分别保留不同侧覆材进行剪切试验。
复合板一般只保留一种覆材进行拉伸试验，当基材厚度大于40mm或需方指定时，只进行基材的拉伸试验。
复合板只进行基材的冲击试验，冲击温度和冲击功应符合基材标。
3准的规定。
如基材标准中无冲击试验要求，则复合板不进行冲击试验。
4弯曲性能单面复合板内弯曲（覆材表面受压）和外弯曲（覆材表面受拉）试验，双面复合板外弯曲（两种覆材表面分别受拉）试验，其结果应符合表三的规定。
基材为锻件的复合板不进行弯曲试验。
表三弯曲性能[1]
弯曲角度
弯曲直径
合格标准
180°
内弯曲按基材标准的规定，外弯曲d=4a（d为弯曲直径，a为试样厚度）
在弯曲部分的外侧不得有裂纹，复合界面不得有分层
3.不锈钢复合钢板焊接
3.1焊前准备
1下料不锈钢复合钢板的下料宜采用机械加工方法，也可以采用等离子弧切割、氧熔剂切割、气割（从基层表面起割）等方法。
采用这些方法下料时，应留有适当的加工余量。
2接头形式不锈钢复合钢板焊接接头主要采用对接和角接两种形式。
3焊前清理焊前应采用机械方法及有机溶剂清除焊丝表面和焊接坡口应不小于20mm范围内的油污、锈迹、金属屑、氧化膜及其它污物。
多层焊道时，应清除前道焊缝表面的熔渣和缺陷等。
3.2焊条选择
由于不锈钢复合钢板自身所具有的特点，其焊接材料的选择可按表四进行选择
表四焊接材料[3]
母材
焊条电弧焊
埋弧焊
气体保护焊
类别
牌号
焊丝
焊剂
焊丝
气体
基材A
A1
Q235B、Q235C、20、Q245R、CCS-A、CCS-B
E4303、E4315、E4316
H08A
H08MnA
HJ431
SJ101
H10Mn2
H08Mn2SiA
CO2或Ar
A2
Q345、Q345R
E5003、E5015、E5016
H08MnA
H10Mn2
H10MnSi
H10MnSiA
H08Mn2MoA
HJ431
HJ430
HJ350
SJ101
SJ301
SJ501
H08Mn2SiA
H08Mn2MoA
H10Mn2MoA
A3
Q390、Q420
E5003、E5015、E5016、E5501-G、E5515-G、E5516-G
A4
13MnNiMoR
E6016-D1
E6015-D1
H08Mn2MoA
HJ350
SJ101
H08Mn2MoA
A5
14Cr1Mo、14Cr1MoR
E5515-B2
——
——
——
15Cr1Mo、14Cr1MoR
E5515-B2
H13CrMoA
H08CrMoA
HJ350
SJ101
H13CrMoA
H08CrMoA
覆材B
B1
06Cr13
E308-15
E308-16
——
——
——
B2
06Cr13Al
Ar
B3
06Cr19Ni10
12Cr18Ni9
H0Cr21Ni10
B4
06Cr18Ni11Ti
E347-15、E3417-16
H0Cr20Ni10Ti
H0Cr20Ni10Nb
B5
022Cr19Ni10
E308L-16
H00Cr21Ni10
B6
06Cr17Ni12Mo2
E316-16
H0Cr19Ni12Mo2
06Cr19Ni13Mo3
E317-16
H0Cr20Ni14Mo3
B7
06Cr17Ni12Mo2Ti
E318-16
H0Cr19Ni12Mo2
B8
022Cr17Ni12Mo2
E316L-16
H00Cr19Ni12Mo2
022Cr19Ni13Mo3
E317L-16
——
过渡层
异种刚
（A1~A3）+（B1~B5）
E309-15、E309-16
E310-15、E310-16
H1Cr24Ni13
H0Cr26Ni21
H1Cr26Ni21
H1Cr24Ni13Mo2
过渡层
异种刚
（A1~A3）+（B6~B8）
E309Mo-16
E310Mo-16
H1Cr24Ni13Mo2
（A4~A5）+（B1~B5）
3.3焊接程序
不锈钢复合钢板的焊接与其它钢焊接有所不同，其焊接分为：
基层的焊接、过渡层的焊接和复层的焊接，而且各层焊接采用的焊条也不尽相同。
因此，不锈钢复合钢板的焊接工艺较为复杂。
焊接时，宜先焊基层，经清根及规定的质量检验合格后，再焊过渡层，最后焊复层。
若不能按上述顺序进行焊接时，也可先焊复层，再焊过渡层，最后焊基层。
但这种情况下，基层的焊接，宜选用性能不低于过渡层焊接的焊条或焊丝。
3.4焊接接头检验
不锈钢复合钢板压力容器焊接接头可采用射线或超声波检测，其检测比例根据实际情况而定。
一般的不锈钢复合钢板压力容器焊接接头可采用检测比例不小于20%的射线检测，检测技术等级为AB级。
3.5晶间腐蚀倾向试验和水压试验
不锈钢复合钢板压力容器根据所盛装的介质决定是否进行晶间腐蚀倾向试验，对能引起复层不锈钢晶间腐蚀倾向或者不能确定能否引起复层不锈钢晶间腐蚀的介质，都应该进行晶间腐蚀倾向试验。
水压试验时应严格控制水中氯离子含量不超过25mg/L，试验合格后应立即将水渍吹扫干净。
4.实际应用
4.1设计参数
表五设计实例
工作压力
0.3MPa
设计压力
0.48MPa
工作温度
80℃
设计温度
100℃
介质
聚合液、水、碱液（5%）
介质特性
易燃、易爆、轻度危害
内径
φ2000mm
搅拌釜规格
φ2000×4000×（12+3）
筒体
4000mm
筒体及封头材料
Q345R+S31603
上表中的设计参数来自武汉鲁华粤达化工有限公司碳五、碳九及裂解燃料油综合利用项目2万吨/年碳五碳九共聚树脂装置碱洗釜工程图设计，此设备采用的是基层为Q345R，复层为S31603（316L）不锈钢的不锈钢复合钢板。
基层厚度为12mm，复层厚度为3mm，基层与复层的厚度之比为4大于3，满足规范的要求。
设备的焊接按NB/T47015-2011执行。
根据设备所盛装的介质，查SH/T3075-2009《石油化工钢制压力容器材料选用规范》NaOH溶液腐蚀环境可知设备碳钢焊接接头
及弯管应进行消除应力热处理。
由于NaOH溶液对奥氏体的晶间腐蚀倾向，本设备按GB/T4334.1-2000《不锈钢10%草酸浸蚀实验法》进行了晶间腐蚀敏感性检验。
水压试验对水质的要求比较严格，要求水中氯离子含量不得超过25mg/L，试验合格后应立即将水渍吹扫干净。
由于工程图的设计比详细设计较为简略，其余针对不锈钢复合钢板容器的设计、制造和检验等要求应严格按相应标准执行，在此就不再赘述。
4.2设计图纸
下图为武汉项目五碳九共聚树脂装置碱洗釜工程图设计图纸。
图一碱洗釜工程图
5.结语
不锈钢复合钢板由于其巨大的社会经济效益，广泛应用于石油化工、精细化工、制盐制碱等行业。
设备用不锈钢复合钢板压力容的设计，除了须满足设备自身的强度和刚度要求外，还应该满足基材厚度与覆材厚度之比不小于3的要求。
材料选择尤其是覆材的选择时应根据盛装介质考虑应力腐蚀和晶间腐蚀等情况，并做好相应的检验或预防措施。
此类压力容器的焊接应严格按焊接规程进行焊接，并且保证焊缝的质量。
在我们实际的工作中，认真严谨的工作态度、扎实可靠的工作经验，以及设计、制造、检验和验收层层的严格把关都是保证压力容器安全必不可少的组成部分。
参考文献
[1]国家能源局NB/T47002.2~47002~4-2009《压力容器不锈钢复合板》
[2]国家质量技术监督检疫总局GB150.1~150.4-2011《压力容器》
[3]国家质量技术监督检疫总局GB/T13148-2008《不锈钢复合钢板焊接技术要求》
[4]国家工业和信息化部SH/T3075-2009《石油化工钢制压力容器材料选用规范》
一、概述
公司接某项目部委托制造的设备主筒体使用不锈钢复合钢板材料，由于材质的特殊性，在下料、卷制和焊接要求与普通材质的技术要求不论在难度上还是在技术要求上都很高。
为保证工程保质保量完工，特编写施工技术方案。
二、编写依据
⑴《钢制压力容器焊接工艺评定》JB/T4708-2000
⑵《钢制压力容器焊接规程》JB/T4709-2000
⑶焊接工艺评定：
⑷《锅炉压力容器焊工考试规则》
⑸《锅炉压力容器技术监察规程》
⑹《钢制压力容器》GB150-1998
⑺《承压设备无损检测》JB/T4730-2005
⑻《石油化工不锈钢复合钢板焊接规程》SH/T3527-1999
⑼《不锈钢复合钢板焊接技术条件》GB/T13148-91
三、施工技术方案
㈠铆工施工工艺
1．下料及坡口加工
1.1根据主筒体材料厚度确定对接接头坡口形式及尺寸如下：
δ——表示基层厚度，分别为12mm,16mm,24mm
P——表示坡口钝边值
α——表示对接接头坡口角度
其中316L＋16MnR（3+12）α＝55°±5°P＝2±1。
316L＋16MnR（3+16）α＝50°±5°P＝2±1。
316L＋16MnR（3+24）α＝65°±5°P＝3±1，为“X”型坡口。
1.2不锈钢复合钢板在吊装时，装卡具前应用δ＝2mm不锈钢板衬垫。
1.3不锈钢复合钢板的切割及坡口加工宜采用机械加工方法，切割面应光滑；厚度大于12mm的不锈钢复合钢板可用等离子切割，特别时在用等离子开孔时，应在筒体内部开孔（焊接前，需去除割口处的氧化物至现露金属光泽）。
以保持复层朝上，严禁将切割的熔渣落在复层上。
1.4圆钢和管子下料、坡口等的加工需用机械方法进行；也可用砂轮切割机方法下料，并除去割口处砂轮残屑及毛刺。
1.5加工完的坡口应进行外观检查，不得有裂纹和分层，否则应进行修补。
2、复材的表面质量保护
2.1下料时，严禁在不锈钢复合钢板材料垛上直接切割下料。
2.2剪好的材料应整齐堆放在底架上，以便连同底架吊运，板间需点木板等软质材料，以防损伤表面。
2.3在卷板、校圆时，应将滚轴表面清理干净，并在压脚上包橡胶等软质材料；不得用铁锤锤击复材表面。
3组对与定位焊接
3.1筒体在组对前坡口及其两侧各20mm范围内应进行表面清理，复层距坡口100mm范围内应涂防飞溅涂料。
3.2组对时以复层为基准，对口错边量：
≤1.5mm。
3.3定位焊必须焊在基层母材上，且用J507焊条。
3.4在组对过程中，严禁在复层上焊接工卡具，应焊在基层一侧去除工卡具时，严禁损伤基层金属，焊接处打磨光滑。
钢板吊运过程中，要防止钢板变形，钢丝绳要加护套，以防损伤复层表面。
3.5为防止复层铁离子和其它有害杂质的污染，不锈钢复合钢板生产场地必须保持清洁、干燥、地面应铺设木质垫板。
零部件半成品、成品的堆放需配有木质堆放架。
㈡焊接施工工艺
1、一般规定
1.1手弧焊时，风速不大于10m/s，气体保护焊时，风速不大于2m/s。
1.2相对湿度不大于90％；
1.3焊接场所有防风、雨措施。
1.4焊接设备应处于完好状态，并安装校验合格的电流、电压表。
1.5焊条、焊剂使用前应按产品说明书要求进行烘干，烘干好的焊条领出后应放在保温筒中，随用随取。
焊条在保温筒中放置时间超过4h，应重新进行烘干，但烘干次数不得超过两次。
1.6施焊时，必须由具有焊接不锈钢复合钢板资质的焊工进行焊接施工，否则必须考试合格、备案后再施工。
1.7焊前必须用机械方法及有机溶剂（如丙酮、酒精、香蕉水等），清除焊丝表面和焊接坡口两侧至少各20mm范围内的油污、锈迹、金属屑、氧化膜及其它污物。
2、焊接工艺
2.1根据主筒体坡口加工形式，焊接先焊基层，后焊过渡层和复层，且焊接基层时不得将基层金属沉积在复层上（见下图）。
δ——表示基层厚度，分别为12mm,16mm,24mm
2.2基层的焊接
主筒体基层材质为16MnR,因此在焊接内部时使用J507/3.2/∮4.0打底填充。
但其焊道根部表面距复合界面2±0.5mm停止焊接。
然后使用过渡层焊接材料焊接过渡层。
焊接基层时，其焊道不得触及和熔化复材。
2.3过渡层的焊接
过渡层即基层距复合界面2±0.5mm和复层距复合界面1±0.5mm之间部分。
过渡层焊接时，在保证熔合良好的前提下，尽量减少基材金属的熔入量，即降低熔化比。
为此，应采用较小直径的焊条或焊丝及较小的焊接线能量，多焊道焊接。
2.4复材的焊接
焊接复层前，必须将过渡层焊缝表面和坡口边缘清理干净。
复层焊缝表面应尽可能与复材表面保证平整光滑。
对接焊缝的余高应不大于1.5mm。
2.5纵缝焊接时，应将过渡层及复层焊缝两端各留30～50mm不焊，待环缝基层焊接后，再将纵缝焊缝两端焊接成形。
2.6焊接筒体外表面时，碳弧气刨清根后，使用埋弧自动焊进行施焊。
2.7角焊缝焊接
设备开口接管组对形式，坡口形式严格按照蓝图要求进行加工，用等离子加工坡口时，复材必须朝上，严禁切割的熔渣落在复层上。
不锈钢接管与设备壳体复层材料相同，组焊时，不锈钢接管与筒体基层相焊时选用过渡层焊接材料，与基层相焊时，选用基层焊接材料。
2.8焊接检验
焊缝表面不得有气孔、夹渣、裂纹、弧坑和飞溅物。
角焊缝的焊脚尺寸符合设计规定，并应平缓过渡至母材。
2.9焊接工艺参数
主筒体焊接时，根据焊接工艺评定，编写焊接工艺参数如下：
参数
项目
焊接顺序
焊接方法
焊接牌号
直径（mm）
电流（A）
电压（V）
焊接速（㎝/min）
内
基层
1
SMAW
J507
∮3.2
100~140
22~24
13~16
2～3
SMAW
J507
∮4.0
140~180
23~25
15~18
过渡层
1~2
SMAW
A042
∮3.2
80~110
22~24
14~17
复层
1~2
SMAW
A022
∮4.0
80~110
22~24
14~17
外
1
SAW
H08MnA
∮4.0
550~600
38~40
40~50
2
SAW
H08MnA
∮4.0
500~550
35~38
40~50
2.10接管与长径法兰对接接头焊接方法及工艺参数
氩弧焊打底＋手工焊盖面，焊接参数见下表：
焊接参数
焊接方法
填充材料
焊接电流
电弧电压（V）
牌号
直径
极性
电流（A）
GTAW
H00Cr19Ni12Mo2
∮2.5
正
70～80
9～12
SMAW
A022
∮3.2
反
90～110
21～23
3、焊缝返修
3.1焊缝返修时由持证焊工担任。
3.2返修前对缺陷进行定位，当缺陷距复层表面不大于8mm，应在复层一侧进行返修；否则，在基层一侧进行返修，并控制刨槽深度，严禁伤及过渡层焊缝。
3.3磨削或碳弧气刨清除缺陷时，刨槽底部应修磨成U形，槽长不得大于50mm.
3.4焊缝返修采用与正式焊接相同的焊接材料与工艺（除埋弧自动焊外）。
3.5返修的焊缝应修磨成与原焊缝基本一直，并按原无损检测要求检验。
3.6同一部位焊缝不应超过两次，超过时，应经焊接技术工程师批准。
（三）、技术要求：
3.1、不锈钢部分进行酸洗钝化后再进行压力实验。
（四）、无损检测
4.1、基层、过渡层和复层焊缝全部焊接完毕后根据探伤委托单要求进行无损检测。
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