16MnR钢制尿素合成塔的焊接工艺设计

16MnR钢制尿素合成塔的焊接工艺设计
一、产品简介
1、服役条件
尿素合成塔的用途是使生产原料在塔体内进行合成反应，获得尿素的半成品。

净化后的气体二氧化碳经二氧化碳压缩机加压至一定压力送入合成塔底部，合成氨车间送来的液氨经过滤器除去油泥、铁屑、触媒等杂质后经液氨泵加压至一定压力送入尿素合成塔底部。

氨与二氧化碳进入合成塔后，在高温高压作用下自塔底部向上流动，同时进行尿素的合成反应，此过程中尿素的合成油两个反应过程完成，此反应在温度160～230℃、压力在10～25MPa的条件下进行，经过一定的停留时间，反应后生成一种熔融物，由合成塔的顶部排除，经减压阀降至一定压力，再送入下一步处理。

尿素的生成时一个复杂的反应过程，受压力、温度、组分等多种因素的影响，所以尿素合成塔的工作环境十分复杂、工作条件十分苛刻，必须根据设备生产能力及相应的生产系统选择具体适宜的工艺条件。

本文主要对Φ2080尿素合成塔进行焊接工艺设计
2、性能要求
Φ2080尿素合成塔主要由球形封头、简体、底座、人孔、塔盘等几部分组成营、高约为27.5m,塔内装有13层塔盘本设备，简体采用28mm厚的Q345R板作为内筒，8层12mm厚的Q345 R 板作为层板进行包扎图1为尿素合成塔结构示意图
图1尿素合成塔结构示意图
其性能要求如表1所示
表1 尿素合成塔的性能要求及设计
二、制作材料分析
1、成分
16MnR:16MnR是普通低合金钢,是锅炉压力容器专用钢，锅炉压力容器的常用材料。

它的强度较高、塑性韧性良好。

常见交货状态为热轧或正火。

属低合金高强度钢，含Mn量较低。

性能与20G(412-540)近似，抗拉强度为(450-655)稍强，伸长率为19-21%，比20G的大于24%差。

标准来源GB6654，2010年该钢号逐渐被Q345R所取代。

其化学成分如表2所示
表2 16MnR化学成分表
增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低。

由于韧性、焊接和冷成型性能要求高这类钢的含C量不超过0.20％。

（2）Si：硅在低合金高强度钢中显示出突出重要的作用。

硅在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。

它提高钢中固溶体的强度，但同时也在一定程度上降低钢的韧性和塑性。

硅能显著提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比并且能提高钢的退火、正火和淬火温度，降低碳在铁素体中的扩散速度，提高回火稳定性，增大回火脆性。

（3）Mn：锰除了产生较强的固溶强化效应外，因为他大大降低了奥氏体分解温度，细化了铁素体晶粒，并使珠光体变细，消除了晶界上的粗大片状碳化物，所以提高了钢的强度和韧性。

（4）P:在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。

因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。

（5）S:硫在通常情况下也是有害元素。

使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。

硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。

所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。

2、组织
16MnR的金相组织为细晶状态下的铁素体和珠光体，正火状态下的珠光体含量比热轧的要高一些。

4.性能
16MnR是屈服强度为340MPa级的压力容器专用板，它具有良好的综合力学性能和工艺性能其力学性能如表3所示
表3 16MnR力学性能表
5.16MnR钢的焊接性
（1）碳当量Ceq（百分比）值可按以下公式计算：
Ceq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15
16MnR碳当量为0.32%～0.47%，具有良好的焊接性，一般情况下，16MnR钢的工艺性能与Q235-A、20R等低碳钢相似，采用气割、碳弧气刨、冷压和热矫形等都不困难，可焊性也相当，焊前一般不预热。

但16MnR钢的淬硬倾向比Q235号钢稍大些,在大厚度、大刚性结构上进行小参数、小焊道的焊接时有可能出现裂纹，特别是在低温条件下进行焊接。

此时，在焊接时可采取
适当的预热措施。

16MnR钢低温焊接时出现裂纹的可能性，除与温度有关之外,还与工件厚度密切相关。

（2）.板材厚度对焊接性能的影响
虽然16MnR钢具有良好的焊接性，但随着板材厚度的增加，其焊接性也逐渐变坏。

其原因在于：
一是由于局部的不均匀加热和冷却，造成较大的焊接残余应力，而大厚度的板材，其刚性较大，无法通过塑性变形来缓解一部分应力，因此，大厚度板材16MnR钢在焊后残余应力的作用下，易产生裂纹。

二是由于板材厚度较大，在焊接时，局部的加热和冷却易造成温度在厚度方向上分布不均匀，从而导致产生较大的温度应力。

而且，若采用较大的热输入，则热影响区的晶粒易长大形成粗晶组织或出现魏氏体组织从而降低韧性；若采用较小的热输入，由于冷却速度较快，热影响区易出现淬硬的马氏体组织，也会降低韧性。

（3）16MnR钢的焊接工艺控制
为了解决上述问题，在16MnR钢厚板焊接工艺上，应采取一定的措施以保证焊接质量。

1）材料的选择
其焊接材料的选择可参见JB/T4709-2007。

2）预热
焊前预热能降低焊后冷却速度，避免出现淬硬组织，减小焊接应力，是防止裂纹的有效措施，也有助于改善接头组织与性能。

对于屈服点在390MPa以下的低合金钢，一般仍可不预热。

但当板材较厚时，为减小厚度方向的温度差，减小焊接应力，则应进行100℃～150℃的预热。

3）后热及焊后热处理
后热或焊后热处理可避免形成淬硬组织及使H逸出焊缝表面，防止裂纹产生，也可消除焊接残余应力，软化淬硬部位，改善焊缝和热影响区的组织和性能，提高接头的塑性和韧性，稳定工件结构的尺寸。

当16MnR钢厚度不大时，一般不需进行焊后热处理，只有当板材较厚或强度等级较高及有延迟裂纹倾向时才应进行适当的焊后热处理。

焊后热处理主要是消H处理，焊后立即将焊件加热到250℃～350℃，保温2～6小时后空冷；从而加速H的逸出，防止冷裂纹的产生，保证焊接质量。

4）控制焊接热输入
总之，通过科学合理的措施，对厚板16MnR 钢的焊接工艺质量进行有效控制，有利于避免焊后产生裂纹，是解决厚板16MnR 钢焊接裂纹缺陷的有效措施。

三、工艺流程
1、制造流程图
四、焊接方法
1、纵焊缝
纵缝及环焊缝内侧选用焊条电弧焊。

焊条电弧焊是各种电弧焊方法中发展最早、目前仍然应用最广的一种焊接方法。

它是以外部涂有涂料的焊条作电极和填充金属，电弧是在焊条的端部和被焊工件表面之间燃烧。

涂料在电弧热作用下一方面可以产生气体以保护电弧，另一方面可以产生熔渣覆盖在熔池表面，防止熔化金属与周围气体的相互作用。

熔渣的更重要作用是与熔化金属产生物理化学反应或添加合金元素，改善焊缝金属性能。

手弧焊设备简单、轻便，操作灵活。

可以应用于维修及装配中的短缝的焊接，特别是可以用于难以达到的部位的焊接。

但是它主要是采用手工操作,焊工的劳动强度较大。

2、环焊缝
多层圆筒间连接外侧焊缝选用埋弧焊。

埋弧焊是以连续送给的焊丝作为电极和填充金属。

焊接时，在焊接区的上面覆盖一层颗粒状焊剂，电弧在焊剂层下燃烧，将焊丝端部和局部母材熔化形成焊缝。

在电弧热的作用下，上部分焊剂熔化熔渣并与液态金属发生冶金反应。

熔渣浮在金属熔池的表面，一方面可以保 护焊缝金属，防止空气的污染，并与熔化金属产生物理化学反应，改善焊缝金属的成分及性能；另一方面还可以使焊缝金属缓慢泠
却。

埋弧焊可以采用较大的焊接电流。

与手弧焊相比，其最大的优点是焊缝质量好，焊接速度高。

因此，它特别适于焊接大型工件的直缝或环缝。

而且多数采用机械化焊接。

3、封底焊
封底焊选择手工钨极氩弧焊。

五、焊材的选择
1.焊材选取原则
16MnR属于低合金钢,主要用于制造各类中低压压力容器等受力构件，要求焊接接头具有足够的强度，适当的屈服比，足够的韧性和低的时效敏感性，既具有与产品技术条件相适应的力学性能。

因此，选择焊接材料时，必须保证焊缝金属的强度、塑性和韧性等力学性能指标不低于母材，同时还要满足产品的一些特殊要求。

如中温强度、耐大气腐蚀等。

并不要求焊缝金属的合金系统或化学成分与母材完全相同。

2.环焊缝焊接材料的选择
选用低合金钢焊丝H10MnSi（成分如表4所示）配用中氟中硅焊剂HJ350。

这类焊剂中含酸性氧化物SiO2数量少，含碱性氧化物CaO或MgO数量多，碱性高，焊接时过渡到熔敷金属中的锰、硅合金元素含量少，焊接金属中含氧量低，合金成分含量合理。

焊态下，焊缝金属有较高的强度，较好的塑形和韧性。

表4 H10MnSi化学成分表
根据母材的成分，力学性能等选择焊接材料。

由于16MnR 的σb≥510 σs≥345，另一方面考虑焊接工艺性如：引弧的难易，脱渣性，成形性，稳弧性，及除氧，除氢，去硫，去磷等能力。

因此选择焊条J507（E5015)。

化学成分表5如图所示
表5 J507（E5015)化学成分表
4.封底焊焊接材料的选择
根据JB/T4709-2007，选用H08MnA焊丝，焊丝成分表如表6所示
表6 H08MnA化学成分表
六、尿素合成塔焊接过程
1、焊接位置
纵焊缝为层板间拼接焊缝，拼接焊缝不应超过2条。

拼接焊缝应经无损检测合格，两表面打磨至与母材平齐。

层板间的环焊缝和纵焊缝应分别相互错开，相邻层板2条环焊缝间轴向距离不得小于100mm，相邻层板纵焊缝错开45°以上，如图2所示
图2 层板焊缝布置示意图
1、环焊缝的焊接
(1)坡口形式
这类焊缝主要是用于筒节连接的环焊缝，对于这类焊缝的连接可采用图3焊缝形式，适用于低合金高强度钢的筒节与多层筒节相焊的场合。

为防止产生焊接裂纹，现在单层厚工件坡口上堆焊一层超过3mm的过渡层。

此堆焊应含碳量低，硬度小，有足够的塑形，强度低于母材，能承受一定塑形变形，堆焊后先进性热处理消除淬硬层，然后再焊环焊缝。

焊完正面坡口焊缝，在背面铲清焊根，进行一道封底焊，保证焊缝根部完全熔合。

坡口尺寸如图4所示。

图3 环焊缝坡口形式 图4 环焊缝坡口尺寸 (2)焊接参数
环焊缝采用埋弧焊焊接，手工钨极氩弧焊封底。

埋弧焊选用焊丝H10MnSi ，焊接参数如表7所示。

手工钨极氩弧焊，选用H08MnA 焊丝，焊接参数如表8所示
表7 环焊缝埋弧焊焊接参数
表8 封底焊手工钨极氩弧焊焊接参数
2、纵焊缝的焊接
(1)坡口形式
此类焊缝为层板间纵缝宜采用单面焊对接接头。

纵焊缝设计合格坡口型式见图6-1
按JB/T4709-2007设计，开V 型坡口，母材厚12mm ，坡口角度60°坡口间隙2mm ，坡口钝边1mm 。

6-1 纵焊缝坡口形式
(2)焊接参数
纵焊缝焊接采用焊条电弧焊，选用E5015焊条，焊接参数如表9所示
表9 纵焊缝焊接参数
3、预热
焊前预热能降低焊后冷却速度，避免出现淬硬组织，减小焊接应力，是防止裂纹的有效措施，也有助于改善接头组织与性能。

根据JB/T 4709-2007,预热温度150℃
4、后热
根据JB/T 4709-2007，对冷裂纹敏感较大的低合金钢或拘束度较大的焊件应采取后热措施，后热应在焊后立即进行，后热温度一般在250-350℃，保温时间与后热温度有关，一般不超过30分钟。

5、层间温度
根据JB/T 4709-2007，当焊件预热时，层间温度不得低于预热温度。

层间温度控制在150-200℃。

七、产品检验
1、外观检验
焊接冷却后要对其进行外观检测，检测标准为《焊缝质量外观检测标准》，一级为合格。

2、无损检验
注:焊缝焊完后必须打磨平整
八、焊接辅助机械
1、操作机
焊接操作机是与焊接滚轮架、焊接变位机等组合，对构件的内外环缝、角焊缝、内外纵缝进行自动焊接的专用设备，有固定式、回转式、全位置等多种结构形式。

可根据用户的需求选择结构并配套各种焊机以及增加跟踪、摆动、监控、焊剂回收输送等辅助功能.一般由立柱、横梁、回转机构、台车等部件组成。

各部件为积木式结构，一般立柱、横梁为其基本部件，其余部件可据用户使用要求选配。

立柱及横梁采用折弯焊接结构件，具有很好的刚性。

轻、中型、重型焊接操作机均采用三角型导轨，超重型采用平面方形导轨，均经刨床加工。

保证了导轨的高精度及其耐磨性。

应用于压力容器中锅炉汽包，石化容器等圆筒形工件的内外缝的纵缝焊和环缝焊焊接。

图9-1为焊接操作机结构图
图9-1焊接操作机结构
2、滚轮架
工作原理：传动装置驱动主动滚轮，利用主动滚轮与圆筒类工件之间的摩擦力带动工件旋转实现变位，可实现工件的内外环缝和内外纵缝的水平位置焊接，配套自动焊接设备可实现自动焊接。

主要用于筒形焊件的装配与焊接。

若对主、从动滚轮的高度作适当调整，也可进行锥体、分段不等径回转体的装配与焊接。

对于一些非圆长形焊件，若将其装卡在特制的环形卡箍内，也可在焊接滚轮架上进行装焊作业。

焊接滚轮架还可配合手工焊或作为检测、装配圆筒体工件的设备。

焊接滚轮架的使用能大大提高焊缝质量，减轻劳动强度，提高工作效率。

使用时可根据焊件的重量和长度进行任意组合，使用方便灵活，对焊件的适应性很强，是目前应用最广泛的结构形式。

结构形式如图9-3所示
图9-3 a主动滚轮架b从动滚轮架c混合滚轮架
九、返修
根据JB/T4709-2007返修应注意一下几点：
1、对需焊接返修的缺陷应分析产生原因，提出改进措施，按评定合格的焊接工艺编制焊接返修工艺文件
2、返修前应将缺陷清除干净，必要时可采取表面检测确认
3、待返修部位应制备坡口，坡口形状于尺寸要防止产生焊接缺陷和便于焊工操作
4、如需预热，预热温度应较原焊缝适当提高
5、返修焊缝性能和质量要求应与原焊缝相同
6、凡经过外观及无损检测检查不合格的焊缝，现场技术负责人必须组织检查人员、检测人员及焊工，查清原因，确定缺陷的性质部位，认真落实返修措施，严格执行返修工艺，保证一次返修合格；
7、返修时，检查员及现场技术负责人必须到位，进行监督检查；
8、所有返修部位长度应＞150mm，两缺陷间隔小于50mm 时应合为一处返修。

返修中需要预热和后热的应当进行预热和后热，加热范围在返修处两侧各150mm范围内。

修补应当记录。

当缺陷修补深度超过3mm时应当进行射线检测；
9、焊接修补工艺应与尿素合成塔工艺相同，或按专用的补焊工艺，且应严格控制；
10、焊缝同一部位的修补次数不得超过两次，且第二次修补应经组焊单位技术总负责人批准；
11、焊缝同一部位的修整次数、部位和修补情况应记入尿素合成塔质量证明书。

球壳板表面缺陷的焊接修补部位和修补情况应记入尿素合成塔质量证明书中。

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