学习总结——对压力容器设备法兰标准的一些总结(2008-11-14 07:54:43)
1.甲型平焊法兰直接与容器的筒体或封头焊接，法兰在上紧和工作时均会作用给容器器壁一定的附加弯矩。法兰自身刚度小，所以其适用范围也较小。
2.乙型平焊法兰比甲型平焊法兰增加了一个厚度一般大于筒体壁厚的短节，这样既可增加整个法兰的刚度又可使容器器壁避免承受附加弯矩。
3.长颈对焊法兰是用根部增厚的颈取代了乙型法兰的短节，从而更有效地增大了法兰的整体刚度。由于去掉了乙型法兰与短节的焊缝，所以也消除了可能发生的焊接变形及可能存在的焊接残余应力。
标准设备法兰是在规定设计温度为200℃，材料为16MnR或16Mn锻件，根据不同形式的法兰，规定了垫片的型式、材质、尺寸和螺柱材料的基础上，按照不同直径和不同压力，通过多种方案的比较计算和尺寸圆整得到的。由于标准法兰是以16MnR或16Mn锻件来制定的，所以，如果法兰材料强度低于16MnR或使用温度高于200℃，则其最大允许工作压力低于公称压力；反之，若法兰材料强度高于16MnR或使用温度低于200℃，则其最大允许工作压力便高于公称压力。法兰的最大允许工作压力与公称压力孰高孰低，完全取决于法兰材料和使用温度。
在法兰连接中，法兰与壳体是焊在一起的，安装时，法兰与螺柱的温度相同，而操作时，法兰随壳体温度有所升高，一般法兰的温升值往往大于螺柱的温升值，于是法兰沿其厚度方向的热变形（即法兰增厚值）将大于螺柱的热伸长量。由于法兰盘在沿其厚度方向的刚度远大于螺柱，所以在容器操作时，可以认为螺柱根本限制不了法兰的增厚，反过来倒是法兰强迫螺柱在其热伸长之外，还要产生一定量的弹性变形。螺柱上所受到的附加轴向拉力的大小除与材料的弹性模量（E）、泊松比（ν）值有关外，还取决于螺柱与法兰工作时的温差以及螺柱杆的粗细。螺柱的最危险截面在车螺纹处，采用A型螺柱其危险截面上的附加热应力要比B型螺柱的附加热应力大，所以在使用温度较高时，优先选用B型螺柱。
1.设计整体法兰时，如果强度不能满足要求，可试着做以下调整：首先检验垫片尺寸和螺栓、螺栓孔中心圆直径是否尽可能的小，以最大限度的降低作用于法兰的弯矩；在此条件满足的前提下，若是轴向应力不能满足要求，则可增加锥颈厚度和锥颈高度；若是径向应力或环向应力不能满足要求，则可增加法兰盘厚度。
2.鞍座处筒体的周向压应力随鞍座包角θ和鞍座宽度以及筒体壁厚等的增加而减小。当周向压应力不满足校核条件时，一般不考虑增加筒体壁厚，而首先考虑在鞍座和筒体之间增设鞍座垫板以对筒体进行局部加强，这可有效降低周向压应力。若加垫板不能满足要求，可适当增大鞍座包角θ或鞍座宽度，或二者同时增加；若上述措施仍不能满足要求时，可考虑在鞍座面上增设加强圈。对需要进行整体热处理的卧式容器，最好增设鞍座垫板，且应在热处理前焊好，以防热处理时鞍座处被压瘪。
3.管板应力超过许用应力后，可以通过以下途径进行调整：1）增加管板厚度。可以大大提高管板的抗弯截面模量，能有效降低管板应力。增加管板厚度还能使管板的抗弯刚度增大，管板的挠曲变形相对减小。为满足一定量的总变形协调量，壳体和管束相应的变形量增加，从而使作用于管板周边的横剪力和弯矩增大，引起管板应力升高。2）降低壳体轴向刚度。3）膨胀节的设置。
固定管板换热器中，换热管轴向力校核不合格时，可调整折流板间距，缩短受压失稳当量长度。若拉脱力不合格，可改变换热管与管板的连接结构调整。上述措施无效的时候则需考虑设置膨胀节。
浮头式换热器在外压工况下，球冠形封头装入法兰的深度L对法兰计算厚度影响很大，增加L会使法兰减薄，但在内压工况下恰恰相反，所以应谨慎调整L值，一般取L=δ+2。（δ为球冠形封头厚度）
4.周边简支圆平板。在工程设计中重视的是最大挠度和最大正应力，挠度反映板的刚度，应力则反映强度。最大挠度和应力与圆板的材料、半径、厚度有关。若构成板的材料和载荷已定，则减小半径或增加厚度都可减小挠度和降低最大正应力。当圆板的几何尺寸和载荷已定，则选用E(弹性模量)、μ（泊松比)较大的材料可减小最大挠度值。然而最大应力只与（3+μ）成正比，与E无关，而μ的数值变化范围小，故改变材料并不能获得有利的应力状态。
1．焊后热处理的目的和种类
焊后热处理的主要目的是降低焊接残余应力，改善焊接接头的组织和性能。焊后若能立即进行热处理，还有利于释放焊缝金属中的氢，防止焊接接头产生冷裂纹。焊后热处理根据热处理温度不同可分为：低于下转变温度的热处理（即是我们最常说的焊后消除应力热处理）；高于上转变温度的热处理（如正火）；现在高于上转变温度，继之在低于下转变温度进行的热处理（正火或淬火后继之以回火）；上下转变温度之间的热处理。奥氏体不锈钢必须进行热处理且有抗晶间腐蚀要求时，可进行固溶处理或稳定化处理，否则一般不作焊后热处理。
1）对于碳素钢和低合金钢，最常用的是低于下转变温度的热处理，即热处理的加热温度低于材料的下转变温度Ac1，相当于去应力退火。主要目的是降低残余应力，稳定结构尺寸。由于热处理温度与材料的高温回火温度相当，对于有淬硬倾向的材料，此类热处理还能消除焊接接头中的淬硬组织，降低峰值硬度，改善焊接接头的塑性和韧性。此类热处理降低残余应力的机理是：随着温度的升高，材料的屈服强度将降低，经过一定时间的保温，可使焊接接头中较高的残余应力通过塑性变形降低至保温温度下材料或焊缝金属屈服强度的水平，如果在高温下停留时间较长，还会因蠕变变形所产生的应力松弛使残余应力进一步降低。
2）高于上转变温度的焊后热处理主要用于电渣焊焊接接头，其目的是细化晶粒，改善焊接接头的性能。除了电渣焊焊接接头的细化晶粒热处理外，以下情况也应视为高于上转变温度的焊后热处理。
①先拼板后成形的封头或其他受压元件，如果采用高于上转变温度的热成形工艺，则此类受压元件上的焊接接头在热成形过程中就经受了高于上转变温度的焊后热处理
②正火加回火或调质状态使用的钢材所焊制的受压元件，为满足使用状态要求，需要在热成形后重新进行正火或淬火处理时，则这种热处理对于此类受压元件上的焊接接头来说也是高于上转变温度的焊后热处理。
③要求在正火加回火状态使用的材料（如18MnMoNbR、15CrMoR等），其电渣焊焊接接头或先拼板后进行热成形的受压元件，通常要求在正火（或相当于正火的热成形）后再进行回火处理，对于焊接接头来说，这样的热处理属于先在高于上转变温度，继之在低于下转变温度进行的焊后热处理。
2．焊后热处理的温度和保温时间
温度和保温时间是焊后热处理的重要工艺参数。
（1）焊后热处理的温度
1）常用材料的焊后热处理温度可参照JB/T4709、GB12337及其他有关标准的规定。
2）调质或正火加回火状态供货的钢材进行低于下转变温度的焊后热处理时，热处理温度应低于钢材的原回火温度。
3）有回火脆性倾向的材料，焊后热处理温度应避开材料的回火脆性温度范围。
4）异种钢材相焊时，热处理温度应按两者要求温度的较高者。
5）非受压元件与受压元件相焊时，热处理温度应按受压元件的规定。
6）热处理是焊接工艺评定的重要因素，压力容器或其受压元件的焊后热处理温度应与所适用的焊接工艺评定中试件的焊后热处理温度基本相图。
（2）焊后热处理的保温时间
1）焊后热处理的最短保温时间与压力容器或受压元件的焊后热处理厚度δ
①对于等厚度的全焊透对接接头，δPWHTPWHT有关。δPWHT按以下规定选取： 为对接焊缝的厚度（余高不计）。
为坡口深度与角焊缝厚度的较大者。 ②组合焊缝（坡口焊缝加角焊缝），δ
③对于不等厚焊接接头，δPWHTPWHT为：对接诶接头较薄一侧的母材厚度；壳体与管板、平封头、盖板、凸缘或法兰相焊时，取壳体厚度；接管、人孔与壳体相焊时，取接管厚度（此厚度仅适用于安放式接管）、壳体
（封头）厚度、补强板厚度以及连接角焊缝厚度中的较大者；接管与高颈法兰相焊时，取对接处的管子厚度；管子与管板相焊时取焊缝厚度。
④非受压元件与受压元件相焊时，取焊接处的焊缝厚度。
⑤焊接返修时，δPWHT为返修深度。
PWHT⑥对于同一炉内进行焊后热处理的压力容器及受压元件，δ应取上述所有焊后热处理厚度的最大值。
2）对于低于下转变温度的焊后热处理，当母材为碳素钢和强度型低合金钢（焊接工艺评定中材料的类别号为I、II、III、VI类）且δ
δPWHT≤50mm时，最短保温时间为δPWHTPWHT/25h，且不少于1/4h，当δPWHT＞50mm-125）时，最短保温时间为[2+1/4×（δPWHT-50）/25]h；对于焊接工艺评定中类别号为IV类和V类的材料，当/25h，且不少于1/4h，当δPWHT≤125mm时，最短保温时间为δPWHT＞125mm时，为[5+1/4×（δPWHT/25]h。对于球形储罐，热处理保温时间按球壳厚度每25mm保温1h计算，且不少于1h。
3．炉内整体焊后热处理的操作规定：
（1）焊件进炉时炉内温度不得高于400℃；
（2）焊件升温至400℃后，加热区升温速度不得超过5000/δS℃/h（δS为焊件的最大厚度，mm），且不得超过200℃/h，最小可为50℃/h；
（3）升温时，加热区内任意5000mm长度内的温差不得大于120℃；
（4）保温时，加热区内最高与最低温度之差不宜超过65℃；
（5）升温及保温时应控制加热区气氛，防止焊件表面过度氧化；
（6）炉温高于400℃时，加热区降温速度不得超过6500/δS℃/h，且不得超过260℃/h，最小可为50℃/h；
（7）焊件出炉时，炉温不得高于400℃，出炉后应在静止空气中继续冷却。
注：热处理时，应在容器的代表性部位设置若干测温点，相邻测温点的距离不宜超过5000mm。
局部热处理时，环向焊接接头每侧加热宽度应不小于钢材厚度的2倍，接管与壳体相焊时加热宽度不得小于钢材厚度的6倍。在要求的加热宽度的范围内设置测温点。靠近加热的部位应采取保温措施，使温度梯度不致影响材料的组织和性能。
3.复合板容器的焊后热处理
焊后热处理涉及到不锈钢都比较头疼，复合板也是如此。原则上如果复合钢板的基层材料需要进行焊后热处理，则该复合钢板制造的容器也应进行焊后热处理，但同时必须考虑热处理对复层材料力学性能和
耐蚀性能的影响。对于复合板，焊后热处理有可能使复层材料及复层焊接接头产生碳化物析出或形成σ相，从而损害复层的力学性能还耐蚀性能。所以，在设计不锈钢复合钢板容器和制定容器焊后热处理工艺时，应兼顾基层材料的热处理要求和热处理对复层材料性能特别是耐蚀性能的影响。必要时应采用更合适的复层材料（如超低碳的纯奥氏体不锈钢复层），适当调整焊后消除应力热处理的温度和保温时间，并应通过热处理试验以及试件的力学性能和耐蚀性试验进行验证。
学习总结——对压力容器设备法兰标准的一些总结(2008-11-14 07:54:43)
1.甲型平焊法兰直接与容器的筒体或封头焊接，法兰在上紧和工作时均会作用给容器器壁一定的附加弯矩。法兰自身刚度小，所以其适用范围也较小。
2.乙型平焊法兰比甲型平焊法兰增加了一个厚度一般大于筒体壁厚的短节，这样既可增加整个法兰的刚度又可使容器器壁避免承受附加弯矩。
3.长颈对焊法兰是用根部增厚的颈取代了乙型法兰的短节，从而更有效地增大了法兰的整体刚度。由于去掉了乙型法兰与短节的焊缝，所以也消除了可能发生的焊接变形及可能存在的焊接残余应力。
标准设备法兰是在规定设计温度为200℃，材料为16MnR或16Mn锻件，根据不同形式的法兰，规定了垫片的型式、材质、尺寸和螺柱材料的基础上，按照不同直径和不同压力，通过多种方案的比较计算和尺寸圆整得到的。由于标准法兰是以16MnR或16Mn锻件来制定的，所以，如果法兰材料强度低于16MnR或使用温度高于200℃，则其最大允许工作压力低于公称压力；反之，若法兰材料强度高于16MnR或使用温度低于200℃，则其最大允许工作压力便高于公称压力。法兰的最大允许工作压力与公称压力孰高孰低，完全取决于法兰材料和使用温度。
在法兰连接中，法兰与壳体是焊在一起的，安装时，法兰与螺柱的温度相同，而操作时，法兰随壳体温度有所升高，一般法兰的温升值往往大于螺柱的温升值，于是法兰沿其厚度方向的热变形（即法兰增厚值）将大于螺柱的热伸长量。由于法兰盘在沿其厚度方向的刚度远大于螺柱，所以在容器操作时，可以认为螺柱根本限制不了法兰的增厚，反过来倒是法兰强迫螺柱在其热伸长之外，还要产生一定量的弹性变形。螺柱上所受到的附加轴向拉力的大小除与材料的弹性模量（E）、泊松比（ν）值有关外，还取决于螺柱与法兰工作时的温差以及螺柱杆的粗细。螺柱的最危险截面在车螺纹处，采用A型螺柱其危险截面上的附加热应力要比B型螺柱的附加热应力大，所以在使用温度较高时，优先选用B型螺柱。
1.设计整体法兰时，如果强度不能满足要求，可试着做以下调整：首先检验垫片尺寸和螺栓、螺栓孔中心圆直径是否尽可能的小，以最大限度的降低作用于法兰的弯矩；在此条件满足的前提下，若是轴向应力不能满足要求，则可增加锥颈厚度和锥颈高度；若是径向应力或环向应力不能满足要求，则可增加法兰盘厚度。
2.鞍座处筒体的周向压应力随鞍座包角θ和鞍座宽度以及筒体壁厚等的增加而减小。当周向压应力不满足校核条件时，一般不考虑增加筒体壁厚，而首先考虑在鞍座和筒体之间增设鞍座垫板以对筒体进行局部加强，这可有效降低周向压应力。若加垫板不能满足要求，可适当增大鞍座包角θ或鞍座宽度，或二者同时增加；若上述措施仍不能满足要求时，可考虑在鞍座面上增设加强圈。对需要进行整体热处理的卧式容器，最好增设鞍座垫板，且应在热处理前焊好，以防热处理时鞍座处被压瘪。
3.管板应力超过许用应力后，可以通过以下途径进行调整：1）增加管板厚度。可以大大提高管板的抗弯截面模量，能有效降低管板应力。增加管板厚度还能使管板的抗弯刚度增大，管板的挠曲变形相对减小。为满足一定量的总变形协调量，壳体和管束相应的变形量增加，从而使作用于管板周边的横剪力和弯矩增大，引起管板应力升高。2）降低壳体轴向刚度。3）膨胀节的设置。
固定管板换热器中，换热管轴向力校核不合格时，可调整折流板间距，缩短受压失稳当量长度。若拉脱力不合格，可改变换热管与管板的连接结构调整。上述措施无效的时候则需考虑设置膨胀节。
浮头式换热器在外压工况下，球冠形封头装入法兰的深度L对法兰计算厚度影响很大，增加L会使法兰减薄，但在内压工况下恰恰相反，所以应谨慎调整L值，一般取L=δ+2。（δ为球冠形封头厚度）
4.周边简支圆平板。在工程设计中重视的是最大挠度和最大正应力，挠度反映板的刚度，应力则反映强度。最大挠度和应力与圆板的材料、半径、厚度有关。若构成板的材料和载荷已定，则减小半径或增加厚度都可减小挠度和降低最大正应力。当圆板的几何尺寸和载荷已定，则选用E(弹性模量)、μ（泊松比)较大的材料可减小最大挠度值。然而最大应力只与（3+μ）成正比，与E无关，而μ的数值变化范围小，故改变材料并不能获得有利的应力状态。
1．焊后热处理的目的和种类
焊后热处理的主要目的是降低焊接残余应力，改善焊接接头的组织和性能。焊后若能立即进行热处理，还有利于释放焊缝金属中的氢，防止焊接接头产生冷裂纹。焊后热处理根据热处理温度不同可分为：低于下转变温度的热处理（即是我们最常说的焊后消除应力热处理）；高于上转变温度的热处理（如正火）；现在高于上转变温度，继之在低于下转变温度进行的热处理（正火或淬火后继之以回火）；上下转变温度之间的热处理。奥氏体不锈钢必须进行热处理且有抗晶间腐蚀要求时，可进行固溶处理或稳定化处理，否则一般不作焊后热处理。
1）对于碳素钢和低合金钢，最常用的是低于下转变温度的热处理，即热处理的加热温度低于材料的下转变温度Ac1，相当于去应力退火。主要目的是降低残余应力，稳定结构尺寸。由于热处理温度与材料的高温回火温度相当，对于有淬硬倾向的材料，此类热处理还能消除焊接接头中的淬硬组织，降低峰值硬度，改善焊接接头的塑性和韧性。此类热处理降低残余应力的机理是：随着温度的升高，材料的屈服强度将降低，经过一定时间的保温，可使焊接接头中较高的残余应力通过塑性变形降低至保温温度下材料或焊缝金属屈服强度的水平，如果在高温下停留时间较长，还会因蠕变变形所产生的应力松弛使残余应力进一步降低。
2）高于上转变温度的焊后热处理主要用于电渣焊焊接接头，其目的是细化晶粒，改善焊接接头的性能。除了电渣焊焊接接头的细化晶粒热处理外，以下情况也应视为高于上转变温度的焊后热处理。
①先拼板后成形的封头或其他受压元件，如果采用高于上转变温度的热成形工艺，则此类受压元件上的焊接接头在热成形过程中就经受了高于上转变温度的焊后热处理
②正火加回火或调质状态使用的钢材所焊制的受压元件，为满足使用状态要求，需要在热成形后重新进行正火或淬火处理时，则这种热处理对于此类受压元件上的焊接接头来说也是高于上转变温度的焊后热处理。
③要求在正火加回火状态使用的材料（如18MnMoNbR、15CrMoR等），其电渣焊焊接接头或先拼板后进行热成形的受压元件，通常要求在正火（或相当于正火的热成形）后再进行回火处理，对于焊接接头来说，这样的热处理属于先在高于上转变温度，继之在低于下转变温度进行的焊后热处理。
2．焊后热处理的温度和保温时间
温度和保温时间是焊后热处理的重要工艺参数。
（1）焊后热处理的温度
1）常用材料的焊后热处理温度可参照JB/T4709、GB12337及其他有关标准的规定。
2）调质或正火加回火状态供货的钢材进行低于下转变温度的焊后热处理时，热处理温度应低于钢材的原回火温度。
3）有回火脆性倾向的材料，焊后热处理温度应避开材料的回火脆性温度范围。
4）异种钢材相焊时，热处理温度应按两者要求温度的较高者。
5）非受压元件与受压元件相焊时，热处理温度应按受压元件的规定。
6）热处理是焊接工艺评定的重要因素，压力容器或其受压元件的焊后热处理温度应与所适用的焊接工艺评定中试件的焊后热处理温度基本相图。
（2）焊后热处理的保温时间
1）焊后热处理的最短保温时间与压力容器或受压元件的焊后热处理厚度δ
①对于等厚度的全焊透对接接头，δPWHTPWHT有关。δPWHT按以下规定选取： 为对接焊缝的厚度（余高不计）。
为坡口深度与角焊缝厚度的较大者。 ②组合焊缝（坡口焊缝加角焊缝），δ
③对于不等厚焊接接头，δPWHTPWHT为：对接诶接头较薄一侧的母材厚度；壳体与管板、平封头、盖板、凸缘或法兰相焊时，取壳体厚度；接管、人孔与壳体相焊时，取接管厚度（此厚度仅适用于安放式接管）、壳体
（封头）厚度、补强板厚度以及连接角焊缝厚度中的较大者；接管与高颈法兰相焊时，取对接处的管子厚度；管子与管板相焊时取焊缝厚度。
④非受压元件与受压元件相焊时，取焊接处的焊缝厚度。
⑤焊接返修时，δPWHT为返修深度。
PWHT⑥对于同一炉内进行焊后热处理的压力容器及受压元件，δ应取上述所有焊后热处理厚度的最大值。
2）对于低于下转变温度的焊后热处理，当母材为碳素钢和强度型低合金钢（焊接工艺评定中材料的类别号为I、II、III、VI类）且δ
δPWHT≤50mm时，最短保温时间为δPWHTPWHT/25h，且不少于1/4h，当δPWHT＞50mm-125）时，最短保温时间为[2+1/4×（δPWHT-50）/25]h；对于焊接工艺评定中类别号为IV类和V类的材料，当/25h，且不少于1/4h，当δPWHT≤125mm时，最短保温时间为δPWHT＞125mm时，为[5+1/4×（δPWHT/25]h。对于球形储罐，热处理保温时间按球壳厚度每25mm保温1h计算，且不少于1h。
3．炉内整体焊后热处理的操作规定：
（1）焊件进炉时炉内温度不得高于400℃；
（2）焊件升温至400℃后，加热区升温速度不得超过5000/δS℃/h（δS为焊件的最大厚度，mm），且不得超过200℃/h，最小可为50℃/h；
（3）升温时，加热区内任意5000mm长度内的温差不得大于120℃；
（4）保温时，加热区内最高与最低温度之差不宜超过65℃；
（5）升温及保温时应控制加热区气氛，防止焊件表面过度氧化；
（6）炉温高于400℃时，加热区降温速度不得超过6500/δS℃/h，且不得超过260℃/h，最小可为50℃/h；
（7）焊件出炉时，炉温不得高于400℃，出炉后应在静止空气中继续冷却。
注：热处理时，应在容器的代表性部位设置若干测温点，相邻测温点的距离不宜超过5000mm。
局部热处理时，环向焊接接头每侧加热宽度应不小于钢材厚度的2倍，接管与壳体相焊时加热宽度不得小于钢材厚度的6倍。在要求的加热宽度的范围内设置测温点。靠近加热的部位应采取保温措施，使温度梯度不致影响材料的组织和性能。
3.复合板容器的焊后热处理
焊后热处理涉及到不锈钢都比较头疼，复合板也是如此。原则上如果复合钢板的基层材料需要进行焊后热处理，则该复合钢板制造的容器也应进行焊后热处理，但同时必须考虑热处理对复层材料力学性能和
耐蚀性能的影响。对于复合板，焊后热处理有可能使复层材料及复层焊接接头产生碳化物析出或形成σ相，从而损害复层的力学性能还耐蚀性能。所以，在设计不锈钢复合钢板容器和制定容器焊后热处理工艺时，应兼顾基层材料的热处理要求和热处理对复层材料性能特别是耐蚀性能的影响。必要时应采用更合适的复层材料（如超低碳的纯奥氏体不锈钢复层），适当调整焊后消除应力热处理的温度和保温时间，并应通过热处理试验以及试件的力学性能和耐蚀性试验进行验证。