论文-GWV卧式热交换器的制作工艺及工装设计.doc

沈阳大学毕业设计（论文） 目 录 引 言3 1 产品介绍5 1.1 GWV 卧式热交换器结构5 1.2 GWV 卧式热交换器的制作工艺流程6 1.3 材料焊接性分析6 2 焊接工艺设计11 2.1 焊前准备11 2.2 封头的制作18 2.3 装配与焊接21 2.4 检验27 2.5 涂饰30 3 工装卡具设计31 3.1 工装卡具概述31 3.2 手动拉紧式夹紧器33 致 谢35 参考文献36 沈阳大学毕业设计（论文） No.1 摘 要 本设计的主要内容为 GWV 卧式热交换器的制作工艺及工装设计。根据 压力容器的分类标准，此贮罐属于类容器，其制造、检验和验收符合 GB15098 之规定。本文在讨论 16MnR 焊接性的基础上，详细制定了热交 换器的制作工艺并设计了工装夹具手动拉紧式夹紧器。 16MnR 钢是制造压力容器的专用钢。16MnR 的硫、磷和碳含量低，抗 拉强度、延伸率、冲击韧性高。因此，16MnR 的力学性能和工艺性能良好， 焊接性优良，一般不会因焊接而出现严重的硬化组织或淬硬组织，除环境温 度很低或钢板厚度很大时，冷裂纹倾向较大以外，不易产生其它种类的裂纹。 产品制作工艺说明书中，简要分析了GWV卧式热交换器的构成、各部分 的材料及力学性能和制作使用要求；详细论述了该容器的装配焊接工艺；对 产品易出质量问题的环节进行了分析说明，并提出了一定的解决方案。结合 本产品的技术要求，采用无损探伤和水压试验进行检验。最后，为了防止产 品生锈需对产品进行涂饰。 说明书中还对GWV卧式热交换器容器生产制作过程中所用的工装夹具 手动拉紧式夹紧器进行了设计。对手动拉紧式夹紧器的功能、用途、结构也 进行了扼要的说明。 关键词： 压力容器；热交换器；焊接工艺；工装卡具 沈阳大学毕业设计（论文） No.2 Abstract The paper mainly discusses the fabrication process and equipment design of the GWV horizontal heat exchanger. According to the standard for classification of the pressure vessel, the tank is called the class III type, and the process of manufacture, test and acceptance all agree with the regulation of GB150-98. This article, on the basis of a mature discussion of the weldability of 16MnR, formulates the manufacturing technology of the nitrogen tank body in detail, and designs the compact assembly technology clamp pulled by single hand. 16MnR is used as the special-purpose steel for the manufacture of pressure vessels. The low content of the sulphur, phosphor and carbon, great tensile strength, good extensibility and strong toughness are all characteristics of 16MnR. Therefore, 16MnR has favorable mechanical and processing property, excellent weldability; normally, it is hard to find severe hardened structures or quenched structures when welding, except that it is very likely to come out large cold cracks caused by low ambient temperature or the thick steel plate; otherwise, hardly can it produce other kind of cracks. The instruction to the workmanship analyzes not only the constitution, the request of making and employing of the GWV horizontal heat exchanger, but also the material and the mechanical properties of each part, the thesis describes the assembly welding procedure of the tank detailedly; the trouble-spot in links are analyzed and some advisable solutions are proposed. In terms of the practical technical requirement of this product, the non-destructive inspection and hydraulic test are adopted as test methods. Finally, finishing the product in order to avoid being rusty. The instruction also devises the compact assembly technology clamp pulled by single hand which is used in the process of making GWV horizontal heat exchanger. Furthermore, it also introduces the function, application and structure of the manual compact clamp briefly. Key word: Key words: heat exchanger; welding technology; assemblage fixture. 沈阳大学毕业设计（论文） No.3 引 言 所谓容器是指用于储存气体、液化气体、液体和固体原料、中间产品或 成品的设备。压力容器是容器的一种，是指最高工作压力 P 0.1MPa，容积 V 25L，工作介质为气体、液化气体或最高工作温度高于或等于标准沸点液 体的容器。它广泛地用于化工、炼油、机械、动力、轻工、纺织、冶金、核 能及运输等工业部门，是生产过程中必不可少的设备。 压力容器的制造涉及到机械加工、压力加工、焊接、热处理和无损检测 等各方面，但其中对压力容器制造工艺技术进步影响最大的是焊接。 近年来，压力容器制造业在装备投资中，焊接设备的比例占了 40%以上。 正由于这些先进高效焊接设备及工艺的采用，使压力容器制造技术有了更大 的提高和发展。就具体的压力容器焊接而言，焊条电弧焊的比例已逐步缩小， 而埋弧自动焊、氩弧焊、CO2气体保护焊等先进的焊接技术已经得到广泛应 用；带极堆焊、窄间隙埋弧焊和药芯焊丝气体保护焊等高效率的焊接方法设 备已成为一些大型压力容器厂必备的焊接设备；小管径内壁堆焊、管子-管板 自动旋转氩弧焊、马鞍形接管自动焊等一系列新型焊机也在不少工厂中得到 了应用。这对于稳定地提高压力容器焊接质量，提高压力容器制造工艺水平， 无疑将起到很大推动作用。 20 世纪 60 年代，我国压力容器制造业虽然已经形成规模生产，但用材 上看，品种单一，只有普通碳素钢一种，到了 60 年代末开始积极推广 16Mn 为主的普通低合金钢来制造压力容器，直到 70 年代末，随着国外先进技术 的引进，我国在压力容器用钢上才开始步入一个新阶段，从低合金结构钢、 沈阳大学毕业设计（论文） No.4 耐热钢、耐腐蚀钢、不锈钢，发展到低温钢、高强度钢和特殊合金。压力容 器用材品种越来越多，所要求的钢材品质越来越严。 本论文将焊接技术和 GWV 卧式热交换器制造相结合，根据其特点制定 了全套的、合理的制造工艺。 沈阳大学毕业设计（论文） No.5 1 产品介绍产品介绍 1.1 GWV 卧式热交换器结构 本次设计为 GWV 卧式热交换器由筒体、封头、法兰、接管及支座组成。 结构图见图 1。 312 4 5 图 1 GWV 卧式热交换器结构简图 1 封头 2 筒体 3 接管 4 法兰 5 支座 筒体 筒体是压力容器最主要的组成部分，由它构成储存物料所需要 的大部分压力空间。筒体一般用钢板卷制或压制（压成两块半圆或数块弧形 板） ，由于本次设计的筒体直径较小，所以用钢板卷制可以完成。 封头 根据几何形状的不同，压力容器封头可分为凸形封头、锥形封 头和平盖封头三种，其中凸形封头使用最多。凸形封头包括球形封头和椭圆 形封头。本次设计为椭圆形封头。 法兰 按其所连接的部分分为管法兰和容器法兰。用于管边接和密封 的法兰叫管法兰；用于容器顶盖与筒体连接的法兰叫容器法兰。法兰与法兰 之间一般加密封元件，并用螺栓连接起来。 接管与开孔 由于工艺要求和检修时的需要，常在筒体和封头上开设 沈阳大学毕业设计（论文） No.6 各种孔或安装接管，如人孔、物料进出接管、流量计等接管开孔。筒体与封 头开设孔后，开孔部位的强度被削弱，一般应进行补强。 支座 压力容器靠支座支承并固定在基础上。支座主要有鞍式支座、 耳式支座等。本次设计为鞍式支座。为了保证采气安全性，往往对支座中的 对接焊缝要进行局部甚至全部的射线检测或超声波检测。 上述五部分即构成一台压力容器的外壳1。 1.2 GWV 卧式热交换器的制作工艺流程 GWV 卧式热交换器的制作工艺流程见图 2。 加热冲压 附 件 装 配 焊 接 焊 接 焊 接 检 验 矫 圆 钢板检验 水 压 试 验 焊 接 检 验 气 密 性 试 验 钢 板 卷 制 边 缘 加 工 预 处 理 钢 板 检 验 划 线 下 料 纵 缝 装 配 筒节制造 封头制造 复 检 尺 寸 预处理划线下料二次切割 筒 节 间 的 装 配 焊 接 消 除 应 力 热 处 理 封 头 与 筒 节 的 装 配 焊 接 检验 图 2 GWV 卧式热交换器的工艺流程图 1.3 材料焊接性分析 本产品所采用的材质是 16MnR，其特点是焊缝热影响区具有不同程度的 淬硬倾向，焊缝和热影响区对冷裂纹都比较敏感。电弧焊时，各种冷却速度 下都可能在热影响区形成马氏体组织，钢中碳和合金元素的含量愈高，热影 响区的淬硬倾向就愈大，同时金相组织中的马氏体组织的比例就愈高。因此， 在拟定其焊接工艺时，应以防止接头各区马氏体组织和冷裂纹形成及防止热 沈阳大学毕业设计（论文） No.7 影响区淬硬变脆为基本出发点。 16MnR 钢，焊接性良好，板厚 34mm 以下，焊前不需预热，焊后也不必 进行热处理。自动埋弧焊时，由于焊接线能量较大，焊接区冷却速度较慢， 焊前不必预热。本产品板厚为 24mm，所以焊前不需预热，但此次设计为 III 类压力容器，故焊后必须要进行热处理。 16MnR 的焊条电弧焊应采用低氢型焊条 E5015。选择埋弧自动焊焊接材 料时，应考虑坡口的形式，板厚和受压部件的热处理工艺。对于不开坡口的 对接接头，由于母材的熔合比比较高，在焊后不进行热处理的场合，可选用 合金量较低的 H08MnA 焊丝配 HJ431 焊剂。对于板厚超过 30mm 开坡口的 对接接头，应采用 H10Mn2 焊丝配 HJ431 焊剂，对于焊后需作长时间消除应 力处理的厚壁容器，应采用 H08MnMo 焊丝配 HJ530 焊剂。 根据本产品的特点，所选用的焊条为 E5015，焊丝和焊剂分别为 H08MnA 和 HJ431。 16MnR 的化学成分和力学性能见表 1 和表 2。 表 1 16MnR 化学成分 钢 种技术标准 C（% ） Si（%）Mn（%） P（% ） S（%） 16MnRGB6654-960.200.200.551.201.600.0300.020 表 2 16MnR 力学性能 拉伸试验冲击试验冷弯试验 钢种 技术 标准 规格(mm) 抗拉强度 (MP) 屈服强度 (MP) 伸长 率 5(%) 温 度 () Akv（横向） (J) =2 180 616510640345=2 16MnRGB6654 1636490620325 21031 =3 1.3.1 焊接裂纹 焊接裂纹的危害性 沈阳大学毕业设计（论文） No.8 焊接裂纹不仅给生产带来很多困难而且可能带来灾难性的事故，据统计， 世界上焊接结构所出现的各种事故中，除少数是由于设计不当。选材不合理 和运行操作上的问题之外，绝大多数是由于裂纹而引起的脆性破坏。因此， 焊接结构的裂纹防治问题必须设计施工人员的重视。 焊接结构中易产生的裂纹 热裂纹 热裂纹是在焊接时高温下产生的,故称热裂纹，它的特征是沿原奥氏体晶 界开裂，根据所焊金属的结构不同（低合金高强钢，不锈钢，铸铁，铝合金 和某些特种金属等） ，产生热裂纹的形态,温度区间和主要原因各有不同。因 此,就目前的认识水平，又把热裂纹分为结晶裂纹，液化裂纹，和多裂纹等三 类。 再热裂纹 厚板焊接结构，并采用含有某些沉淀强化合金元素的钢材，在进行消除 应力热处理或在一定温度下服役的过程中，在焊接热影响区粗晶部位发生的 裂纹称为再热裂纹。 冷裂纹 冷裂纹是焊接生产中较为普遍的一种裂纹，它是焊后冷到较低温度下产 生的，根据被焊钢种和结构的不同，准裂纹也有不同的类别，大致可分为以 下三类：延迟裂纹，淬硬脆化裂纹，低塑性脆化裂纹。 母材焊接性分析 焊缝中的热裂纹 从热轧正火钢的成分看，一般含碳量都较低,而含量 Mn 都较高。因此， 沈阳大学毕业设计（论文） No.9 它们的 Mn/S 比都能达到要求，具有良好的抗热裂性能，正常情况下不会出 现热裂纹。但当材料成分不合格，或因严重偏析使局部 C、S 含量偏高时， Mn/S 就可能低于要求而出现热裂纹。如果 16MnR 钢板，碳有严重偏析，钢 板各部分的含碳量相差很大，从 0.160.245，因此在焊角焊缝时出现在大 量的热裂纹。在这种情况下，就要从工艺上设法减少熔合化，在焊接材料上 采用低碳焊丝 H03MnTi 和含 SiO2，较低的焊剂(含 SiO2 30.28, MnO33.43)，以此降低焊缝中的含碳量提高焊缝中的含锰量，解决了热裂 纹的问题。 冷裂纹 16MnR 钢的含碳量虽然并不高，但含有少量的合金元素，因此，16MnR 钢的淬硬倾向必然比低碳钢的大一些。16MnR 在连续冷却时，珠光体转变区 间变窄，使快冷过程中铁素体析出后剩下富碳奥氏体来不急转变为珠光体， 最后转变为含碳量较高的贝氏体和马氏体，并且得到全部马氏体的临界冷却 速度比低碳钢时要小。显然 16MnR 的淬硬倾向要比低碳钢大。 冷裂纹是焊接 16MnR 钢时的一个主要问题。从材料本身考虑，淬硬组 织是引起冷裂纹的决定性因素。因此，焊接时能否形成对氢致裂纹敏感的淬 硬组织是评定材料焊接性的一重要指标。 16MnR 钢在连续冷却时，珠光体转变右移较多，使快冷过程中，铁素体 析出后剩下的富碳奥氏体来不及转变为珠光体，最后转变为含碳较高的贝氏 体和马氏体，并得到全部马氏体的临界冷却速度较低碳钢时要小，显然 16MnR 的淬硬倾向比低碳钢的大。焊条电弧焊 16MnR 钢时，过热区会出现 少量铁素体，贝氏体和大量马氏体。 沈阳大学毕业设计（论文） No.10 再热裂纹 16MnR 钢在焊后消除应力处理时不会产生再热裂纹。从钢的化学成分考 虑，在 C-Mn 的热轧钢中由于不含碳化物形成元素，对再热裂纹不敏感，因 此 16MnR 钢在焊后消除应力处理时不会产生再热裂纹。 脆化 16MnR 钢不存在产生难溶质点的脆化原因，产生脆化的主要原因是晶粒 粗大，以及因冷速过快而在过热区形成粗大马氏体和贝氏体混合组织。 16MnR 钢主要靠合金元素的固溶强化来保证其具有良好的力学性能，因为在 热轧状态下使用，所以脆化问题不是很严重，16MnR 焊后经 600、保温 1 小时的高温回火处理后，韧性有了很大恢复，因此消除应力回火处理可防止 脆化2。 沈阳大学毕业设计（论文） No.11 2 焊接工艺设计焊接工艺设计 2.1 焊前准备 2.1.1 钢板检验 材料到货后，首先根据材料采购说明书的要求进行规格、数量和包装状 况的检查，然后按不同炉批号，不同规格的板材、管材、锻件各抽查 1 件， 进行必要的化学成分复检，还要进行力学性能复检，包括拉伸试验，弯曲试 验，脆性试验，断裂试验等。 2.1.2 矫平 钢材在轧制、运输、装卸和堆放过程中，由于自重、支撑不当或装卸条 件不良及其他原因，会产生弯曲、扭曲、翘曲、波浪变形及表面不平等变形。 沈阳大学毕业设计（论文） No.12 当这些变形超过一定程度时，会给尺寸的度量、划线、剪切及其他加工带来 困难，而且会影响到成形零件的尺寸和形状的精度，进而会影响到装配焊接 和整个产品的质量，因此，需要在弯曲成形前对钢板矫平。 钢板的矫平，一般情况下都是采用多辊板材矫平机进行机械矫平的，但 特殊情况，如对于厚板，小块板料的矫平，也可采用三辊卷板机和各种压力 机来代替多辊板材矫平机矫平，少数情况也有时采用人工矫平。多辊矫平机 截面图如图 3 所示： 板材 LLLL 托辊 校辊 图 3 多辊矫平机截面图 本设计选用国产4200mm 9辊式中厚板矫直机，其技术参数见表3。 表 3 4200mm 9 辊式中厚板矫直机技术参数 设 备 参 数 厚 度 （ mm ） 宽 度 （m m） 长 度 （m m） 温 度 () 屈服 极限 （t ） 矫 直 速 度 (m/ s) 辊数 辊 距 （mm ） 辊径辊 长（有 效长） （mm） 上 横 梁 开 口 度 （m m） 支承 辊列 数 辊数 (个) 传动比 （i）主电动机 （kw） 8 40 150 0 400 400 0 180 600 8 00 18 147 0.3 0 .8 936 032042 00 2401422125 沈阳大学毕业设计（论文） No.13 000 2.1.3 钢材的表面预处理 为了避免钢材表面的油污、锈蚀和氧化皮等影响产品的制造质量，应该 在进行材料划线、下料之前进行表面预处理。 钢材表面的预处理对于提高 产品质量、延长产品的寿命、减少环境污染具有重要的意义。 本设计选用机械法中的喷丸处理。选用的喷丸设备是GYX-NM型钢材预 处理装置，它既可以用于钢板、型钢的表面处理，也可用于结构部件的表面 处理3。 2.1.4 划线、号料 划线和号料就是根据施工图样及工艺上的要求，正确地确定一个欲加工 零件的配料尺寸和形状，并用划线的方法在钢材上号料，同时标注上必要的 加工符号及其他必要内容，用以指导以后各道工序的加工。它直接决定着零 件的尺寸和几何形状的精度，而且对以后的装配和焊接工序也有很大的影响。 总体来看，划线和号料大致可以分为以下三部分操作内容和步骤：放样 展开、制作样杆样板、在钢材上进行号料。应注意的是，放样展开最后获得 的尺寸是零件的设计尺寸或者说是零件加工后应得的尺寸，而样板是用来号 料的，其外部尺寸应该是零件加工前坯料尺寸，这两者是不一样的。因此， 下料时每边需预留出修边余量约 30mm。零件的坯料尺寸是由零件展开尺寸、 工艺余量和加工余量三部分组成的。 内筒筒体的展开计算（即以筒节的平均直径为基准）： L=DmL=（Di+S）L 沈阳大学毕业设计（论文） No.14 (1-1) 通常L=（0.100.12）DmS/Di 式中：L -筒节展开长，mm； Dm -筒节平均直径，mm； Di -筒节内径，mm； S -板厚，mm； L-钢板伸长量，mm； P -设计压力，MPa； 根据上面的公式计算，得出下料尺寸，由于要考虑刨边和余量，把筒节 分为3节，故选择制作筒节的板材为： 5580150024二块 5580130024 一块 各筒节展开毛坯尺寸如图 4 所示 图 4 筒节展开图 2.1.5 下料 沈阳大学毕业设计（论文） No.15 选用半自动氧乙炔切割机进行下料。半自动切割适用于低碳钢板进行直 线，弧形或圆形工件的气割，以及焊接V形坡口的气割。小车式半自动切割 机主要技术参数见表4。 表 4 小车式半自动切割机主要技术参数 名称气割机 型号G1-100A 厚度10100 切割范围 直径 mm 50150 切割速度mm/s50650 使用割嘴号数1，2，3 垂直150 割嘴调节范围 水平 mm 200 外形尺寸（长宽高）mm420440310 用途可做直线，圆形和 V 形坡口切割 采用火焰切割方法制备坡口，是目前压力容器行业广泛使用的最为经济 的手段。 2.1.6 边缘加工 所谓边缘加工是将工件的边缘或端面加工成符合工艺要求的形状和尺寸 精度的加工工序。对下料后的零件进行边缘加工，主要是为了： 消除前道工序加工所产生的加工硬化层和热影响区； 消除装配、焊接工件边缘或自由边的各类缺陷，以提高结构的整体质 量； 提高结构的表面质量，也可为产品的后期制作创造条件。本次设计选 用 B81050A 型刨边机进行边缘加工4。 2.1.7 筒节的卷制 卷板机的工作原理 选用对称式三辊卷板机，型号为163200，技术参数：卷板最大规Wn 格时最小弯曲直径 850mm，电机功率 44KW，重量 16.8356 吨，外形尺寸 沈阳大学毕业设计（论文） No.16 （长宽高）677017351940（mm） 。其原理如图 5 所示。 上辊 1 可在垂直方向上下调节，两个下辊为主动辊，可正反两方向旋转， 并对称于上辊中心线排列。弯曲时将钢板放入上、下辊之间，然后上辊向下 移动将钢板压紧并使之弯曲，使钢板达到塑性变形状态，再驱动两下辊旋转， 并借助于钢板与辊子之间的摩擦力使钢板左、右移动，同时上辊也随之转动， 这样，就使钢板连续通过垂直平面，受到相同的弯曲，产生相同的变形，钢 板成为曲率相同的弧形板。一次行程之后，再将上辊下压一定距离，又驱动 下辊，使钢板进一步受到弯曲。上辊几次下压，就将钢板弯卷到需要的曲率 半径。板料的两端不能同时进入三辊之间部分得不到弯曲，成为剩余直边。 剩余直边的长度约为两下辊中心距的一半。 图5 三辊卷板机卷制钢板 1-上辊；2-下辊；3-钢板 卷制工艺 预弯 沈阳大学毕业设计（论文） No.17 对中 板料预弯之后，放入卷板机上下辊之间进行滚卷前必须使板 料的母线与辊的轴线平行，使板料的纵向中心线与辊的轴线保持相互垂直。 卷圆 钢板对中后，即可用上辊压住板料并使之产生一定弯曲，开动机床进行 滚卷。每滚卷一个行程，便适当下调上辊一次，这样经过多次滚卷就可将板 料弯曲成所要求的曲率。 矫圆 进行完点装和纵焊缝装配焊接的各筒节需进行矫圆，矫圆多是在卷板机 上进行。 2.1.8 纵缝装配焊接 根据所选板材为 24mm 厚的 16MnR 钢板，采用双面埋弧焊，开 X 形坡 口。定位焊采用焊条电弧焊，选用焊机型号 ZXG-300。然后进行焊接，选用 埋弧焊机型号 MZ-1000。如图 6，此焊机工艺参数如表 5 所示。 图6 MZ-1000埋弧焊机 表 5 MZ1000 焊机的技术参数 焊接电流(A)焊丝直径(mm) 送丝速度 (cm/min) 焊接速度 (cm/min) 电流类型 4001200355020025117直流或交流 沈阳大学毕业设计（论文） No.18 焊前准备： 焊接坡口 本筒体壁厚为 24mm，开对称 X 形坡口，其坡口形式如 图 7 所示。焊条需在 350下烘干 1h，焊剂需在 150下烘干 2h。 清理 在焊接前应清除待焊部位及其周围的油锈和污物等杂质。可 采用机械法，如用磨光机。 图 7 筒体纵缝坡口示意图 焊接工艺参数 首先，将纵缝用焊条电弧焊进行定位焊，采用直流电源反接。其工艺参 数如表 6 所示。 表 6 焊条电弧焊接工艺参数 焊接材料焊条直径(mm)焊接电流(A)电流种类 E50154180直流反接 定位焊后，需检查装配及定位焊接质量。然后用埋弧自动焊进行焊接， 内外两面各焊两层。外面先焊一层，然后焊里面两层，最后焊外面一层5。 其工艺参数如表 7 所示。 表 7 埋弧焊焊接工艺参数 焊层焊接材料 焊丝直径 (mm) 焊接电流 (A) 电弧电压 (V) 焊接速度 (m/h) 第一层740-7603432 第二层 H08MnA+HJ4315 760-7803630 检验 沈阳大学毕业设计（论文） No.19 罐体的对接焊缝需用 100%射线探伤，须符合 GB3323-2005 I 级标准。 2.2 封头的制作 封头制作的钢材复检、预处理、边缘加工工艺与筒节的钢材复检、预处 理及边缘加工工艺相同。 2.2.1 封头尺寸计算 封头毛坯直径 D0在考虑了一定得加工余量后，按 D0=P+2hk0+2 (2-1) =2144+20.7540+215=2234mm 式中：P-封头椭圆形部分的半周长； k0-封头冲压成形时的拉伸系数，通常可取为0.75； -封头边缘的加工余量，取15mm。 封头设计尺寸，由JB/T4737-1995查得： 公称直径（DN）：1800mm； 曲面高度（h1）：475mm； 直边高度（h2）：40mm； 厚度范围（）：取24mm。 封头下料尺寸如图8所示 沈阳大学毕业设计（论文） No.20 图8 封头下料尺寸 2.2.2 封头拼接 采用 X 形坡口，双面埋弧焊。根据等强度原则，选用焊丝为 H08MnA， 焊剂为 HJ431。 焊前准备，焊前清理焊缝两侧各 20mm 及焊丝上的油锈、氧化皮等污物。 焊剂应在的条件下烘干 2 小时6。上下两面都焊两层，其工艺参数同筒C o 150 节的工艺参数相同。封头拼接材料是厚度为 24mm 的 16MnR 钢板，采用双 面埋弧焊，埋弧焊机型号：MZ1000。拼接坡口形式如图 9 所示。 图 9 封头拼接焊缝坡口形式 2.2.3 封头的冲压 沈阳大学毕业设计（论文） No.21 冲压基本原理 封头的制作成形选用的是冲压的方法。冲压也称为拉伸或压延，它是将 平板毛坯或空心半成品利用冲压模冲压成一个开口的空心零件，冲压具有生 产率高，成本低，成形美观等特点。 封头的冲压 在冲压之前，要对板材进行加热，这样可以提高板材的塑性、韧性， 降低变形抗力，易于 16MnR 钢板冲压成形的加热的温度为 1050左右。温 度不易过高或过低，温度过高，板材的结构组织将发生变化；温度过低，变 形抗力大，不易冲压。 冲压过程 封头的冲压过程是属于拉延过程。在冲压过程中，材料产生了复杂的变 形，而且在工件不同的部位有着不同的应力应变状态。 压制时如果不用压边圈，而封头毛坯壁厚又较薄，则材料在切向压应力 的作用下，易造成废品。一般来说，当满足下式时，便需要采用压边圈，即 S/D01004.5(1-K) (3-1) 式中：D0封头毛坯直径 S封头毛坯厚度 K材料拉伸系数，通常可取 0.750.8 当 D0=2000400mm 时，上述条件为 D0-di 18S,(其中 di 为封头内径)。 2.2.4 二次切割 修边余量是考虑在成形加工工艺过程不稳定时，较难掌握其变形及准确 沈阳大学毕业设计（论文） No.22 形状，在下料时预先加放的 100mm 余量，冲压加工后，再按正确的尺寸二 次划线，予以割除。封头冲压完，其多余的直边要借助于焊接回转台切割掉， 切割同时还要进行坡口加工，以备部件装配时使用7。 2.3 装配与焊接 装配在焊接结构制造工艺中占有很重要的地位，这不仅是由于装配工作 的质量好坏直接影响着产品的最终质量，而且还因为装配工序的工作量大， 约占整个产品制造工作量的 30%-40%。所以，提高装配工作的效率和质量， 在缩短产品制造工期、降低生产成本、保证产品质量等方面，都具有重要的 意义。 2.3.1 焊接顺序 先焊管子接头处的焊缝，用焊条电弧焊即可，工艺参数见表 8。 焊条电弧焊工艺：本产品选用的是板厚为 24mm 的 16MnR，因此根据板 厚选择直径为 4mm 的 E5015 焊条，由焊条直径选择焊接电流，见表 9。 表 8 焊条电弧焊的工艺参数 焊条电流 E5015 =4mm180A 表 9 焊条电弧焊焊接电流与焊接直径的关系 焊条直径(mm)456 焊接电流(I)160210200270260300 焊管子法兰处的内外环焊缝,用焊条电弧焊即可。 断续焊底座的焊缝，工艺同。 焊筒体的纵焊缝，用 4mm 焊条的焊条电弧焊打底焊，埋弧自动焊正 面焊一层，背面清根后焊一层，工艺参数见表 10。 表 10 埋弧焊的工艺参数 沈阳大学毕业设计（论文） No.23 焊丝 焊丝 直径 (mm) 焊剂 送丝速度 （cm/min） 电流 （A） 电压 （V） 焊接速度 （cm/min） 焊接电流种 类 H08Mn A 5 HJ43 11206003550直流反接 焊筒体与封头连接处的环焊缝，工艺同。 焊封头与管子连接处的环焊缝，工艺同。 选用的埋弧焊机：MZ-1000。 2.3.2 焊接接头和坡口形式 筒节对接纵缝属于 A 类接头；筒节间的环缝和椭圆形封头与筒体间的环 缝属于 B 类接头；凸缘管板或平端盖与筒体封头的接头属于 C 类接头；管接 头与筒节、封头之间的接头属于 D 类接头。在本设计中所用到的对接接头和 角接接头的坡口型式有： 对接头：在最后一道焊缝中采用单面 V 型坡口，用于单面埋弧自动 焊，三道；在筒节纵缝、筒节与封头的环缝中均采用不对称 X 型坡口，用于 背面焊条电弧焊封底，埋弧自动焊盖面。 角接头：管接头单面 V 型坡口，用于局部焊透或全焊透的角焊缝的 焊条电弧焊。 对于焊缝，还需要注意尽量减少焊缝和合理布置焊缝的位置，即将焊缝 布置在结构或构件的断面中性层上；尽量分散分布，以免造成焊接应力集中 8。 2.3.3 装配焊接方式的选择 圆柱形焊接容器筒体的组装方式：将各筒节组装成一体再组装两封头。 2.3.4 筒节的装配与焊接 沈阳大学毕业设计（论文） No.24 筒节在经卷圆后，就需要点焊，在进行校园。 装配定位焊要求：装配间隙不能过大，尽量避免强力装配定位，为防止 定位焊焊缝裂开，要求定位焊焊缝应有足够的长度和厚度，定位焊选用焊接 时同类型的焊接材料，也可选用强度等级稍低的焊接材料。定位焊的顺序， 应能防止过大的拘束，容许工件有适当的变形，其焊缝应对称分布均匀，定 位焊所用焊接电流稍大于焊接时的焊接电流。为了消除焊接应力，焊后立即 锤击金属表面，但这不适于塑性较差的钢制焊件。 定位焊应在-5度以上进行，当气温低于-5时，应稍加预热，方法是 焊条电弧焊。定位焊间距要小，采用较大的电流和较慢的焊速。工艺参数如 表 11。 表 11 定位焊工艺参数 板厚 (mm) 选用焊条直 径(mm) 采用 焊条 电流(A) 设备 244E5015160180ZXG7 -300 筒节纵缝对焊方法 采用焊条电弧焊打底单面自动焊的方法。先用焊条电弧焊封底，熔深为 板厚的 3035(约为 7mm)，然后用埋弧焊焊接正面焊缝，采用这种焊接工 艺往往是在正面用碳弧气刨清理焊根再进行埋弧焊。 筒体装焊 卧式装配法多在滚轮架上进装置如图 10。 沈阳大学毕业设计（论文） No.25 图图 10 筒节装配装置 1，3 滚轮架 2 移动辅助夹具 工艺过程如下： 将要组装一边带有螺栓法兰的筒节置于在滚轮架 1 上； 将另一筒节放置在小车式滚轮架 3 上. 移动辅助夹具 2 使筒节靠近，端面对齐。 当两筒节通过中间的螺栓法兰连接可靠，将小车式滚轮架上的筒节 推向滚轮架 1 上，再装封头。 由于本产品筒体组装后，长度太大无法校圆，应先将单筒节的纵缝组装 定位焊后再进行纵缝和环缝的焊接。此时也必须先焊纵缝后焊环缝，因为若 先将环缝焊好再焊纵缝时筒体膨胀和收缩都要受到环缝的限制，其结果会引 起过大的应力，甚至产生裂纹。 环缝埋弧自动焊技术与筒节纵缝自动焊技术相类似。双面焊先在焊剂垫 上焊接内环缝，然后再焊接外环缝。如内环缝采用焊条电弧焊封底，焊接外 环缝前应用碳弧气刨清理焊根。为了保证焊接质量，近年来，将环缝埋弧自 动焊前的焊条电弧焊封底焊，改为氩弧焊封底，这样，既可避免焊条电弧焊 沈阳大学毕业设计（论文） No.26 封底时在焊缝根部易产生的缺陷，又可去除清焊根区劳动强度大的工序。采 用直径 68mm 的焊丝单道焊，强规范下也可一次焊接较厚的板。多层多道 焊能有效提高焊缝金属韧性，采用 4mm 焊丝，中等的焊接规范进行多层多 道焊。 焊接规范和工艺条件的选择，既要考虑所保证焊缝性能，特别是冲击韧 性的要求。对于强度较低的材料 16MnR，选用 5mm 焊丝，并采用较大的电 流进行焊接。 筒节纵缝和卷曲前平板拼接焊缝目前多采用埋弧焊。中等厚度以下钢板 的对接缝通常有无衬垫双面自动焊9。 2.3.5 筒体与封头的装配与焊接 封头的装配焊接程序有两种，一是装配一端封头并焊接全部焊缝后在 装配另一封头；二是二封头全装配后再焊接。其工艺过程: 把第一筒节放置于滚轮架上。 把封头装在封头装配架。此时要把回转环按照封头直径大小沿框架移 动至适宜的位置。 把夹持封头的装配架转至垂直位置，依靠支承托架的下移，把封头降 至合适的位置，再把筒节推向封头；利用托架的液压缸和悬臂上的挡铁调筒 节位置，使封头的筒节边缘对齐，进行定位焊；转动筒节和封头，沿整个圆 周对齐和定位焊。见图 11。 沈阳大学毕业设计（论文） No.27 图 11 封头装配装置 1 封头 2 筒体 3 吊耳 4 吊钩 5 滚轮架 环缝布置 根据GB150之规定，环缝组装时，相邻筒节A类焊缝中心线间外圆弧长 以及封头A类焊缝中心线与相邻筒节A类接头焊缝中心线间外圆弧长应大于 钢材名义厚度n的3倍，且不小于100mm。如图12所示。 图12 环缝组装布置图 在筒体中心线下的120角范围内，不允许布置环缝。 2.3.6 附件装配焊接 通常组装焊接后即应加工各种孔并装配法兰、管件及支座等法兰、管件 及支座应根据有关设计规范选用。法兰螺孔不得超过规定的偏斜，法兰平面 必须与接管垂直，本设计还需加加强圈，先焊好接管与筒壁的连接焊缝，再 焊装加强圈。并应在加强圈焊接后再割孔以减少焊接变形。附件装配焊接后 沈阳大学毕业设计（论文） No.28 用 100%超声波进行探伤，达到 JB/15281钢制压力容器对接焊缝超声波 探伤I 级标准10。 2.4 检验 2.4.1 强度试验 压力容器在其部件或整体制造完成后，都有要进行压力试验。大多数压 力容器的耐压试验是在所有制造工序完成后进行的，所以又称竣工试压。压 力试验的目的是检验容器强度和密封性能，它也是压力容器设计、材料、制 造质量的综合性检验，因此十分重要。 水压实验又称耐压实验，是用水或其它适宜的液体作为加压介质（极少 数情况用气体作加压介质） ，对容器进行强度和密封性的综合检验，在绝大 多数场合耐压试验用水作为加压介质的耐压试验。水压试验的主要目的是检 验容器受压部件的结构强度，验证其是否具有在设计压力安全运行所需的承 压能力，在耐压试验时，对于高压或小容器还可进行残余变形测定，以判明 材料是否出现整体屈服。 2.4.2 水压试验的要求 本产品的试验压力为1.225MPa。 容器耐压试验的压力应符合图样要求，且不小于表 12 中规定。 表 12 容器耐压试验的压力要求 PT 压力等级 水压气压 低压1.25P1.20P 中压1.25P 高压1.25P 超高压1.25P 1.15P 注：P 为设计压力，PT为试验压力 考虑稳定因素，本产品的试验压力为 1.225 MPa 沈阳大学毕业设计（论文） No.29 水压试验时温度的要求对碳素钢 16MnR 钢制容器液压试验时，液体 温度不得低于 5，而水压试验的温度上限一般宜限制在 40以下，不得超 过 60。 2.4.3 试验过程 试验前的准备 正确决定试验压力，本产品试验压力为 1.225 MPa。 进行耐压试验前，必须彻底清除器壁内的残留物。 将容器的人孔、检查孔和其它接管孔封严安全泄压装置应泄下，不 允许为图省事而将安全阀弹簧旋转加大开启压力，容器顶部应留一个排气孔， 也可以用安全阀接口作为排气孔，以便注水时排出器内空气。 容量较小的容器作耐压试验，最好用手动试压泵，容量大的容器也 应使用专门试压泵作试验，以保证压力能够缓慢平稳地升高。 各密封部位的紧固螺栓，必须全部装配齐全，并对其均匀地施加紧 固力。 容器试压前，应装设两块经校验合格的压力表，其中一块装设在容 器上，另一块装设在试压泵的出口管路。 耐压试验程序 注液和排空气 液压实验注入液体加压介质时，器内空气同时由容器 顶部的排气孔排出，直至整个容器内部充满液体为止。此时，再停留 12 分钟，让空气泡有时间逸出。然后关闭顶部排气孔，连接试压泵准备打压。 升压 再容器温度与液体温度趋于一致后，开动试压泵缓慢升压，压 力分阶段上升。当压力上升至设计压力或最高压力时，应暂停升压，并对受 沈阳大学毕业设计（论文） No.30 压部件外观和各连接部位进行检查。若发现有异常情况或泄漏，应做出判断 和处理，但严禁在这个压力下紧固密封件螺栓。若情况正常即可继续升压至 试验压力，并根据容器容量大小和结构确定保压时间。保证时间一般不小于 30 分钟。 检查 容器在保压后缓慢泄压至规定试验压力的 80%进行检查。重点 检查焊缝及连接部位有无变形或异常现象，检查焊缝时，可以用小锤轻敲焊 缝周围。检查情况应详细记录。 泄压和排液处理 容器检查完毕后，应将液体排出，并同时把顶部排 气孔打开，液体排尽后再根据要求进行通风干燥处理。 耐压试验合格标准 容器各焊缝无渗漏。 容器无可见的异常变形。 经返修，焊补深度大于 9mm 或大于壁厚一半的高强钢制容器焊补部 位按原探伤方法进行复查无超过原定标准时的缺陷。 设计要求进行残余变形测定的容器，在耐压试验同时，应作残余变 形测定，其合格标准为径向残余变形率不超过0.03%或容积残余变形率不超 过10%。 2.4.4 无损探伤 焊缝无损探伤包括超声波、射线、渗透等方法，制造方应根据可能出现 缺陷性质，技术掌握情况，设备条件选择适当的方法。 根据压力容器安全监察规程 ，容器的焊缝探伤有如下几点要求： 探伤检验工作应由考试合格的探伤人员进行。 沈阳大学毕业设计（论文） No.31 容器局部探伤的部位，由制造单位检验部门根据实际情况选定，但 对筒体与封头连接部位，筒体纵缝交叉部位，必须进行探伤。探伤的百分数 达到 20%后，如发现超标的缺陷时，应由检查员指定位置增加 10%(相应焊 缝总长)的探伤长度，如还有不合格的，则要对容器所有焊缝进行 100%探伤， 探伤要求还按第一款第(4)项规定。 对于材料屈服强度大于 400MPa，厚度超过 16mm 的铬钼钢或与其类 似的钢制容器上的接管法兰、补强圈，与壳体或封头相接的角焊缝和焊后调 质处理的容器焊缝，还应作磁粉或着色探伤。 现场组装焊接容器壳体，封头和高强钢材料的焊接容器，耐压试验 后，应对焊缝作 20%(相应焊缝总长)的表面探伤，若发现裂纹，则应对所有 焊缝表面探伤。 容器的全部原始探伤资料(底片、记录)，制造单位至少保存七年。七 年后，若用户需要，可转交用户保管11。 本设计的 GWV 卧式热交换器应进行射线检查，并按 GB3323-87 I 级合 格。 2.5 涂饰 产品的涂饰（喷涂、作标志以及包装）是焊接生产的最后环节，产品涂 装质量不仅决定了产品的表面质量，而且也反映了生产单位的企业形象。制 造完毕后，外表涂环氧铁红底漆两层，现场施工保温层保温材料为聚苯乙烯 泡沫塑料。 沈阳大学毕业设计（论文） No.32 3 工装卡具设计 3.1 工装卡具概述 工装夹具是指将待装配的零件准确组对，定位并夹紧的工艺装备。 3.1.1 工装夹具的组成 工装夹具通常由各种定位器、夹紧机构、夹具体和装配平台组成。按照 所装配的焊接结构，夹具体上可安装多个不同的夹紧机构和定位器。夹具体 必须按所装配焊件的结构进行设计，而定位器，夹紧机构和装配平台，则大 多数是通用的标准件。 3.1.2 工装夹具的特点 由于焊件一般由多个简单零件阻焊而成，而这些零件的装配和定位 焊，在工装夹具上是按顺序进行的，因此，它们的定位和夹紧是一个个单独 进行的。 在焊接过程中，零件会因焊接加热而伸长或因冷却而缩短，为了减 少或消除焊接变形，要求夹具能对某些零件给予反变形或者作刚性的夹固。 为了减少焊接应力，又要允许某些零件在某一方向可以自由伸缩，因此，工 装夹具不是对所有的零件都作刚性的夹固。 装焊完的