蒸汽锅炉气包的焊接工艺设计.doc

目录1.工况分析11.1汽包的概念11.2焊接22.材料成型22.1主要技术参数22.2 压力计算壁厚22.3 材料的选择32.4 设计图样及焊缝位置的确定42.5 材料成形43. 焊接73.1焊材的选择73.2 焊接设备83.3 焊接环境83.4焊接方法83.5 焊前准备83.6 焊接顺序及工艺参数93.7焊接注意事项103.8焊接时具体要求114.无损检测114.1射线和超声检测115. 焊后整体热处理115.1 焊后热处理工艺126.体会12蒸汽锅炉气包的焊接工艺设计工艺设计说明书1.工况分析1.1汽包的概念汽包的概念是指气压通过水循环导致气压下降或上升，也可以理解为汽包是气体和水分融合后形成的气压变化，极限压力中的空气与水分子会提高气体的压力上升，导致高压达到一定数值后产生的压力集分子。工业中汽包罐是能够承受汽包产生的空气压力和水位压力的一种工业设备。汽包亦称锅筒是自然循环锅炉中最重要的受压元件，它的作用主要有：1、是工质加热、蒸发、过热三过程的连接枢纽，保证锅炉正常的水循环。2、内部有汽水分离装置和连续排污装置，保证锅炉蒸汽品质。3、有一定水量，具有一定蓄热能力，缓和汽压的变化速度。4、汽包上有压力表、水位计、事故放水、安全阀等设备，保证锅炉安全运行。1.2焊接焊接是一种高效、可靠的连接工艺方法，是压力容器制造中的一种主要加工方法之一, 如平板拼接、筒节与筒节、筒节与封头、人孔、接管与壳体及法兰的连接, 内件的组焊以及支座与壳体的连接等等,都是通过焊接完成。通过分析大量的质量事故使人们认识到材料选择、焊接工艺过程、焊接质量管理对压力容器的安全性有很大影响。焊接工艺设计最终产生的焊接工艺文件具有法令性, 将成为生产制造活动中所必须遵循的规范和依据。2.材料成型2.1主要技术参数1.计算压力 P=20bar2.最高允许运行温度=2003.工质：汽-水混合物4.外径Da=2000mm5.筒身长度L=4000mm6.筒身，封头，人孔，加强板材料 根据DIN17155 选择 H 接管材料St3.5 （德国标准）7.筒身，封头，人孔和加强板材料20g 接管材料 10# （国标）2.2 压力计算壁厚筒身壁厚是根据ADB1计算：Da=外径mm =2000P=计算公式bar =20K=强度值N/mm =205S=安全系数=1.5v=减弱系数=0.85c1=壁厚负差补偿 =0.8c2=磨损补偿=1.0s=14.2s取15强度特性值按DIN17155（EN10028）确定。计算中预期壁厚S30mm。安全系数根据ADB0表2对轧制和锻制钢取1.5说明焊缝中许用的计算应力的使用程度的减弱系数根据HP0表1考虑无损检测的范围取v=0.85壁厚的负差补偿对于铁素钢为板的允许负公差适用的尺寸标准为AD-B1，根据这一标准可以确定C1=0.8mm对于壁厚30mm的铁素体钢磨损补偿系数C2取1.0mm2.3 材料的选择锅炉压力容器对钢材的性能有特殊的要求：较高的室温强度，通常以屈服强度极限s和强度极限b为设计依据，较大的s和b；有良好的韧性性能，材料需具有足够的韧性，防止脆性断裂，在考虑强度的同时不能忽略韧性；较低的缺口敏感性，制造过程中，开孔和焊接会产生局部应力集中，要求材料有较低的缺口敏感性，以防止产生裂纹，良好的加工性能和焊接性能。选用的材料除了考虑到它的加工工艺性能，还必须考虑它的经济性。本次蒸气锅炉汽包的设计要求，工作压力为20bar，工作最高温度为200，所以要求使用材料具有一定的强度、塑形、韧性、硬度和较高的韧脆转变温度；由于工作介质为汽-水混合物，所以不需要材料具有很高的抗腐蚀能力，综合考虑其焊接性，冷、热加工性、经济性，锅筒、封头、人孔选用20g钢材，接管材料选用10#钢管。2.3.1 20g钢材和10#钢管的主要化学成分及力学性能2.3.1.1 20g化学成分与力学性能20g的化学成分%钢号CSiMnPS20g0.200.150.300.500.900.0350.03520g的力学性能钢号状态断面收缩率/%SMPabMPa伸长率5%冲击韧度(AKJ)硬度HBS20g正火551853802527J热轧钢156 2.3.1.2 10#钢管的化学成分与力学性能10#的化学成分%钢号CSiMnPSCrNiCu10#0.070.140.170.370.350.650.350.040.150.250.2520g的力学性能钢号状态断面收缩率/%SMPabMPa伸长率5%硬度HBS10#正火524541025未热处理，1562.3.2 20g钢材的焊接性能分析碳钢的焊接性主要取决于碳当量，随着碳当量的增加，焊接性逐渐变差。根据国际焊接学会（IIW）所采用的碳当量（CE）计算公式： （%） 将20g所含化学成分的相应数值代入上式，计算其碳当量。通过计算得出，20g的碳当量CE=0.23%0.25%。20g钢材中碳当量低，所以，通常情况下不会因焊接而引起严重硬化组织和淬硬组织。这种钢的塑性和韧性优良，焊接接头的塑性和韧性也好。通常情况下，焊接时一般不需要预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，既整个焊接过程中不需要特殊的工艺措施。特殊情况下，进行预热后热和热处理能更高的力学性能要求。2.4 设计图样及焊缝位置的确定（详细请见焊接工艺草图）2.5 材料成形 2.5.1备料根据设计图纸，对每块筒体板用计算机放大样，根据放样后的实样，提出筒体板的备料计划，要求备料筒体板的同时，要考虑到筒体焊接产品的试板用量，需复验的材质要求和安装用胎具用量以及筒体板所需的工艺余量和加工余量等，并且应尽量节省材料。筒体板的备料除外形尺寸必须准确无误外，同时要求各项技术参数必须写清楚，以便购料。对于筒体附件的备料，要求各项技术参数，参照技术标准，相关图纸号以及数量等必须明确、清晰。对于筒体的一些标准附件，如开口销、垫圈等，在选购时，要求购买的数量要多于图纸上的规定数量，以便互换使用和方便维修。此外，筒体的焊接主要采用焊条电弧焊，所以要求准备足够的焊条，并按要求做好焊前准备及处理。 2.5.2 钢材的预处理钢材的预处理包括钢板的矫平和钢板的表面除锈两个方面。钢板的矫平：钢板在轧制、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，可能会产生弯曲、扭曲、波浪及表面不平等变形。当这些变形超过一定程度时，会给尺寸的度量、划线、剪裁及其他加工带来困难，而且会影响到成形零件的尺寸和几何形状的精度，从而影响到装配、焊接和整个产品的质量5。所以，划线、下料前必须进行钢板的矫平。钢板的表面除锈：钢板的表面除锈采用喷丸的方法。喷丸是用高速喷出的压缩空气流带出来的高速运动砂粒冲击工件表面，打落铁锈，使金属表面形成均匀而较光洁的表面，并进一步释放在钢板中的残余应力。钢材经此清理，并经喷涂保护底漆，烘干处理等工序后，既可保护钢材在生产或使用过程中不再生锈，又不影响机械加工和焊接质量。 2.5.3 成形1、卷制前钢板两端应进行预弯，一般预弯宽度应大于选定的卷板机两下辊中心距之半（一般取两下辊中心距之半加50100mm）。预弯可在压边机或预弯模上进行。 2、卷圆时钢板在上下辊之间必须放正，板材边缘与辊筒轴线应严格保持平行。应采用将板上的标记与辊轴线上的划线标记对正的方法来保证。3、卷制大直径薄壁筒节时，必须采用卷板机托架和吊车密切配合的方式避免已弯制的筒节回直或压扁失形。4、卷制筒节时，应逐次减少筒体的曲率半径，严禁一次卷板成型。每一次卷圆的变形量不得超过总变形时的30%。要利用卷板机上的标尺来估计上辊的下压量。5、卷制圆筒过程中，应使用经检验合格的样板来检查筒体的曲率半径。6、圆筒卷制成型后，由合格的持证焊工对筒体纵缝进行点焊，点焊要求按焊接工艺。7、采用卷板机校圆，在辊筒调至所需矫正曲率半径时进行，要求圆周曲率均。8、采用校形机（纵缝矫形机）消除筒体焊缝局部棱角度和局部变形时，应采用逐步变形、校正的方法，并用样板逐次检查。9、卷制和成形过程中，应及时清除铁锈杂质和剥落的氧化皮，以防压损设备和筒体。 2.5.4 矫形1、筒节端面错口量不得大于1mm。2、纵缝棱角度控制采用弦长等于1/6设计内径Di，且不小于300mm的内或外样板检查，其棱角度不得大于0.1n+2mm，且不大于5mm。3、筒节圆度控制，对于筒节同一断面，最大内径与最小内径之差e，应不大于该断面设计内直径Di的1%，且不大于25mm。4、对外压容器，圆度的控制应严格满足GB150的相应要求或符合下述规定：检查采用内弓形或外弓形样板，样板圆弧半径等于设计内半径或外半径（依测量的部位而定），其弦长按工艺卡的规定。测量点应避开焊缝或其它凸起部位。采用样板沿壳体外径或内径径向测量的最大正负偏差e应满足工艺卡的要求。5、纵焊缝对口错边量控制应符合下表：对口处名义厚度过n 1012n5050 错边量n /52.5n /16且不大于106、对于分段交货的筒体，其外圆周长允差照下表，但具体数值须保证环缝组对时的对口错边量。此外，分段处端面平行度应1/1000Di，且不大于2mm。公称直径Di800800120013001600170024002600300032004000外周长允差5791113157、筒节的直线度公差应H/1000,且10mm（H：筒节高度）。8、卷制成型后的不锈钢筒体必须立式放置在专用场地或架子上，应确保工件不与地面直接接触。2.5.5 检验1、筒体卷制完成后，内外表面应光滑，无刻痕、压伤、起皱、裂纹、重皮等缺陷。2、筒体卷制完成后，按技术条件检验各项参数，并符合技术文件上的各项技术要求。2.5.6 坡口制备锅炉承压壳体上的所有A、B类焊缝均为全焊透焊缝。都要进行无损检测。为保证焊缝质量，坡口的制备显得十分重要。坡口形式由焊接工艺确定，而坡口的尺寸精度、表面粗糙度及清洁度取决于加工方法。筒体纵缝通常可采取刨边、铣边、车削加工、火焰切割等工艺手段来制备。壳壁开孔可以采用气割、车削、镗、钻等方法。选择坡口形式和尺寸应考虑下列因素:a. 焊缝填充金属尽量少;b. 避免产生缺陷;c. 减少残余焊接变形与应力;d. 有利于焊接防护;e. 焊工操作方便;f. 复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率.常见的集中坡口形式综合考虑锅炉选用材料的焊接性，壁厚的因素，环缝焊接采用V型坡口，纵缝焊接采用U型坡口，封头与筒体的焊接采用J型坡口（坡口开在封头上）。3. 焊接3.1焊材的选择根据钢材不同的强度级别选择与母材强度相当的焊缝金属是这类钢焊材选用的基本原则，当然，与此同时还要根据产品的使用条件、产品结构和板材厚度等因素，综合考虑焊缝金属的韧性、塑性和焊接接头的抗裂性。只要焊缝强度不低于或略高于母材标准抗拉强度的下限值即可。若选择的焊材焊缝金属强度过高，将会导致接头的韧性、塑性及抗裂性降低，接头的弯曲性能不易合格。由于这类钢都具有不同程度的冷裂纹倾向，所以，在等强度原则的前提下，严格控制焊材中的氢含量是非常重要的，应尽量选用低氢型的焊材。对于强度较高的低碳调质钢焊接时，更是如此，甚至要选择超低氢型的焊材，并严格控制焊材的存放和使用。考虑焊后加工工艺的影响。对焊后需经热处理、热卷（热弯）的焊件，应考虑焊缝金属经受高温处理作用对其力学性能的影响，应保证焊缝金属经热处理后仍具有要求的强度、塑性和韧性等。E4315（J427）焊条是低氢钠型药皮的碳钢焊条。采用直流反接，可进行全位置焊接。焊接操作须用短弧，以窄焊道为宜。焊前须经350烘干1小时，随烘随用。X射线探伤合格级别级。具有优良的塑性、冲击性能及抗裂性能，扩散氢含量8ml/100g。J427焊条熔敷金属化学成分（质量分数）%J427焊条熔敷金属力学性能参考电流（DC+）3.2 焊接设备 锅炉焊接生产中涉及的焊接设备主要包括焊接电源、焊接小车、伸缩臂式焊接操作机及焊接轮滚架。3.2.1 焊接电源弧焊机：按产生电流种类不同，可分为直流弧焊机和交流弧焊机两大类。 交流弧焊机实际上是符合焊接要求的降压变压器。它将220V或380V的电源电压降到60-80V(即焊机的空载电压)，从而既能满足引弧的需要，又能保证人身安全。焊接时，电压会自动下降到电弧正常工作时所需的工作电压20-30V，满足了电弧稳定燃烧的要求。输出电流是交流电，可根据焊接的需要，将电流从几十安培调到几百安培。它具有结构简单、制造方便、成本低、节省材料，使用可靠和维修容易等优点，缺点是电弧稳定性不如直流弧焊机，对有些种类的焊条不适用。直流弧焊机又可分为两类：直流弧焊发电机和弧焊整流器。直流弧焊发电机是由交流电动机和直流发电机组成，电动机通过带动发电机运转，从而发出满足焊接要求的直流电。其特点是能得到稳定的直流电，因此，引弧容易，电弧稳定，焊接质量好，但是构造复杂，制造和维修较困难，成本高，使用时噪音大。因此，一般只用在对电流有特殊要求的场合。3.3 焊接环境当施焊环境出现下列任一情况，且无有效防护措施时，将严禁施焊：雨天及雪天；风速超过8m/s，相当于级风；环境温度在-5以下；相对湿度在90%以上。尤须指出，焊接环境温度和相对湿度在距筒体表面5001000mm处测得。3.4焊接方法焊接要解决的问题：一是要防止裂纹；二是在保证满足高强度要求的同时，提高焊缝金属及热影响区的韧性。通常选用手工电弧焊和埋弧焊3.5 焊前准备3.5.1 焊条的干燥焊条贮存应保持干燥，相对湿度不得大于60%，焊条使用前应按要求进行烘干，对于E4315焊条，烘干温度为300400烘干时间为12h。烘干后的焊条应保存在100150的恒温箱中，药皮应无脱落和明显裂纹。焊条在保温筒内不宜超过4h,超过后应按原烘干规范重新烘干，重复烘干的次数不应超过两次。3.5.2 预热焊前对筒体板进行预热，预热的目的是：减缓焊接接头加热时温度梯度及冷却速度，适当延长在800500区间的冷却时间，改善焊缝金属和热影响区的显微组织，从而减少和避免产生淬硬组织，有利于氢的逸出，可防止冷裂纹的产生。热源采用液化石油气，定位焊和临时焊缝采用点状加热器，筒体焊缝采用条状加热器，且应放在焊缝小坡口的一侧。注意应保证加热的均匀性，预热温度为120140，实测温度不得低于120。温度的测量点在距焊缝中心50mm处，两侧对称测量。在整个焊接过程中应保持此温度。预热宽度为焊缝中心线两侧各3倍板厚，为144150mm。预热长度须在施焊长度两端各延伸150mm以上。拘束度较高的焊缝节点（如人孔、接管）或环境温度低于5时，应采用较高的预热温度，且适当扩大预热范围。 3.5.3 点固焊筒节卷制完成后，为了防止在搬运和焊接过程中变形过大应该先进行点固焊。将卷好的筒节放在滚加上，然后用螺旋拉紧器来调节错变量及间隙的大小，调整到合适位置，采用焊条电弧焊在筒节内侧进行点固。3.6 焊接顺序及工艺参数总的焊接顺序是：先焊纵缝，后焊环缝；先焊大坡口面焊缝，后焊小坡口面焊缝。焊缝坡口形式焊接方法焊材规格预热后热热处理检验A1、A2（筒体纵缝接头）埋弧焊（SAW)H08MnA4HJ431预热120后热200-250/2h900-980/70min580-650/2.3h100%RT+20%UTB1、B2、B3（筒体环缝接头）手工电弧焊（SMAW）+埋弧焊（SAW)E43154H08MnA4HJ431预热120580-650/2.3h100%RT+20%UTC1、C2（人孔和平板的接头）手工电弧焊（SMAW）E43154100%RT+20%UTD1、D2（人孔与筒体的接头）手工电弧焊（SMAW）E43154预热120后热200-250/2h580-650/2.3h100%RT+20%UTD3（法兰与筒体的接头）手工电弧焊（SMAW）E43154预热120后热200-250/2h580-650/2.3h100%RT+20%UT3.7焊接注意事项3.7.1坡口处理。焊前将坡口表面和两侧至少20mm范围内的油污、水分及其他有害杂质清除干净。所有焊缝施焊前，均须对施焊处坡口及边缘进行预热，预热温度为120140。3.7.2焊接方法。所有焊缝全部采用焊条电弧焊，焊条选用E4315焊条。3.7.3焊工布置。要求对称均匀分布焊工，所有焊工应在统一指挥下同步施焊。其具体要求详见后面各条焊缝的焊接工艺。3.7.4焊接要点。焊接时，引弧和熄弧都应在坡口焊道上。所有焊缝焊接时，均采用短弧操作，尽量控制电弧电压，使其稳定。每段焊缝应一次连续焊完，如有特殊情况需中断时，则第一次焊接的层数不得少于两层。再次施焊前，必须仔细检查，确认无误后方可按原工艺要求继续施焊，每一层的接头至少错开50mm。3.7.5层间温度。在焊接过程中，层间温度不应低于120。3.7.6焊接线能量控制。根据焊接工艺评定报告，提出合理的线能量应用范围，并应反映在焊接工艺规程中。在施焊过程中，应对每个焊工进行实际线能量的测定。为了控制起来简便，应用每根焊条应焊接的最小焊缝长度来控制焊接线能量。3.7.7角变形控制。采用多层多道焊，焊接时焊条不作横向摆动，线能量应控制在尽可能小的范围内。当单面焊后发现角变形超差时，应根据超差的具体情况，在焊缝反面清根时，可适当增加清根的深度和宽度，以使后续焊的焊缝产生一定的反变形，把棱角控制在允许偏差范围内3。3.7.8碳弧气刨清根和打磨。焊缝焊接和返修时，焊缝背面的清根及缺陷的清除采用碳弧气刨及机械去除的方法。碳弧气刨的电源采用直流电，反接法。压缩空气压力为0.40.6MPa，压缩空气流量为180L/min，必须配置水分离器和过滤装置，严格限制压缩空气中所含水分和油脂。刨槽成形应为U形，表面平齐。碳弧气刨后用砂轮修整刨槽，去除渗碳层，使锐角圆滑过渡，使坡口宽窄均匀。对坡口作渗透检测，验明有无裂纹、夹渣等缺陷。3.7.9消氢处理。为了使氢充分逸出，防止延迟裂纹，筒体板以及嵌入式接管与筒体壳的对接焊缝，焊后须立即进行后热消氢处理，后热温度为200250，后热时间为0.51h。加热方法与预热相同。3.8焊接时具体要求3.8.1 焊接位置要求立焊。3.8.2 焊接时，各层之间要错开2030mm，防止接头在一个断面上。3.8.3 先焊大坡口面第一层焊缝，焊接时背面成形，尽可能焊透。3.8.4 焊接封面层焊缝时，要注意焊条运条要到位，以免产生咬肉现象。3.8.5 大坡口面焊完后，采用碳弧气刨清根，检查合格后再焊接小坡口面焊缝。3.8.6 焊接小坡口面时，注意不要产生未熔合或未焊透现象。4.无损检测筒体焊缝经外观检查合格后，按要求进行无损检测。要求检测人员必须持有有效期内的无损探伤资格证，并且探伤经验丰富。 4.1射线和超声检测筒体上的所有对接焊缝，须进行100%的射线检测，按JB4730-94中级为合格，并且须进行20%的超声波复验，按JB4730-94中级为合格。5. 焊后整体热处理筒体经无损检测合格后，须进行整体消除应力热处理。由于筒体的体积庞大，无法在热处理炉内进行消除应力热处理，所以采用内燃加热法对罐进行整体热处理。此法是将罐本身作为一个燃烧炉，借助于底部开口（人孔）安装喷火嘴，以燃油或液化石油气为燃料，热处理前罐外部须包覆细纤维玻璃棉作为保温材料，然后进行内部加热处理。5.1 焊后热处理工艺5.1.1 焊件进炉时炉内温度不得高于400.5.1.2 焊件升温至4