中压容器焊接工艺设计说明书.doc

沈阳工业大学课程设计焊接工艺课程设计任务书学院材料科学与工程学院专业焊接专业学生姓名 学号设计题目500m中压容器焊接工艺设计设计要求及技术参数： 全容积：500m3 工作压力：3.2MPa 工作温度：室温 材质：1Cr15 技术要求：1.写出该结构的几种设计方案 2.强度计算及尺寸选择 3.绘制结构设计图 4.撰写主要工艺过程 5.撰写设计说明书进度安排：1熟悉零件：讲授课程，熟悉零件 2天2查阅相关资料，提出可行方案 2天3上机画图 3天4书写说明书 4天5图纸及工艺的检测 2天6答辩 2天指导教师（签字）： 年 月 日学院院长（签字）：年 月 日- 25 -摘 要 内部或外部承受气体或液体压力，并对安全性有较高要求的密封容器。早期主要用于化学工业，压力多在10兆帕以下。合成氨和高压聚乙烯等高压生产工艺出现后，要求压力容器的压力达100兆帕以上。随着化工和石油化工等工业的发展，压力容器的工作温度范围越来越宽，容量不断增大，有些还要求耐介质腐蚀。20世纪60年代开始，核电站的发展对反应堆压力容器提出了更高的安全和技术要求，从而促进了压力容器的进一步发展，广泛应用于各工业部门。压力容器主要为圆柱形，也有球形或其他形状。根据结构形式，可分为多层式压力容器，绕板式压力容器、型槽绕带式压力容器、热套式压力容器、锻焊式压力容器和厚板卷焊式压力容器等。大多数压力容器由钢制成，也有的用铝、钛等有色金属和玻璃钢、预应力混凝土等非金属材料制成。压力容器在使用中如发生爆炸，会造成灾难性事故。为了使压力容器在确保安全的前提下达到设计先进、结构合理、易于制造、使用可靠和造价经济等目的，各国都根据本国具体情况制定了有关压力容器的标准、规范和技术条件，对压力容器的设计、制造、检验和使用等提出具体和必须遵守的规定。目 录第1章 中压容器结构设计1.1 容器DN的确定41.2 容器壁厚n的计算41.3 容器封头的设计41.4 容器筒体长度H的计算4第2章 中压容器附件的设计2.1人孔的设计52.2 视镜的设计62.3 进液口、出液口、液面计的设计72.4 容器支座的设计8第3章 中压容器焊接生产的备料工艺3.1 钢材的预处理93.2 画线、放样与下料93.3 弯曲与成形103.4 焊接接头的设计11第4章 部件装配与焊接工艺4.1 材质1Cr15的分析154.2 筒节的装配与焊接164.3 筒体与封头的装配和焊接174.4 人孔的装配与焊接184.5 工艺接管的装配与焊接194.6 视镜的装配与焊接204.7 支座组焊21第五章 焊接变形矫正22第六章 致密性检验6.1水压试验236.2 气压试验 236.3 产品焊接试板的力学性能检验23第七章 成品涂装和包装入库24参考文献25第一章 中压容器结构设计1.1 容器DN的确定将容器视为筒体，取L/DN=4由V=（/4）DNL得：DN=500，所以DN=5.42，圆整得：DN=5500mm1.2 容器壁厚n的计算工作压力p=3.2MPa焊缝系数=1（全焊透，100无损探伤）钢板负偏差C1=1.3，腐蚀裕量C2=1所以厚度附加量C=C1+C2=1.3+1=2.3由文献【1】191页表4-2查得：1Cr15的=345MPa，=540MPa/1.5=230MPa,/3=180MPa所以，1Cr15的许用应力=180MPa由公式=3.25500/（21801-3.2）=49.33mm所以n=+C=49.33+2.3=51.63mm，圆整得：n=52mm1.3容器封头的设计取封头的壁厚与筒体壁厚一致，即封头的壁厚n=52mm由JB-T4746-2002钢制压力容器用封头查得封头的参数如下：H=1099mm，Af=24.1026，Vf=13.2805m，h=276mm封头的结构如图1-1所示图 1-11.4 容器筒体长度H的计算由公式V=+2Vf=（/4）（DN-2n）H+2Vf得：H=4（500-213.28）/4（5.5-0.104）=19.71m，圆整得：H=20m第二章 中压容器附件的设计2.1人孔的设计选择回转盖不锈钢人孔容器V=500m，工作压力p=3.2MPa，根据HG21596-1999回转盖不锈钢人孔选择突面（RF），公称压力PN=2.5MPa，公称直径DN=600mm的人孔。其结构如图2-1所示，明细表如图2-2所示，参数如表2-1所示图 2-1 图 2-2密封面形式公称压力（MPa）公称直径（mm）尺寸（mm）dwsDD1ABLbb1H1H2d突面（RF）2.560062010845770460250350516229014230螺栓/螺柱螺母数量直径长度数量40M36321020表 2-1配用的补强圈结构如图2-3所示，参数如表2-2所示图2-3接管公称直径DN（mm）外径(mm)内径(mm)厚度mm60098062410表 2-22.2 视镜的设计根据HGT 21619-1986视镜标准图选择视镜II Pg 1.0 Dg 150 标准图号：HG501-86-19，其结构如图2-4所示，材料如表2-3所示，选择不锈钢型，参数如表2-4所示。图 2-4件号名称数量材料件号名称数量材料1视镜玻璃1硼硅玻璃(SJ-6)1压紧环1Q235-A2衬 垫2石棉橡胶板2双头螺柱8Q235-A3接 缘11Cr18Ni9Ti3螺母16Q235-A表 2-3DN视镜玻璃dnSDD1b1b2H双头螺柱数量直径1501594.5250215403011012M16表 2-42.3 进液口、出液口、液面计的设计采用10810.8无缝钢管，接管与筒体内表面磨平。配用突面板式平焊管法兰：HG20592 法兰 PL100-1.6 RF 0Cr18Ni10Ti法兰的结构如图2-5所示，参数如表2-5所示图 2-5接管名称公称直径接管外径连 接 尺 寸法兰厚度法兰内径坡口宽度 进液口、出液口、液面计100109285240228M20221106表2-52.4 容器支座的设计设计容器为卧式，选用鞍式支座。根据JB-T 4712-92 鞍式支座选择DN 4000 120包角轻型带垫板鞍式支座，其结构如图2-6所示，参数如表2-6所示。图 2-6公称直径DN底板腹板筋板l1b112l3b2b3340002940380141246733542512鞍座高度h垫板螺栓连接尺寸弧长b44e间距l2螺孔d螺纹M孔长l25046406001080266028M2460表 2-6第三章 中压容器焊接生产的备料工艺3.1 钢材的预处理 钢材的预处理是对钢板、型钢、管子等材料在画线下料之前进行矫正及清理、表面防护等表面处理工作的总称。预处理的目的是为后序加工做好准备。3.1.1 钢材的矫正 矫正是使材料在加工之前保持一种力学性能良好、有利于零件加工的平直状态。钢材的矫正是钢材进行加工并保证加工质量的前提和基础。钢材的矫正方法分为手工矫正、机械矫正、火焰矫正和高频热点矫正四种。本容器结构所选用的钢材厚度是52mm，属于厚板，所以选用机械矫正的方法矫正。3.1.2 钢材的表面清理 钢材的表面清理，就是清除钢材和零件表面上的锈、油污和氧化物等的一道工序。为防止零件加工过程中再一次被污染，有些零件在表面清理后还要喷保护底漆。常用的表面清理方法有机械除锈法、化学除锈法和火焰除锈法。本容器选用机械除锈法进行清理。3.2 画线、放样与下料3.2.1 画线 画线是根据设计图纸上图形和尺寸，准确的按1:1的比例在待下料的零件表面上画出加工界限的过程。画线的作用是确定零件各加工表面的加工位置和余量，使零件加工时有明确的标志；还可以检查零件毛坯是否正确；对于有些误差不大，但仍属不合格的毛坯，可以通过借料得到挽救。画线的精度一般要求在0.250.5mm范围内。3.2.2 放样 放样又叫落样或放大样。它是根据工作图的要求，用1:1的比例，按正投影原理，把构件画在样台或平板上，画出图样。此图叫做实样图，又叫放样图。画放样图的过程叫做放样。对于不同行业，如机械、锅炉、船舶、车辆、化工、冶金、飞机制造等，其放样工艺各具特色，但就其基本程序而言，却大体相同。3.2.3 下料 下料就是用各种方法将毛坯或工件从原材料上分离下来的工序。一般把下料分为手工下料和机械下料。常用的下料方法主要有：剪切、气割、冲裁、锯割、砂轮切割、克切等。筒节下料筒节的划线是在钢板上划出展开图。筒节的展开计算比较简单，即以筒节的平均直径为基准。由于钢板在卷板机上弯卷是受辊子的碾压，厚度会减薄，长度会伸长。因此，下料尺寸应比计算出来的尺寸短一些。筒节展开长按下式计算： L=DN-L式中：L-筒节展开式， DN-筒节外径， L-钢板伸长量，通常 L=(0.100.12)DN/（DN-2）=18mm所以将数据带入公式可得：L=3.145500-18=17252mm17.26m由于单个筒节是由两个半圆筒焊接而成的，因此筒节下料单个钢板的长度为：8630mm， 取钢材宽度为4m，所以其具体尺寸为（长宽高）8630400052mm。筒节钢板的下料选择机械剪切下料。常用的机械剪切下料多采用圆板剪和龙门剪板机，而以龙门剪板机的应用最为广泛，通常只能做直线剪切。本次选择的剪板机的型号为：Q1150 x3200型。其具体参数见下表：封头的下料封头的展开较筒节复杂，有些封头如椭圆封头、球形封头和折边锥形封头，属于不可展开的零件，它们从坯料制成零件后中性层尺寸发生变化，因此这类零件的坯料计算较为复杂。本结构选择的封头为椭圆形标准封头，其毛坯展开尺寸计算公式为：=1.223DN+2h式中：-封头冲压成形拉伸系数，通常取0.75所以，=1.2235500+22760.75=7140.5mm封头由于其尺寸较大，且其形状为圆形，不能使用龙门剪板机。所以对封头的切割选择火焰切割。3.3 弯曲与成形将坯料弯成所需形状的加工方法为弯曲成形，简称弯形。弯形根据坯料温度可分为冷弯和热弯；根据弯形的方法分为手工弯形和机械弯形。在焊接结构制造中，80%90%的金属材料需进行弯曲与成形加工，例如：压力容器、各种石油塔、罐、球形封头及锅炉的锅筒和管子等。3.3.1 筒体的卷制成形圆筒形和圆锥形构件，都是采用不同厚度的钢板卷制而成。卷制成形通常在三辊筒或四辊筒卷板机上进行的，实际上是一种弯曲工艺。卷筒可以分为热卷和冷卷。通常对厚度小于60mm的钢板可采用冷卷；本次设计的容器筒体钢板厚度为52mm，因此选择冷卷。卷板机型号为：3WBJ-X605000。其具体参数为：卷板最大厚度卷板最大宽度最小卷筒直径上辊直径下辊直径下辊中心距卷头能力卷板速度下辊升降速度主传动电机动率下辊升降电机功率mmm/minmm/minKW60500020007006608004431001256523.3.2 封头的冲压成形封头成型法主要有冲压成型法、旋压成型、爆炸成型等三种方法。冲压成型就是用水压机或油压机借助冲模把毛坯冲压成所需形状。其成型质量好，生产效率高适用于批量生产。由于冲压过程毛坯塑性变形较大，对于壁厚较大或冲压深度较大的封头，为了提高材料变形能力，保证封头成型质量，一般都采用热冲压成型。由于本次所选用的封头壁厚为52mm，壁厚较大，因此封头的冲压成形选用热冲压一次冲压成形。3.4 焊接接头的设计焊接接头的设计应遵循以下原则：1 尽可能减少焊缝数量2 合理安排焊接位置3 焊缝应避免过密或交叉4 焊缝应尽量避开最大应力或应力集中处5 焊缝应尽量避开加工面6 不同厚度工件焊接应注意平滑过渡7 应正确选用接头形式8 接头可设计成热源对称形9 尽量使焊接端部角度变缓10 受弯曲作用的焊缝未焊侧不应位于拉应力区11 焊缝位置应考虑操作可达性12 改变焊缝、坡口形式，降低接头应力13 腐蚀介质中的接头，应考虑接头焊缝形式，考虑焊透，考虑热影响区范围14 接头焊缝考虑可检测性3.4.1 筒节纵向接头的设计筒节是由钢板卷制而成，其边缘部分由于变形和冷作硬化作用其性能已发生变化，不能满足设计要求，应此需将此区域除去。筒节卷制成形后，按图样规定的筒体名义直径测量筒节的实际周长，并划二次线，割去余量后按焊接工艺要求加工坡口。筒体的横向接头的焊接采用双面埋弧焊，根据埋弧焊坡口加工要求其坡口形式为带钝边双面Y形坡口，即X形坡口，采用热切割方法进行开坡口。具体尺寸如图3-1所示：图 3-1 筒节纵向接头3.4.2 筒体环焊缝的设计压力容器筒身环焊缝坡口形式，取决于其壁厚及所选用的焊接工艺方法。对于薄壁容器，壳体环焊缝多采用V形坡口；而对于厚壁容器壳体环焊缝，为了减少焊缝的横截面，通常采用U形坡口。对于此次所设计的容器，属于厚壁型，采用带钝边UY型坡口。其环焊缝包括筒节间对接焊缝和筒体与封头的对接焊缝，都采用相同的坡口形式，采用碳弧气刨的方法进行开坡口。具体尺寸如图3-2所示：图 3-2 筒体环焊缝3.4.3 人孔与筒体之间的焊缝设计 由于存在补强圈，所以人孔接管与筒体的焊缝采用带钝边双面J型坡口，补强圈与人孔接管采用I型坡口，补强圈与筒体采用角接接头。J型坡口采用碳弧气刨的方法进行开坡口，I型坡口在剪板机上剪切加工。具体尺寸如图3-3所示：图 3-3 人孔与筒体之间的焊缝3.4.4 进液口、出液口、液面计与筒体之间的焊缝设计 采用带钝边双面J型坡口，采用碳弧气刨的方法进行开坡口。具体尺寸如图3-4所示：图 3-4 进液口、出液口、液面计与筒体之间的焊缝3.4.5 视镜与人孔之间的焊缝 采用角接的方式焊接。具体尺寸如图3-5所示：图 3-5 视镜与人孔之间的焊缝第四章 部件装配与焊接工艺在焊接制造中，往往装配与焊接是交替进行的，因此装配顺序的制定实际上是装配-焊接顺序的确定。所以在确定装配顺序时，不能单纯孤立地只从装配工艺的角度去考虑，必须与焊接工艺一起全面分析。对于500m中压容器的设计采用“随装随焊”的顺序，即先将零件组装起来，随之焊接相应的焊缝，然后再装配若干个零件，再进行焊接，直至全部零件装完并焊完，成为符合要求的构件。具体的装配与焊接顺序为：1) 单个筒节的装配与焊接2) 筒节与筒节之间的装配与焊接3) 筒节与封头之间装配与焊接4) 人孔、视镜、工艺接管和支座的装配与焊接4.1 材质1Cr15的分析1Cr15属于铁素体不锈钢，查文献【1】191页表4-1得其化学成分如表4-1所示：CSiMnPSCr0.121.001.000.0350.0314.0016.00表 4-1 铁素体不锈钢的焊接性较差，其主要是焊接接头的脆化、焊接裂纹及耐腐性下降。1 焊接接头的脆化 铁素体不锈钢焊接接头的脆化有粗晶脆化、间隙元素引起的脆化、马氏体脆化、相脆化及475脆化等。2 焊接裂纹 铁素体不锈钢在800900进行热处理时，将析出Cr的碳化物。这些碳化物加热到900以上而固溶，形成奥氏体，这种奥氏体在冷却过程中会转变为马氏体。这种马氏体，因为喊C量较高，所以，是一种脆硬的组织。另外，在焊接过程中，还会晶粒长大而脆化。高Cr铁素体不锈钢还会发生碳化物和氧化物析出而脆化，还有475脆化。这些脆化叠加，使得铁素体不锈钢焊接接头的塑性和韧性大幅度下降，容易产生脆性裂纹。在有氢存在时，还会产生延迟裂纹。由于氢在铁素体不锈钢中的扩散速度比在碳钢中慢，所以，这种延迟裂纹产生会比在碳钢中慢。3 耐腐蚀性 铁素体不锈钢焊接接头有较大的晶间腐蚀倾向，出现晶间腐蚀的部位是在熔合线附近的焊接热影响区过热区。铁素体不锈钢在高温下晶粒急剧长大，也能加重晶间腐蚀的敏感性，降低接头耐腐蚀性能。因此，应防止焊接接头过热。而为防止焊接接头过热，在铁素体不锈钢焊接时，工艺上宜采用小电流，大焊速，焊条最好不作横向摆动，尽量用窄喊道焊接。多层焊时要注意控制层间温度，待前一道焊缝冷却到预热温度时，再焊下一道。4.2 筒节的装配与焊接4.2.1 工件的装配 焊件的装配不仅要求组件的尺寸与配合符合设计图样的要求，而且要保证接头的装配及定位焊缝的质量符合工艺规范的要求。对于筒节的焊接，可将卷制好的板材放置在滚轮架上，并与其他夹具相配合以保证结构的精度。4.2.2 焊条电弧焊封钝边预热温度：T100焊条：E410-15，4mm焊接工艺参数：焊接电流：100A层数：1层4.2.3 横向焊缝埋弧焊预热温度：T180 层间温度：T=300焊机：MZ1-1000型埋弧焊机，配用龙门式焊接操作机进行焊接焊丝：H0Cr14，5mm焊剂：HJ150焊接工艺参数：直流反接，焊接电流300400A电弧电压4852V焊接速度4050cm/min送丝速度80100cm/min每一层约为8mm厚，每一侧焊3层，正面焊完后背面采用碳弧气刨清焊根后再施焊。底层焊道电压取最低值，焊接速度取最高值。焊接焊缝时，焊缝的两端加引弧板和收弧板，焊接完成后用气割的方法去除引弧板和收弧板。表面补焊用E410-15，4mm焊条4.2.4 焊后处理1 去氢处理：250（12）h，焊后立即进行2 热处理：700730 回火4.2.5 焊后检验100%超声波检验4.3 筒体与封头的装配和焊接4.3.1工件的装配 筒节的对接装配，其要求是保证对接环焊缝和两节圆筒的同轴度误差符合技术要求。对于筒节和封头的焊接，可将工件在辊筒架上进行装配，并与其他夹具相配合以保证结构的精度。4.3.2 Y型坡口的CO2气体保护焊预热温度：T100焊丝：H0Cr14，1.2mm焊接工艺参数：焊接电流：360A电弧电压：34V焊接速度：30m/h焊丝伸出长度：20mm电流极性：直流反接气体流量：20L/min每层约7mm，一共2层。4.3.3 U型坡口的埋弧焊预热温度：T180 层间温度：T=300焊机：MZ1-1000型埋弧焊机，配用龙门式焊接操作机进行焊接焊丝：H0Cr14，5mm焊剂：HJ150焊接工艺参数：直流反接，焊接电流300400A电弧电压4852V焊接速度4050cm/min送丝速度80100cm/min每一层约10mm，一共4层。底层焊道与补强层焊道电压取最低值，焊接速度取最高值。4.3.4 焊后处理1 去氢处理：250（12）h，焊后立即进行2 热处理：700730 回火4.3.5 焊后检验100%超声波检验4.4 人孔的装配与焊接4.4.1 人孔的装配在人孔接管表面和筒体表面画出人孔接管的中心线作为定位线，来确定人孔接管的位置，再以定位焊固定进行装配。4.4.2 装配定位焊预热温度：T100焊条：E410-15，4mm定位焊层数：1层4.4.3 双面J型坡口CO2气体保护焊1) 封底焊丝：H0Cr14，1.2mm焊接工艺参数：焊接电流：360A电弧电压：34V焊接速度：30m/h焊丝伸出长度：30mm电流极性：直流反接气体流量：20L/min2) 环焊缝预热温度：T100焊丝：H0Cr14，1.6mm焊接工艺参数：焊接电流：400A电弧电压：40V焊接速度：30m/h焊丝伸出长度：30mm电流极性：直流反接气体流量：20L/min每层约2mm，一共12层。正面焊完后背面采用碳弧气刨清焊根后再施焊。4.4.4 加强圈I型坡口焊条电弧焊预热温度：T100焊条:E410-15，4mm焊接电流：250A电流极性：直流反接4.4.5 补强圈角接接头预热温度：T100焊条:E410-15，4mm焊接电流：250A电流极性：直流反接4.4.6 焊后处理1 去氢处理：250（12）h，焊后立即进行2 热处理：700730 回火4.4.7 焊后检验100%超声波检验4.5 工艺接管的装配与焊接4.5.1 工艺接管的装配在工艺接管表面和筒体表面画出工艺接管的中心线作为定位线，来确定工艺接管的位置，再以定位焊固定进行装配。4.5.2 装配定位焊预热温度：T100焊条：E410-15，4mm定位焊层数：1层4.5.3 双面J型坡口CO2气体保护焊1) 封底焊丝：H0Cr14，1.2mm焊接工艺参数：焊接电流：360A电弧电压：34V焊接速度：30m/h焊丝伸出长度：30mm电流极性：直流反接气体流量：20L/mm2) 环焊缝预热温度：T100焊丝：H0Cr14，1.6mm焊接工艺参数：焊接电流：400A电弧电压：40V焊接速度：30m/h焊丝伸出长度：30mm电流极性：直流反接气体流量：20L/min每层约2mm，一共12层。正面焊完后背面采用碳弧气刨清焊根后再施焊。4.5.4 焊后处理1) 去氢处理：250（12）h，焊后立即进行2) 热处理：700730 回火4.5.5 焊后检测100%超声波检测4.6 视镜的装配与焊接4.6.1 视镜的装配在视镜侧面和人孔表面画出视镜的中心线作为定位线，来确定视镜的位置，再以定位焊固定进行装配。4.6.2 装配定位焊预热温度：T100焊条：E410-15，4mm定位焊层数：1层4.6.3 焊条电弧焊预热温度：T100焊条:E410-15，4mm焊接电流：250A电流极性：直流反接4.6.4 焊后处理1) 去氢处理：250（12）h，焊后立即进行2) 热处理：700730 回火4.6.5 焊后检测100%超声波检测4.7 支座组焊本课设中压容器采用鞍式支座。在底板上划好线，焊上腹板和纵向立肋，组焊时需保证各零件与底板垂直。然后将弯制好的托板与腹板和纵向立肋组焊，最后，将支座组合件焊在筒体预先划好的支座位置线上。第五章 焊接变形矫正焊接结构生产中，总是免不了要出现焊接变形。因此，焊后对残余变形的矫正是必不可少的一种工艺措施。焊接变形矫正方法分为机械矫正法和火焰矫正法。（1） 机械矫正法 机械矫正法是利用机械力的作用，使焊件产生与焊接变形相反的塑性变形，并使两者抵消从而达到消除焊接变形的一种方法。焊接生产中机械矫正法应用广泛，例如：筒体容器纵向焊缝角变形常在卷板机上采用反复辗压进行矫正。（2） 火焰矫正法火焰矫正法是利用氧-乙炔火焰或其他气体火焰，以不均匀加热的方式引起结构变形，来矫正原有的焊接残余变形的一种方法。具体操作方法是：将变形构件的伸长部位，加热到600800，然后让其冷却，使加热部分冷却后产生的收缩变形来抵消原有的变形。第六章 致密性检验储存液体或气体的焊接容器，其焊缝的不致密缺陷，如贯穿性的裂纹、气孔、夹渣、未焊透等，可用致