加热器课程设计

1、 辽宁石油化工犬学实习设计本专业班级:姓名：学号：实习、设计名称：耐热钢压力容器（换热器）的焊接生产实习、设计地点：辽宁石油化工大学实习、设计时间:指导教师：成绩： 评阅人:刖言为强化所学专业知识，使之能融会贯通，学以致用，所以进行了此次课程设 计，用以提升学生专业能力，为不久的就业工作做准备。本次课程设计是对压力容器的焊接结构生产进行分析设计，以15CrMoF珠光体耐热钢作为母材，对换热器（加热器）的筒体环焊缝的焊接生产进行分析研究。 此次设计涉及多种焊接相关知识，如焊接结构、焊接材料、焊接方法、焊接工艺 制定及焊接工艺卡的编制等各方面内容，较为全面的概括了所学的知识，使之与 生产实践相接轨

2、，所以做好此次设计能为以后的工作打下良好的基础。在设计过程中，本人在图书馆参阅了相关的许多资料与书籍，并得到了郭淑娟老师、严伟老师的指导与帮助，对此，作者表示深切的谢意。鉴于编者水平有限，本次设计中难免会出现一些错误和需要改进的地方，恳请指导老师批评指正。2011年10月目录1、课程设计目的与要求 222222222222222222222222222222222222222222 5设计目的2 2222222222222222222222222222222222222222222222222222 5设计要求2 2222222222222222222222222222222222222222

3、222222222222 52、换热器（加热器）的简介 22222222222222222222222222222222222222 6换热器的分类2 2222222222222222222222222222222222222222222222222 61.2填料函式换热器（加热器）的结构原理2 222222222222222222222222222 63、母材的焊接性分析 222222222222222222222222222222222222222222222 815CrMoR 钢的化学成分及分析2 2222222222222222222222222222222222 815CrMoR 钢

4、的焊接性分析2 222222222222222222222222222222222222222 8淬硬性2 22222222222222222222222222222222222222222222222222 9再热裂纹倾向2 22222222222222222222222222222222222222222222 9回火脆化2 22222222222222222222222222222222222222222222222 104、 焊接工艺-2222222222222222222222222222222222222222222222222222 12焊接方法的选择2 222222222222

5、2222222222222222222222222222222222 12焊接材料的选择2 2222222222222222222222222222222222222222222222 12焊接参数的选择2 2222222222222222222222222222222222222222222222 13坡口的选择与制备2 22222222222222222222222222222222222222222222 13焊前准备2 2222222222222222222222222222222222222222222222222222 14焊前预热2 22222222222222222222222

6、22222222222222222222222222222 14焊后热处理2 22222222222222222222222222222222222222222222222222 15焊后检测2 2222222222222222222222222222222222222222222222222222 15结论 22222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 16 课程设计总结 222222222222222222222222222222222222222222222222222217附录 22222222222222

7、222222222222222222222222222222222222222222222222 19附录 A 焊接工艺规程2 2222222222222222222222222222222222222222222222 19附录 B 焊接工艺卡2 222222222222222222222222222222222222222222222222 22参考文献 222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 241、课程的设计目的与要求1.1设计目的分析设计以珠光体耐热钢15CrMoF为母材的填料函式换热器（加热器）筒 体环焊缝

8、的焊接生产。1.2 设计要求（1）结构名称：加热器（2）壳程壁厚：30m m；管程壁厚：16mm（3）筒体直径：500mm（4）壳体材质：15CrMoR图1-1加热器简图2、换热器（加热器）的简介1.1换热器的分类列管式换热器种类很多，根据结构特点的不同可分为固定管板式、浮头式、u型管换式和填料函式等。1.2填料函式换热器（加热器）的结构原理填料函式换热器属于列管式换热器，它的组成主要有筒体、封头及接管、法 兰、管束，管板，耳座等组成，其中筒体、封头，接管是换热器压力容器制造的 关键部分。管板式是列管式的基本形式，故以固定管板式为例来说明填料函式换 热器（加热器）的结构原理。怵人流体歼箱 接n

9、s僭板2传馆管折流梅工作原理和结构图1 固定管板式换热器为固定管板式换热器的构造。A流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入, 通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流体,热量便通过管壁由A流 体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和 管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体（A流体）。管子和管箱以内的区域称为管程，通过管程的流体称为管程流体（B流体）。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形；管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布 置有等边三角形、正方

10、形、正方形斜转 45和同心圆形等多种形式，前 3种最 为常见。按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗， 流体阻力也较大。管板和管子的总体称为管 束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束中横向设置一些折流板， 引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管 子起支承作用。折流板的形状有弓形、 圆形和矩形等。为减小壳程和管程流体的 流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板， 将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。管壳式换热器的传热 系数，在水-水换热时为14002850瓦

11、每平方米每摄氏度W/(m(C);用水冷 却气体时,为10280W/(m(C);用水冷凝水蒸汽时,为5704000W/(m(C)。填函式换热器 图5 填函式换热器为填函式换热器的结构。管束一 端与壳体之间用填料密封。管束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法 兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后，可将管束抽出壳体外，便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。 由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低；但填料处容易渗漏，工作压力和温度受一定限制，直径也不宜过大。3、母材的焊接性分析3.1 15CrMoR钢的化学成分及分析依据GB71

12、2008可查得15CrMo岳冈板化学成分如下:表3-1 15CrMoR钢板化学成分(质量分数)()牌号化学成分(质量分数)(%)CSiMnMoCrPS15CrMoR0.120.180.150.400.400.700.450.600.801.20 0.025 0.010由表3-1中可以看出15CrMoR冈的化学成分，根据国际焊接学会(IIW)推荐的反映低合金钢淬硬和冷裂倾向的公式：CE(IIW) =( C + Mn /6+ (Cr+ Mo+ V) /5 +(Ni+ Cu) /15计算出15CrMo钢碳当量值Pcm在0.4370.657之间。根据有关资料得知：当PcmW0. 4时.焊接时基本无淬硬

13、顺向，焊接性良好.不须采用预热和严格控制焊接线能量等措施；但是当0.4 0.5时，淬硬颇向显著.冷 裂倾向随之增加.为避免冷裂纹.应严格控制焊接工艺。根据 JB/T4709-2000钢制压力容器焊接规程常用钢号推荐的预热温度、层间温度和施焊环境等因 素综合考虑，15CrMoR的焊接预热温度设定为150C，选择200C,层间温度保 持在250350E之间。3.2 15CrMoR钢的焊接性分析15CrMoF珠光体耐热钢的焊接具有以下特点：首先它具有很大的淬硬倾向。在焊接热循环决定的冷却速度下，焊缝金属和热影响区内可能形成对冷裂纹敏感 的显微组织：其次，15CrMo珠光体耐热钢中含有Cr、M(等强碳

14、化物形成元素从而使接头的过热区具有一定程度的再热裂纹敏感性。 最后，某些耐热钢焊接接头， 当有害的残余元素总含量超过容许极限时会出现回火脆性或长时脆变。淬硬性15CrMo钢中的主要合金元素Cr和Me显著提高了钢的淬硬性,Mo的作用比Cr 纟勺大50倍。这些合金元素推迟了冷却过程中的转变,提高了过冷奥氏体的稳定性。在焊接过程中，热输入过小时，易出现过硬组织;热输入过大时，焊缝金属 及热影响区晶粒显著变粗。两者明显降低了焊缝金属及热影响区的塑韧性。为了 解决这一问题，通常采用较小的焊接线能量，同时又采取适当的预热、后热措施。 因此，根据现场实际情况决定采用火焰加热进行焊前预热.纵缝用乙炔焰直接加热

15、环缝采用钢管钻眼喷焰的方法。再热裂纹倾向再热裂纹倾向主要取决于钢中碳化物形成元素的特性及其含量以及焊接热 规范。如下图所示：图3 100 1 2Cr、Mo V合金元素对钢材再热裂纹敏感性性的影响0.0Nb 407Ti r7 /I1I11iIVL-L7525热处理温度对再热裂纹敏感性的影响(钢的基本成分(质量分数)：C0.16%,Cr0.99%,Mo0.46%,M n0.60%)为防止再热裂纹的产生，应采取如下措施：严格控制母材和焊材的合金成分,特别是要将V, Ti,Nb等合金元素的含量 严格控制到最低程度。选用高温塑性优于母材的焊接材料。采取焊前预热，焊后保温缓冷(后热)的措施。采用较小热输入

16、的焊接工艺和方法，减小焊接过热区宽度，细化晶粒。选择合理的热处理制度，避免在敏化温度区间停留较长时间。3.2.3回火脆性Cr-Mo钢及其焊接接头在370565 C温度区间长期运行过程中发生渐进的 脆变现象称为回火脆性或长时脆变。15CrMoF钢的回火脆化与其杂质含量有着密 切关系,如P,As,Sb和Sn沿晶界的扩散偏析，其综合影响可以以脆性指数 匚来表 征。对于焊缝金属，可按下式计算：X = （10P+5Sb+4S n+As/10（“i）】指数不应超过20对于母材还应考虑Si、Mn等元素的影响，并引用J指数评定钢材的回火脆 性J=（Mn+（Si）3（ P+Zn）3 “如果J指数超过150,则说

17、明该种钢具有明显的回火脆性应严格控制钢中的P, As, Sb, Sn 等杂质,同时降低焊缝金属中的Si, Mn 等元素的含量，是解决回火脆性的有效措施。4、焊接工艺4.1焊接方法的选择由于壳程筒体直径较小，焊工无法钻入筒体内焊接，故壳程筒体纵、环缝只 能从外侧施焊。在筒节对接焊中，打底层焊缝的质量，要求焊缝背面熔透、平齐, 即单面焊双面成形，还要求焊缝背面的熔渣冲洗干净， 否则会危及容器的安全运 行。为此，采用直流正接手工乌极氩弧焊（简称TIG焊）打底的工艺。其特点是：焊接底层时，一般无需预热；焊接速度快，热应力小；坡口内壁平齐 无焊瘤；坡口内干净无渣；焊缝含氢量低，抗裂性好。填充焊和盖面焊可

18、采 用传统的手弧焊，其所需焊接设备简单、易于操作、灵活性好、工艺性强。4.2焊接材料的选择与成分焊接材料选择原则应是焊缝金属的合金成分与强度性能基本上与母材相应 指标一致。由15CrMo钢的焊接性分析和JB/T4709 2000钢制压力容器焊接规 程选用与之相匹配的国产焊丝 H13CrMoA （符合GB/T 149571994）和国产焊 条R307（GB/T 51181995）, 其化学成分见表3。表41焊材化学成分（质量分数）（）CMnSiMoCrSPR3070.05 0.90 0.60 0.035 0.0351.00 0.403.2 mm0.121.500.65R3070.05 0.90

19、0.60 0.035 0.0351.00 0.404.0mm0.121.500.650.11 0.40 0.15 0.0300.0300.80 0.40H13CrMo0.160.700.351.10A0.604.3焊接参数的选择依据顾钰熹编特种工程材料焊接所选焊接参数如下表42钨极氩弧焊封底规范参数焊道数钨极填充丝直径(mm焊接电流(A)电弧电压(V氩气流里(L/min )喷嘴到焊件距离(mm焊速(mm/min)牌号直径(mm1WTh153.02.55510 1210 15810100161250表43手工电弧焊填充、盖面工艺参数焊道数焊条直径/mm焊接电流/A焊接电压/V焊接速度mm/min

20、全位置(筒节水平固定)23.285 10521 2490110344.010512522 25120140其余4.012515022 251201404.4坡口的选择与制备由所提供母材可知可知筒体的厚度是 30m m,环缝对接，由焊接手册第1 卷可设计出坡口的形状及尺寸。如下图所示图3-1：壁厚30mm所选择的坡口是VY形坡口，角度与竖直方向 分别成6070、810钝边高度为2mm，根部间隙选择2mm，圆角半径5mm2&VY60-XiIT1船U LJV07IF6-K环缝坡口加工采用刨边机进行刨削，刨削进刀量不能太大，以保证坡口表面无撕裂小裂纹。刨削过程中要及时清理铁屑，防止划伤钢板。刨削完毕，

21、采用磨光机打磨坡口表面，并进行着色检测，无任何缺陷为合格。焊前坡口用磁粉探伤方法检查表面是否有裂纹。应将坡口表面及其两侧各宽20mn范围内的水、铁锈、油污、积渣和其它杂质清除。用履带式电加热器进行预热，温度达到150 C 时,用岩棉包扎恒温15 min立即用履带式电加热器升温到(300 5) C,用岩 棉包扎恒温2h后,缓慢冷却到室温。4.5焊前准备焊前对焊条应进行350r400r烘焙，并保温12h,然后放在保温筒内保 存温度为127150r，随用随取；焊丝要用砂纸进行除锈，表面用丙酮除油，使 用时要尽量保持干燥、无杂物。焊前在接头坡口边缘两侧各20mr范围内除净油、锈等杂物。 定位施焊前要进

22、行预热，预热范围在坡口两侧 150200mm预热温度用数 字式测量仪测量，定位焊采用钟点式定位焊顺序。4.6焊前预热由于珠光体耐热钢中除了含有碳元素以外，还含有一定数量的铬、钼、钒、 钨、硅、钛、硼等元素，在焊接热循环的作用下热影响区和焊缝中都可能产生淬 硬组织和冷裂纹。为了减慢焊接冷却速度，珠光体耐热钢焊接时一般均采用预热。 预热能降低冷却速度，避免减少淬硬的马氏体组织，从而减少因马氏体转变而产 生的组织应力等。因此，预热是防止冷裂纹的一种有效的工艺措施。预热和层间， 温度已趋于规范化，在JB1613-81锅炉受压元件焊接技术条件中规定了锅筒 和管子接头等的预热温度。15CrMoR耐热钢的预

23、热温度在200E250C，层间 温度应控制在150C350E之间。4.7焊后热处理对于低合金耐热钢来说，焊后热处理的目的不仅是消除焊接应力，而且更 重要的是改善金属组织，降低焊缝及热影响区硬度，提高接头的高温蠕变强度和 组织稳定性，达到提高接头的综合力学性能的目的。由于低合金耐热钢在370565 E温度区间长期运行过程具有回火脆性，因此在选择热处理工艺时一定要避 免在此温度区间长时间停留。焊后要进行消除应力整体热处理，由于热处理的温度与 Cr-Mo钢的力学性 能有关，接头塑性随回火时间的延长而增加，强度相应下降，故在热处理过程中， 升温速度要保持u 1.5h参6.冷却速度 V 90 C /h数7.出炉温度 -8.其他要求-焊1.预送气时间 25s接2.电流递增时间-时3.焊接时间-间4.电流衰减时间-参5.填补弧坑时间-数6.延迟断气时间5.0s1.焊接位置/操2.横摆参数作3.填丝方式技4.焊缝层数术5.焊接顺序6.清根方式7.锤击方式8.其他平焊 立焊一横焊仰焊 -全位置焊横摆幅度摆动速度-两侧停留时间-自熔 一 填丝 一V 丝径一2.5mm多层多道焊先