中北大学课程设计 中北大学课程设计说明书

中北大学课程设计说明书1前言本次课程设计主要是铜液氨冷凝器外壳的焊接生产工艺设计，包括材料的接工艺设计的步骤，提高分析焊接生产实际问题、解决问题的能力。2焊接生产工艺性分析2.1焊接结构工艺性审查2.1.1产品图样结构审查此次设计的设备为铜液氨冷凝器壳体，筒体直径1400mm，容器总长6152mm，壁厚12mm。产品外观图样如图2-1所示。图主要加工手段为焊接，此外还采用冲压、卷弯、机加工等辅助工艺。焊接方法采用埋弧自动焊，接头形式为对接、角接。2.1.2产品技术特性及检验要求铜液氨冷凝器外壳技术特性如表2-1所示：表名称指标℃℃℃℃2.2母材的焊接工艺性分析第1页共26页中北大学课程设计说明书2.2.115MnNiDR的特性15MnNiDR”是低拼音的第一个字母“R”是容拼音的第一个字母15MnNiDR，交货状态：正火或正火回火，—45度低温冲击。4mm—650mm1500mm—4020mm，长度3000mm—18800mmWT%CSiMnNiNbAlsPS≤0.18、0.15～0.50、1.20～1.60、0.20～0.60、≤0.06、≥0.015、≤0.03、0.012。可广泛油气罐、液化气罐、核反应堆压力壳、锅炉汽包、液化石油气瓶、水电站高压水管、水轮蜗壳等设备及构件。其化学成分和力学性能见表2-2和表2-3所示：15MnNiDR表））CVPS～～～表σb15MnNiDRσs）σ°2.2.215MnNiDR的焊接性分析Ms点附近或200～300℃的温度区间出现。冷裂纹的起源多发生在具有缺口效应的焊接热影响区或有物理、化学性质不均匀的氢聚集的局部地带。Ni使钢的淬透性显著增大，但15MnNiDR钢含碳量低，S、P也被严格控制，故低镍低温钢的冷裂倾向不大。薄板焊时不必预热，厚板则需预热100～150℃。②热裂纹：热裂纹是在高温下产生的，而且都是沿着原奥氏体晶界开裂。有结晶裂纹、高温液化裂纹。母材含杂质（S、P、C、Si）偏高时，特别是硫和磷偏高会使结晶温度区间明显加宽。但15MnNiDRSP也被严格控制，故热裂纹敏感性也不高。Ni使S相，故含镍钢对回火脆性敏感。夹渣等缺陷，且焊接接头（焊缝、热影响区）的低温冲击吸收功很难达到要求。其防治措施主要有以下几种：第2页共26页中北大学课程设计说明书a响区晶粒长大，降低韧性。b焊条或焊丝。c：控制焊后热处理温度，避免产生回火脆性。板厚＞25mm的低温钢焊接结构，焊后应采用消除应力热处理。含有V、Ti、Nb、Cu、N等元素的钢种，在温韧性下降。应合理选择憨厚热处理工艺，以保证街头的低温韧性。d：防止焊接接头的应力集中。低温钢焊接，为保证焊缝质量，防止产生咬边、夹杂、未焊透、裂纹、弧坑、焊瘤和电弧擦伤，表面焊道必须圆滑过渡，重要焊缝应将焊道表面余高磨平，尽量减少应力集中。2.315MnNiDR焊接工艺要点2.3.1焊接方法和焊接材料的选择题：一是要求在马氏体转变时的冷却速度不能太快，使马氏体能有“自回火”作用，以免冷裂纹的产生；二是要在800～500℃之间的冷却速度大于产生脆性混合组织的临界速度。本次焊接15MnNiDR钢采用埋弧自动焊进行对接焊缝和角焊缝的焊接。②焊接材料的选择选择焊接材料时必须考虑两方面的问题：一是不能有缝金属的强度、塑性和韧性等力学性能与母材匹配。a：焊丝的选择在JB4709-2000《钢制压力容器焊接规程》中，未对15MnNiDR钢推荐任何焊材，从15MnNiDR钢的化学成分及性能来看，钢中NiNi可能增大热裂倾向，可从严格控制焊接材料中的C、P、S含量，以及采用合理的焊接工艺条件增大焊缝成形系数等方面来控制热裂纹。根据《焊接手册》的推荐，焊接低温钢可用中性熔炼焊剂配合Mn-Mo焊丝或碱性熔炼焊剂配合含Ni焊丝，也可用C-Mn钢焊丝配合碱性非熔炼焊剂。焊接15MnNiDR这种钢关键是要保证焊缝和粗晶析，焊缝金属的韧性随淬透性的变化而变化，当碳当量Wceq为0.35%～0.40%时降。低合金钢的碳当量公式：Ceq（AWS）=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+（Cn/13+P/2）（%）其次从合金元素方面来分析，碳是钢中最重要的化学成分，也是对钢材性能具有最重要影响的合金元素。当Wc＜0.1%时，Fe-c二元合金在平衡结晶状态C提高其韧性，应适当降低焊缝金属中的含C量。Mn元素即可以溶入铁素体形成置换固溶体，起强化基体的作用，增加钢的强度，细化组织，提高韧性，又可以MnSi可提高强度阻止某些元素的偏析，是焊接低温钢的关键。所以焊丝选择H08Mn2SiA。b：焊剂的选择此次设计选用的焊剂为Hj250。次焊剂属低锰中硅中氟第3页共26页中北大学课程设计说明书低温韧性。2.3.2接头与坡口型式设计焊缝布置与接头的应力集中程度都对接头质量有明显的影响。合理的接头设计应使应力集中系数尽可能的小，且具有好的可焊性，便于焊后检验。一般来说，对接焊缝比角焊缝更合理。同时便于进行射线或超声波探伤，坡口形式以UVV或双U形式的接头或坡口，都必须要求焊缝与母材交界处平滑过渡。本次设计，钢板开V型坡口。坡口形式见下图。2.4母材的焊接性试验对15MnNiDR2.4.1插销试验采用插销试验方法，可以定量测定低温钢焊接热影响区冷裂纹敏感性。插销试件和底板尺寸分别如图2-3和图2-4所示。第4页共26页中北大学课程设计说明书图100-150mm。为获得焊接热循环有关参数（t8/5应事先将热电偶旱在底板焊道下的盲孔中，其深度应与插销试棒的缺口处一致，测点最高温度不低于1100150-100载荷应在1min内加载完毕，此时试棒的温度不应低于100℃。载荷保持16h或24h10Mpa2.4.2焊接热裂纹敏感性试验方法FISCO)焊接裂纹试验方法GB4675.4-84),可用于评定焊条焊缝的热裂纹敏感性。（1）准备试件试件材质与焊件相同，采用原板厚，开I形坡口。采用机械加工方法图第5页共26页中北大学课程设计说明书（2）试验装置如图2-5所示。图（3）试验步骤把试件安装在C形装置中，调好坡口间隙。将螺栓旋紧，4条长约40mm的试验焊缝。10min后，取出试件，沿焊缝弯断，观察断面有无裂纹。（4）计算裂纹率CC=(∑li/∑Li)×100%﹪•式中：∑li—4条试验焊缝上的裂纹长度之和（mm∑Li—4条焊缝的长度之和（mm2.4.3接头机械性能试验（一）焊接接头拉伸试验板接头板形拉伸试样如图3-1所示，至少1个。按GB228-87图可制取正弯、背弯、侧弯试样各不少于1个，纵弯不少于2个。尺寸按GB2649-89GB232-88第6页共26页中北大学课程设计说明书3焊接工艺性评定3.1焊接试件的制备采用刨边机进行坡口加工。清除坡口附近的水、油污、锈渍等杂质。⑴对接焊缝试件的制备采用V形坡口，坡口型式如前图所示。采用埋弧焊接速度等。㈠电源极性埋弧自动焊焊接15MnNiDR钢时应采用直流反接。㈡焊丝直径埋弧自动焊的焊丝直径一般可根据板厚选择。铜液氨冷凝器的壁厚为12-14mm可选Ф4.0mm的焊丝。㈢电弧电压和焊接电流焊接。当电弧电压较高、焊接电流较大时，熔滴呈小颗粒飞落称为颗粒过渡。综上所述，其焊接工艺参数如表3-1所示。表焊接速度/（m/h）36SAW90040Ф4.0（2）角接焊缝试件的制备采用埋弧自动焊焊接，如图3-2所示。其工艺参数见表3-2。表电度流极性直流反接H08Mn2SiA第7页共26页中北大学课程设计说明书图3.2焊接试件试验方法3.2.1拉伸试验GB/T228-2002规定对试件进行拉伸强度试验，如图3-3所示。图3.2.2冲击试验将试样置于低温槽的均温区冷却到-45℃后，保温足够长的一段时间，然后将试样取出进行冲击试验。使用液体冷却介质，保温时间不得少于5min。试样移出冷却介质至打断的时间不超过5s5s则应将试样放回冷却介质重新冷却，保温，再进行试验。采用摆锤冲击试验，其示意图如图3-4所示。第8页共26页中北大学课程设计说明书3.2.3弯曲试验面沿试件宽度方向上所允许出现的裂纹或缺陷不大于1.5不大于3mm。试件如图3-5所示。图3.3工艺评定试验分析（1）无损探伤试验试板焊后经射线探伤，均末发现焊接缺陷。第9页共26页中北大学课程设计说明书（2）接头力学性能根据接头力学性能试验的结果，其接头强度、塑性均能满足规定的标准值。（3-45℃却贝冲击值可以达到规定标准，热影响区-45℃却贝冲击值比规定的标准值要高得多，其冲击值完全可以满足15MnNiDR钢的标准。熔合线的冲击值所反映的是焊缝或热影响区的冲线的冲击韧性应该能获得较为满意的结果。（4个重要问题，而15MnNiDR钢的焊接接头并无软化现象。3.4焊接工艺参数的选择数使保证不出现裂纹和脆化的关键。①焊接线能量温度Tm升高和A以上停留的时间长，从而导致焊缝金属的晶粒就更粗大。线能量较小，焊速过快，焊工操作困难，而且易产生夹渣等焊接缺陷，所以焊接线能量一般应以812kJ/cm为宜。～②预热温度的自回火作用来提高抗裂性能。由于壳体厚度仅12mm，所选用的钢板厚度为12mm，所以不需要预热。15MnNiDR钢调质时的回火温度为640～660焊后退火处理温度，只能是600℃左右。在此温度范围内，焊缝-45℃冲击韧性是可以满足所规定的要求的。4工艺方案的选择第10页共26页中北大学课程设计说明书方案如下：1.根据图样技术要求分别制造各个零部件，可采用锻、焊、机加工等手段，零件制造完成后，需要进行尺寸、质量等检验。2.100%射线探伤或100￥超声波探伤且加70%射线探伤复检。3.设备制造完毕后需要按要求进行22kg/cm水压试验.25主要零件的加工制造5.1筒节的制造工艺流程如下：1.钢板复检：对钢板进行复检，内容包括钢的化学成分、各种力学性能、表面缺陷及外形尺寸（主要是厚度）的检验。一般采用抽检法，抽检的百分比15%。2.面处理。原理：将淬硬钢丸(一般应用锰钢丸,直径为0.8-1.2mm,硬度为HRC47-50),以压缩空气喷出或离心式喷丸机借离心力甩到金属表面,利用钢丸对金属表面的冲击作用使零件表面硬化。钢丸冲击金属表面:第一使零件表面生成0.1-0.4mm深的硬化层,增加零件表面对塑性变形和断裂的抵抗能力,并使表层产生压应力,提高其疲劳强度;第二使零件表面上的缺陷和由于机械加工所带来的损伤减少,从而降低应力集中。3.划线：划线前应展开，可采用计算展开法。具体展开公式如下：L=π（D+δ）+Sg式中L---筒节毛坯展开长度（mm）D---容器公称直径（mm）gδ---容器壁厚（mm）S---mm均需刨边，则取10～15mm。第11页共26页中北大学课程设计说明书坯实际宽度也要包括加工余量S。经查阅资料及计算，如图5-1所示，取划线尺寸为4450×2258（长度×宽度）的坯料。图4.下料：采用气体火焰切割。5.边缘加工：采用刨边机进行钢板的直线边缘加工和开坡口，加工精度高，坡口尺寸准确。坡口型式及加工尺寸如图2-2所示。6.卷制：采用对称式三辊卷板机来卷制钢板。（1）预弯采用对称式三辊卷板机弯卷钢板时，钢板两端各有一平直段无曲率，称为预弯。图5-2所示。图第12页共26页中北大学课程设计说明书（2）对中板料预弯后，放入卷板机上下辊之间进行辊卷前必须使板料的母材与辊的轴线平行，使板料的纵向中心线与辊的轴线保持相互垂直，即对中，其目的是防止钢板在滚卷过程中产生扭斜变形。（3）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。求，不可过卷量太多，因为过卷要比曲率不足难以修正，且易使金属性能变坏。15MnNiDR5-3所示。图7．纵缝装焊：筒节的装配一般在V形铁或焊接滚轮上进行。带Ⅱ铁的螺旋5-4所示。螺旋拉紧器第13页共26页中北大学课程设计说明书图行定位焊。定位焊时，焊点要有一定尺寸，且焊点间距300mm。筒节纵缝采用埋弧自动焊焊焊接，坡口形式与尺寸见图2-2，采用埋弧自动焊机MZ1-1000，其焊接工艺参数见表5-1：表电度流极性直流反接焊后退火温度：600℃左右其焊接工艺卡见附录一。8．矫圆：焊接结束后，在卷板机上进行矫圆，大致可分三个步骤。（1）工件放入卷板机上辊之后，根据计算，将上辊调至所需要的最大矫正曲率的位置进行加载。（2）使工件在矫正曲率下多次滚卷，并着重于焊缝区的矫正，使圆筒曲率均匀一致。经测量，直到合乎要求为止。（3）逐渐卸除载荷，并使工件在逐渐卸除载荷的过程中多次滚卷。9．无损检验：焊缝进行X射线局部无损探伤，探伤长度分别不少于纵环焊缝长度的100%，质量评定按JB4730.2-2005《焊缝射线探伤标准》达到Ⅱ级为合格。10．制孔：须在筒体上开1个Ф89mm的孔。先要进行划线、打标记来确定第14页共26页中北大学课程设计说明书V选用型号为Z3080摇臂钻床钻出。5.2标准椭圆形封头的制造按JB/T4746-2002一个高度为h5-5所示。其型式参数关系为：Di＝4（H-h）DN＝Di图封头外形尺寸如下：公称直径：DN＝1400mm封头壁厚：δa＝14mm直边高度：h＝54mm封头总深度：H＝404mm封头制造工艺如下：1.钢材复检：复检材料成分、规格、牌号。2.预处理：矫正，喷丸处理。3.划线：椭圆形封头毛坯尺寸的计算：1P2(ab)(ab)22224第15页共26页中北大学课程设计说明书式中：P—封头椭圆部分的半周长a—椭圆的长半轴b—椭圆的短半轴。由于a=700mm，b=350mm，得出P=1716.7mm。考虑加工余量后，封头毛坯直径可按下式计算：D=P+2hk+2S00式中：k—封头冲击成形是的拉伸系数，取k=100S—封头边缘加工余量h—直边高度可求得D=1855mm。0综上，在原材料上划一直径为1855mm的圆。4.下料：气体火焰切割。5.热冲压：先加热至1000℃，再1000t水压机压制成形并预留直边加工余量。6.二次划线：量取直边高度54mm划线，同时对Ф89mm的孔划线。7.切割：LGK8等离子弧切割机切出54mm直边。8.钻孔：先用Z3080摇臂钻床钻出Ф20mm的孔。孔位置如图5-6所示。图9.扩孔：用CWC-200扩孔机扩孔至Ф89mm。10.检验：按图样要求检查其尺寸、质量等。其加工工艺过程卡见附录二。5.3管法兰的制造按HG/T20592~20635-2009《钢制管法兰.垫片.第16页共26页中北大学课程设计说明书为带颈平焊法兰法兰，公称通径为1400mm，公称压力为1.6MPa，材料为16Mn，零件形状尺寸见图5-7。缝螺栓孔直径焊缝离法兰面距离d直径×长KHH14M24×190图其具体参数如表5-2所示。表管法兰制造工艺如下：1.材料复检、预处理:与筒体基本一致。2.下料：采用GB4235锯床，从φ1000mm的圆钢上锯取长81mm的一段。3.镦粗：始锻温度1150～1200℃，终锻温度800～850℃，使直径达φ±2mm，厚度达48±2mm。4.垫环局部镦粗：始锻温度1150～1200℃，终锻温度800～850℃，使法兰盘直径达φ1424±2mm，厚度达45±2mm。5.热处理:对其进行600～650℃回火，保温4h,空冷，以恢复组织。6.滚圆修整。第17页共26页中北大学课程设计说明书7.钻孔：用Z3080摇臂钻床钻出φ1400mm孔。8.一次检验：检验锻造后尺寸是否在允许范围，是否存在夹层等内部缺陷。9.粗铣：X5032铣床粗铣两端面各留余量1mm。10.划线：在已铣好的大端面上，画出φ24通孔位置线，并用样冲做好标记。11.钻孔：用Z3080摇臂钻床钻φ24螺栓孔。12.精铣：铣床精铣两端面，不再留余量。13.精车：CA6140车床精车柱面，不再留余量。14.CA6140普通车床修锐边。15.二次检验：对法兰进行表面检验，法兰的表面应光滑，不得有裂纹及其它降低法兰强度或连接可靠性的缺陷。5.4接管的制造取连接上述法兰与对应筒体的尺寸为φ57×（内径×壁厚）的接管为研究对象，进行接管设计研究。采用与母材相同材质的无缝钢管。尺寸与法兰公称直径相匹配，按GB/T8162-2008，其具体参数如表5-3所示。表5其制造工艺过程如下：1.钢管复检：检查钢管材质、圆度、型号。2.预处理：清除管表面杂质。3.划线：在钢管上按需要长度划线4.速加热熔化被切割的材料，并借助内部或外部的高速气流。将熔化的材料排开，直至等离子气流束穿透工件背面而形成切口，从而达到切割的目的。5.车加工：在车床上加工切割断面，使其达到标准要求；6.清理：表面清洗，使其表面不得有油污等杂质；第18页共26页中北大学课程设计说明书7.检验：另取相同钢管，按GB/T3091-2008进行拉伸、弯曲、盛水试漏试验。5.5支座的制造设备采用A5-8GB150.1～150.4-2010《固定式压力容器》和JB-T4710-2005《钢制塔式容器》进行设计。A型腿式支座图1号料1.1按设计图纸、标准图尺寸号料。A型支腿角钢支柱的材料为A3钢，底板材料为A3钢，垫板材料与壳体材料相同。1.2支柱应平直，且无凹坑和损伤等明显缺陷，支柱直线度允差△L≤H/1000。1.31.4角钢垂直度允差按型钢相应标准规定。2下料2.1R=5~10mm圆度过渡。2.2剪切面允许有深度≤1mm的磕痕和厚度≤0.5的毛刺。切割后，材料表面均匀光滑，不得有氧化铁等杂物，不得有沟槽、缺肉等缺陷。3滚制3.1垫板按筒体外径制作。4划线4.1按设计图纸及标准图进行底板、支柱、垫板的划线，底板上划出螺栓孔、底板中心线、支柱安装位置线，角钢支柱上划出90°V型缺槽，接管支柱上划出90°V型缺槽、本身大U型缺槽、底端R3半圆槽。在长条弧板上进行垫板划线，并划出周边圆角。4.2V形缺槽、大U型缺槽的规格、数量，并在基准线、基准圆上打上钢印，以便检查机加工误差。5钻孔、切割第19页共26页中北大学课程设计说明书5.1按划线要求进行钻孔、切割，保证垫板周边圆角。钻孔粗糙度，加工后表面不得有毛刺、铁屑等杂物。5.2V形、U形开槽及垫板表面须均匀光滑，不得有沟槽、缺肉等缺陷，不得有氧化铁等杂物，零件加工边缘的表面粗糙度不得低于Ra50μm。6组对6.1表面打磨干净后，将底板、支柱点焊在一起，待现场焊接。7安装划线7.1按设计图纸进行支座安装方位划线，划出筒体及封头上垫板的安装位置线，为±1mm。6各部件的装焊工艺装配焊接就是将已加工好的零件按图样规定的相互位置加以固定组装成零部件或结构，并焊接成形的过程。采取分部件装配，在装配过程中，允许偏差值要小于2mm。在夹具上定好位置的工件，必须进行夹紧，否则无法保证它的既定位置，过传动机构而使夹紧元件与工件受压面直接接触而完成夹紧。在焊接过程中，由于焊接是局部加热和局部冷却成型过程，局部区域各部分金属处于从液态到塑性状态在到弹性状态的不同状态，并随热源的变化而变焊接应力，使其在焊接后产生较大的焊接应变，这是焊接应力变形的根本原因。在工艺设计中要采用适当的方法去尽量减少焊接应力和变形。减少变形措施有：(1)设计时，避免焊缝的十字交叉，避免其应力集中，保持较好的焊接操作可适性。(2)焊接前采取预热，减缓其冷却速度过大而产生较大的应力。焊接采取了3）焊后采取锤击法，能在金属表面层内产生局部双向塑性延展，补偿焊缝区的不协调应变达到释放焊接残余应力的目的。6.1筒体、封头与法兰的装焊连接，焊缝为角焊缝,焊后进行法兰间的装配。第20页共26页中北大学课程设计说明书3-1，装焊示意图如图6-1所示：图焊接方法采用埋弧自动焊焊，其焊接工艺参数见表3-2。焊缝附近的油污等杂质要清理干净。需要在夹具上采用刚性固定，限制角变形。焊后对焊缝进行X射线探伤。6.2筒体与接管的装焊（1）划线如图6-2所示。图（2量校正。（3）焊接先实施定位焊，应使焊接点对称分布，使工件准确定位。然后采用埋弧自动焊焊进行焊接，坡口形式及尺寸见图3-1，焊接工艺参数见表6-1，装焊示意图如图6-3所示。表表电度流极性直流反接H08Mn2SiA第21页共26页中北大学课程设计说明书图（4）检验检查工件的位置、尺寸精度是否符合技术要求。对焊缝进行磁粉探伤。6.3封头与接管的装焊封头与接管的焊接接头是角接接头，采用埋弧自动焊进行焊接，其焊接工艺参数见表6-1，其坡口形状及尺寸见图3-1，装焊示意图如图6-4。图其装配同接管与筒体的装配工艺。6.4接管与法兰的装焊焊。接管与管法兰的连接采用对口焊形式，如图6-4所示。第22页共26页中北大学课程设计说明书图采用埋弧自动焊进行焊接，焊接工艺参数见表6-1，坡口形状及尺寸见图3-1。焊缝附近的油污等杂质要清理干净，焊接过程稳定。6.5支座与筒体的装焊3-1，采用埋弧自动焊，焊接工艺参数见表6-2。表焊丝直径焊接电流焊接电压V型7产品质量检验本设备按NB/T47003-2009《钢制焊接常压容器》和HG20652-1998《塔器X射线局部无损探伤，探伤长度分别不少于纵环焊缝长度的10%，质量评定按JB/T4730.2-2005《承压设备射线检测》达到Ⅱ级为合格。角焊缝按JB/T4730.1-2005进行磁粉探伤。设备制造完成后进行盛水试漏。7.1表面检验表面检验主要是坡口、焊缝余高、焊缝表面质量检验等。（1）焊接坡口：不得有裂纹、分层、夹渣等。（2）焊缝余高：余高0～2.0mm。（3）焊缝表面质量：不得有裂纹、飞溅物等。第23页共26页中北大学课程设计说明书7.2X射线探伤X射线探伤是利用X射线可穿透物质和在物质中有衰减的特性来发现缺陷。敏度。其一般程序如下：（1）焊缝表面质量检查（2）核对实物与委托单项目（3）机器预热画草图（4）贴片、贴标、屏蔽散射线（5）对位选焦距并开机透照（6）胶片处理（7）底片评定并签发检验报告（8）底片及资料存档。7.3水压试验1.水压试验的程序、步骤方法如下：1）连接。将试压设备与试压的管道系统相连，试压用的各类阀门、压力表安装在试压系统中，在系统的最高点安装放气阀、在系统的最低点安装泄水阀。2）灌水。打开系统最高点的放气阀，关闭系统最低点的泄水阀，向系统灌水。试压用水应使用纯净水。待排气阀连续不断地向外排水时，关闭放气阀。3）检查。系统充水完毕后，不要急于升压，而应先检查一下系统有无渗水漏水现象。4检查，若有问题