焊接专业--压力容器焊接工艺.doc

1、目 录引言11筒体概况31.1 化学成分和力学性能31.2焊接性分析31.3 焊接方法与焊接材料41.4 遵守的规范和标准42筒体板的备料工艺42.1 备料42.2 材料复验、入库52.3 钢材的预处理5 2.3.1.钢板的娇平. 5 2.3.2钢板的除锈. 63 筒体板的成形工艺73.1 一次号料73.2 一次下料83.3 筒体板的压形93.4 二次号料93.5 二次下料93.6 筒体板的修形104工装夹具.105 筒体的焊接工艺105.1 施焊环境115.2 焊前准备115.2.1 焊接工艺评定115.2.2焊条干燥.11 5.2.3预热.12 5.3焊接工艺.13 5.3.1纵缝焊接参数

2、.13 5.3.2点固焊.14 5.3.3纵缝焊接参数.156焊接顺序及注意事项.16结论.17致谢.20参考文献21 摘 要本次设计中的筒体，其壳板的材质为16MnR，本文对其母材的焊接性做了简要的分析，并在此基础上选择了筒体焊前的预热温度，以及焊接方法和焊接材料。预热温度为120140，焊接方法为焊条电弧焊，焊条为E5015。筒板成形采取局部成形的方法。本文根据筒体上每条焊缝的不同特点，制定了了各条焊缝的具体焊接方法，并选择了焊接工艺参数。筒体组装、焊接之后，需要进行焊后处理，包括无损检测，焊后热处理，以及耐压试验等，本文也都进行了简要的分析和说明，并介绍了相应的处理方法和注意事项。关键词

3、：筒体；成形；组装；焊接；引 言随着现代工业生产的迅猛发展，焊接已成为机械制造等行业中一种越来越重要的加工工艺手段。目前，焊接已广泛用于能源、石油化工、航空航天、原子能、海洋、交通等重大工程项目，同时亦遍及工业生产的各个领域。据报道，各工业发达国家用于焊接结构件的钢材占各国全年钢产量的40%45%，可见焊接技术在工业生产中占有何等重要的地位3。随着焊接技术与材料工程技术以及计算机技术的研发与结合，近年来，国内一些典型的焊接结构件产品不断涌现，并呈逐年递增的趋势。筒体就是其中的典型之一。目前，虽然我国的筒体制造业发展很快，但总体制造水平偏低，某些加工手段及工艺措施还相对保守。但是，其基本制造工艺

4、还是比较稳定的，所以筒体的制造技术应该被广泛的应用，并在原基础上有所突破创新。本次筒体制造工艺设计依据工厂设计图纸和国家相关标准规定进行编制；设计目的是全面了解筒体的制造工艺，使所学到的焊接专业理论知识能够应用到实际生产当中去，并最终完成毕业设计工作。在设计工作过程中，采取“边设计，边学习，边调研，边改进”的“四边”原则，真正做到理论与实际相结合，力求达到学以致用，并为自己日后参加工作，奠定理论知识基础，积累实际工作经验。1 筒体的概况1.1化学成分和力学性能壳板采用16MnR低碳低合金钢，其化学成分和力学性能分别见表1和表2。表1 16MnR的化学成分%钢号CSiMnPS16MnR0.200

5、.200.601.201.600.0350.035表2 16MnR的力学性能钢号板厚mm状态SMPabMPa5%室温冲击功(AKVJ)16MnR3860正火2854906201927（横向）1.2.焊接性分析根据国际焊接学会（IIW）所采用的碳当量（CE）计算公式： （%） （1-1）将16MnR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，16MnR的碳当量CE=0.40%0.46%。当CE=0.40%0.60%，钢的淬硬倾向逐渐增加8，所以16MnR属于有淬硬倾向的钢。但是，当CE不超过0.5%时，淬硬倾向尚不严重，焊接性较好，但随板厚增加需要采取一定的预热措施。筒体壳板厚为

6、48mm，所以在焊接前，为避免出现裂纹，应对其进行预热，预热温度为120140。1.3.焊接方法与焊接材料焊接方法为焊条电弧焊。焊接材料如下：筒体主体焊接采用E5015焊条，筒体附件焊接采用E4303焊条，关于焊条的具体要求见表3。表3 焊接材料表母材焊条规格烘干温度时间筒体板16MnRE50155.0 4.03503801h平台Q235AE43034.01001500.5h1.4.遵守的规范和标准国家质量技术监督局压力容器安全技术监察规程GB1501998钢制压力容器 2 筒体板的备料工艺2.1 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

7、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。筒体板毛坯规格见表4。表4 筒体板的毛坯规格名称材质厚度/mm长度/m宽度/m数量供货状态板16MnR486.22.002正火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E5

8、015焊条，并按要求做好焊前准备及处理。2.2 材料复验、入库无论是筒体用钢板，外购件以及焊材等必须按图纸及相关技术标准进行原材料的复验或外购件的进厂检验，确保原材料的各项性能指标符合要求后方可使用。对筒体壳用钢板的具体要求如下：钢板几何尺寸必须符合计划要求，每块筒体壳板均不得拼接，球壳板的材质为16MnR（化学成分测定和力学性能试验），并要求在正火状态下供货，厚度保证32mm，钢板减薄量不得大于0.25mm，必须符合GB665496压力容器用钢板中的规定，并在交货状态下逐张进行超声波检测，按JB473094压力容器无损检测规定级为合格，并须在-19做V型缺口试验，冲击功不小于20J。当材料经

9、检验合格后，存入仓库，并做好标记，妥善保管。2.3 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。2.3.1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。由于筒体制造所用钢板厚度较厚，所以选用42009辊式中厚板矫平机进行矫平。其矫平原理如图1所示，使板料通过矫平机上的上下两列辊子之间，在辊子压力

10、的作用下，受到多次反复弯曲，整个钢板得到均匀地伸长，使多重原始曲率逐步趋向一致变为单一，并不断减小，最终得到矫平。为了提高矫平效果，可使辊间距离前后不等，前边辊间距离较小，使钢板产生较大的变形，以使弯曲均匀，而后面的辊间距离较大，使钢板的变形逐渐减小和平直，这样一次通过便能达到矫平目的。图1 42009辊式中厚板矫平机原理图2.3.2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

11、再生锈，又不影响机械加工和焊接质量。钢板表面除锈选用GYX3M型钢材预处理装置。其技术特性参数见表5。该装置进行钢材预处理的具体工艺过程为：电磁吊上料辊道输送预热（4050）喷丸除锈清理丸料自动喷漆烘干（6070）轨道输送出料。表5 GYX-3M型钢材预处理装置技术数据项目数据钢板预处理规格/mm宽10003000，厚6600，长240012000焊件输送速度v/m.min-1v=0.84，无级调速年处理量/t2000040000除锈等级SISO5 5900Sa2 1/2（A,B）涂膜等级/m15253 筒体板的成形工艺3.1 一次号料因为筒体为双曲面，是不可能在平面上精确展开的，所以筒体板一

12、次精确下料困难很大，只能先近似展开，即下荒料，在压制成形后再进行二次切割5。一次号料时，将所制作的划线样板放在用于制作球壳板的坯料上，在样板轮廓线的基础上，再向外四周分别扩展150mm,打上下料线。号料要求沿净尺寸向四周内打检查线，距净尺线距离50mm（见图2）。图2 检查线位置示意图3.2 一次下料利用小车式直线气割机（半自动切割机）按照钢板毛坯上的下料线进行切割，若条件允许，且所切筒体板尺寸对称，可采用两台半自动切割机分别沿筒体板两侧同时切割。一次下料前必须经自检、互检、专检三方确认后才能进行施工，并备有记录。3.3 筒体板的压形将一次切割后的球壳板用2000吨油压机进行压形，2000吨油

13、压机的技术参数见表6。压形采取局部成形的方法（见图3），局部成形属于冷压成形，坯料每压一次后向前移动一段距离，注意要留有一定的压延重叠面积，以保证曲率均匀一致，要求一次下压量不要太大，应缓慢压至所规定的曲率严禁采用急剧加工成形，在压制过程中，用内卡样板检查筒体板，合格后方可下胎。当筒体板弦长在2000mm以上时，检查样板弦长不得小于2000mm，当筒体壳板弦长小于2000mm时，检查样板的弦长不得小于筒体板的弦长。样板筒体47.75mm。表6 2000吨油压机技术参数液压系统最高工作压力31.5MPa快速下行速度100mm/s公称压力2000吨加压下行速度23mm/s系统调定工作压力25MPa

14、提升速度80mm/s图3 筒体板曲率允许偏差3.4 二次号料经压制合格后的筒体板下胎后，对其进行二次号料。二次号料时将划线样板放在已成形的筒体板上，根据筒体板的具体形状和技术要求找出基准点和基准线，然后，再按照划线样板的轮廓线和筒体板的基准线划出其他必要的加工线，以保证划线准确性。此外，部分筒体板需要进行钻孔，为确定其准确位置和保证其正确的孔形，须在此时进行人孔的划线号料。3.5 二次下料二次号料的筒体板经自检、互检、专检合格后方可下料切割，并且筒体板的二次切割须在特制的胎具上进行。此时净尺时，同时将坡口按图示要求开好（图4）。坡口可采用半自动气割机配专用靠模进行切割，切割时，要求割炬运动轨迹

15、位于筒体板的圆弧上，并且要求切割坡口的垂直中心线须指向圆心。坡口加工后必须仔细检查其面质量和曲率。坡口表面应符合下面的要求：平面度0.5mm；坡口表面熔渣和氧化皮须清楚干净，并进行100%的渗透探伤检测，不得有裂纹、夹渣和分层等缺陷，按JB4730中的规定进行，合格级别不能低于级。此外，筒体板周边100mm范围内按JB4730-9规定进行100%的磁粉和超声检测，磁粉检测的缺陷累计长度按级验收，超声检测按级验收，检测合格后的焊接坡口表面及其内、外边缘50mm的范围内，应立即涂上专用于焊接坡口的可焊性防锈涂料，焊接时不必除去。图4 筒体板的对接坡口3.6板的修形由于二次搬运、切割造成的筒体板回弹

16、，必须进行筒体板的修形，用加填板的方法进行修整，直到满足设计图纸及施工规范的要求。当筒体板成形后的塑性变形超过3%时，应按焊后热处理规范进行热处理。变形量按下式计算： （4-1） 式中：t板厚（mm）；Rt最终加工半径（mm）；R0加工前半径（mm），平板时为无限大。4.工装夹具小方块均焊在球壳板外侧，焊接位置距球壳板边缘150mm，其相互间距按各带焊缝长度和球壳板厚度而定，在5001500mm范围内。在带支柱的赤道板上划出中心线和定位线后，焊上定位块和马蹄形夹板。工装夹具须焊接牢固，且四周焊满。相关夹具示意图见图5。图5 工装夹具示意图(a) 龙门夹具；(b) 小方块；(c) 马蹄形夹板；(

17、d) 定位块5.焊接工艺5.1 施焊环境当施焊环境出现下列任一情况，且无有效防护措施时，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。5.2 焊前准备5.2.1焊接工艺评定焊接前，应按国家标准钢制压力容器焊接工艺评定GB4708进行焊接工艺评定，并且应按立焊和横焊两种焊接位置分别评定。然后做出有效的焊接工艺评定报告。5.2.2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E5015焊条，烘干温度为350380，烘干时间为1h；对于E431

18、5和E4303焊条，烘干温度为100150，烘干时间为0.5h。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。5.2.3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4。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

19、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。5.3.焊接工艺 5.3.1 1.坡口加工 内筒纵缝坡口 内筒体壁厚为32mm,开X形对坡口，坡口形状如图所示。2.内同环坡口 内筒壁厚为32mm，开X形坡口，其坡口形状如图所示。5.3.2纵缝焊接工艺参数1.点固焊 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

20、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。点固焊接参数如图7，夹套筒节点固焊接参数如图8。点固焊接参数7焊条型号焊条直径mm焊接电流 A电流种类焊缝长度mm 间隔长度mmE50155220直流反接50220夹套筒节点固焊接参数8焊条型号焊条直径mm焊接电流 A电流种类焊缝长度mm 间隔长度mmE43035190200直流反接50200-2. 纵缝焊接工艺参数 筒纵缝采用埋弧焊和焊条自动焊接，先焊内焊缝。用埋弧焊小车进行焊接。才有双面埋弧焊进行焊接。焊丝的伸长度为40mm.。内筒纵缝焊接工艺参数见下表9，夹套纵缝焊接参数见下表10。

21、焊缝焊接材料焊丝直径mm焊接电流A焊接电压V焊接速度cm/min内侧H08MnA+HJ4314380420303240外侧400440303240内筒纵缝焊接工艺参数9焊缝焊接材料焊丝直径mm焊接电流A焊接电压V焊接速度cm/min内侧H08A+HJ4314380420303240外侧400440303240夹套纵缝焊接参数106.焊接顺序总的焊接顺序是：先焊纵缝，后焊环缝；先焊大坡口面焊缝，后焊小坡口面焊缝。7.焊接注意事项坡口处理。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。焊接方法。所有

22、焊缝全部采用焊条电弧焊，焊机选用ZXG - 400型弧焊整流器。焊条选用E5015焊条。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。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。层间温度。在焊接过程中，层间温度不应低于120。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

23、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。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。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

24、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。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。具体要求如下：1.焊接位置要求立焊。2.焊接时，各层之间要错开2030mm，防止接头在一个断面上。3.先焊大坡口面第一层焊缝，焊接时背面成形，尽可能焊透。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。5.大坡口面焊完后，采用碳弧气刨清根，检查合格

25、后再焊接小坡口面焊缝。6.焊接小坡口面时，注意不要产生未熔合或未焊透现象。7. 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。 7.1.1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。7.2 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

26、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。热处理工艺见图5。图5热处理工艺结 论通过以上对板的压制成形、组装、焊接、无损检测、焊后整体热处理等方面的学习与研究，可以初步了解的筒体的制造工艺，拟订制造工艺基本可行。为保证筒体的质量，应注意以下几点： 保证板的成形精度。筒体组装时，严格按照相关标准进行，尽量把各项允许偏差控制在最小范围内。在焊接过程中，严格控制焊接线能量和焊缝的角变形。采用焊条电弧焊时，要求焊工掌握全位置的焊接技能。要求焊前预热，焊后进行整体热处理。目前，国内已经出现了球罐自动焊的先进技术，并积累了一定的经验。但我国筒体行业的整体制造水

27、平较国外相比，还有很大差距，还必须不断努力学习，以提高本国的制造水平。 致 谢在这次毕业设计中，由于各位老师的指导、帮助，才使我的毕业设计顺利完成，在此我向各位老师表示由衷的感谢和崇高的敬意！特别要感谢的是：我的毕业设计指导老师。每周都按时检查我的设计工作，并给予认真、耐心的指导，这使我更明确了毕业设计的思路，从而使毕业设计顺利完成，并达到了预期的效果。再次向闵老师表示感谢！最后，向答辩委员会的各位老师致敬，祝各位老师身体健康，工作顺利。谢谢！ 参考文献1 GB150199压力容器安全检测规程 GB150-19982 JB 4708-2000钢制压力容器焊接工艺评定3 焊接结构生产，邓红军主编，北京：机械工业出版社，2004.14 实用压力容器焊工读本,孙景荣主编,北京,化学工业出版社,2007.15 焊接结构, 田锡唐, 北京：机械工业出版社，1996.106 焊接结构生产及装备,周浩森, 北京：机械工业出版社，1999.107 焊接机构生产工艺 C.A.库尔金等, 北京：机械工业出版社，1995.78 钢制压力容器S.北京：中国标准出版社，2005.