卧式储罐焊接结构和基础工艺设计.doc

1 产品介绍工业生产中含有特定工艺功效并承受一定压力设备，称压力容器。贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器均属压力容器。压力容器用途十分广泛。它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济各个部门全部起着关键作用设备。压力容器通常由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分组成容器本体。另外，还配有安全装置、表计及完成不一样生产工艺作用内件。压力容器因为密封、承压及介质等原因，轻易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产安全及污染环境事故。现在，世界各国均将其列为关键监检产品，由国家指定专门机构，根据国家要求法规和标准实施监督检验和技术检验。为确保压力容器安全使用，在制造时就必需根据相关标准、规范，对压力容器原材料和加工制造过程进行严格质量检验，所以，对投入运行压力容器也需要进行定时检验。压力容器检验内容关键有：对材料化学成份和力学性能常规理化检验；对焊接接头多种性能检验；对压力容器各部分存在各类缺点无损检测；用高于操作压力液体对容器进行耐压试验等。质量检验在压力容器制造过程中占关键地位。在有些反应堆压力容器生产周期中，有二分之一时间全部是用于质量检验。筒体是圆筒形压力容器关键承压元件，它组成了完成化学反应或储存物所需最大空间。筒体通常是由钢板卷制或压制成型后组装焊接而成。当筒体直径较小是，可采取无缝钢管制作。对于即轴向尺寸较大筒体，采取环焊缝将多个筒节拼焊制成。依据筒体承载要求和钢板厚度，其纵焊缝和环向焊缝可采取开坡口或不坡口对接接头。对于承受高压厚壁容器筒体，除了采取单层厚钢板制作外，也能够采取层板包扎、热套、绕带或绕板等工艺制作多层筒体结构。封头即是容器端盖。依据形状不一样，分为球形封头、椭圆形封头、蝶形封头和平板封头等结构形式。2 结构计算此次设计容器为卧式压力容器，其容积为。结构设计为筒体和椭圆封头。2.1筒体长度计算 设筒体直径为D， 筒体长度为H=2D， 选择标准椭圆封头， 则其体积可表示为:由此可求得。由以上尺寸将筒体分为三段式，其中每一段长度为，筒体为两瓣组焊而成。2.2容器壁厚计算筒体壁厚计算公式为：式中：为设计压力，依据压力容器设计标准在本试验中其值为 为材料许用应力此次所用材料为1Cr17其屈服极限为，抗拉强度极限为在式中选择作为本材料许用应力。 双面含或相当于双面焊全焊透对接焊缝100%无损检测 =1.0局部无损检测 =0.85不做无损检测 =0.70单面焊对接焊缝，沿焊缝根部有紧贴垫板100%无损检测 =0.9局部无损检测 =0.8单面焊环向对接焊缝（无垫板）局部无损检测 =0.7不做无损检测 =0.6此容器选择焊接方法为双面全焊透，局部无损检测，所以焊缝系数选择为0.85。 实际厚度公式为:为附加壁厚其值为:为板材厚度偏差取为，为材料腐蚀裕量，本结构为微腐蚀其取值为。所以筒体实际厚度为：2.3封头厚度计算椭圆封头壁厚计算公式为：式中K=1；实际厚度为： 2.4标准件选择2.4.1椭圆封头选择以内径为公称直径选择封头，由计算得到封头设计内径为D=1800，依据JB/T 473795椭圆封头标准选择椭圆封头以下图：封头结构示意图（图1）其参数见下表：直径Di厚度高度h1高度h2质量m18002345050900表（一）2.4.2支座选择：卧式容器用支座支撑。其中关键有鞍式支座、圈式支座和腿式支座三种。按座结构和尺寸，除特殊情况需要另设计外，通常可依据设备工程直径选择标准形式支座，现在常见鞍式支座标准为JB/T471292。因为卧式贮运罐对于卧式贮运罐，除了考虑容器重量在壳体上引发弯曲应力，所以，即使选择标准鞍座后，也要对容器进行强度和稳定习性校核。通常卧式容器最好采取双支座。依据容器公称直径DN=1800和鞍式支座标准（JB/T 471292）选择支座结构以下图所表示：支座结构示意图（图2）其具体数据为：鞍座高度250 底板总长L1:1280 筋板厚度 8包角角度 120 垫板厚度8 底板厚度12垫板弧长2100 腹板厚度10 螺栓间距1120 2.4.3视镜选择：视镜标准结构采取带颈和不带颈两种。不带颈视镜结构简单，便于窥视，但缺乏制造经验，轻易引发视镜焊后密封面变形，另外在不宜把视镜直接焊在设备上时，也有带颈视镜供选择。本容器上为带颈视镜(HGJ 502-86).其结构简图以下所表示：视镜结构示意图(图3)3焊接结构制造工艺3.1材料进厂入库检验结构材料和焊接材料验收合格后，应按企业标准，分别存放在金属材料库和焊接材料库。金属材料关键存放多种钢材、有色金属和外购铸、锻件等，不许可露天堆放。不锈钢板、钢管和有色金属材料，应分别单独存放并妥善保管。3.1.1 结构材料预处理 钢材进入车间加工之前进行表面预处理是金属结构制造中最关键首道工序。一搬钢材经过预处理比手工或风动钢丝刷清理钢材耐腐蚀寿命要长5倍多。钢材预处理有机械除锈和化学除锈方法两种。本容器选择GYX-3M钢材预处理装置。利用抛丸机械除锈优异大型设备，钢材经此处理，并经喷保护底漆，烘干处理等工序后，既可保护钢材在生产和使用过程中不再生锈，又不影响机械加工和焊接质量。矫正是利用材料塑性变形能力，在力作用下，使工件得到正确形状过程。钢材矫正分手工、机械、火焰等三种矫正方法。本容器结构所选择钢板厚度为23mm，属于厚板。选择矫正方法为机械矫正，选择矫正机型号为：CDW43S（25x2500）；其具体参数见下表：最大矫平厚度最大矫平宽度最小矫平厚度板材屈服点工作辊辊距工作辊直径工作辊辊数矫平速度主电动机功率25250063602502309790CDW43S板材矫平机数据（表二）3.2 放样、划线和号料放样、划线和号料是决定焊接坯料形状和尺寸公差关键工艺，亦是焊接结构过程关键质量控制点之一。放样是在制造金属结构之前，根据设计图样，在放样平台上用1：1百分比尺寸，划出结构或零件图形和平面展开尺寸。号料和划线采取划针或磨尖石笔、粉线作线。3.2.1 筒节下料 筒节划线是在钢板上划出展开图。筒节展开计算比较简单，即以筒节平均直径为基准。因为钢板在卷板机上弯卷是受辊子碾压，厚度会减薄，长度会伸长。所以，下料尺寸应比计算出来尺寸短部分。筒节展开长按下式计算：式中 筒节展开式， 筒节平均直径， 筒节内径， 板厚， 钢板伸长量，通常所以将数据带入公式可得：因为单个筒节是由两个半圆筒焊接而成，所以筒节下料单个钢板长度为： 其实具体尺寸为（长x宽x高）: 筒节钢板下料选择机械剪切下料。常见机械剪切下料多采取圆板剪和龙门剪板机，而以龙门剪板机应用最为广泛，通常只能做直线剪切。 此次选择剪板机型号为：Q1150 x3200型。其具体参数见下表：最大板厚最大板宽板料强度喉口深度剪切角度可剪次数行程次数飞轮转速刀片长度50320049070054/min8/min82r4080Q11-50x3200型剪板机（表三）3.2.2 封头下料封头展开较筒节复杂，有些封头如椭圆封头、球形封头和折边锥形封头，属于不可展开零件，它们从坯料制成零件后中性层尺寸发生改变，所以这类零件坯料计算较为复杂。本结构选择封头为椭圆形标准封头，其毛坯展开尺寸计算公式为：式中封头冲压成形拉伸系数，通常取0.75；封头因为其尺寸较大，且其形状为圆形，不能使用龙门剪板机。所以对封头切割选择火焰切割。气割机型号为：FG-4000 切割最大厚度切割最大直径切割速度升降速度升降最大距离进给速度回转速度回转角1004000507802800150050780120045封头气割机参数（表四）3.3 成形和弯曲加工大多数焊接结构，如锅炉、压力容器、船舶、车辆、桥梁及起重机很多构件，为了达成产品设计图样形状要求，在焊接之前全部经过成形加工。成形工艺包含冲压、卷制、弯曲和旋压等。3.3.1 筒体卷制成形圆筒形和圆锥形构件，全部是采取不一样厚度钢板卷制而成。卷制成形通常在三辊筒或四辊筒卷板机上进行，实际上是一个弯曲工艺。卷筒能够分为热卷和冷卷。通常对厚度小于60mm钢板可采取冷卷；此次设计容器筒体钢板厚度为23mm，所以选择冷卷。卷板机型号为：CDW11-(数控制上调式)25x4000。其具体参数为：最大卷板宽度最大卷板厚度最小卷筒直径电机功率外形尺寸400025275459x1.6x1.79对称式三辊卷板机参数（表五） 钢板在卷板机上卷制时，钢板两端总有一段长为a直边无法卷制，其长度取决和两下辊中心距。为消除此剩下直边，在钢板卷圆钱应作板边预弯曲。通常采取水压机在专用模具上预弯。3.3.2 封头冲压成形封头成型法关键有冲压成型法、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，生产效率高适适用于批量生产。因为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封头，为了提升材料变形能力，确保封头成型质量，通常全部采取热冲压成型。因为此次所选择封头壁厚为23mm，壁厚较大，所以封头冲压成形选择热冲压一次冲压成形。选择液压机型号为：125T油压机。其具体参数为：工作行程垂直速度空程速度回程速度工作台尺寸使用介质20010801203000x290020号机油油压机参数（表六）3.4 坡口加工焊接接头坡口形状和几何尺寸设计，应遵照以下标准: （1）确保焊接质量 （2）坡口加工简易 （3）便于焊接加工 （4）节省焊接材料 3.4.1 筒体纵焊缝坡口加工筒体是由钢板卷制而成，其边缘部分因为变形和冷作硬化作用其性能已发生改变，不能满足设计要求，应此需将此区域除去。筒节卷制成形后，按图样要求筒体名义直径测量筒节实际周长，并划二次线，割去余量后按焊接工艺要求加工坡口。筒体纵缝焊接采取双面埋弧焊，依据埋弧焊坡口加工要求其坡口形式为双面V形坡口，即X形坡口。具体尺寸以下：纵缝对接坡口（图4）依据具体尺寸，可选择HP-10系列坡口加工机。3.4.2 筒体环焊缝坡口压力容器筒身环焊缝坡口形式，取决于其壁厚及所选择焊接工艺方法。对于薄壁容器，壳体环焊缝多采取V形坡口；而对于厚壁容器壳体环焊缝，为了降低焊缝横截面，通常采取U形坡口。对于此次所设计容器，属于厚壁型。其环焊缝包含筒节对接焊缝和筒体和封头对接焊缝，全部采取相同坡口形式。以下图：环焊缝坡口示意图（图5）该类型坡口可采取半自动切割机加工，生产经验表明，假如坡口加工尺寸不符合图样要求，且严重超差，则必将造成多种焊接缺点形成。4装配和焊接在各类焊接结构生产中，装配焊接是决定产品最终质量关键性工序，是质量确保体系中关键质量控制点。为此，生产企业必需为每一部件编制装配工艺卡，为每一中接头编制焊接工艺规程。4.1部件焊接筒体压力容器结构复杂，拥有较多部件，为了达成设计要求必需采取合理部件焊接次序和总装次序。依据具体要求，此次设计焊接次序为：首先是单个筒节焊接，其次是筒节间对接，然后是筒体和封头连接，最终是接管、支座等相关构件焊接。4.1.1 筒节装配和焊接筒节纵缝焊接工艺方法需依据壁厚和材料本身性能选定。壁厚50mm以下筒节纵缝，通常采取单丝或多丝埋弧焊。此次焊接材料为1Cr17,属于铁素体不锈钢，其具体成份为：CSiMnSPCrNi0.120.751.000.030.03516180.61Cr17化学成份（表七）筒节钢板壁厚为23mm，属于较厚板材，为了确保焊接质量和提升焊接效率，选择埋弧焊作为筒节纵焊缝焊接方法。埋弧焊含有以下优点： 1 焊接效率高 2 焊缝质量优异； 3接头坡口制备简易； 4 改善焊接环境；焊接材料和参数选择影响埋弧焊焊接质量关键参数有：焊接电流、电弧电压、焊接速度、电流种类及其极性等。依据板厚和所开坡口形式，埋弧焊焊接工艺参数为：焊接电流680A ， 电弧电压39V, 焊接速度25m/h, 电流种类为 直流电，极性为直流反接； 在焊缝两端需添加引弧板和收弧板，以取得相同质量焊缝。依据母材成份，和焊缝等强标准，埋弧焊所选择焊丝牌号为：H1Cr17 焊剂牌号为：HJ260 焊丝直径为5毫米。焊机选择为MZ-1000型埋弧焊机。它是依据电弧电压反馈调整原理设计变速送丝式焊机，有交流和直流两种，适合和焊接水平位置会和水平面倾斜小于15度开坡口和不开坡口平板对接、角接和搭接焊缝，借助于轮胎或滚轮架等辅助设备也能够焊接圆筒件内、外焊缝。焊件装配不仅要求组件尺寸和配合符合设计图样要求，而且要确保接头装配及定位焊缝质量符合工艺规范要求。对于筒节焊接，可将卷制好板材放置在滚轮架上，并和其它夹具相配合以确保结构精度。4.2 筒体环焊缝焊接环焊缝包含筒节对接和筒体和封头焊接。因为筒体和封头壁厚材料全部相同，可采取相同焊接工艺进行焊接。 薄壁容器筒体环缝，能够采取焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊机等离子弧焊等。壁厚大于20mm筒体环缝，通常采取埋弧焊，能够达成较高焊接效率。厚壁容器筒体环缝焊接，基础上全部是采取单丝或双丝埋弧焊。 依据筒体材料1Cr17和壁厚23mm，焊缝坡口图5所表示。坡口类型为单侧U形坡口，其正面采取埋弧焊，反面采取手工电弧焊。焊机可和纵缝一样选择MZ1000型埋弧焊机， 埋弧焊丝型号为H1Cr17 焊剂牌号为HJ260焊丝直径为4mm；手工电弧焊焊条型号为 E 34715 牌号为 A137；焊接参数选择为：焊接电流500A ，电弧电压34V，焊接速度40m/h，焊接电源为直流电，采取直流反接。4.3容器壳体接管焊接因为化工工艺步骤或工作介质循环需要，在压力容器壳体上，总需要设置多种不一样直径接管。此次设计卧式储罐上附件关键有：人孔和法兰、进料口、出料口、视镜、液面计等。这些接管焊缝质量往往是决定容器运行特征和使用寿命关键原因之一。所以必需重视接管焊接及相关工序加工。 接管焊接工艺方案有两种：第一个是每个筒节焊接和无损检测合格后，或若干筒节相接并无损检测合格后，进行划线、钻孔、割孔，再装焊接管；第二种是容器壳体总装焊接并无损检测合格后，整体划线、钻孔、割孔再装焊接管。接管组装方案选择，取决于接管数量规格、部署方法，和壳体本身总长和重量；同时也取决于容器生产单位厂房设施、工艺装备和加工能力等。为装焊接管，在筒体或封头上必需按图样所标位置和尺寸划线、开孔。开孔可采取钻削、扩孔、气割、镗孔等方法加工。通常直径在100mm以下管孔，可采取钻、扩加工；而直径在100mm以上则采取手工或自动切割； 接管焊缝接头和坡口形式，取决于容器工作参数。本容器为中压容器许可才用局部焊透坡口形式。 依据以上标准，筒体上接管中直径大于100mm只有些人孔和法兰接管，其公称直径为500mm，接管壁厚为15mm；其它接管直径全部小于100mm； 应此对大直径人孔接管采取马鞍形管自动切割机进行开孔，依据材料和壁厚其坡口形式以下图所表示：人孔接管坡口示意图（图6）因为接管直径较大为了提升生产效率和确保焊接质量焊接采取埋弧焊；对于其它直径小于100mm接管，因为其直径较小，能够采取局部焊透。焊接方法也应选择手工电弧焊，以适应在小范围内焊接。4.4支座组焊本课设卧式设备采取鞍式支座。在底板上划好线，焊上腹板和纵向立肋，组焊时需确保各零件和底板垂直。然后将弯制好托板和腹板和纵向立肋组焊，最终 ，将支座组合件焊在筒体预先划好支座位置线上。5焊后热处理 1Cr17为经典一般纯度高铬铁素体不锈钢，其焊接特点就是在焊接过程中可能造成焊接接头塑性、韧性降低即发生脆化问题，假如在950度以上停留时间果长，会引发烧影响区晶粒急剧长大，造成焊接接头塑性和韧性下降，当接头刚度足够大时，在室温条件下可能出现脆裂。所以要控制高温停留时间，来选择焊接参数。在焊接工艺上应采取以下方法：1、 焊前预热 100200C 左右。2、 焊后热处理 750800C退火处理。3、 采取小热输入。6 焊件质量检验6.1焊接接头无损检测焊接接头无损检测作用，是探测目视检验不能发觉多种缺点。比如：焊缝表层微裂纹，夹渣，和多种内部缺点。焊接接头无损检测方法有:磁粉检测、渗透检测、涡流检测、超声波检测和射线检测等。X射线检测是一个波长短，能量大，穿透能力强电磁波，由胶片观察缺点位置、形状、大小及分布情况；可发觉缺点为：气孔、夹杂物、未焊透、未熔合等。超声波探伤检测利用声波经过对有缺点金属时会有不一样渗透性。依据讯号指示可测定缺点位置、大小和分布情况；可发觉任何部位气孔、夹杂、裂缝等缺点。6.2致密性检验储存液体或气体焊接容器，其焊缝不致密缺点，如贯穿性裂纹、气孔、夹渣、未焊透等，可用致密性试验来发觉。致密性试验法有:水压试验、气压试验和煤油试验。 6.2.1水压试验 水压试验常被用来检验管子、油箱、水箱和多种容器，目标是测定这些容器水密性构件在承受一定压力下致密性。具体方法： （1）用水把容器灌满，并堵塞好容器一切孔和眼，用水泵把容器内水压提升到技术要求要求数值，在此压力下保持一段时间，然后把压力降低到工作压力，用圆头小锤在距焊缝15-20处沿着焊缝轻轻敲打； （2）用水将容器灌满，不加压力，检测是否漏水； （3）在焊缝一侧用高压水流喷射，而在焊缝另一侧观察是否漏水。 若在焊接接头上发觉有水滴或细水纹，则表面焊接接头不致密。 6.2.2 气压试验 （1）将压缩空气通入密闭容器内，在焊接接头表面涂抹上肥皂水； （2）较小容器可全部进入水中； （3）用压缩空气对着焊缝一面猛吹，焊缝另一面涂上肥皂水。当焊缝有穿透性缺点时，容器内气体就会从这些缺点中逸出，使焊接接头处肥皂水起泡或浸在水中容器冒水泡，表面焊接接头不致密。 6.2.3 产品焊接试板力学性能检验按对应标准或产品技术条件要求，截取拉力、弯曲、冲击试样。截取最好方法采取铣、锯等机械加工方法。试样加工和试验，应严格按对应国家标准来实施。 7 焊接结构涂装和发运 焊接结构涂装是成品出厂前最终一道工序。它是在运输、安装和使用过程中，预防大气腐蚀和意外碰撞而受损关键方法。产品涂装不仅决定产品表面质量，而且也能够反应生产单位企业形象。所以，应从涂层选料、颜色、涂刷工艺、和包装设计各方面采取必需方法，确保涂装质量。最终由专职检验员验收入库。 8参考文件【1】中国机械工程学会焊接学会编。焊接手册 机械工业出版社 【2】压力容器制造和修理。压力容器实用技术丛书编写委员会【3】熔焊方法及设备。沈阳工业大学 王宗杰 主编