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1、专业课程设计(论文)题 目：锅炉汽包（椭圆形封头）加工工艺设计 学生姓名：张亚斌 院（系）：材料科学与工程学院 专业班级：材料1005 指导老师：李渊博 完成时间：2013.9.16 课程设计任务书题 目锅炉汽包（椭圆形封头）加工工艺设计学生姓名张亚斌学号 201012010503专业班级材料1005设计内容与要求包括：原始数据，技术参数，设计要求，说明书、图纸、实物样品的要求等1设计参数：（设计原始资料见附件）（1）产品主体尺寸：18007650 mm；（2）主体板厚：=16 mm；（3）容器类别：（4）工作压力：2.0 MPa（5）主体材质：16MnR（6）焊接方法：手工电弧焊；埋弧焊；T
2、IG焊；CO2气体保护焊；2依据标准（1）GB150-1998钢制压力容器；（2）JB/T4709-2000钢制压力容器焊接规程；（3）GB985-88气焊、手弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本型式尺寸；（4）GB986-88埋弧焊焊缝坡口的基本型式；等3课程设计内容及要求 （1）编写锅炉汽包的加工工艺流程图； （2）绘制锅炉汽包的焊缝定位编号图； （3）编写锅炉汽包 D2 、 A3 号焊缝的焊接工艺卡； （4）撰写报告。课程设计报告应用A4规格纸打印，也可用蓝色或黑色墨水手写；具体格式参照西安石油大学本科毕业设计（论文）撰写规范。设计报告文字说明部分主要有以下内容：资料综述；设计思路；相应的国家
3、或行业标准；焊接工艺的说明，如：焊接方法的选择、焊接材料的选择、坡口型式的设计、焊缝层数和焊接顺序的设计，以及焊前焊后热处理工艺的说明；在设计中遇到的问题、解决方法、体会等；参考文献不少于5篇。4时间安排 根据本专业的培养计划，本专业课程设计共三周。自9月2日起至9月22日止，第一周查阅资料和熟悉课题设计任务；第二周拟定设计方案；第三周撰写课程设计报告并进行答辩，设计内容及报告应在9月18日之前完成，9月19-20日答辩。起止时间2013 年 9月 2 日 至 2013 年 9 月 22 日指导教师签名2013 年 9 月 2 日系（教研室）主任签名2013 年 9 月 2 日学生签名 201
4、3 年 9 月 2 日目 录1 压力容器.1 1.1 压力容器的概述和用途.1 1.2 压力容器分类.1 1.3 压力容器组成及结构.2 1.4 压力容器的结构形式.2 1.5 压力容器焊接接头分类.32 坡口选择与设计.5 2.1 坡口设计一般遵循以下设计原则.5 2.2 坡口选择标准.63 焊接选择与设计.7 3.1 焊接方法.7 3.1.1 手工电弧焊特点.7 3.1.2 标准与选择.7 3.1.3 埋弧焊的特点.8 3.1.4 钨极氩弧焊的特点.8 3.2 焊接材料.8 3.2.1 手工电弧焊选择原则.8 3.2.2 标准与选择.84 工艺参数的选择.104.1焊丝直径.10 4.2
5、焊接电流.10 4.3 电弧电压.10 4.4 焊接速度.10 4.5 焊接层数及焊接顺序的设计.10 4.6 埋弧焊的工艺参数 .11 4.7 参数选择结果.115 焊后处理和检验.12 5.1 焊后热处理.12 5.2 焊接质量的检验.12 5.3 坡口加工及清根.136 设计总结.147 参考文献.156附录A： 容器装配图.16附录B： 焊缝编号图.17附录C： 焊缝定位编号图.18附录D：工艺流程图.22附录E： 焊接工艺卡1.22附录F： 焊接工艺卡2.23西安石油大学本科毕业设计（论文）1 压力容器1.1 压力容器的概述和用途压力容器广泛地用于化工、炼油、机械、动力、轻工、纺织、
6、冶金、核能及运输等工业部门，是生产过程中必不可少的重要设备。如化工生产中的反应装置、换热装置、分离装置的外壳，流体贮罐，核压力反应堆的压力壳，电厂锅炉系统中的汽包等，都是压力容器。不仅如此，在人们的家庭中，也要用压力容器，如民用液化石油气瓶等。因此，压力容器和工业生产和人民生活有着十分密切的关系。设计好、制造好、使用好、管理好压力容器就显得十分重要。随着科学技术的发展和工业生产规模的扩大，压力容器的尺寸越来越大，操作压力越来越高，操作温度也越来越高（或低），结构形式也越来越复杂。同时，生产中压力容器所处理的介质往往是易燃易爆或有毒的，这些条件很自然地对压力容器的安全可靠性提出了更严格的要求。可
7、以想象，当压力容器一旦发生破坏事故，将对国家财产和人民的生命带来不可估量的损失。因此，要求压力容器的监察管理、设计、制造、和检验人员，必须十分重视压力容器的质量和安全问题，确保容器安全运行。压力容器是焊接结构典型产品,是一种承受气压,液压线气压,液压的重要受压元件，不锈钢容器要承受腐蚀介质的侵入.很多容器是在极其苛刻的条件下运行,工作条件十分恶劣,一旦发生失效破坏造成的事故是灾难性的,会造成重大伤亡与经济损失.所以对压力容器的制造、安装与使用,国家颁发了压力容器安全技术监察教程进行严格控制。规定最高工作压力0.1Mpa，内直径0.15m,且容积0.025m3,工作介质为气体，液化气体，或最高温
8、度高于等于盛装液体标准沸点的容器。同时具备这三个条件，但不应该是核能容器、船舶上的专用容器和直接受火加热的容器（如锅炉），这些例外情况另有相应适用规程。1.2 压力容器分类压力容器的分类方法很多，从使用、制造和监检的角度分类，有以下几种。(1)按工作压力大小分：低压，中压，高压和超高压四类。(2)按容器的设计温度分：低温容器，常温容器及高温容器。(3)按在生产工艺所起的作用分：反应压力容器：用于完成介质的物理化学反应。换热压力容器：用于完成介质的热量交换。分离压力容器：用于完成介质的液体压力平衡缓冲和气体的净化分离等。储运压力容器：用于盛装生产用原料或成品气体，液体和液化气体等。(4)为了更有
9、效地实施科学管理和安全监检，我国压力容器安全监察规程中根据工作压力、介质危害性及其在生产中的作用将压力容器分为三类。并对每个类别的压力容器在设计、制造过程，以及检验项目、内容和方式做出了不同的规定。压力容器已实施进口商品安全质量许可制度，未取得进口安全质量许可证书的商品不准进口。1.3 压力容器组成及结构焊接压力容器的结构形式有多种多样的，其中以单层锻焊式和钢板卷焊式常见，其基本组成如下：筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。(1)筒体：是压力容器重要的组成部分，包括筒体端部、内筒、板层等，是储存物料或完成化
10、学反应所需的空间。(2)封头：也是压力容器的重要组成部分，有球形、椭圆形、碟形等形状(3)法兰：通过螺栓连接筒体和外接的各种管道，并通过拧紧螺栓是垫片压紧而保证容器密封。(4)密封元件：置于两个接触面之间，借助于螺栓的压力使压力容器内的液体或气体密封在容器内不致泄露。(5)开孔与接管：由于工艺要求和检修需要，常在筒体或封头上开孔或安装接管，如物料进出接管等。(6)支座：支承并固定压力容器，有立式和卧式两种形式。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和
11、标准实施监督检查和技术检验。1.4 压力容器的结构形式压力容器按结构形式分为整体式和组合式两大类。整体式容器亦称单层容器，包括钢板卷焊式，整体锻造式，电渣成形堆焊式，铸焊和锻焊式等容器。在石油化工设备中，钢板卷焊式结构应用最广泛。薄壁容器（50mm）的筒体可在普通卧式卷板机上卷制；容器两端的封头可根据封头的形状，直径，板厚和钢材的强度等级等，将预先切割好的圆形钢板坯料，在液压机或旋压机上以冷成形或热成形的方法制成所要求形状的封头。筒节按其直径大小，可由一条或多条纵缝拼焊，筒节之间由环缝连接成筒体，封头和筒体亦由环缝相接。容器上的各种接管和加强圈可采用无缝钢管或锻件以角接环缝的形式与筒体和封头相
12、焊。钢板卷焊式结构容器的优点是制造工艺简单，设备投资费用较低，材料利用率高，生产成本较低，与单层锻焊结构容器和组合式容器相比，制造周期可大大缩短。这类容器的缺点是焊接工作量较大，焊缝无损探伤检验周期较长，同时焊缝缺陷产生的几率相对较大。1.5 压力容器焊接接头分类根据国标GB1501998钢制压力容器，压力容器的焊接接头分成六类，目的是在设计、制造、维修、管理时可以分别对待，从而保证质量。 (1)圆筒部分的纵向接头（多层包扎容器层板层纵向接头除外），球形封头与圆筒连接的环向接头，各类凸形封头中的所有拼焊接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头，均属A类焊接接头。(2)壳体部分的环向焊缝接头，锥形
13、封头小端与接管连接的接头，长颈 法兰与接管连接的接头，均属B类焊接接头，但已规定为A、C、D类的焊接接头除外。(3)平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头内封头与圆筒的搭接接头以及多层包扎容器层板层纵向接头，均属C类焊接接头。 (4)人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头，均属D类焊接接头, 但已规定A,B类接头除外。(5)E类接头包括吊耳，支撑，支座及各种内件与筒体火凤投内外表面相接的接头。(6)F类接头系在筒体，封头，接管，法兰和管板表面上的堆焊接头。焊缝分类：A类焊缝是容器中受力最大的接头，因此一般要求采用双面焊或保证全焊透的单面焊缝；B类焊缝的工作应力一般为A类的一
14、半。除了可采用双面焊的对接焊缝以外，也可采用带衬垫的单面焊；C在中低压焊缝中，C类接头的受力较小，通常采用角焊缝联接。对于高压容器，盛有剧毒介质的容器和低温容器应采用全焊透的接头；D类焊缝是接管与容器的交叉焊缝。受力条件较差，且存在较高的应力集中。在后壁容器中这种焊缝的拘束度相当大，残余应力亦较大，易产生裂纹等缺陷。因此在这种容器中D类焊缝应采取全焊透的焊接接头。对于低压容器可采用局部焊透的单面或双面角焊。接头的基本形式有对接接头、T形（十字形）接头、角接头和搭接接头。对接接头是最基本的一种接头形式，其强度可以达到与母材相同，受力均匀，筒体与封头等重要部件的连接均采用对接接头。厚度小时不开坡口
15、，当厚度超过8mm是要有坡口。T型接头焊缝向母材过渡部分形状变化大,过渡急,在应力作用下力线扭曲很大,应力分布很不均匀,应避免采用单面角焊缝,因为这种接头形式的焊缝根部往往有很深的缺口,承载能力较低。搭接接头形状变化比较大,应力集中比对接接头的情况复杂的多，特别是对于大直径厚壁接管，不合理的接头形式往往成为压力容器提前失效的原因。 2 坡口选择与设计2.1 坡口设计一般遵循以下设计原则（1） 焊缝中填充的材料要少，节省材料。（2）具有好的可达性（即可操作性），这是选择坡口形式的重要条件之（3）坡口的形状应容易加工。（4）便于调节焊接变形，采用不适当的坡口形式容易产生较大的焊接变形。表2-1 常
16、见坡口比较6型坡口带钝边型坡口双Y形坡口坡口面加工简单可单面焊接,焊件不用翻身双面焊,因此焊接焊件须翻身,变形小可单面焊接,焊件不用翻身焊接坡口面积大,填充料少,焊件厚度较大时生产率比Y型高坡口面加工比Y型复杂,但比带钝边的U型坡口简单焊接坡口空间面积大,填充料多,焊件厚度大时,生产率底变形较大坡口面积介于Y与U型之间,因此生产率高于Y型,填料比Y型少焊接变形大坡口面根部加工困难,因此限制了此坡口的推广应用2.2 坡口选择标准 表2-2常见坡口选择38根据GB986-88埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸 表2-3埋弧焊焊缝坡口基本形式和尺寸5综上条件D2带衬板V型坡口A3 I坡口 。形式及尺寸如
17、下: 表2-4坡口尺寸序号坡 口 尺 寸 mm()bPHRD25-156-16A353 焊接选择与设计3.1 焊接方法应根据被焊金属的焊接性，压力容器的结构形式以及焊接生产效率等因素选择与之相适应的焊接方法。表3-1 各类焊接方法特点6焊接方法手工电弧焊埋弧自动焊氩弧焊CO2气体保护焊特点1焊接质量好2焊接变形小3生产率高4设备简单5使用性强，可焊各种位置和短、曲焊缝1生产率高，成本低2质量稳定，成行美观3对焊工操作技术要求低4劳动条件好5适用性差，只焊平焊6设备较复杂1焊接质量优良2小电流时，电弧也很稳定，容易控制背面成行3能全位置焊接4氩气贵，成本高1成本低2生产率高3焊薄板时变形小4可全
18、位置焊5有氧化性6成行较差，飞溅大7设备使用，维修不变应用1单件小批生产2全位置焊3短、曲焊缝4板厚1mm成批生产，能焊长直焊缝和环缝中厚板，平焊1铝及钛合金，不锈钢等合金2打底焊3管子焊接4薄板1碳钢和强度级别不高的普通低合金钢2宜焊薄、中板3.1.1 手工电弧焊特点它是利用电弧产生的热量来熔化被焊金属的一种手工操作的焊接方法。它所需要的设备简单，操作灵活，对空间不同位置采用不同接头形式，各种焊缝均能方便的进行焊接。但它采用手工操作，故生产效率低，劳动强度大。3.1.2 CO2气体保护焊的特点CO2电弧的穿透力强，熔深大而且焊丝的熔化率高，所以熔敷速度快，生产率可比手工焊高13倍。它的焊接成
19、本低，能耗低并且它的适用范围广，不论何种位置都可以进行焊接。薄板可焊到1mm左右，最厚几乎不受限制（采用多层焊）。而且焊接厚板时较之气焊速度快、变形小，并且CO2焊抗锈能力强，抗裂性好，焊后也不需清渣，有利于实现焊接过程的机械化和自动化。3.1.3 埋弧焊的特点埋弧焊的生产率高，一方面因为焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，因此电弧的熔深能力和焊丝熔敷效率都大大提高；另一方面由于焊剂和熔渣隔热作用，电弧上基本没有热的辐射散失，飞溅也小，因而使埋弧焊的焊接速度大大提高。其次，埋弧焊焊出的焊缝质量高。因为熔渣隔绝空气的保护效果好。再次，它的劳动条件好，冶金反应比较充分，组织稳定。但一般仅适用于平
20、焊。3.1.4 钨极氩弧焊的特点钨极氩弧焊是气体保护焊的一种，它的电极是用难熔金属钨或钨的合金棒。电弧燃烧过程中，电极是不熔化的，故易维持恒定的电弧长度，焊接过程稳定。焊接时，电极和电弧区及熔化金属都处在氩气保护之中，使之与空气隔绝。目前钨极氩弧焊广泛应用于飞机制造、原子能、化工、纺织等工业中。由于氩气的保护作用，隔离了空气对熔化金属的有害作用，可焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢、高温合金、钛和钛合金以及难熔的活性金属（如钼、铌、锆）等等。但是，由于钨电极的载流能力有限，电弧功率受到限制，致使焊缝熔深浅，焊接速度低，所以钨极氩弧焊一般只适于焊接厚度小于6mm的工件。根据图样条件，以及综合各
21、个焊接方法的特点，D2（接管与筒体角接）选择手工电弧焊，A3（筒体环缝）选择埋弧焊。3.2 焊接材料3.2.1 手工电弧焊选择原则 1 根据等强度观点,选择满足母材力学性能的焊条,或结合母材力学性能的焊条,或强合母材的可焊性,改用非强度而焊接性好的焊条,但考虑焊缝结构型式,以满足等强度等刚度要求 2 便其合金成分符合或接近母材 3 母材含碳、硫、磷有害杂质较高时，应选择抗裂性和抗气孔性能较好的焊条.建议选用氧化钛钙型,、钛铁矿型焊条.如果尚不能解决,可选用低氢型焊条 4 在承受动载荷和冲击载荷情况下,除保证强度外,对冲击韧性、延伸率匀有较高的要求,应依次选用低氢型、钛钙型和氧化铁型焊条3.2.
22、2 标准与选择 埋弧焊的焊丝与焊剂的选择。 熔焊方法与设备 机械工业大学4 表3-2 埋弧焊常用钢对应焊丝焊剂5 序号使用钢种推荐使用焊丝焊剂焊丝牌号焊剂牌号 1Q215 Q235 10钢H08AHj431Sj501 220钢 20g 22g 20RH08MnAHj431Sj501 焊条电弧焊焊条的选择。表3-2接管16Mn的化学成分CSiMnPS0.13-0.190.20-0.601.20-1.600.0300.030 表3-3 母材16MnR的成分CSiMnPS0.200.20-0.551.20-1.600.0350.030 表3-4 焊条的化学成分2根据条件选择埋弧焊的焊丝是H08MnA
23、， 焊剂是Hj431。手工电弧焊的焊条选择是E5015也称J507 J507是低氢钠型药皮的碳钢焊条。直流反接，可进行全位置焊接。具有优良的焊接工艺性能，电弧稳定，飞溅少，易脱渣，其熔敷金属具有优良的力学性能和抗裂性能，抗低温冲击韧性好。4 工艺参数的选择4.1 焊丝直径焊丝直径的选择见表4-1和表4-2，表4-1和表4-2如下所示。表4-1 焊件厚度与焊条直径的关系4焊件厚度/mm 1.52 34561212焊条直径/mm1.623.23.244545 表4-2 焊条直径与焊接电流的关系4焊条直径/mm22.53.2456焊接电流/A40707090901301402102202702703
24、204.2 焊接电流焊接电流是焊条电弧焊的主要参数，焊工在操作中需要调节的只有焊接电流，而焊接速度和电弧电压都是由焊工控制的。一般情况下，增加电流，可以增加熔深，提高生产效率，但是电流过大会造成咬边、烧穿和严重飞溅，电流过小则电弧不稳定，焊条易粘住焊件或不容易焊透。对于D2焊缝采用的手工电弧焊，依据相关资料，主要参数如下： 表4-3 手工电弧焊参数焊条直径(mm)2.53.24.05.0焊接电流(A)50801001301602102002704.3 电弧电压电弧电压主要是有电弧长度来决定的。电弧长时电压高，反之则低。手工电弧焊掌握适当的弧长对于焊接优质的焊缝是相当重要的。缩短电弧长度可提高焊
25、接电流，拉长电弧会减小电弧的挺度，增大电弧热量的散失，降低熔敷速度，出现未焊透等缺陷。因此焊接时，应在保证不短路时，力求采用短弧。一般情况下，为好，且相应的电弧电压范围为1625V。4.4 焊接速度合适的焊接速度主要取决与焊条的熔化速度、所要求的焊缝尺寸等。手工电弧焊接的速度通常都不超过10m/h，工件越薄，焊接速度越大。4.5 焊接层数及焊接顺序的设计焊缝层数： n=/d （公式4-1）式中：焊板材的厚度，mm；d焊条直径，mm。4.6 埋弧焊的工艺参数 表4-4 埋弧焊单面焊的焊接参数1板厚/mm装配间隙/mm焊丝直径/mm焊接电流/A电弧电压/V焊接速度cm/min93-43 720-7
26、8036-38461044750-82038-40461044820-90039-41381454830-81039-41371654850-92039-41364.7 参数选择结果工件材料板厚焊条直径焊接电压焊接电流焊接速度电流极性坡口形状16MnR/16Mn16mm4mm1625V140210A17cm/min直流反接带衬板V型坡口 表4-5 手工电弧焊工艺参数埋弧焊的焊接工艺参数根据焊接方法及设备 机械工业出版社 王宗杰4 表4-6 埋弧焊焊接工艺参数工件材料板厚焊条直径焊接电压焊接电流焊接速度电流极性坡口形状16MnR/16Mn16mm4mm3941V880920A0.36m/min直
27、流反接带衬板的I型 5 焊后处理和检验5.1 焊后热处理根据国标150.4-2011 热处理 表5-1 需要焊后热处理的焊接接头厚度3对16Mn,16MnR壁厚小于32,小于38（焊前预热100度）不需要焊后热处理。5.2 焊接质量的检验焊接检验包括焊前、施焊过程、焊后三部分。焊前要检验母材、焊接材料、焊接坡口及清理，焊条、焊剂按规定烘干和保温，焊丝需去除油锈，保护气体应干燥。施焊过程中，应该按焊接参数、焊接工艺进行焊接。焊后要对焊接接头进行探伤，通过无损检测、压力试验和致密性试验等方法来测验。无损探伤：压力容器的对焊接头无损检测比例，一般分为全部（100%）和局部（20%）两种。对其A类焊缝
28、接头，进行百分之百的射线或超声检测。对有无损检测要求的角接接头，t形接头，不能进行射线或超声波检测时，应做100%的表面检测。无损检测应在其外观质量检验合格后进行。无损检测的常用方法有：射线（RT）、超声（UT）、磁粉（MT）、渗透（PT）和涡流（ET）。焊缝外观形状检验：焊缝外观形状尺寸检验是用肉眼或者借助样板，或用低倍放大镜观察焊件的外形尺寸的检验方法。在测量焊缝外形尺存时，可采用标准样板和量规。焊接成品的密闭性检验：载水试验，适用于不受压的容器或敞口焊接的密封性试验。试验时，仔细清理容器焊缝表面，并用压缩空气吹净，吹干。在气温不低于0度的条件下，在容器内灌入温度不低于5度的净水，然后观察
29、焊缝，其待续时间不得少于1小时。在试验时间内，焊缝不出现水流，水滴状况渗出，焊缝及热影响区表面无“出汗”现象，即为合格。致密性试验是利用惰性气体对盛装有毒或易燃介质的压力容器整体密封性能所进行的试验方法。锅炉汽包加工在焊接完成后，应检验其气密性和对焊接接头进行探伤。对D2,A3焊缝均进行100的超声探伤，对回收罐进行致密性试验。5.3 坡口加工及清根 对于V形破口的需在内坡口碳弧气刨并打磨直至露出金属光泽。 采用机械加工，其加工精度高，也可采用火焰切割或碳弧气刨。对强度级别高、厚度较大的钢材，为防止其格式产生裂纹，应按焊接的预热工艺进行预热。碳弧气刨的坡口应仔细清除余碳，在坡口两侧约50mm内
30、，应严格除去水、油、锈、及赃物等。D2,A3焊缝的坡口加工刨边机加工后经机械打磨。 6 设计总结 三个星期的课程设计就要结束了。在这三周里我从无从下手到了解掌握，我忽然觉得小有成就，并且在整个过程中了解到了许多以前并不在意的东西，加深了对专业知识的掌握，并对我们专业有了更深的了解，对我今后的学习会起了很好的指导作用。 焊接是一种重要的材料加工工艺。随着人类社会对物质文明的追求、各种新型材料的不断开发及科学技术的不断发展，焊接技术已成为一门独立的学科。它广泛的应用于石油化工、电力、航空航天、海洋工程、核动力工程、微电子技术，桥梁、船舶、潜艇，以及各种金属结构等工业部门。可以预料，在推动我国的经济建设和发展的经济建设和发展科学的事业上，焊接技术将凸显其重要作用。 进入第二周，确定焊缝设计思路时又有了好多问题摆在了我们的面前。焊接方法如何选择？焊接材料有有哪些？这些问题虽然曾在专业课上有所涉及，但是，任务书上任何一条焊缝似乎都超过了课本上的内容，因为课程设计是模拟的实际生产的情况，很多问题对我们来说都是新东西。焊接工艺卡、压力容器等都是以前没接触过的；从各种焊接方法中确定一种合理的方法、从大量焊接材料中选择最适合的那种焊接材料，都是需要查阅大量书籍和相关资料的。这一周基本上从上午八九点到下午五六点都会在查阅相关
