加氢反应器封头焊接设计讲解.docx
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加氢反应器封头焊接设计讲解
加氢反应器封头焊接设计
1.任务分析
1.1设计背景
从结构形式讲，加氢反应器分冷壁加氢反应器和热壁加氢反应器，20世纪60年代初由于冶炼水平与制造水平有限，加氢反应器多数冷壁结构形式，即在反应器内衬上很厚的大颗粒珍珠岩混凝土保温层以保证反应器壳体的壁温不致过热。
20世纪70年代以后随着技术的不断发展逐渐由冷壁加氢反应器转向热壁加氢反应器。
热壁加氢反应器克服了冷壁反应器的不足，内壁不需要衬保温层，具有有效体积利用率高、施工周期短、生产维护方便、安全可靠等特点，因此为世界各国普遍采用并且向大型化发展。
1.2技术参数
技术特性表
容器类别类
三
设计压力MPa
8.63
设计温度℃
435
操作压力MPa
7.55
操作温度℃
409
公称壁厚mm
78
焊接接头系数
1
腐蚀余量量mm
2
操作介质
催化柴油、焦化柴油
容器规格mm
Φ3613×（78+6.5）×30200
主体材质
2.25Cr-1Mo
1.3结构分析
加氢精制反应器为板焊结构，其内径φ3600㎜，壁厚98㎜，由2节组成；封头内半径1806㎜，壁厚78㎜，总重量170000Kg。
整个容器位于裙座圈上，总高度约13000㎜，容器内壁（该包括封头、筒体、法兰以及接管和弯管）全部堆焊309L+347不锈钢，反应器设有油气进出口、催化剂卸料口、冷氢进口、热电偶口、人孔等接管孔，所有接管均采用整体补强结构，裙座采用对接结构，各接管密封采用八角垫结构，设备上下各有一个弯管。
容器内部焊有凸台（一周），安装有冷氢盘、分配盘等内件。
材料选用15CrMoR
材料
加氢反应器是炼油化工行业中加氢装置的核心设备，工作条件十分苛刻，要求设备既耐高温（约400-450℃）、高压（8-18MPa），还要能抗氢腐蚀，为此，一般选用Cr-Mo耐热钢制造壳体，有的1Cr-0.5Mo或1.25Cr-0.5Mo-Si，但更多的选用2.25Cr-1Mo钢。
2.25Cr-Mo钢材各组分含量
成分
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
含量
0.15%
0.12%
0.54%
0.007%
0.003%
2.23%
0.95%
1.4焊接要求概述
焊接是压力容器制造中的一种主要加工方法之一,如平板拼接、筒节与筒节、筒节与封头、人孔、接管与壳体及法兰的连接,内件的组焊以及支座与壳体的连接等等,大多由焊接的方法完成。
通过分析大量的质量事故使人们认识到压力容器的安全性与材料选择、焊接工艺过程、焊接质量管理有很大的关系。
焊接工艺设计最终产生的焊接工艺文件具有法令性,将成为生产制造活动中所必须遵循的规范和依据。
目前，国内也早就形成了一套较为健全的与焊接工艺规程及评定相关的国标和行业标准，如JBT4708-2000、GB150-1998、JB4420-1986《锅炉焊接工艺评定》、《蒸气锅炉安全技术监察规程》、《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》、JB/T1609-1993《锅炉锅筒制造技术条件》等。
1、焊接环境出现下列任一情况时,须采取有效防护措施,否则禁止施焊
a.风速:
气体保护焊时大于2m/s,其它焊接方法大于10m/s；
b.相对湿度大于90%；
c.雨雪环境；
d.焊件温度低于-20℃。
2、当焊件温度为0～-20℃时,应在始焊处100mm范围内预热到15℃以上。
3、应在引弧板或坡口内引弧,禁止在非焊接部位引弧.焊缝应在引出版上收弧,弧坑应填满。
4、防止地线、电缆线、焊钳与焊件打弧。
5、电弧擦伤处的弧坑需经打磨,使基均匀过渡到母材表面,若打磨后的母材厚度小于规定值时,则需补焊。
6、受压元件的角焊缝的根部应保证焊透。
7、双面焊须清理焊根,显露出正底的焊缝金属.对于自动焊,若经试验确认能保证焊透,亦可不作清根处理。
8、接弧处应保证焊透与熔合。
9、施焊过程中应控制层间温度不超过规定的范围.当焊件预热时,应控制层间温度不得低于预热温度。
10、每条焊缝应尽可能一次焊完.当中断焊拉旮,对冷却纹敏感的焊件应及时采取后热、缓冷等措施.重新施焊时,仍需按规定进行预热。
11、采用锤击改善焊接质量时,第一层焊缝和盖面焊缝不宜锤击。
12、引弧板、引出板、产品焊接试板和焊接工艺纪律检查试板不应锤击打落
2.焊接工艺准备
2.1焊接技术选择
球形封头属于不可展的零件，但生产中冲压加工或旋压加工是毛坯料展开后的图形都为圆形，所以只需要求出展开后的半径或直径即可，采用经验法进行计算
Do=KDm+2h
Do为包括了加工余量的展开直径；K为经验系数
Dm中性层直径；h封头的直边高
经查表，由球形封头a：
b=1，所以K取1.42由于
由总图可知，Dm=3613+78=3691h=0,因此Do=1.42X3691=5167.4mm
由标准钢板的规格限制以及展开计算可以得知，需要多块钢板，因此采用拼焊缝技术，并选用埋弧自动焊。
2.2焊缝坡口的选择和制备
（1）焊接接头坡口形状和几何尺寸的设计，应遵循以下原则：
a.焊缝填充金属尽量少；b.避免产生缺陷；
c.减少残余焊接变形与应力；d.有利于焊接防护；e.焊工操作方便；
f.复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率。
（2）由主材为2.25Cr-1Mo，以及标准抗拉强度，因此采用冷加工方法加工坡口，由钢板的厚度比较大，考虑材料的成本以及毛坯直径过大，应采用单面外向的坡口。
（3）坡口制备
1、碳素钢和标准抗拉强度不大于540MPa的碳锰低合金钢可采用冷加工,也可采用热加工方法置备坡口。
2、标准抗拉强度大于540MPa的碳锰低合金钢、铬钼低合金钢和高合金钢宜采用冷加工法.若采用热加工方法,对影响焊接质量的表面层,应用冷加工方法去除。
3、焊接坡口应保持平整,不得有裂纹、分层、夹渣等缺陷,尺寸符合图样规定。
4、坡口表面及两侧（手弧焊各10mm,埋弧焊、气体保护焊各20mm,电渣焊各40mm）应将水、铁锈、油污、积渣和其它有害杂质清理干净。
5、奥氏体高合金钢坡口丙侧各100mm范围内应刷涂料,以防止沾附焊接飞溅。
6、按焊接技术要求加工坡口，坡口两侧30mm范围内清理污物，然后按焊接工艺施焊；
7、焊条、焊剂按规定烘干、保温;焊丝需去除油、锈;保护气体应保持干燥。
2.3焊接材料的选择
（1）埋弧焊的焊丝主要有实心焊丝和药芯焊丝两种，生产中主要使用前者。
焊丝直径的选取依用途而定，自动埋弧焊一般使用直径为（3-6mm）的焊丝，以发挥埋弧焊大电流和高熔敷率的有优点。
焊丝直径（mm）
1.5
2.0
2.5
3.0
4.0
5.0
6.0
电流范围，A
115-500
125-600
150-600
200-1000
340-1100
400-1300
600-1600
焊丝H08MnA、H08A、广泛用于压力容器等行业，更适用于中、厚板的焊接，三者均属于中锰中硅型焊丝，与中锰、硅的焊剂相匹配，对母材上的锈迹不敏感，焊道成型及脱渣性能优良。
其主要参数如下：
牌号\成分
Mn
C
Si
S
Ni
Cr
H08A
0.30-0.55
≤0.10
≤0.03
≤0.030
≤0.30
≤0.20
H08MnA
0.80-1.10
≤0.10
≤0.07
≤0.030
≤0.30
≤0.20
H10Mn2
1.50-1.90
≤0.12
≤0.07
≤0.035
≤0.30
≤0.20
（2）焊剂根据生产实习指导书表3-1可选HJ101
（3）焊接电源、焊接速度
焊接电源（A）
焊接速度（com/min）
电源类型
300-500
＞100
直流
600-900
3.8-75
直流、交流
＞1200
12.5-38
交流
3.埋弧焊工艺参数的选择
埋弧焊的焊接参数主要有：
焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝直径、电流种类、焊丝倾角和伸出长度等。
1、焊接电流
一般焊接条件下，焊缝熔深与焊接电流成正比。
随着焊接电流的增加，熔深和焊缝余高都有显著增加，而焊缝的宽度变化不大。
同时，焊丝的熔化量也相应增加，这就使焊缝的余高增加。
随着焊接电流的减小，熔深和余高都减小。
2、电弧电压
电弧电压的增加，焊接宽度明显增加，而熔深和焊缝余高则有所下降。
但是电弧电压太大时，不仅使熔深变小，产生未焊透，而且会导致焊缝成形差、脱渣困难，甚至产生咬边等缺陷。
所以在增加电弧电压的同时，还应适当增加焊接电流。
3、焊接速度
当其他焊接参数不变而焊接速度增加时，焊接热输入量相应减小，从而使焊缝的熔深也减小。
焊接速度太大会造成未焊透等缺陷。
为保证焊接质量必须保证一定的焊接热输入量，提高生产率而提高焊接速度的同时，应相应提高焊接电流和电弧电压。
4、焊丝直径与伸出长度
当其他焊接参数不变而焊丝直径增加时，弧柱直径随之增加，即电流密度减小，会造成焊缝宽度增加，熔深减小。
反之，则熔深增加及焊缝宽度减小。
当其他焊接参数不变而焊丝长度增加时，电阻也随之增大，伸出部分焊丝所受到的预热作用增加，焊丝熔化速度加快，结果使熔深变浅，焊缝余高增加，因此须控制焊丝伸出长度，不宜过长。
5、焊丝倾角
焊丝的倾斜方向分为前倾和后倾。
倾角的方向和大小不同，电弧对熔池的力和热作用也不同，从而影响焊缝成形。
当焊丝后倾一定角度时，由于电弧指向焊接方向，使熔池前面的焊件受到了预热作用，电弧对熔池的液态金属排出作用减弱，而导致焊缝宽而熔深变浅。
反之，焊缝宽度较小而熔深较大，但易使焊缝边缘产生未熔合和咬边，并且使焊缝成形变差。
4.焊条电弧焊工艺参数选择
1、焊条电弧焊电源种类、极性和焊接电流的选择
焊条电弧焊采用的电源有交流电源和直流电源两大类，应根据焊条药皮类型和焊条的使用说明来选择焊接电流种类和极性。
选择电流时，要考虑焊条直径、药皮类型、焊件厚度、接头类型、焊接位置、焊道层数等因素。
一般碳钢焊接结构是根据焊条直径来确定焊接电流.
计算经验公式如下：
I=Kd
焊条直径/mm
1.6
2.0-2.5
3.2
4.0-6.0
K
20-25
25-30
30-40
40-50
2、电弧电压的选择
电弧电压是由电弧长度所决定的，弧长是指从焊条端部到熔池表面的距离，电弧电压则是影响焊缝宽度的主要因素。
3、焊接速度
焊接速度主要取决于焊条的熔化速度和所要求的焊缝尺寸、装配间隙和焊接位置等，焊接速度对焊缝外观有直接的影响。
在厚板焊接时，必须采用多层焊或多层多道焊。
在对焊接力学
4、焊接层数的选择性能和致密度要求较高的情况下，要求每层焊道厚度不大于4mm。
5.焊接
5.1预热
1、根据母材的化学成分、焊接性能、厚度、焊接接头的拘束程度、焊接方法和焊接环境等综合考虑是否预热,必要时通过试验确定。
2、不同钢号相焊时,预热温度按预热温度要求较高的钢号选取。
3、采取局部预热时,应防止局部应力过大.预热的范围为焊缝两侧各不小于焊件厚度的3倍,且不小于100mm。
4、需要预热的焊件在整个焊过程中应不低于预热温度。
5、当用热加工法下料、开坡口、清根、开槽或施焊临时焊缝时,亦需考虑预热要求。
5.2封头拼焊
（1）材料2.25Cr-1Mo（钢板）
（2）焊接位置平焊
（3）焊接方法埋弧自动焊
（4）焊材焊丝：
H08MnMoAΦ4。
焊剂：
SJ101。
焊条（装配、点焊用）：
E6015-B3Φ4或Φ5
（5）焊接工序
焊接坡口干磁粉（MT）检测→预热（预热温度≥200℃）→装配、点焊→窄间隙埋弧自动焊→焊接外坡口（层间温度200~250℃）→后热（200~300℃×2h）→24h后无损检测（100％MT+100％UT+100％RT）。
（6）焊接参数
焊接电流I=500~550A；焊接电压U=28~30V；
焊接速度v=360~400mm/min。
5.3封头接管焊接
（1）材料
接管2.25Cr-1Mo（锻件），封头2.25Cr-1Mo（钢板）。
（2）焊接位置平焊。
（3）焊接方法埋弧自动焊
（4）焊材材料
焊材焊丝：
H08MnMoAΦ4。
焊剂：
SJ101。
（5）焊接工序
焊接坡口干磁粉（MT）检测→预热（预热温度≥200℃）→装配、点焊→外坡口埋弧自动焊（层间温度200~250℃）→后热（200~300℃×2h）→24h后无损检测（100％MT+100％UT+100％RT）。
（6）焊接参数
焊条电弧焊
电流IΦ4=170~190A；电流IΦ5=190~210A，；
电压UΦ4、Φ5=22~26V；焊接速度vΦ4=130~150mm/min；
焊接速度vΦ5=140~160mm/min。
埋弧自动焊
焊接电流I=500~550A；焊接电压U=28~30V；
焊接速度v=360~400mm/min。
5.4封头内壁耐蚀层堆焊
（1）堆焊位置平焊（堆焊时将封头放置于变位机上，堆焊时保证堆焊位置始终处于平焊状态）。
（2）堆焊方法埋弧带极堆焊
（3）堆焊材料
封头内壁耐腐蚀层堆焊焊材
堆焊层
焊带牌号
规格/mm
焊带产地
焊剂牌号
焊剂产地
过渡层
309L
50X0.4
进口
HJ107
国产
表层
347L
50X0.4
进口
HJ107Nb
国产
注：
留意因封头是曲面，采用HJ107焊剂与同类型进口焊剂相比，其熔深大，使堆焊层结合面不轻易产生夹渣，堆焊质量好。
（4）堆焊工序
预热封头（预热温度≥150℃）→埋弧带极堆焊过渡层→后热（250~300℃×2h）→堆焊层表面着色检查（PT）→埋弧带极堆焊面层→堆焊层表面着色检查（PT）→结合面无损检测（UT）。
（5）焊接参数
干伸长：
15mm。
焊道搭接量：
6mm。
过渡层：
电流I=700~800A，电压U=30~32V，焊接速度v=175mm/min。
表面层：
电流I=700~800A，电压U=30~32V，焊接速度v=165mm/min。
6.焊后热处理
对焊接后的封头进行热处理
7.焊后检验
（1）焊缝外观及尺寸
（2）产品焊接检查、焊接工艺检查
（3）无损检验
8.焊缝返修
1、对需要焊接返修的缺陷应当分析产生原因,提出改进措施,按标准进行焊接工艺评定,编制焊接返修工艺。
2、焊缝同一部位返修次数不宜超过2次。
3、返修前需将缺陷清除干净,必要时可采用表面探伤检验确认。
4、待补焊部位应宽度均匀、表面平整、便于施焊凹槽,且两端有一定坡度。
9.总结
通过此次课程设计，我学到了很多，对过程设备制造与检测，特别是制造方面的工艺设计认识进一步加深。
虽然说对于这门课程自己还有许多不足，有太多要学习和提高的方面，但通过此次课设中李老师得悉心指导和与同学们得协作交流真正感受到了这门课程魅力。
学习到了如何把书本中学习到得理论知识，应用到实际的过程设备制造与检测中去。
真正感受到了理论与实际，课堂与工厂间的距离。
通过这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神，在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经为技术难点的突破而热情高涨。
生活就是这样，汗水预示着结果,也见证着收获。
在此再感谢李老师的教诲，指出了课设中的不足，与错误。
我相信自己在以后的课程设计吸取经验教训，一定会做出更好课程设计！
10.参考文献
[1] 郑津洋董其伍桑芝富.过程设备设计[第二版].北京:
化学工业出版社,2012-1
[2] 邹广华刘强龙占云.过程装备制造与检测.北京:
化学工业出版社,2011-1
[3] 朱方鸣王志斌.化工机械制造技术.北京:
化学工业出版社,2005-1
[4]王忠诚热处理操作简明手册北京:
化学工业出版社,2008-3
[5]王自明张引无损检测综合知识北京：
机械工业出版社
2005-1
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