锅炉焊接结构.docx

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锅炉焊接结构

焊接结构学课程设计

专业：

材料成型及控制工程

学号：

姓名：

指导老师：

二零一六年六月

锅炉的焊接结构工艺设计

Kjeleprosessdesignsveisetstrukturer

（立式常横水管锅炉）

学院：

材料科学与工程学院

班级：

焊接（3）班

学号：

姓名：

指导老师：

2016年6月

摘要

焊接结构，是指常见的最适宜于用焊接方法制造的金属结构。

由于焊接结构的种类繁多，其分类方法也不尽相同。

例如，按半成品的制造方法可分为板焊结构、冲焊结构等；按照结构的用途则可分为车辆结构、船体结构、飞机结构等等；根据焊件的材料厚度则可分为薄壁结构和后壁结构；根据焊件的材料种类则可分为钢制结构、铝制结构、钛制结构等等。

本次课程设计是围绕工作压力0.4MPa,饱和蒸汽150℃，汽水混合的锅炉进行设计和制造过程。

介绍了锅炉的相关知识，锅炉外径为10000mm，筒身长为3300mm;受热面积12.2m2，炉排面积0.5m2，筒身，封头和加强板材料为Q245R（GB713-2014）。

设计过程中严格按照国家相关规定和行业准则进行设计。

设计包括锅炉壁厚的计算和筒体成形，以及筒体焊接的相关事宜。

焊接后对筒体的焊缝进行了全面的检测。

本课题的研究使我在理论知识上对锅炉有了全面且详尽的了解，在实际应用上也锻炼了我综合运用所学专业基础知识解决实际问题的能力，同时还提高了我查阅文献资料以及办公软件操作等方面的专业能力水平。

关键字：

焊接结构焊接手工电弧焊

一、简介

1.1锅炉

锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。

锅的原义指在火上加热的盛水容器，炉指燃烧燃料的场所，锅炉包括锅和炉两大部分。

锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。

提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。

产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。

1.2立式横水管锅炉

 立式横水管燃煤蒸汽锅炉采用传统的燃烧技术，煤从炉门投入在炉排上燃烧,烟气在炉胆内经横水管交错冲刷.含在烟气中的细小碳黑及灰尘，被多层管束切割落在炉排上重新燃烧,经烟囱排入大气。

二、材料介绍

2.1锅炉材料选择

锅炉压力容器对钢材的性能有特殊的要求：

较高的室温强度，通常以屈服强度极限δs和强度极限δb为设计依据，较大的δs和δb；有良好的韧性性能，材料需具有足够的韧性，防止脆性断裂，在考虑强度的同时不能忽略韧性；较低的缺口敏感性，制造过程中，开孔和焊接会产生局部应力集中，要求材料有较低的缺口敏感性，以防止产生裂纹，良好的加工性能和焊接性能。

选用的材料除了考虑到它的加工工艺性能，还必须考虑它的经济性。

本次蒸气锅炉汽包的设计要求，工作压力为0.4MPa，饱和蒸汽温度150℃，所以要求使用材料具有一定的强度、塑形、韧性、硬度和较高的韧脆转变温度；由于工作介质为汽—水混合物，所以不需要材料具有很高的抗腐蚀能力，综合考虑其焊接性，冷、热加工性、经济性，锅筒、封头、人孔选用Q245R（GB713-2014）钢材，接管材料选用10#钢管。

2.2Q245R钢材和10#钢管的主要化学成分及力学性能

（1）Q245R化学成分与力学性能分析

表2-1Q245R的化学成分/%

牌号

C

Si

Mn

P

S

Q245R

≤0.20

≤0.35

0.5～0.90

≤0.025

≤0.015

表2-2Q245R的力学性质

牌号

断面收缩率ψ/%

σS∕MPa

σb∕MPa

伸长率δ5∕%

冲击韧度∕（AK∕J）

硬度HBS

Q245R

≥55

≥245

≥400

≥25

≥27J

热轧钢156

（2）10#钢管的化学成分与力学性能

表2-310#的化学成分∕%

钢号

C

Si

Mn

P

S

Cr

Ni

Cu

10#

0.07～0.14

0.17～0.37

0.35～0.65

≤0.35

≤0.04

≤0.15

≤0.25

≤0.25

表2-410#的力学性能

钢号

状态

断面收缩率ψ/%

σS∕MPa

σb∕MPa

伸长率δ5∕%

硬度HBS

10#

正火

≥5

≥245

≥410

≥25

未热处理，≤156

2.3设计图样及焊缝位置的确定

图2-1，焊接工艺草图

A类接头、B类接头、C类接头、D类接头、E类接头、

A类接头

全焊透对接焊缝、双面焊缝或单面开坡口

B类接头

全焊透对接焊缝、双面焊缝或单面开坡口

C类接头

局部焊透T型接头

D类接头

插入式接管全焊透T型接头

E类接头

双面开坡口全焊透角焊缝

F类接头

双面开坡口全焊透角焊缝

三、设计计算

3.1主要技术参数

（1）计算压力P=0.4MPa；

（2）最高允许运行温度=150℃；

（3）工质：

汽--水混合物；

（4）外径Da=1000mm；

（5）筒身长度L=3300mm；

（6）筒身，封头，人孔和加强板材料Q245R；接管材料10#（国标）。

3.2压力计算壁厚

筒身壁厚是根据ADB1计算：

Da（外径）=500*2=1000mm；

P（计算压力）=0.4mpa；

S（安全系数）=1.5；

V（减弱系数）=0.85；

C1（壁厚负差补偿）=0.8；

C2（磨损补偿）=1.0；

S=14.2；S取15。

强度特性值按DIN17155（EN10028）确定。

计算中预期壁厚S<30mm；

安全系数根据ADB0表2对轧制和锻制钢取1.5；

说明焊缝中许用的计算应力的使用程度的减弱系数根据HP0表1考虑无损检测的范围取v=0.85；

壁厚的负差补偿对于铁素钢为板的允许负公差。

四、锅炉筒体的成形

4.1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。

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焊条，并按要求做好焊前准备及处理。

4.2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。

4.2.1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。

所以，划线、下料前必须进行钢板的矫平。

4.2.2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再生锈，又不影响机械加工和焊接质量。

4.3成形

（1）卷制前钢板两端应进行预弯，一般预弯宽度应大于选定的卷板机两下辊中心距之半（一般取两下辊中心距之半加50~100mm）。

预弯可在压边机或预弯模上进行。

（2）卷圆时钢板在上下辊之间必须放正，板材边缘与辊筒轴线应严格保持平行。

应采用将板上的标记与辊轴线上的划线标记对正的方法来保证。

（3）卷制大直径薄壁筒节时，必须采用卷板机托架和吊车密切配合的方式避免已弯制的筒节回直或压扁失形。

（4）卷制筒节时，应逐次减少筒体的曲率半径，严禁一次卷板成型。

每一次卷圆的变形量不得超过总变形时的30%。

要利用卷板机上的标尺来估计上辊的下压量。

（5）卷制圆筒过程中，应使用经检验合格的样板来检查筒体的曲率半径。

（6）圆筒卷制成型后，由合格的持证焊工对筒体纵缝进行点焊，点焊要求按焊接工艺。

（7）采用卷板机校圆，在辊筒调至所需矫正曲率半径时进行，要求圆周曲率均。

（8）采用校形机（纵缝矫形机）消除筒体焊缝局部棱角度和局部变形时，应采用逐步变形、校正的方法，并用样板逐次检查。

（9）卷制和成形过程中，应及时清除铁锈杂质和剥落的氧化皮，以防压损设备和筒体。

4.4矫形

（1）筒节端面错口量不得大于1mm。

（2）纵缝棱角度控制采用弦长等于1/6设计内径Di，且不小于300mm的内或外样板检查，其棱角度不得大于0.1δn+2mm，且不大于5mm。

（3）筒节圆度控制，对于筒节同一断面，最大内径与最小内径之差e，应不大于该断面设计内直径Di的1%，且不大于25mm。

（4）对外压容器，圆度的控制应严格满足GB150的相应要求或符合下述规定：

检查采用内弓形或外弓形样板，样板圆弧半径等于设计内半径或外半径（依测量的部位而定），其弦长按工艺卡的规定。

测量点应避开焊缝或其它凸起部位。

采用样板沿壳体外径或内径径向测量的最大正负偏差e应满足工艺卡的要求。

（5）纵焊缝对口错边量控制应符合下表：

表4-1纵焊缝对口错变量

对口处名义厚度过δn

≤10

12≤δn≤50

＞50

错边量

δn/5

≤2.5

δn/16且不大于10

（6）对于分段交货的筒体，其外圆周长允差照下表，但具体数值须保证环缝组对时的对口错边量。

此外，分段处端面平行度应≤1/1000Di，且不大于2mm。

表4-2外圆长允差

公称直径Di＜

800

800~1200

1300~1600

1700~2400

2600~3000

3200~4000

外周长允差

±5

±7

±9

±11

±13

±15

（7）筒节的直线度公差应≤H/1000,且≤10mm（H：

筒节高度）。

（8）卷制成型后的不锈钢筒体必须立式放置在专用场地或架子上，应确保工件不与地面直接接触。

4.5汽包成形后的检验

（1）筒体卷制完成后，内外表面应光滑，无刻痕、压伤、起皱、裂纹、重皮等缺陷。

（2）筒体卷制完成后，按技术条件检验各项参数，并符合技术文件上的各项技术要求。

4.6坡口制备

根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成的一定几何形状的沟槽，就叫坡口。

坡口是主要为了焊接工件，保证焊接度,普通情况下用机加工方法加工出的型面，要求不高时也可以气割（如果是一类焊缝，需超声波探伤的，则只能用机加工方法），但需清除氧化渣，根据需要，有K型坡口，V型坡口，U型坡口等，但大多要求保留一定的钝边。

锅炉承压壳体上的所有A、B类焊缝均为全焊透焊缝。

都要进行无损检测。

为保证焊缝质量，坡口的制备显得十分重要。

坡口形式由焊接工艺确定，而坡口的尺寸精度、表面粗糙度及清洁度取决于加工方法。

筒体纵缝通常可采取刨边、铣边、车削加工、火焰切割等工艺手段来制备。

壳壁开孔可以采用气割、车削、镗、钻等方法。

选择坡口形式和尺寸应考虑下列因素：

（1）焊缝填充金属尽量少；

（2）避免产生缺陷；（3）减少残余焊接变形与应力；（4）有利于焊接防护；（5）焊工操作方便；（6）复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率。

常见的集中坡口形式:

图4-1坡口形式图

综合考虑锅炉选用材料的焊接性，壁厚的因素，环缝焊接采用V型坡口，纵缝焊接采用U型坡口，封头与筒体的焊接采用J型坡口（坡口开在封头上）。

五、焊接

焊接是一种高效、可靠的连接工艺方法，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,都是通过焊接完成。

通过分析大量的质量事故使人们认识到材料选择、焊接工艺过程、焊接质量管理对压力容器的安全性有很大影响。

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。

5.1焊材的选择

根据钢材不同的强度级别选择与母材强度相当的焊缝金属是这类钢焊材选用的基本原则，当然，与此同时还要根据产品的使用条件、产品结构和板材厚度等因素，综合考虑焊缝金属的韧性、塑性和焊接接头的抗裂性。

只要焊缝强度不低于或略高于母材标准抗拉强度的下限值即可。

若选择的焊材焊缝金属强度过高，将会导致接头的韧性、塑性及抗裂性降低，接头的弯曲性能不易合格。

由于这类钢都具有不同程度的冷裂纹倾向，所以，在等强度原则的前提下，严格控制焊材中的氢含量是非常重要的，应尽量选用低氢型的焊材。

对于强度较高的低碳调质钢焊接时，更是如此，甚至要选择超低氢型的焊材，并严格控制焊材的存放和使用。

考虑焊后加工工艺的影响。

对焊后需经热处理、热卷（热弯）的焊件，应考虑焊缝金属经受高温处理作用对其力学性能的影响，应保证焊缝金属经热处理后仍具有要求的强度、塑性和韧性等。

E4315（J427）焊条是低氢钠型药皮的碳钢焊条。

采用直流反接，可进行全位置焊接。

焊接操作须用短弧，以窄焊道为宜。

焊前须经350℃烘干1小时，随烘随用。

X射线探伤合格级别Ⅰ级。

具有优良的塑性、冲击性能及抗裂性能，扩散氢含量≤8ml/100g。

表5-1J427焊条熔敷金属化学成分（质量分数）%

实验项目

C

Mn

Si

S

P

Ni

Cr

Mo

V

Al

Cu

其他

保证值

≤0.12

≤1.25

≤0.90

≤0.035

≤0.040

表5-2J427焊条熔敷金属力学性能

实验项目

Rm（PMa）

ReL（MPa）

A（%）

‐30℃时AKV（J）

保证值

≥420

≥330

≥22

≥27

一般值

460～540

≥340

25～33

80～180

表5-3参考电流（DC+）

焊条直径（mm）

2.5

3.2

4.0

5.0

5.8

焊条长度（mm）

300

350

400

400

400

焊接电流（A）

60～80

90～120

140～180

170～210

220～260

5.2焊接设备

锅炉焊接生产中涉及的焊接设备主要包括焊接电源、焊接小车、伸缩臂式焊接操作机及焊接轮滚架。

弧焊机按产生电流种类不同，可分为直流弧焊机和交流弧焊机两大类。

交流弧焊机实际上是符合焊接要求的降压变压器。

它将220V或380V的电源电压降到60-80V（即焊机的空载电压），从而既能满足引弧的需要，又能保证人身安全。

焊接时，电压会自动下降到电弧正常工作时所需的工作电压20-30V，满足了电弧稳定燃烧的要求。

输出电流是交流电，可根据焊接的需要，将电流从几十安培调到几百安培。

它具有结构简单、制造方便、成本低、节省材料，使用可靠和维修容易等优点，缺点是电弧稳定性不如直流弧焊机，对有些种类的焊条不适用。

直流弧焊机又可分为两类：

直流弧焊发电机和弧焊整流器。

直流弧焊发电机是由交流电动机和直流发电机组成，电动机通过带动发电机运转，从而发出满足焊接要求的直流电。

其特点是能得到稳定的直流电，因此，引弧容易，电弧稳定，焊接质量好，但是构造复杂，制造和维修较困难，成本高，使用时噪音大。

因此，一般只用在对电流有特殊要求的场合。

5.4焊接方法

焊接要解决的问题：

（1）要防止裂纹；

（2）在保证满足高强度要求的同时，提高焊缝金属及热影响区的韧性。

选用手工电弧焊。

5.5焊前准备

（1）焊条的干燥

（2）预热

（3）点固焊

5.6焊接的工艺参数

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。

焊接工艺参数见下表：

表5-4焊接工艺参数

焊缝

坡口形式

焊接方法

焊材规格

预热后热

热处理

检验

A1、A2

（筒体纵缝接头）

埋弧焊（SAW）

H08MnAφ4

HJ431

预热≥120℃后热200-250℃/2h

900-980℃/70min

580-650℃/2.3h

100%RT+

20%UT

B1、B2、B3（筒体环缝接头）

手工电弧焊（SMAW）+埋弧焊（SAW）

E4315φ4

H08MnAφ4

HJ431

预热≥120℃

580-650℃/2.3h

100%RT+

20%UT

C1、C2（人孔和平板的接头）

手工电弧焊（SMAW）

E4315φ4

100%RT+

20%UT

D1、D2（人孔与筒体的接头）

手工电弧焊（SMAW）

E4315φ4

预热≥120℃后热200-250℃/2h

580-650℃/2.3h

100%RT+

20%UT

D3（法兰与筒体的接头）

手工电弧焊（SMAW）

E4315φ4

预热≥120℃

后热200-250℃/2h

580-650℃/2.3h

100%RT+

20%UT

六、无损检测

筒体上的所有对接焊缝，须进行100%的射线检测，按JB4730-94中Ⅱ级为合格，并且须进行20%的超声波复验，按JB4730-94中Ⅰ级为合格。

七、焊后整体热处理

焊后热处理工艺：

（1）焊件进炉时炉内温度不得高于400℃。

（2）焊件升温至400℃后，加热区升温速不得超过5000/δ℃/h（δ----厚度,mm），且不得超过200℃/h，最小可为50℃/h。

（3）焊件升温期间，加热区内任意长度为5000mm内的温差不得大于120℃。

（4）焊件保温期间，加热区最高与最低温度之差不宜大于65℃。

（5）升温和保温期间应控制加热区气体，防止焊件表面过度氧化。

（6）焊件出炉时,炉温不得高于400℃，加热区降温速度不得超过6500/δ℃/h，且不得超过260℃/h。

最小可为50℃/h。

（7）焊件出炉时，炉温不得高于400℃，出炉后应在静止的空气中冷却。

课程设计总结

通过此次课程设计，我对《焊接结构学》的知识学习更加牢固，在压力容器的工艺设计上了解了很多，这对我今后的工作也是有很大的帮助的。

感谢老师的悉心教导，在今后的学习中我也会更加的努力的，也祝愿老师工作顺利，万事如意！

参考文献

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机械工业出版社.2008.4

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机械工业出版社.2004.1.

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化学工业出版社.2014.3

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机械工业出版社.1999.10.