换热器的焊接性分析与工艺过程设计.docx
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换热器的焊接性分析与工艺过程设计
目录
摘要...................................................................3
Abstract...............................................................4
1前言.................................................................5
1.1压力容器用钢的发展...............................................5
1.2压力容器焊接工艺方法的新发展.....................................6
1.2.1厚壁壳体窄间隙埋弧焊技术...................................6
1.2.2接管、法兰药芯焊丝气体保护堆焊技术.........................7
1.2.3壳体内壁带极堆焊技术.......................................7
1.3焊接机械化与自动化的发展.........................................7
1.3.1厚壁压力容器对接接头的全自动焊接装备......................8
2产品结构及材料性能分析..............................................8
2.1产品介绍........................................................8
2.2母材性能分析....................................................9
2.2.116MnR的焊接性分析........................................9
2.2.220g的焊接性分析..........................................11
2.2.310MoWVNb的焊接性分析.....................................11
3产品结构应力分析....................................................12
3.1ANSYS软件模拟步骤...............................................12
3.2产品强度校核....................................................13
4焊接工艺方案的选择..................................................14
4.1焊接方法的比较..................................................14
4.1.1埋弧焊的特点..............................................14
4.1.2CO2保护焊的特点...........................................15
4.1.3手工电弧焊的特点..........................................15
4.2焊接工艺方案的选择..............................................16
4.2.1环焊缝焊接工艺方案的选择..................................16
4.2.2筒节纵焊缝焊接工艺方案的选择..............................17
4.2.3浮头盖与斧头法兰环焊缝的焊接工艺方案的选择................17
4.2.4管板堆焊的焊接工艺方案的选择..............................17
4.2.5管板与换热管的焊接工艺方案的选择..........................18
5焊接工艺评定........................................................18
6产品制造规程的设计..................................................19
6.1装焊工艺流程图的编制............................................19
6.2产品零件加工工艺过程设计........................................19
6.2.1封头加工工艺过程设计......................................19
6.2.2筒体加工工艺过程设计......................................22
6.3装焊工艺过程设计................................................26
7焊接工序卡的编制....................................................26
7.1焊工资格的确定..................................................27
7.2焊材用量的确定..................................................27
结语.................................................................27
谢辞.................................................................28
参考文献..............................................................29
附录1-产品结构设计图..................................................30
附录2-焊接工艺评定一览表..............................................31
附录3-焊接工艺评定说明书..............................................33
附录4-装焊工艺流程图..................................................37
附录5-封头制造工序过程卡..............................................38
附录6-筒体制造工序过程卡..............................................42
附录7-总装工序过程卡..................................................47
附录8-焊接工序卡......................................................51
换热器的焊接性分析与工艺过程设计
摘要：
本文对三类压力容器浮头式换热器的制造工艺过程进行设计。
首先使用计算机绘图软件（AutoCAD）绘制出产品设计图和总装工艺流程图。
运用ANSYS分析软件对主要受压元件封头和筒节的内壁施加工作应力载荷，分析元件中的应力高低及其内主要焊缝附近的应力分布规律。
对换热器的制造工艺性能进行分析，重点对换热器主要接头的焊接工艺过程进行分析，在此基础上确定合理的焊接方法、焊条种类、坡口形式、预热温度、焊后热处理温度、焊后检测方法等焊接工艺方案。
确定了焊接工艺评定项目，编制了部分项目的焊接工艺评定说明书。
对产品制造过程中的主要工艺文件进行编制，包括所有结点的焊接工序卡、封头与筒节加工工艺过程卡、换热器的总装工序过程卡。
本次设计符合JB/T4708《承压设备焊接工艺评定》和JB/T4709《压力容器焊接规程》中的相关规定，并且符合图纸中的相关技术要求，可以用以相关产品的制造过程参考。
关键词:
浮头式换热器应力分析焊接性焊接方法工艺过程
Abstract:
Inthispaper,threetypesofpressurevesselsfloatingheadheatexchangermanufacturingprocessdesign.Firsttousecomputergraphicssoftware（AutoCAD）tomapouttheproductdesignandassemblyprocessflowdiagram.TheuseofANSYSsoftwarestressloadonthemainpressurepartsheadandtheinnerwallofthetubesectionisappliedtoanalyzethecomponentsofthestressleveloftheirweldnearthestressdistribution.Analyzetheperformanceofthemanufacturingprocessoftheheatexchanger,focusonthemainjointsoftheheatexchangerweldingprocessanalysis,determinedonthebasisofareasonablemethodofwelding,electrodetype,theformofagroove,preheatingtemperature,postweldheattreatmenttemperaturedetectionmethodssuchasweldingafterweldingtechnologyprogram.Identifiedtheprojectofweldingprocedurequalification,weldingprocedurequalificationmanualcompiledsomeoftheprojects.Preparedinthemanufacturingprocesstechnologyfile,includingallnodesintheweldingprocesscard,headtubesectionmachiningprocesscard,heatexchangers,theassemblyprocessprocesscard.ThedesigncomplieswiththerelevantprovisionsoftheJB/T4708"PressureEquipment,WeldingProcedureQualificationandJB/T4709PressureVesselWeldingCode"andinlinewiththerelevanttechnicalrequirementsinthedrawings,andrelatedproductscanbeusedforthemanufacturingprocessreference.
Keywords：
floatingheadheatexchangerstressanalysisweldability
weldingmethodtechnicalprocess
1前言
换热器是压力容器的一种，由于压力容器的工作条件、工作地点和它使用的广泛性等等因素导致了我们对其进行了深入的研究。
近10年来，国内外压力容器的焊接技术取得了引人注目的新发展。
随着压力容器工作参数的大幅度提高及应用领域的不断扩展，对焊接技术提出了越来越高的要求。
所选用的焊接方法、焊接工艺、焊接材料和焊接设备相比以前都有大幅度的改变。
鉴于压力容器涉及到许多重要的工业部门，包括石油化工装置、煤液化装备、输油、输气管线、液化气储藏和运输设备等，同时压力容器的成型特点和技术要求决定了焊接技术的知识在此方面应用相当广泛。
由于知识容量所限，本文仅从压力容器用钢、先进的焊接工艺方法以及焊接过程机械化和自动化三方面的新发展和产品的焊接工艺过程设计步骤做概括的介绍。
1.1压力容器用钢的发展
近年来，压力容器用钢的发展与锅炉用钢不同，其主要的发展方向是提高钢的纯净度[1]，即采用各种先进的冶炼技术，最大限度地降低钢中的有害杂质元素，如硫、磷、氧、氢和氮等的含量。
这些冶金技术的革新，不仅明显地提高了钢的冲击韧性，而且可大大改善其加工性能，包括焊接性和热加工性能。
下表对比了采用常规冶炼方法和现代熔炼方法轧制的Q345（16MnR）钢板的化学成分、不同温度下的缺口冲击韧度和应变时效后的冲击韧度。
表中所示数据表明，超低级的硫、磷、氮含量显著地提高了普通低合金钢的低温冲击韧度和抗应变时效性。
表1.1不同条件下16MnR的冲击韧度[2]
板厚及状态/mm
化学成分（质量分数，%）
不同温度下的冲击功
C
Si
Mn
P
S
N
20℃
0℃
-20℃
-40℃
-60℃
24
正火
0.17
0.44
1.34
0.019
0.010
0.048
62
35
-
36
10
-
-
40
正火
0.14
0.43
1.41
0.011
0.003
0.0123
253
235
236
218
224
212
171
150
145
126
近期的大量研究证明，铬钼钢的回火脆性主要起因于钢中的P、Sn、Sb和As等微量杂质，合金元素Si和Mn也对钢的回火脆性起一定的促进作用。
因此必须通过现代的冶金技术，把钢中的这些杂质降低到最低水平。
目前，许多国外钢厂已提出严格控制钢中杂质含量的供货技术条件。
下表列出了现代炼钢技术能够达到的最低杂质含量的上限，可大大降低2．25CrlMo和3CrlMo钢的回火脆性敏感性，其回火脆性指数，J低于lO0，而普通的2．25CrlMo钢的J指数高达300。
表1.22.25Cr1Mo和3Cr1Mo钢杂质含量（质量分数）的控制要求
Si
Ni
Cu
Sb
As
Sn
S
P
≤0.10
≤0.30
≤0.20
≤0.002
≤0.008
≤0.010
≤0.008
≤0.010
由此可见，压力容器用钢的纯净化是一种必然的发展趋势。
随着当今冶金技术的迅猛发展，许多先进技术如氧气吹炼、炉外精炼和电渣重熔的应用，使得钢中硫、磷、氢、氧等各种有害杂质元素的含量降低到最低水平，从而冶炼出高纯度的钢材。
纯净的压力容器钢，不仅可改善压力容器的制造工艺性，如使焊接性良好，防止在钢的焊接过程中生成冷裂纹、热裂纹与层状撕裂的缺陷，更重要的是可显著改善压力容器钢的使用性能，从而大大提高压力容器的使用安全性。
1.2压力容器焊接工艺方法的新发展
压力容器为全焊结构，焊接工作量相当大，质量要求十分高。
为了能够提高焊件的质量，世界各国的研究者们总是在不断探索优质、高效、经济的焊接方法，并取得了引人注目的进步。
1.2.1厚壁壳体窄间隙埋弧焊技术
窄间隙埋弧自动焊[4]作为一种优质、高效、低消耗的焊接技术在厚板焊接方面日趋成熟，国内一些大型锅炉和压力容器制造厂率先进行使用。
该方法的最大优点是：
可移动立柱式焊接操作架，使用方便，适用性强，能进行各种直径筒体的纵、环缝的焊接操作，克服了固定式埋弧自动焊装置功能单一和占地面积大等缺点；最小焊缝金属填充量和自动分道（每层两道）焊技术，可获得性能优良、致密性高的焊缝接头；采用带有侧壁光电跟踪和自动防偏的焊接转胎，能提供最佳焊接操作和产品焊接质量的可重复性，因此该方法在大型锅炉和压力容器产品生产中越来越广泛地得以应用。
1.2.2接管、法兰药芯焊丝气体保护堆焊技术
药芯焊丝气体保护焊，由于芯部焊剂的作用，焊缝表面生成薄层渣壳，使焊缝光滑平整，成型不亚于埋弧焊。
在富氩混合气体保护下，电弧能量高，熔深大，即使焊道搭接量50％也能保证道间和层间熔合良好。
药芯焊丝焊接时，电流通过药芯周围的薄层铁皮导电，电流密度大，熔敷效率比实芯焊丝高。
此外药芯焊丝焊接可以连续送丝不断弧，无飞溅，无需特殊清理，适合多道、自动和半自动焊接作业，因此近年来已被广泛用于不锈钢堆焊，特别是接管内壁及法兰密封面不锈钢堆焊结构。
1.2.3壳体内壁带极堆焊技术
在石化行业的一些临氢设备和核容器及尿素设备中，内壁往往要求堆焊奥氏体不锈钢。
对于大面积堆焊而言，手工电弧焊和丝极自动堆焊不但效率低、堆焊层内部和表面质量差，而且在堆焊层与基层母材结合处往往易产生缺陷，因此带极自动堆焊技术[4]应运而生，被广泛地用于容器内壁大面积堆焊之中。
带极自动堆焊具有效率高、堆焊层内部质量均匀、堆焊表面平整光滑等特点，而且由于稀释率较低，堆焊金属与基体母材之间的结合面处不易产生焊接缺陷和发生质量问题。
容器内壁堆焊层一般采用过渡层加表层的双层或多层堆焊，但对某些容器，根据需要，也已成功开发出单层浅熔深电渣堆焊技术。
堆焊用的材料大多使用进口焊带和焊剂，现在国产焊带和焊剂的质量也在逐步提高，已接近进口堆焊焊材的质量水平，并在一些容器制造厂广泛应用。
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、人孔短节、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。
同时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焊接工艺过程有很大的关系。
通过不断改进焊接工艺，在实践中逐步应用新的焊接工艺，不仅可以提高焊接的效率，而且可以有效的改善焊接工作者的操作环境，更加重要的是可以使焊件的质量有着大幅度的提高。
所以焊接工艺的发展有着非常重要的现实意义。
1.3焊接过程机械化和自动化
焊接机械化是指焊接机头的运动和焊丝的给送由机械完成，焊接过程中焊头相对于接缝中心位置和焊丝离焊缝表面的距离仍须由焊接操作工监视和手工调整。
焊接自动化是指焊接过程自启动至结束全部由焊机的执行自动完成。
无需操作工作任何调整，即焊接过程中焊头的位置的修正和各焊接参数的调整是通过焊机的自适应控制系统实现的。
而自适应控制系统通常由高灵敏传感器，人工智能软件、信息处理器和快速反应的精密执行机构等组成。
在我国压力容器制造行业中，各大中型企业的焊接机械化和自动化程度相对较高，但是相比国际上，我国的焊接自动化的还有许多地方需要改进。
尤其是目前国际上对焊接机械化和自动化作了重新定义。
按照此标准来衡量，我国压力容器焊接的自动化率是相当低的。
极大多数仅实现了焊接生产的机械化。
因此，为加速本行业焊接生产现代化的进程，增强企业的核心竞争力，应尽快提高焊接自动化的程度。
下面将列举一个实例来说明其基本结构和功能以及在焊接生产中所发挥的作用。
1.3.1厚壁压力容器对接接头的全自动焊接装备
德国某压力容器制造公司与瑞典ESAB公司合作，于1997年开发了一台大型龙门式全自动自适应控制埋弧焊装备。
专用于厚壁容器筒体纵缝和环缝的焊接。
自1998年正式投运至今使用状况良好，为大型厚壁容器对接缝的埋弧焊开创了成功的先例。
该装备配置了串列电弧双丝埋弧焊焊头、由计算机软件控制的ABW系统（AdaptiveButtWelding）和激光图像传感器。
在焊接过程中，激光图像传感器连续测定接头的外形尺寸，并将测量数据通过计算机由智能软件快速处理，从而确定所要求的焊接参数和焊头的位置。
也就是说，每一焊道的尺寸和焊道的排列是由系统的软件以自适应的方式控制的。
系统软件可调整每一填充焊道的4个焊接参数：
焊接速度、焊接电流、焊道的排列和各填充层和盖面层的焊道数。
因此，该系统可使实时焊接参数自动适应接头整个长度上横截面和几何尺寸的偏差。
焊接速度是控制不同区域内的熔敷金属量，而焊接电流是控制焊道的高度和熔敷金属量。
焊道的排列决定每层焊道间的搭接量，而每层的焊道数则取决于每层的坡口宽度。
随着国民经济的快速发展，各企业越来越重视劳动者的工作环境水平，同时当前政府按提出了“以人为本”的理念，焊接自动化就具有更深刻的意义了。
它不仅仅是提高了焊接生产率和稳定的焊接质量，而更重要的是使焊工远离了有害的工作环境，减轻或消除了职业病的危害。
2产品结构及材料性能
2.1产品介绍
该换热器属于Ⅲ类压力容器，总长为6275mm，内径为1400mm，，工作温度292℃，工作压力为0.232MPa，工作原理是通过管程中的循环水将壳程中工艺介质的热量传输到压力容器之外。
下图是该产品的设计结构图。
产品的设计图纸见附录1。
2.2母材性能分析
该换热器的主体材料是16MnR，法兰材料为16Mn，接管材料为20g，换热管材料为SB622N10276,这是一种镍基合金，管板的材料为10MoWVNb。
在换热器的焊接过程中涉及到了同种材料的对接焊，包括筒体的纵焊缝和环焊缝；也涉及到了异种材料之间的焊接，包括筒体和接管的焊接以及管板的焊接。
2.2.116MnR的焊接性分析
16MnR的化学成分见下表2.1。
表2.116MnR的化学成分[5]
牌号
化学成分（质量分数%）
C
Si
Mn
P≤
S≤
Cr
Mo
V
16MnR
0.12-0.20
0.20-0.60
1.20-1.60
0.030
0.030
-
-
-
16MnR的机械性能参数见表2.2。
表2.216MnR的机械性能参数
牌号
抗拉强度MPa
屈服点MPa
伸长率（%）
冲击功J
16MnR
490-670
320
21
31
16MnR的碳当量CE（%）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15
=0.15+1.4/6
=0.38%
当CE（%）＜0.40%时，钢材淬硬倾向不大，焊接性良好，不需预热；CE（%）=0.40%～0.60%，特别当大于0.5%时，钢材易于淬硬，焊接前需预热，由此可知16MnR的焊接性较好，焊前不需要预热。
我将通过以下几个方面来分析其的焊接性[6]。
16MnR是普通低合金钢,是锅炉等压力容器的常用材料。
它的强度较高、塑性韧性良好。
常见交货状态为热轧或正火，属低合金结构钢。
（1）热裂纹热轧钢一般含碳量较低，而含锰量较高，因此它们Mn/S比较大，具有良好的抗热裂性能。
可知16MnR的抗热裂性能较好，这是因为锰在钢中可与硫形成硫化锰，减少了硫的有害影响，增强了钢的抗热裂性能。
（2）冷裂纹钢材冷裂纹主要取决于钢材的淬硬倾向，而钢材的淬硬倾向又主要取决
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