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设计说明书

目录

摘要1

一、工艺性分析2

1、产品简介2

2、材料分析2

3、缺陷产生原因及防止措施3

4、结构-方法适应性4

5、服役条件5

二、主要部件（筒节、封头等）的制造5

1、钢板复检5

2、钢板的矫正5

3、钢材的预处理6

4、毛坯尺寸计算及划线、下料6

5、下料6

6、边缘加工6

7、壳体的卷制7

8、封头的冲压8

9、二次切割9

10、法兰管的选择9

三、装配焊接工艺9

1、装配焊接工艺9

2、焊前准备10

3、定位焊11

4、环纵缝焊接工艺参数11

5、附件装配焊接12

6、焊后检验13

7、X射线检测13

8、水压试验13

9、涂漆13

参考文献14

摘要

本产品为丙酮（丁醇）卧罐，主要用于化工行业。

其外形尺寸为Φ2800×8750mm,主要用焊接组装成行，用到Q235A和20号刚这两种钢材。

吸收塔的设计压力为0.5Mpa，工作温度为常温，属于二类低压常温温压力容器。

在焊接时焊缝表面不得有咬边。

重要焊缝统一采用对接式坡口，主要焊接缺陷为冷裂纹、未焊透，咬边等。

为保证焊接的质量和焊接效率，主要采用埋弧焊和手工焊。

关键词:

丙酮（丁醇）卧罐埋弧焊手工焊Q235A20号钢

一、工艺性分析

1、产品简介

如图所示，该产品为丙酮（丁醇）卧罐，主要有筒体，接管，封头，法兰四部分组成。

筒体结构采用三节Q235钢组成，每节的尺寸为Φ2800×2373.3mm；封头采用椭圆形封头，且封头，接管，法兰都采用20号钢。

焊接时主要问题是筒体之间的组焊强度合和成分保证问题。

在复合钢板焊接时易出现裂纹问题等。

2、材料分析

1Q235A的焊接性分析

Q代表的是这种材质的屈服极限，后面的235，就是指这种材质的屈服值，在235MPa左右。

并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。

由于含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛.

Q235A的成分如下表所示：

成分

C

Mn

Si

S

P

含量

0.14~0.22%

0.30~0.65%

≦0.30%

≦0.05%

≤0.045%

C当量=[C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15]*100%

=（0.18+0.47/6）%*100%

=0.25%

Q235的碳和其他合金元素含量较低，其塑性、韧性好，一般无淬硬倾向，不易产生焊接裂纹等倾向，焊接性能优良。

Q235焊接时，一般不需要预热和焊后热处理等特殊的工艺措施，也不需选用复杂和特殊的设备。

对焊接电源没有特殊要求，一般的交、直流弧焊机都可以焊接。

在实际生产中，根据工件的不同加工要求，可选择手工电弧焊、CO2气体保护焊、埋弧焊等焊接方法。

220号钢的焊接性分析

20钢的20是指含碳量，含碳量为0.2%，属于低碳钢。

特性：

该钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。

该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。

抗拉强度为253-500MPa，伸长率≥24%。

温度≤450℃的非腐化介质中常用做工作的管子、法兰、联箱及各种紧固件。

20号刚的成分如下表表示：

成分

C

Mn

Si

P

S

含量（%）

0.17~0.23

0.35~0.65

0.17~0.37

≤0.035

≤0.035

C碳当量=[C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15]*100%

=（0.2+0.5/6）%*100%

=0.284%＜0.4%

20钢很少淬火，无回火脆性。

冷变形塑性高，焊接性能好，气焊时厚度小，外形要求严格或形状复杂的制件上易发生裂纹。

切削加工性冷拔或正火状态较退火状态好。

为改善其切削性能需进行正火或水韧处理适当提高硬度。

20钢的淬透性，淬硬性低，韧性、焊接性好。

由于低碳钢含碳量低，锰、硅含量也少，所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。

低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良。

但在少数情况下，焊接时也会出现困难：

1）采用旧冶炼方法生产的转炉钢含氮量高，杂质含量多，从而冷脆性大，时效敏感性增加，焊接接头质量降低，焊接性变差。

2）沸腾钢脱氧不完全，含氧量较高，P等杂质分布不均，局部地区含量会超标，时效敏感性及冷脆敏感性大，热裂纹倾向也增大。

3）采用质量不符合要求的焊条，使焊缝金属中的碳、硫含量过高，会导致产生裂纹。

如某厂采用酸性焊条焊接Q235-A钢时，因焊条药皮中锰铁的含碳量过高，会引起焊缝产生热裂纹。

4）某些焊接方法会降低低碳钢焊接接头的质量。

如电渣焊，由于线能量大，会使焊接热影响区的粗晶区晶粒长得十分粗大，引起冲击韧度的严重下降，焊后必需进行细化晶粒的正火处理，以提高冲击韧度。

总之，低碳钢是属于焊接性最好、最容易焊接的钢种，所有焊接方法都能适用于低碳钢的焊接

3、缺陷产生原因及防止措施

冷裂纹产生的原因及防止的措施

热轧钢含有少量的合金元素，碳当量比较低，一般情况下冷裂倾向不大。

由于焊接热影响区的淬硬及冷裂纹倾向与钢种的化学成分有密切关系，因此可以用化学成分间接的评估钢材冷裂纹的敏感性。

把钢中的合金元素的含量按相当于若干碳含量折算并叠加起来，作为粗略评定钢材冷裂纹倾向的参数指标，即所谓碳当量（CE或Ceq）

消除应力裂纹

在拘束度大的厚大工件中或应力集中部位易于出现消除应力裂纹,可采取提高预热温度或焊后立即后热等措施来防止消除应力裂纹的产生。

事实上，Q235钢的消除应力裂纹问题不明显。

再热裂纹

低碳调质钢的合金系统中，大多数是属于能引起再热裂纹的元素，如Cr、Ni、V、Nb、B、Cu等，因此具有再热裂纹倾向。

对再热裂纹的敏感性的影响：

一般v影响最大，Mo次之，Mo-Nb联合影响也较大。

低碳钢中的这个缺陷则不明显。

焊接接头的脆化和软化

应变时效脆化焊接接头在焊接前需经受各种冷加工（下料剪切、筒体卷圆等），钢材会产生塑性变形，如果该区再经200~450℃的热作用就会引起应变时效。

应变时效脆化会使钢材塑性降低，脆性转变温度提高，从而导致设备脆断。

PWHT可消除焊接结构这类应变时效，使韧性恢复。

GB150-1998《钢制压力容器》作出规定，圆筒钢材厚度δs符合以下条件：

碳素钢、16MnR的厚度不小于圆筒内径Di的3％；其他低合金钢的厚度不不小于圆筒内径Di的2.5％。

且为冷成形或中温成形的受压元件，应于成形后进行热处理。

焊缝和热影响区脆化焊接是不均匀的加热和冷却过程，从而形成不均匀组织。

焊缝（WM）和热影响区（HAZ）的脆性转变温度比母材高，是接头中的薄弱环节。

焊接线能量对低合金高强钢WM和HAZ性能有重要影响，低合金高强钢易淬硬，线能量过小，HAZ会出现马氏体引起裂纹；线能量过大，WM和HAZ的晶粒粗大会造成接头脆化。

低碳调质钢与热轧、正火钢相比，对线能量过大而引起的HAZ脆化倾向更严重。

所以焊接时，应将线能量限制在一定范围。

焊接接头的热影响区软化由于焊接热作用，低碳调质钢的热影响区（HAZ）外侧加热到回火温度以上特别是Ac1附近的区域，会产生强度下降的软化带。

HAZ区的组织软化随着焊接线能量的增加和预热温度的提高而加重，但一般其软化区的抗拉强度仍高于母材标准值的下限要求，所以这类钢的热影响区软化问题只要工艺得当，不致影响其接头的使用性能。

4、结构-方法适应性

由于板材厚度为14㎜，而空气等离子焊适用于常用结构材料的切割，切割30㎜以下板材时比氧乙炔焰更具优势，而且等离子弧具有能量高、冲刷力强、可调节等特点，所以特别适合30㎜以下的碳钢、低合金钢的切割。

因此下料方便、成本低。

筒节卷制后，由于筒径较大，所以需要用手工电弧焊对筒节进行定位，这样不仅方便后续工人操作，而且得到筒节精度较高。

另外在焊接法兰管时，由于管壁较薄，所以不宜采用焊丝直径较大、焊接电流较大的焊接方法，而手工电弧焊能满足这个条件，因此焊接法兰管时也采用手工电弧焊。

因为压力容器筒体环纵缝，大多数采用焊条电弧焊和埋弧焊。

所以可选用埋弧焊，因为埋弧焊生产率高，焊接金属的品质良好、稳定，焊缝外观非常美观，焊接成本低，焊接环境好。

而焊接封头和筒体拼接接头时也可采用埋弧焊。

5、服役条件

工作压力

0.5MPa

工作温度

-40-100

水压试验压力

0.625MPa

介质

丙酮（丁醇）

主体材料

Q235

容器级别

Ⅱ

二、主要部件（筒节、封头等）的制造

1、钢板复检

设计选用的金属材料是分别为Q235A和20号刚这两种钢材。

在使用前应对钢板进行必要的化学成分复检，还要进行力学性能复检，包括拉伸试验，弯曲试验，脆性试验，断裂试验等。

同时也要对材料的表面质量和材料的几何尺寸进行复检。

复检合格后，方能进行下一步的生产加工。

2、钢板的矫正

1）钢材的矫正的原理与目的

钢材在搬运和贮存中难免会产生凹凸不平、弯曲、扭曲等变形现象。

这种变形如果不予矫正，就会妨碍到后续的划线、下料和切割工作的正常运行，也影响下料的几何尺寸精度和装配焊接的质量。

为此在焊接结构制造之前，必须对钢材进行矫正，卷筒钢板在开卷后必须经过矫平才能使用。

矫正的基本原理是钢板在外力作用下经过多次反复额变形，使短金属纤维拉长。

2）钢材矫正的方法及使用设备

具体的矫正方法按操作方法的不同可分为手工矫正、机械矫正和火焰矫正三种。

本设计选用CDW43S40*2500mm辊式厚板矫平机。

3、钢材的预处理

由于钢材表面的油污、锈蚀和氧化皮等都会影响产品的质量。

因此，在进行材料划线、下料之前必须先进行表面预处理。

工业生产中常用的机械除锈法包括：

风动或电动砂轮、钢丝刷、喷丸、喷沙等。

其中喷丸是目前工厂应用较多的大面积净化方法之一。

本次设计选用的喷丸设备是GYX-3M型钢材预处理装置。

该装置进行钢材预处理的工艺过程为：

电磁吊上料→辊道输送→预热→喷丸→清理丸料→喷漆→烘干→轨道输送出料。

4、毛坯尺寸计算及划线、下料

在划线、下料之前应先选取制作筒体钢板的尺寸规格。

由于筒体为圆柱形回转体，划线前要进行展开，可采用计算展开法，考虑壁厚因素，一般按中径展开。

壳体的展开公式：

（2-1）

L、Dg—为壳体毛坯展开长度（mm）、为容器公称直径（mm）

δ、S1、S2—为容器壁厚（mm）、加工余量（mm）、修边余量（mm）

将数据带入公式2-1得：

L=3.14（2800+14）+30+50=8916mm

壳体的展开长度就是选用板材的长度，根据钢板规格及考虑加工余量，下料时每边需预留出修边余量约50mm。

根据以上计算，选择制作筒节的板材为：

Q235钢板14mm×2400mm×8916mm三块

通过相应的计算可得各壳体展开毛坯尺寸

椭圆封头的下料设计，其下料直径计算如下：

下料直径

式中：

——封头直径

——封头壁厚

——封头直边高

——加工余量

计算得D0=1.2（2800+14）+2*200+2*30=3837mm

故下料尺寸为Φ3837mm一块，需要拼接

5、下料

下料采用等离子切割，从完整板料上切割出符合尺寸要求的坯料

6、边缘加工

为了消除前道工序加工所产生的加工硬化层和热影响区；消除装配、焊接工件边缘或自由边的各类缺陷，以提高结构的整体质量；提高结构的表面质量，也可为产品的后期制作创造条件。

常用边缘加工的方法为刨削、铣削和车削等切削加工工艺。

本设计选用B8150A型刨边机进行边缘加工，其技术参数见下表

B8150A型刨边机技术参数

产品名称

刨边机

型号

B8150A

最大刨削尺寸长×宽（mm）

6000×80

最大牵引力（KN）

6

刀架数及回转角调整范围

2个,±25º

工作精度-直线度（mm）

0.1

净重

30

外形尺寸：

长×宽×高（mm）

12275×3750×2735

7、壳体的卷制

1）卷板机的工作原理

卷制成形是将钢板放在卷板机上进行滚卷成筒节，其优点为：

成形连续、操作简便、快速、均匀。

在筒节制造中可以利用金属材料的塑性变形、将毛坯弯曲成一定曲率、一定角度形成所需形状工件。

壳体的弯卷过程是钢板的弯曲塑性变形过程。

在卷板过程中，钢板产生的塑性变形沿钢板厚度方向是变化的。

其外圆周受拉应力伸长，内圆周受压应力缩短，中间层由于不受任何力保持不变。

本设计选用对称式三辊卷板机，其型号为Wn-16×3200。

其技术参数见下表。

Wn-16×3200对称式三辊卷板机技术参数

产品名称

对称式三辊卷板机

型号（厚*宽）

Wn—16×2500

卷板最大规格时最小弯曲直径（mm）

245

电机功率（KW）

15

外形尺寸：

长×宽×高（mm）

5000×1560×1750

对称式三辊卷板机其原理如图所示。

1-上辊；2-下辊；3-钢板

2）卷板的质量控制

①筒体卷制质量要求筒体卷制公差见下表

②卷制筒体常见缺陷及控制措施：

在卷制接近曲率要求时，要逐渐调整下压量使之逐步展开；当出现过卷时，可用大锤锤击筒身的一侧边缘使直径扩展，以消除过卷；当产生鼓腰时，增加下辊的刚性或在鼓腰处加垫块一起滚卷；检查坯料尺寸和形状、认真对中。

一般结构件筒体卷制公差

外径Dn/mm

外径偏差ΔDw/mm

圆度误差Dmax－Dmin/mm

棱角度Δc/mm

错边量b/mm

壁厚≤30

壁厚＞30

﹥2500～3000

±13

20

13

5

不大于壁厚的10%，且不超过2mm

8、封头的冲压

1）坯料加热

在封头冲压过程中，板料的变形很大，若在冷态下冲压，不仅需要较大功率的压力机，而且会使成形后的封头产生严重的冷作硬化，甚至形成裂纹。

为保证封头的质量，提高材料的变形能力，多采用热冲压。

热冲压时钢板的加热温度在950～1100℃之间，这取决于坯料出炉装料过程的时间长短、压力机的能力大小、过高温度对材料性能的影响等因素。

2）压延力计算

其中：

e----压边力影响系数，有压边时e=1.2；

K----封头形状影响系数，椭圆形封头K=1.2；

----坯料直径（mm）

----材料的高温抗拉强度（MPa）

s----坯料板厚（mm）

-----公称直径（mm）

代入数据：

F=1.2×1.2×3.14×（3837-2800）×14×400＝26257835（t）

9、二次切割

封头在制作过程中为了防止因压偏而造成产品的报废，在下料的时候多留出一些余量，封头冲压完成之后需将多余部分切掉。

把冲压好的封头放在焊接回转台上，找出封头的中心，将封头定位进行二次划线，然后进行切割，并开出坡口。

10、法兰管的选择

规格

标注

联接方式

用途

Pg6Dg20

HG5010-58

平面法兰

液位计接口

M20×1.5

JB81-59

平面法兰

压力表接口

Pg6Dg40

JB81-59

平面法兰

丙酮接口

Pg6Dg500

JB583-79

平面法兰

人孔

Pg6Dg32

JB81-59

平面法兰

安全阀接口

Pg6Dg40

JB81-59

平面法兰

丙酮出口

三、装配焊接工艺

1、装配焊接工艺

在焊接结构制造中，装配和焊接是两道重要工序，它们占全部加工时间的30～70%，装配和焊接对焊接产品质量影响极大，因此在焊接结构生产中，正确地设计、选用各种工装夹具将工件准确定位并夹紧，用各种变位机械实现焊件、焊机或焊工位置改变的机械化、自动化，可大大缩短装配、焊接时间，保证产品的装配精度和焊接质量，充分发挥焊接设备能力，扩大其使用范围。

环纵缝的焊接

为防止纵缝装配后在吊运和存放过程中筒节产生变形而影响它的圆度，可在筒内焊上临时支撑。

纵缝焊接时要备有焊接试板。

纵缝的焊接顺序是先内后外。

筒体的内、外纵缝焊接时，分别将焊机置于筒体内、外端的钢轨道上，由焊机自动行走进行焊接。

其焊接工艺如下：

壳体间环缝的装配

壳体间的环缝装配方法采用卧式装配。

卧装的方法是在装配胎架上进行，筒体在滚轮架和辊筒架上装配。

对接装配时，将两筒节置于胎架上紧靠或按要求留出焊缝间隙，然后采用测量筒节同轴度的方法，矫正两节圆筒的同轴度，矫正合格后施行定位焊。

筒节装配装置如图所示。

1－滚轮架2－移动辅助夹具3－滚轮架

筒节装配装置

为使两壳体易于获得同轴度和便于装配中翻转，装配前两壳体应分别在进行矫圆，使圆度等符合技术要求，为防止壳体椭圆变形可以在壳体内使用径向推掌器撑圆。

浮头式换热器体积较大，焊缝较多，有纵焊缝、环焊缝。

其位置如图所示。

焊缝位置分布图

筒节环缝装配比较困难。

一方面由于各筒节下料的精度可能有误差，另一方面是受弯卷拉伸的影响，可能造成各筒节间直径和圆度上的偏差。

因此，在可能的条件下，可按偏差相近的筒节进行选配或均匀地分布错边量。

筒体环缝的装配顺序。

首先将筒体两两对接，再在筒体一侧与封头装配，最后两个对称的半个容器利用筒节与筒节的装配方法对焊在一起。

并在最后一道环缝装配前开人孔。

2、焊前准备

a坡口加工本筒体壁厚为14mm，开单面Y形坡口，其坡口形式如下图所示。

选用刨边机加工坡口，当坡口处有残留渣迹和残余变形时，要用砂轮打磨平滑和矫正平齐。

b清理在焊接前应清除待焊部位及其周围的油锈和污物等杂质。

可采用机械法，如用磨光机。

c引弧板和收弧板的配备施焊以前要配备引弧板和收弧板，板的厚度和化学成分要与母材一致，板的长度不得小于150mm，宽度不得小于50mm。

d焊接材料的烘干焊剂需在300~400℃下烘干2小时；焊条在400~450℃下烘干2小时。

3、定位焊

为了固定焊件的相对位置和防止变形，需要对焊件进行定位焊。

定位焊采用焊条电弧焊。

定位焊的相关参考数据见表。

表为Q235相关定位焊参考2数据

焊件厚度

/mm

定位焊间距

/mm

定位焊缝长度

/mm

焊点高度

/mm

10

200～210

20～30

5～8

定位焊焊接工艺参数的选择

因定位焊为断续焊，焊件温度比正常焊接时要低，热量不足容易产生未焊透，故电流应比正常焊接电流大。

定位焊后应尽快焊接，避免中途停顿和间隔时间过长。

其工艺参数如表所示。

下表为焊条电弧焊接工艺参数

焊接材料

焊条直径（mm）

焊接电流（A）

电流种类

J422

3.2

100-130

直流反接

焊接设备选用焊机型号ZXG-300

4、环纵缝焊接工艺参数

定位焊后，需检查装配及定位焊接质量。

然后用埋弧焊进行焊接。

其工艺参数如下表所示：

埋弧焊焊接参数

焊丝牌号

焊剂牌号

焊接材料

焊丝直径（mm）

焊接电流（A）

电弧电压（V）

焊接速度（m/h）

焊丝干伸长度（mm）

极性

H08A

HJ431

Q235、20

4.8

630-680

33-36

19-22

25-30

直流反接

所有焊接工艺参数均需经焊接工艺评定试验后确定，既根据有关技术标准规定焊接试板，并从焊成试板中取出拉伸、弯曲、冲击等试样，测试试样是否具备所要求的性能

5、附件装配焊接

封头、筒体装配焊接后，要对其他附件进行装配焊接。

附件包括：

外头盖侧法兰、

焊接参数如工艺卡所示

焊接参数如工艺卡所示

浮头管板、钩圈、外头盖及丝孔、钢圈等等。

一般采用焊条电弧焊焊接，其中法兰螺孔不得超过规定的偏斜，法兰平面必须与接管垂直，焊后进行超声波探伤。

6、焊后检验

壳体焊接完成后，需要进行焊缝质量检验。

焊缝的质量取决于焊接时所用的焊丝、气剂、气体质量、接头的装配质量、焊接顺序、坡口的清理、施工条件、焊工操作技术水平高低和选用的焊接规范等因素。

为保证焊接质量，必须严格检查焊接结构制造过程中的各个环节，及时防止各种缺陷的产生。

完工后的焊接部件及整个产品必须进行全面的质量检验。

7、X射线检测

X射线探伤是检查焊缝内部最有效的方法，它能确定焊缝内部的气孔、夹渣、未焊透、内部裂纹的位置等缺陷。

但直径在0.2mm以下的显微气孔、显微裂纹和微小的未焊透等缺陷不易用X射线探伤法探测到。

该产品经100%X射线探伤达到JB1152－81《锅炉和钢制压力容器对接焊缝超声波探伤》标准II级为合格品。

8、水压试验

水压试验的目的是检查焊缝的致密性及焊缝中存在的微小缺陷是否会影响到产品的工作性能。

水压试验介质采用洁净水。

1）水压试验前准备

水压试验水温不得低于5℃，水压试验压力为设计压力的1.25倍，并且在试验前应在容器顶部和底部各设置一块量程相同、其量程为试验压力的1.5倍，精度等级不低于1.5级的压力表。

压力表的直径以不小于150mm为宜，试验压力以容器顶部压力表读数为准。

2）水压试验过程

1充水时容器顶部应设排气口，以便将容器内的空气排尽。

试验过程中应保持容器外表面的干躁。

2试验时压力应缓慢上升，压力升至试验压力的50％时，保持15min，然后对容器所有焊缝和连接部位进行渗漏检查，确认无渗漏、无异常现象后再升压。

3力升至试验压力0.625MPa的80％时，保持30min，再次进行渗漏检查，确认无渗漏、无异常现象后再升压。

4升压至试验压力后，保持30min，然后将压力降至设计压力，进行检查，以无渗漏及其他异常现象为合格。

5压试验完毕后，应将水排尽并用压缩空气将容器内部吹干。

9、涂漆

卧罐制造完毕，外涂红丹漆两道，银灰面漆一道。

产品的涂漆（喷涂、作标志以及包装）是焊接生产的最后环节，罐体涂漆后表面粗糙度高，色彩柔和典雅，并且突出了金属的质感。

表面覆盖的一层漆膜晶莹剔透，不仅能抵抗水、泥、砂浆和酸雨的浸蚀，而且对于产品也有很好的装饰效果，这是其他处理方法不能相比的。

近些年，随着涂漆工艺中反渗透技术的成熟与应用，为涂漆工艺的推广使用奠定了坚实的基础。

产品涂装质量不仅决定了产品的表面质量，而且也反映了生产单位的企业形象。

参考文献

压力容器——GB150-2011

焊接手册第1卷《焊接材料》

焊接手册第2卷《焊接设备》

焊接手册第3卷《焊接结构》

《压力容器制造和修理》（《压力容器实用技术丛书》编写委员会编）

《承压类特种设备实用技术》

《焊接冶金学—材料焊接性》