5000立方米球罐工艺设计.docx

资源描述

5000立方米球罐工艺设计.docx

《5000立方米球罐工艺设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《5000立方米球罐工艺设计.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

5000立方米球罐工艺设计.docx

5000立方米球罐工艺设计

课程设计任务书

学院

材料科学与工程

专业

材料成型及控制工程

学生姓名

班级学号

课程设计题目

5000m³球罐工艺设计

实践教学要求与任务:

1写出该焊接方法的几种设计方案

2确定合适的焊接参数

3选择合适的破口形式

4撰写焊接工艺

工作计划与进度安排:

1熟悉设计内容2天

2查阅相关资料，提出可行方案2天

3上机画各类焊缝图1天

4书写说明书3天

5整理工艺卡3天

6答辩

指导教师：

201年月日

专业负责人：

201年月日

学院教学副院长：

201年月日

成绩评定表

学生姓名

班级学号

专业

材料成型及控制工程

课程设计题目

5000m³球罐工艺设计

评

语

组长签字：

成绩

日期

20年月日

1绪论1

材料的焊接性分析1

1.116MnDR的学成分和力学性能1

1.216MnDR的焊接性分析2

1.3焊接方法与填充材料的选择3

2焊接结构制造工艺设计4

2.1球壳各带的厚度计算5

2.2焊缝的分类5

2.3焊接工艺参数6

2.4球罐的焊接10

2.4.1施焊环境10

2.4.2焊工资格10

2.4.3焊前准备10

2.4.4焊接工艺11

3焊接结构质量检验13

3.1焊缝外观质量检查要求13

3.2无损检测13

3.3焊后修补13

3.4焊后整体热处理14

3.5水压试验和气密性试验14

3.5.1水压试验14

3.5.2气密性试验14

3.6去锈、涂装16

3.7球罐成品验收16

参考文献17

1绪论

材料的焊接性分析

1.116MnDR的化学成分和力学性能

16MnDR钢是细晶粒的铁素体型低温钢，细晶粒钢通过正火或调质处理后获得良好的综合性能，属低合金系统，温度等级为-40℃，热轧热处理状态，其中碳及其它合金元素含量较低.

（1）16MnDR钢的化学成分见表1-1。

钢板以热轧、控轧或正火状态交货[1]。

表1.116MnDR钢板的化学成分

牌号

化学成分（质量分数）∕﹪

Als

不大于

16MnDR

≤0.20

0.15~0.50

1.20~1.60

—

≥0.020

0.025

0.012

根据国际焊接学会（IIW）所采用的碳当量（CE）计算公式：

（%）

将16MnDR所含化学成分的相应数值代入上式，计算其碳当量。

通过计算得出，16MnDR的碳当量CE=0.40%～0.47%。

当CE=0.40%～0.60%，钢的淬硬倾向逐渐增加，所以16MnDR属于有淬硬倾向的钢。

但是，当CE不超过0.5%时，淬硬倾向尚不严重，焊接性较好，但随板厚增加需要采取一定的预热措施。

650m3液体二氧化碳球罐的球壳板厚为38mm，所以在焊接前，为避免出现裂纹，应对其进行预热，预热温度为100～150℃。

16MnDR钢碳当量不高，淬硬倾向小，室温下焊接一般不易产生冷裂纹。

钢在轧制中，硫、磷含量控制较低，所以也不易产生热裂纹

（2）16MnDR钢的力学性能见表1-2[1]

表1-216MnDR钢板的力学性能和工艺性能

牌号

钢板公称厚度mm

拉伸试验

冲击试验

180°弯曲试验弯心直径（b≥35mm）

抗拉强度Rm（Nmm2）

屈服强度ReL（Nmm2）

伸长率A%

温度

℃

冲击吸收能量KV2

不小于

16MnDR

6~16

490~620

315

-40

d=2a

>16~36

470~600

295

d=3a

>36~60

460~590

285

>60~100

450~580

275

-30

>100~120

440~570

265

1.216MnDR的焊接性分析

16MnDR钢在焊接时，不需要采取特殊的工艺措施，当钢板厚度较大，焊接接头刚性拘束较大或环境温度过低时，可在焊接前进行合理的预热。

有关资料表明，除了面心立方点阵的金属材料（奥氏体钢、铝、铜等）外，一切体心立方点阵或六方点阵的金属材料均有低温转脆的现象，而低温钢必须具备的，最主要的性能就是低能韧性。

因此，必须在焊接过程中通过细化晶粒，合金化和提高纯净度等措施来对其焊接接头的组织和性能加以改善。

特别是以铁素体为基的16MnDR钢，铁素体晶粒尺寸越细小，钢的脆性转变温度将越向低温方向移动，一定低温下的韧性值相应提高。

通过上述分析，可以清楚地认识到：

通过细化晶粒来保证16MnDR钢焊接接头的低温韧性，这是制定16MnDR钢焊接工艺的一个根本出发点。

1.3焊接方法与填充材料的选择

低温钢16MnDR的主要焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊。

对球罐焊接来说主要采用焊条电弧焊。

细晶粒低温钢焊条的选用原则是强度与使用温度。

焊条：

型号E5015-G（牌号示例J507RH）。

焊条电弧焊是手工操纵焊条进行焊接的一种电弧焊方法，俗称手工电弧焊，属于传统的焊接工艺方法。

其特点是电弧柱的温度高于3000℃，且热量集中，与气焊方法相比，热效率较高。

该方法有所需焊接设备简单、易于操作、灵活性好等优点[22]。

J507RH是低氢钠型药皮的高韧性超低氢低合金钢焊条,采用直流反接。

具有良好的焊接工艺，电弧稳定，脱渣容易，焊缝金属有优良的塑性、韧性和抗裂性能。

可进行全位置焊接。

适用于E36、D36、A537等低合金钢的重要结构焊接。

如海洋平台、船舶、压力容器等。

利用J507RH焊条焊接时的参考电流：

焊条直径为4.0mm时，焊接电流为130~180A；焊条直径为5.0mm时，焊接电流为170~240A。

2焊接结构制造工艺设计

焊接结构制造即焊接结构生产，简称焊接生产。

球罐的焊接结构制造工艺流程与其他焊接产品的制造流程大致相同，主要包括：

生产的准备工作、备料加工工艺、装配—焊接工艺以及焊后成品的热处理、质量检验、耐压试验、成品的涂装入库等[6]。

在球罐的整个制造过程中，其制造难点是：

瓣片的成形及其尺寸和形状精度的控制、罐体的装配技术及瓣片位置精度、装配焊接顺序、夹具的合理使用、焊缝质量及其密封性、罐体焊接变形的控制等。

5000m³球罐的焊接结构制造工艺流程见图2.1。

图2.15000m³球罐的焊接结构制造工艺流程

2.1球壳各带的厚度计算

计算各带压力：

=1.6MPa

=1.6+0.66×10×（5.4-2.44）×10

=1.6195MPa（2.1）

=1.6195+0.66×10×（3.54+3.54）×10

=1.6662MPa（2.2）

=1.6662+0.66×10×5.4×10

=1.70184MPa（2.3）

=1.70184+0.66×10×1.66×10

=1.7128MPa

球壳材料采用16MnDR，σs=275MPa,常温下许用应力为[σ]t=157MPa

取焊缝系数：

φ=1.0

腐蚀裕量C

=2mm，钢板厚度负偏差C

=2mm，故厚度附加量C=C

=2mm[6]

液柱高度H：

H=K1R=1.6084×10600=17100mm（2.4）

液体的静压力P=ρgH=664×9.8×17100×10-9=1.113MPa（2.5）

（2.6）

将（2.1）（2.2）（2.3）Di及

、φ、C分别带入（2.6）并圆整后得到名义厚度

=57mm

=59mm

=63mm

=60mm

2.2焊缝的分类

根据国标GB—1998《钢制压力容器》对压力容器主要受压部件焊接接头要分为A，B，C，D，E,F六类。

A类焊缝（对接缝或搭接焊缝，不包括角接焊缝）

A类焊缝的结构形式可以是对接焊缝或搭接焊缝，不包括角接焊缝。

具体包括：

①圆筒、管子或圆锥壳上的纵向焊缝；②球壳、成型封头、平封头、或平板、矩形截面容器各侧板等上的任何焊缝，此处所说的任何焊缝指在上述各部件的任何方向、但属A类的任何焊缝结构形式；③球形封头与圆筒、圆锥壳等相连接的环向焊缝。

B类焊缝（对接缝或搭接焊缝，不包括角接焊缝）

B类焊缝的结构形式可以是对接焊缝或搭接焊缝，但不包括角接焊缝。

具体包括：

①圆筒、圆锥壳或接管上的环向焊缝；②成型封头（半球形封头除外）与圆筒、圆锥壳或管子想连接的环向焊缝。

C类焊缝（对接缝或搭接焊缝或角接焊缝）

C类焊缝的结构形式包括法兰、平封头、端盖、管板与壳体间的搭接接头。

D类焊缝的结构形式是指接管、人孔圈、手孔盖、加强圈、法兰与壳体或封头相连的T形和角接接头。

E类接头包括吊耳、支撑、支座、及各种内件与壳体或封头内外表面相接的角接接头。

F类接头系在筒体、封头、接管、法兰和管板上的堆焊接头[1]。

2.3焊接工艺参数

2.3.1焊接方法的选择

16MnDR的主要焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊。

对球罐焊接来说主要采用焊条电弧焊。

2.3.2焊条的选择

对于大厚度的焊件来说，焊条直径应在4~5mm。

对于背面难以清根的焊缝单面焊缝的打底焊以及封底焊道的焊接，宜采用直径不超过4mm的焊条，以保焊透；而立焊、横焊及仰焊的焊条直径不超过5mm[3]。

焊条型号E5015牌号J507，烘干温度为350℃，保持时间1h[2]

2.3.3钢号分类分组

由《球形储罐焊接工程技术》可知，16MnDR类别为Fe-1类，组别为2组[2]。

2.3.4焊前预热

焊前对球壳板进行预热，预热的目的是：

减缓焊接接头加热时温度梯度及冷却速度，适当延长在800℃～500℃区间的冷却时间，改善焊缝金属和热影响区的显微组织，从而减少和避免产生淬硬组织，有利于氢的逸出，可防止冷裂纹的产生。

热源采用液化石油气，定位焊和临时焊缝采用点状加热器，球壳焊缝采用条状加热器，且应放在焊缝小坡口的一侧。

注意应保证加热的均匀性，预热温度为100～150℃，实测层间温度不得低于100℃。

温度的测量点在距焊缝中心50mm处，两侧对称测量。

在整个焊接过程中应保持此温度。

预热宽度为焊缝中心线两侧各3倍板厚，为114～120mm。

预热长度须在施焊长度两端各延伸150mm以上。

拘束度较高的焊缝节点（如人孔、接管）或环境温度低于5℃时，应采用较高的预热温度，且适当扩大预热范围。

2.3.5电源种类及极性的选择[2]

对于像J507这样的碱性焊条一般应采用直流电源且反极性焊接。

2.3.6焊接电流的选择[2]

焊接电流的选择一般根据焊条的直径来选择，在平焊时焊接电流与焊条直径之间的关系见表2-1。

表2-1焊条电弧焊焊条直径与焊接电流的关系

焊条直径mm

2.5

3.2

4.0

5.0

焊接电流A

50～80

100～130

160～200

200～250

立焊、横焊和仰焊的电流一般比平焊电流小10%左右。

2.3.7焊接层数与焊接道数

焊接层数与坡口深度、焊接直径及焊接速度有关[2]，即

n=S1（0.8～1.2）d

n为焊接层数S1为坡口深度（mm）d为焊条直径（mm）

2.3.8坡口加工方法及清除

坡口加工采用机械加工，其加工精度高，也可以采用火焰切割或碳弧气刨清根。

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10mm内，应严格除去水、油、锈及脏污等。

[1]。

2.3.9坡口型式

坡口是用来使电弧沿板厚熔入一定的深度，保证焊接接头的焊透，坡口形式应根据母材的结构形状，板材厚度及对焊接质量要求来设计，条件不同其接头及坡口形式也不同。

在选择坡口形式时主要考虑一下因素：

（1）是否能够保证工件焊透和便于操作；

（2）坡口的形式应容易加工；

（3）尽可能提高焊接生产率和节省焊条；

（4）调整焊缝金属的化学成分。

常用的坡口形式有I、V、U、X型，一般通过板厚来决定坡口。

板厚为60mm左右的球壳板开坡口多数为双V形坡口[7]。

2.3.10选择合适的焊层厚度　　

一般焊层厚度控制在3～4mm左右[7]。

2.3.11焊接工艺参数[4,7]

焊件工艺参数包括焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊接线能量等。

（1）焊接电流焊接电流的大小主要根据焊条类型、焊条直径、焊件厚度、焊缝的空间位置接头形式、焊道层次等因素选取。

焊接电流主要影响熔深。

焊接中电流越大，效率越高，但飞溅大，烟熏大，容易产生咬边、烧穿、焊瘤等缺陷，同时影响焊缝成形。

电流小，熔深就小，电弧不稳定，容易造成未焊透和夹渣等缺陷。

因此，在保证不烧穿和成形良好的情况下，选用较大的焊接电流。

电源极性对焊接质量也有影响，直流电源的电弧稳定，飞溅少，焊缝质量好。

在焊接重要结构件是一般选用直流焊接。

交流电源较直流电源成本低，但不稳定。

（2）焊接电弧电弧电压主要由弧长决定，弧长越长，电弧电压越高；电弧越短，电弧电压越低。

电弧电压主要影响焊缝的宽窄，电弧电压高时，焊缝较宽，反之较窄。

而焊缝的宽度主要由焊条的横向摆动来控制，因此电弧电压对焊缝的影响不是很大。

电弧拉的太长时，电弧燃烧不稳定，飞溅较大，熔池保护不好，容易引起咬边、未焊透、气孔等缺陷。

焊接时焊接电弧不宜太长，一般电弧长度不超过焊条直径。

（3）焊接速度焊接速度主要影响焊缝成形。

速度太快，成形不好，容易引起未焊透。

速度太慢，容易引起焊瘤等。

手工电弧焊时，电弧电压和焊接速度可以灵活掌握，但必须保证焊缝焊透，并且达到所要求的外形尺寸和强度。

（4）线能量焊接线能量是指单位长度焊缝所得到的焊接电弧热能量。

2-216MnDR球罐的焊接工艺参数

焊接位置

层次

牌号

焊条直径mm

焊接电流A

焊接电压V

焊接速度（mmmin）

线能量（KJcm）

立焊

外1～2

外3～7

外8

J507

160～220

200～250

110～130

22～24

24～26

22～24

56～76

54～74

50～70

24.6～34.5

37.9～52.0

24.7～34.5

内1

内2～4

内5

J507

110～130

160～180

110～130

22～24

24～26

22～24

65～85

54～74

50～70

22.6～28.8

37.9～52.0

26.7～37.4

横焊

外1～1

外2～2

外3～3

外4～4

外5～4

外6～5

外7～6

J507

110～130

160～180

22～24

24～26

75～95

96～116

146～166

127～147

150～170

270～290

290～310

19.7～24.9

24.2～29.2

16.9～19.2

19.1～22.1

16.5～18.5

9.8～10.4

9.1～9.7

内1～1

内2～2

内3～3

内4～4

内5～5

J507

120～140

160～180

22～24

24～26

110～130

96～116

170～190

15.5～18.3

24.2～39.2

14.7～16.5

仰（平）焊

外1

外2

外3～7

J507

90～110

110～130

22～24

50～70

60～80

45～66

22.6～31.6

23.4～31.2

28.8～41.6

内1

内2～5

J507

120～140

160～180

22～24

24～26

48～68

58～78

29.6～44.8

36.0～48.4

立焊

外1～2

外3～7

外8

J507

160～220

200～250

110～130

22～24

24～26

22～24

56～76

54～74

50～70

24.6～34.5

37.9～52.0

24.7～34.5

内1

内2～4

内5

J507

110～130

160～180

110～130

22～24

24～26

22～24

65～85

54～74

50～70

22.6～28.8

37.9～52.0

26.7～37.4

2.4球罐的焊接

2.4.1施焊环境

当施焊环境出现下列任一情况，且无有效防护措施时，禁止施焊：

①手工焊时风速大于10ms；

②气体保护焊时风速大于2ms；

③相对湿度大于90％；

④雨、雪环境。

尤需指出，焊接环境的温度和相对湿度应在距球罐表面0.5～1m处测量，要选择合适的湿度和温度测量仪器[7]。

2.4.2焊工资格

从事球罐焊接中受压元件的焊缝、与受压元件相焊的焊缝、定位焊缝、受压元件返修焊缝的焊工，须按《锅炉压力容器焊工考试规则》进行考试，取得焊工合格证后，才能在有效期间担任合格范围内的工作。

对停止焊接工作6个月以上的焊工，在参加施焊前，应对其重新进行技能考试。

对每一个持证焊工，颁发识别钢印。

根据产品施焊记录中的焊工姓名和钢印，每月统计一次，以证实其资格的连续性[2]。

2.4.3焊前准备

（1）焊接工艺评定

球罐焊接前，应按钢制压力容器焊接工艺评定进行焊接工艺评定，并且应按立焊和横焊两种焊接位置分别评定。

然后做出有效的焊接工艺评定报告。

焊条的干燥

焊条贮存库应保持干燥，相对湿度不得大于60%，焊条使用前应按要求进行烘干，对于E5015焊条，烘干温度为350℃～400℃，保持时间为1h。

烘干后的焊条应保存在100～150℃的恒温箱中，药皮应无脱落和明显裂纹。

焊条在保温筒内不宜超过4h，超过后，应按原烘干制度重新干燥。

重复烘干的次数不应超过两次[7]。

（2）定位焊和工装夹具焊接

球壳板上的定位焊采用焊条电弧焊，焊机选用ZXG-400型弧焊整流器，焊接时采用短弧操作，焊接位置要求平焊、仰焊、立焊、横焊。

定位焊采用间断焊，焊缝长度为100mm，间距300mm，焊缝高度8mm，要求焊接第一层时尽可能背面成形。

其具体焊接工艺参数见表2-7。

表2-7球壳板定位焊工艺参数

层、道

填充材料

焊接电流

电弧

电压（V）

焊接速度（cmmin）

线能量（kJcm）

型号

直径（mm）

极性

电流（A）

第1层

E5015

Φ3.2

直流反接

120~140

22~24

4.8~6.8

29.6~44.8

第2层

E5015

Φ4.0

直流反接

160~180

24~26

5.8~7.8

36.0~48.4

2.4.4焊接工艺

（1）焊接顺序

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；先焊赤道带，后焊极板。

所有焊缝的大坡口，一律在球壳板的外侧。

球罐焊缝见图2-2。

图2-14球罐焊缝示意图

具体的焊接顺序是：

赤道带纵缝的焊接→上极带纵缝的焊接→下极带纵缝的焊接→上极带大环缝的焊接→下极带大环缝的焊接→上极带方环缝的焊接→下极带方环缝的焊接→上极带极板拼缝的焊接→下极带极板拼缝的焊接[7]。

3焊接结构质量检验

3.1焊缝外观质量检查要求

焊缝外观质量先由焊工自检，合格后再由专职检查人员进行检验，合格后，焊工方可离场。

焊缝表面不得有裂纹、气孔、夹渣、咬边、弧坑、焊瘤以及飞溅物。

焊缝接头过渡应圆滑，焊缝边缘与母材熔合处也必须圆滑过渡。

焊缝余高大小坡口面全部不得大于2.5mm[7]。

3.2无损检测

球罐焊缝经外观检查合格后，按要求进行无损检测。

要求检测人员必须持有有效期内的无损探伤资格证，并且探伤经验丰富。

（1）射线和超声检测

球壳的全部对接焊缝在焊接完成24h后进行100%γ射线检测，按JBT4730-2005中规定Ⅱ级合格。

全部对接缝（包括全部T字口部位）按20%进行超声波检测复验，按JBT4730-2005中规定Ⅰ级合格[7]。

（2）表面检测

全部对接焊缝内、外表面、角焊缝、补焊处表面区、工卡具拆除处的焊迹表面和缺陷修磨处的表面，包括工艺附件的焊道在焊接完成24h后应实行100%渗透检测，按JBT4730-2005中规定Ⅰ级合格。

水压试验合格后全部对接缝内、外表面、角焊缝、补焊处表面区、工卡具拆除处的焊迹表面和缺陷修磨处的表面，包括工艺附件的焊道，进行20%渗透检测[7]。

3.3焊后修补

球壳板局部表面和焊缝表面的缺陷及工夹具焊迹，必须用砂轮修磨，修磨范围内的斜度至少为3：

10。

修磨后的实际球壳厚度不得小于设计厚度32.3mm，超过时应进行修补。

当球壳板表面焊补深度超过3mm时，还应进行超声波检测。

对球壳板表面缺陷进行焊补时，每处的焊补面积控制在50cm2以内。

如有两处以上焊补时，任何两处的净距应大于50mm。

每块球壳板上焊补面积总和，必须小于该球壳板面积的5%。

补焊后的表面须修磨平滑。

焊补长度应大于50mm。

对焊缝内部超标缺陷焊补时，为控制角变形，缺陷的清除深度不应超过球壳板厚度的23，即25mm。

当清除到板厚23处还残留缺陷时，应在该状态下焊补，然后在其背面再次清除缺陷，确认缺陷已根除，将其补满。

为防止超次返修，可根据X射线、底片和超声波仪器来正确定位缺陷，以保证缺陷彻底清除。

返修焊缝的工艺应与主体焊缝相同。

需预热时，以修补处为中心在直径300mm范围内加热，预热温度取上限，为150℃，补焊后立即作消氢处理[7]。

3.4焊后整体热处理

本球罐球壳板材质为16MnDR，板厚60mm左右，经无损检测合格后，应在水压试验前进行焊后整体消除应力热处理。

由于球罐的体积庞大，无法在热处理炉内进行消除应力热处理，所以采用内燃加热法对球罐进行整体热处理。

此法是将球罐本身作为一个燃烧炉，借助于底部开口（人孔）安装喷火嘴，以燃油或液化石油气为燃料，热处理前球罐外部须包覆细纤维玻璃棉作为保温材料，然后进行内部加热处理。

在热处理之前，应将平台、梯子的焊件焊好，用于固定产品铭牌和注册铭牌的铭牌架也应在热处理之前焊在球壳板上，并避开焊缝。

经热处理后的球罐壳体不允许再施焊。

此外，在热处理之前，还应把试板对称地设置在球罐赤道带外侧赤道线上。

在该处先焊上两个角钢，然后装入试板并加楔打紧。

试板焊缝与其所模拟的焊缝方向一致。

空隙处加铜丝或铜屑填实，使传热改善。

650m3球罐测温点数为12点，测温点应均匀布置在球壳表面各带上，相邻测温点的间距在4.5m以内。

距人孔

展开阅读全文