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2.5容器整体装配工艺
第三章压力容器的焊接工艺设计
3.1焊接方法的特点
3.1.1焊条电弧焊
3.1.2C02气体保护焊
3.2圆筒纵缝的焊接材料及工艺参数
3.3封头与圆筒焊缝的焊接材料及工艺参数
3.4圆筒与接管焊缝的焊接材料及工艺参数
3.5焊前准备
3.5.1坡口的选择
3.5.2坡口清理和焊材的使用
3.6焊接顺序
第四章压力容器焊后检验
4.1焊后热处理
4.2焊后检查
4.3无损检测
4.4压力试验
4.5气密性试验
结论
参考文献
附录A
附录B
附录C
第一章概述
1.1压力容器简介
压力容器是内部或外部承受气体或液体压力的密封型结构件，用途十分广泛。
它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备，要求的运行寿命也比较长，以前一般要求寿命为10年，现在
通常要求20~30年，甚至有的要求50~60年。
压力容器在工作状态下承受一定介质的压力，其介质可能是静止可能是流动的，介质的状态也是多种多样，可能是液体、气体或气液并存。
其工作温度可能是常温、中温或高温，有的则是在低温环境下运行。
按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。
压力容器按照设计压力（P）划分为低压、中压、高压和超高压四个压力等级。
按盛装介质分为：
非易燃、无毒、易燃或有毒、剧毒。
按工艺过程中的作用不同分为反应容器、换热容器、分离容器和贮运容器。
压力容器的分类方法很多：
按承受压力的等级分为低压容器（0.1MPa<
pv1.6MPa、中压力容器（1.6MPa<
pv10MPa、高压容器（10MPaCpv100MPa和超高压容器（》100MPa；
按照主体部分的厚度分类，一般认为板厚0.5~5mm为薄壁容器；
板厚6~32mm为中厚壁容器；
板厚大于40mm为厚壁容器。
《压力容器安全技术监察规程》采用既考虑容器压力与容积乘积大小，又考虑介质危险性以及容器在生产过程中的作用的综合分类方法，以有利于安全技术监督和管理。
该方法将压力容器分为三类：
第三类压力容器，具有下列情况之一的，为第三类压力容器：
高压容器；
中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）中压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且PV乘积大于等于10MPa・m3）;
中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且PV乘积大于等于0.5MPa・m3）;
低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且乘积大于等于0.2MPa・m3）;
高压、中压管壳式余热锅炉；
中压搪玻璃压力容器；
使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540MPa的材料制造的压力容器；
移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车［液化气体运输（半挂）车、低温液体运输（半挂、车、永久气体运输（半挂、车］和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等；
球形储罐（容积大于等于50m3；
低温液体储存容器（容积大于5m3。
低温液体储存容器（容积大于5m3）。
第二类压力容器，具有下列情况之一的，为第二类压力容器：
中压容器；
低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；
低压反应容器和低压储存容器（仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质）；
低压管壳式余热锅炉；
低压搪玻璃压力容器。
第一类压力容器，除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。
可见，国内压力容器分类方法综合考虑了设计压力、几何容积、材料强度、应用场合和介质危害程度等影响因素
对于压力容器不同部位，选择不同的焊接方法，制定相应的焊接工艺。
焊接工艺主要根据被焊工件的材质、牌号、化学成分，焊件结构类型，焊接性能要求来确定。
首先要确定焊接方法，如手弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊等。
确定焊接方法后，再制定焊接工艺参数，如手弧焊主要包括：
焊条型号、直径、电流、电压、焊接电源种类、极性接法、焊接层数、道数、检验方法等等。
本次的焊接综合课程设计的目的在于让我们焊接专业学生综合运用专业课
程中所学到的理论知识去独立完成一个综合课程设计与实践课题，并通过查阅手
册和文献资料，以工程视角独立分析问题和解决实际问题，培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度，以适应将来工作实际的需要。
1.2产品结构分析
设计数据：
圆筒壁厚6mm、容器总长度1000mm、圆筒外径©
650mm、接管©
20mm、母材：
20g钢
通过对设计图纸的分析，结合常见压力容器的结构及生产过程中的焊接工艺，分析得到图1.2
图1.2容器结构分析简图
在实际生产中，最主要考虑的是压力容器圆筒、封头的制造工艺及整体的装配，圆筒纵缝、封头与筒体的焊缝、容器附件的焊接工艺。
根据压力容器的分类标准可知，厚度6mm属于中厚压力容器，因此本次设计的内容就是压力容器圆筒和封头的制造工艺，以及上图中三种类型焊缝：
圆筒纵焊缝、圆筒与封头焊缝和圆筒与接管焊缝的焊接工艺。
1.320g钢的概述
20g属于钢材中的一种材质，按照含碳量为优质碳素钢，属于锅炉用钢，g
为锅炉用钢中“锅”的第一个字母，适用6—150mm的钢板，它除了具有较好的弯曲、冲击和抗拉性能，还含有一些微量元素更适合用作锅炉压力容器使用的特性，因此广泛用于制造各种锅炉受压元件，在2008年钢号标准改为Q245R。
表1.120g钢的化学成分
牌号
化学成分（%）
C
Si
Mn
P
S
20g
<
0.24
0.15~0.30
0.35~0.65
0.035
表1.220g钢的力学性能
板厚（mm）
力学性能
（Tb（N/mm2
（Ts（N/mm2
（%）
6~16
400~540
245
26
1・4元素对焊接性影响
20g钢所含元素见表1.1，对焊接性影响如下：
碳（C）:
碳是合金钢不可少的元素，也是使焊接性恶化的元素，焊缝随着碳的含量增加，其的强度、硬度都会增加，同时，焊缝的结晶裂纹和焊接接头的冷裂纹倾向（碳当量增加）都要增加，所以选择焊接材料时，要控制焊缝中过渡的碳含量。
硅（Si）:
硅会导致焊缝金属脆性降低，从韧性考虑硅有害。
从防止焊缝气孔考虑，焊缝金属至少应含有0.2%的硅，能作为脱氧剂并防止CO气孔形成，所以焊缝应含有一定的硅，但作为脱氧产物容易形成硅酸而夹渣，低熔点的硅酸盐
还可能导致结晶裂纹。
锰（Mn：
锰含量的增加能改善组织和细化珠光体晶粒，提高焊缝的强度和
淬透性，降低脆性转变温度；
锰还可以用来脱硫脱氧，减少低熔点化合物在晶间的分布，从而降低焊缝金属的结晶裂纹倾向。
磷（P）、硫（S）:
磷、硫是钢中极易偏析的元素，几乎对各种裂纹都比较敏感，所以用于焊接结构的钢都要对磷硫严格控制。
磷偏聚晶界，形成低熔共晶，引起晶界脆化；
硫以夹杂物存在，降低韧性，提高韧-脆转变温度。
1.520g钢焊接性分析
碳素钢的焊接性取决于含碳量，随着含碳量增加而恶化，这是由于含碳量高的钢从焊接温度快速冷却下来容易被淬硬，其塑性下降，在焊接应力作用下容易产生裂纹。
碳素钢内在质量对焊接性有很大影响，沸腾钢因脱氧不完全，含P、S等杂
质较多，分布不均匀，在焊接时有产生热裂纹和气孔的倾向。
碳素钢的含碳量增加到0.15%以上时，对氢致裂纹尤其敏感，所以焊接含碳量高于0.15%的碳素钢时，必须注意减少氢的来源。
例如，减少焊条药皮中或埋弧焊焊剂里及母材上或大气中的水分，焊前对待焊部位须清除油污、铁锈等。
碳素钢在结构的拘束应力和不均衡的热应力作用下可能产生裂纹，即使是不
易淬硬的低碳钢，在受拘束条件下采用不正确的焊接程序也会因应力过大而产生裂纹。
总之，焊接碳素钢，应针对其碳含量不同而采取相应的工艺措施。
根据合金元素成分及屈服强度可知，20g属于优质碳素钢，含碳量较低，其他合金含量也较少，P、S杂质均低于0.035%，故其焊接性比较好，采用通常的焊接方法焊接后，接头中不会产生淬硬组织或冷裂纹，只有焊接材料选择适当，便能得到满意的焊接接头。
第二章压力容器的结构设计与生产工艺
2.1容器类别的确定
根据产品结构图可以得到，母材的屈服极限强度[c]s=245Mpa,根据
GB150.1—2011规定的碳素钢、低合金钢许用应力[c]t=cb27=174MPa,容器壁厚S=6mm圆筒外径Do=650mm根据设计温度20C下，圆筒厚度的计算
公式：
厂2[力牛十仇'
式中:
Pc为容器内部压力；
De为圆筒的外径；
C为计算厚度的附加值，查标准HG20580-2011《钢制化工容器设计基础规定》知，钢板厚度负偏差为C1=0.30;
查标准HG20580-2011《钢制化工容器设计基础规定》表7-5，本课题中C2为腐蚀裕量，取C2=1.5。
C=C1+C2=1.8mm
©
为焊缝强度减弱系数，是根据制造工艺质量确定的，它与焊缝位置，焊接方法以及检验因素有关。
标准规定焊接接头系数应根据容器受压元件的焊接工艺特点以及无损检测的长度比例确定。
全部焊缝经过无损探伤，确定为质量优良的焊缝时，对于低碳钢、普通低合金结构钢及奥氏体钢©
=1;
对于铬钼钒和高铬钢©
=0.8，因为这类钢的焊接热影响区强度降低，而且热处理不能恢复。
带入已知数据可计算出容器的内部压力约为2.26MPa,并且验证适用条件P
v0.4[c]t©
=69.6Mpa,所以属于中压容器。
2.2容器结构设计
2.2.1圆筒的设计
已知圆筒外径650mm厚度6mm根据圆筒的计算应力公式:
Do为圆筒外径；
ce为圆筒厚度；
代入数据可得计算应力
~2久
ct=121.3MPav[c]T©
=174MPa满足要求。
根据圆筒的最大许用工作压力的计算公式:
代入数据可得最大许用工作压力[Pw]=3.24MPa
2.2.2封头形状及尺寸设计
从受力与制造方面分析来看球形封头是最理想的结构形式，但缺点是深度大，冲压较为困难。
椭圆封头深度比半球形封头小的很多，易于冲压成型，是目前中低压容器中较多的封头之一。
平板封头因直径和厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。
从钢材耗用量来看：
球形封头用材最少比椭圆封头节约，平板封头用材最多。
椭圆形封头由半个椭圆和一段直边组成，在封头上设置直边是为了使封头与筒体连接处边缘应力不作用在封头与筒体连接的焊缝上。
中小直
径的中低压容器多采用椭圆形封头。
因此，从结构强度和制造方面综合考虑，采用椭圆封头最为合理，结构形状如图2.1
图2.1椭圆形封头
查标准JB/T4746—2002《钢制压力容器用封头》知，公称直径Do=650mm,选用标准椭圆形封头代号EHB,则Do/（H-h）=2，DN=Do根据GB15—1998中标准椭圆形封头厚度计算公式：
書
式中：
K为椭圆形封头形状系数，《=石2+（赢J，又已知Do/（H-h）=2，
所以K=1;
'
其他参数数据同上已知，则可以计算出封头厚度Sh=5mmC同上取1.8mm
又考虑到制造、运输及安装过程的刚度要求，对压力容器壳体加工成形后的厚度最小值Smin提出了要求，对碳素钢、低合金钢制容器：
Smin》3mm并且
要求Smin>
2Do/1000=1.3，而算得Sh=5mr>
Smin，满足要求。
所以S=Sh+C=5+1.8=6.8mm整圆后取7,即椭圆形封头壁厚7mm
根据封头的最大许用工作压力的计算公式：
Seh为封头的有效厚度；
K为椭圆形封头形状系数，K=1;
代入数据可得最大许用工作压力[Pw]=3.80MPa
通过查标准JB/T4746—2002《钢制压力容器用封头》表B.1h和B.2，可得EHB椭圆形封头参数见表2.1:
表2.1EHB椭圆形封头参数
公称直径
总深度
曲面咼度
直边高度
内表面积
容积V
质量m
/mm
H/mm
h1/mm
h/mm
/m2
/m3
/kg
650
188
161
27
0.5090
0.0442
23.8
2.2.3接管尺寸设计
已知法兰公称直径©
20mm,查HGT20592—2009钢制管法兰和《常见压力容器手册》，可以得到配合使用的接管尺寸如表2.2
表2.2接管参数
公称直径/mm
接管外径/mm
公称压力/MPa
壁厚/mm
50
57
4.0
3.5
2.3水压试验应力校核
根据《压力容器安全技术检查规程2009》选择试验方法为水压试验，水压
试验时的压力：
Pt=1.25P=1.25X2.26=2.825MPa
圆筒的薄膜应力为：
..2.825X（638+6）/12=151.6MPa丁2&
即°
-900；
萨X1X245=220.5MPa>
151.6MPa
所以水压试验合格。
2.4容器的生产工艺
2.4.1圆筒的生产
当圆筒的外径在800mm以下时，可以采用单张钢板卷制圆筒体，筒体上只有一条纵焊缝。
其制造工艺流程如下：
1下料：
内筒总长800mm内径©
538mm板厚6mm内筒的展开按中性层内径展开，由周长公式L=nd=3.14X650=2042mm所以筒体展开尺寸为2042m材624mm<
6mm
2边缘加工：
下料后的钢板，由于边缘受到气割的热影响，需要刨去热影响区及切割时产生的缺陷，同时考虑歪料加工到规定尺寸和开设坡口，采用刨边机进行边缘加工，也可以采取在筒体滚圆后再进行边缘加工的方法。
3钢板的卷制：
一般是在卷板机上冷卷制作，卷制过程中要经常用样板检查曲率，卷制后保证其纵焊缝处的棱角、径纵向错边量均符合规范中的技术要求。
4纵缝装配与焊接：
纵缝组对要求比环缝高得多，但纵缝的组对比环缝简单。
对薄壁小直径筒体，可在卷板后直接在卷板机上组对焊接，对厚壁大直径筒体要在滚轮架上进行，组对时需要一些装配夹具或机械化装置，如螺钉拉紧器、杠杆
螺旋拉紧器等，利用它们来校正两边的偏移、对口错边量和对口间隙，以保证对口错边量和棱角度的要求。
5矫圆：
纵向焊缝焊接后，筒体的圆形可能产生变形或偏差，对此需要用卷板机进行滚扎矫形以满足圆度要求。
滚扎矫形可以采用热滚矫形或冷滚矫形，对于壁厚较小的筒体一般采用冷滚矫形。
2.4.2封头的生产
压力容器的封头可以是球形、椭圆形，碟形，一般是用板材冲压成形，在某些情况也采用锻件的，以法兰的形式，用高强度螺栓连接形成封头。
其制造工艺流程如下：
封头制造工艺济程图
钢板的复检T预处理卩
并接焊缝装死必缘加工卜聞视
I+j
十次切割l
标准椭圆形圭寸头坯料尺寸计算可根据下式:
Dp二k（DnS）2h100
式中Dp――毛坯料直径（mr）
Dn封头内径（mr）
S圭寸头壁厚（mr）
h直边量（mr）
100——二次切割余量及防止压偏量（mrj）;
由公式计算得：
封头坯料尺寸Dp=1.2X650+100+100=980mmU割加工后的坯料直径为980mm钢板的下料采用数控火焰切割机进行切割。
下料后的钢料，由于边缘受到气割的热影响，需要刨去热影响区及切割时产生的缺陷，同时考虑歪料加工到规定尺寸和开设坡口，采用刨边机进行边缘加工。
3拼接焊缝装配：
封头一般多用整块板料冲压，但当钢板宽度不够时，可采
用锡板拼接，有一种方法是用两块或左右对称的三块板材拼焊，其焊缝必须布置
在直径或弦的方向上。
拼焊后，焊缝不能太高，否则冲压时模具与焊缝间将产生很大的摩擦，阻碍金属流动，同时可能因变形不均匀产生鼓现象，加上冲压时边缘部分增厚，摩擦和压力都很大，为此，靠边缘部分的焊缝也应打磨平整。
4加热压制：
在封头冲压过程中，为避免加热时变形太大和氧化损失过大，
以及冲压时坯料失去稳定性，除了薄板坯料采用冷冲压外，绝大多数封头是利用金属坯料塑性变形大的特点，多选择热冲压成形。
热冲压时，为保证成形质量，对坯料采用快速加热，并控制加热的起始温度，对低碳钢加热温度为900~1050C，终止温度约为700E,。
由于冲压变形量大，一般应取上限值，而且坯料加热时，为防止脱碳及产生过多的氧化皮等，可在坯料表面涂抹一层加热保护剂。
整体封头
的冲压过程为先将工件加热到1100C。
然后将其放在下模上，并对准中心，放下压边圈，
将坯料压紧到合适程度，以保证冲压时使坯料各处能均匀变形，防止封头产生波纹和起皱，开动压力机加压，使坯料逐渐变形并落入下模。
最后上提凸模使封头与上模脱离。
5二次切割：
由于封头压延变形量很大，坯料尺寸很难确定，因而在压制前
坯料必然放有余量，同时为了与筒体装配，对已经成形的封头还要正确切削其边缘，一般应先在平台上划出保证封头直边高度的加工位置线，然后用氧气切割或
等离子切割割去加工余量。
6封头的机械加工：
如果封头的断面坡口精度要求较高或其他形式坡口需机加工，可以在立式车床上车削，以适合筒体焊接，如果封头上开设有人孔密封面也可一并加工，封头加工完成后，要对主要尺寸进行检验，以保证能与筒体装配焊接。
2.5容器的整装配工艺
容器总装包括圆筒与封头、圆筒与接管、法兰、人孔、支座等附件的装配。
其工艺流程如下：
薛配焊接工艺I
简节间或筒节与封买棗丽畸体开孔円附件装配弹帥
1封头与筒体的装配：
在小批量生产时，封头与筒体一般采用手工的卧式装
配方法，即在滚轮支架上旋转筒体，并使筒体端部伸出支架400~500mm以上，
在封头上焊一个吊环，用起重机吊起封头，移至筒体端部，相互对准后横跨焊缝焊一些刚性不大的小板，用于固定封头与筒体间的相互位置，移去起重机后，用螺栓压板等将环向焊缝逐段对准到适合于焊接的位置，再用“U”形马横跨焊缝
并用点固焊固定。
2筒体开孔：
容器的附件主要是设备上的各种接管、人孔及支座等，附件装
焊前要在筒体上按图样要求确定开孔中心，划出中心线和圆周开孔线，打上冲眼，然后切出孔和坡口，按照规定要求，开孔中心位置允许偏差为土10mm.开孔可用手工气割开孔机开孔。
3附件装配焊接：
附近主要是接管和支座，接管与筒体的组对时，先把接管插入筒体开孔内，然后用点焊在短管上的支板或用磁性装配手定位好，接下来按筒体内表面形状在短管上划相贯线，将接管多余部分切除，再把接管插入筒体内用磁性装配手或支板定位好，先从内部焊满，而后从外面挑焊根后焊满。
支座需要将弯制好的托板与腹板和纵向立肋组焊，焊在筒体预先划好的支座位置线上。
4容器的焊接：
容器的环缝焊接，可用采用各种焊接操作机进行双面焊，但在焊接容器最后一道环焊缝时，应采用手工封底的或带热板的单面自动埋弧焊，其他附件与筒体的焊接，一般采用焊条电弧焊。
为保证焊接接头质量，对已编制的将用生产的每项焊接工艺，需要进行焊接工艺评定。
容器焊接完成后，必须严格按照GB150――1998中的压力容器制造与验收要求，用各种方法进行检验，以确定焊缝质量是否合格。
第三章压力容器的焊接工艺设计
3.1焊接方法的特点
3.1.1焊条电弧焊
对于壁厚不大的压力容器，纵缝和接管焊缝都可以采用焊条电弧焊。
手工电弧焊通常指采用药皮焊条的手工焊接法，利用产生于焊条和工件之间的电弧热来熔化焊条和母材，形成连接被焊工件的焊接接头.
主要的优缺点：
优点在于设备简单、工艺灵活；
对工作场地无特殊要求；
在任何位置都可以进行焊接；
对各种钢材的适应性强；
焊缝金属的性能优良，特别是低温冲击韧性相当高；
药皮焊条的品种齐全，可按技术条件规定的要求选择与母材性能相配的焊接变形；
容易控制形状复杂工件的焊接变形。
当生产效率很低。
3.1.2CO2气体保护焊
CO2气体保护焊是利用CO2作为保护气体，使用焊丝作为熔化电极的电弧焊方法，分为自动焊和半自动焊，对较长的直线焊缝和规则的曲线焊缝，采用自动焊，这里封头与圆筒的焊缝可以采用自动CO2气体保护焊。
优点在于焊接熔池与大气隔绝，电弧在气流的压缩下使热量集中，熔池的体积较小，热影响区窄，焊件焊后的变形小，CO2气体价格便宜，电能消耗少，成本低，生产效率高；
但焊接过程金属飞溅多，焊缝外观较为粗糙，不能焊接易氧化的金属，焊接过程弧光较强，要特别注意重视对操作人员的劳动保护。
3.2圆筒纵缝的焊接材料及工艺参数
圆筒纵缝采用焊条电弧焊，用于焊接结构的20g钢，其抗拉强度400~540MPa,按等强度原则可以选择E43XX系列焊条，它的熔敷金属抗拉强度不小于420MPa,在力学性能上能与母材恰好相匹配，对于壁厚不大的结构，选用工艺性能较好的E4303焊条，其成分如下：
表3.1E4303焊条熔敷金属化学成分:
E4303
0.12
0.3~0.6
0.35
0.040
焊条电弧焊的焊接工艺参数主要有焊条直径、焊接电流、焊接层数、电源种
类及极性等。
其中最重要的参数是焊接电流和焊接速度，因为这两个参数决定了焊接过程的线能量，也决定了焊缝金属的性能。
（1）焊条直径：
焊条直径的选择主要取决于焊件厚度、接头形式、焊缝位置和焊接层数及容许的输入热量等因素。
当然，焊接效率也是选择焊条直径的主要依据，因为任何一种实用的焊接工艺总是力求在保证焊缝质量的前提下，尽可能的
提高焊接速度以获得最好的经济效益。
在一般情况下，开坡口多层焊时，为了防止产生未焊透的缺陷，首
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