高压储罐焊接工艺设计.docx
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高压储罐焊接工艺设计
毕业设计（论文）中文摘要
随着制造业的不断发展，锅炉以及压力容器在各行各业中被广泛使用，并且因其在生产过程中发挥着越来越重要的作用，使用量也正在逐年攀升。
相比于传统的压力容器制造方法，通过焊接的手段生产的压力容器正因为其高的生产效率、低的生产成本逐渐成为压力容器制造业中的主流。
但焊接生产过程中有较多的质控点较难把握，影响焊缝质量的因素较多，导致所焊接产品的一次合格率较难有进一步的提升。
产品制作工艺说明书中，简要分析了储气罐的构成；根据材料的特点和产品的结构尺寸制作出适合本产品的工艺流程；详细论述储气罐加工、装配、焊接工艺。
同时对储气罐制作中容易出现的质量问题进行了分析说明，提出了相应的解决措施。
焊接方法选手工电弧焊和埋弧焊；焊接材料选用焊条J857、焊丝H10MnSi和焊剂HJ350。
关键词：
高压储罐、焊接、工艺设计
毕业设计（论文）外文摘要
Title：
Boilerandpressurevesselweldingmethodcommonlyusedtechnologicalparametersofchoice
Abstract：
Withthecontinuousdevelopmentofmanufacturingindustry,boilerandpressurevesselinallwalksoflifeiswidelyused,andbecauseofitsproductionprocessinamoreandmoreimportantrolein,usageisalsoupyearbyyear.
Comparedwiththetraditionalpressurevesselmanufacturemethodandbymeansofweldingproductionofpressurevesselsbecauseofitshighproductionefficiencyandlowercostofproductiongraduallybecomethemainstreamofthepressurevesselmanufacturingindustry.Butintheprocessofweldingproductionmoreqcpointisdifficult,theinfluencefactorsonthequalityoftheweldingseammore,leadtotheweldingproductsaqualifiedratemoredifficulttohavethefurtherpromotion.
Productmanufacturingprocessinstructions,abriefanalysisofthecompositionofthegastank;thecharacteristicsofthematerialandproductstructuresizetoproduceproductsfortheprocess;detailtankfabrication,assembly,welding.Atthesametimepronetogastankproductionqualityissuesanalysisshows,thecorrespondingmeasurestoresolve.Weldingandsubmergedarcweldingplayerswork;weldingelectrodematerialselectionJ857,wireH10MnSiandfluxHJ350.
Keywords：
Highpressuretank、Welding、Designoftechnology
第一章绪论
1.1压力容器的应用……………………………………………………4
1.2压力容器制造技术的发展…………………………………………4
第二章高压储罐的常用材料和选择
2.1储罐的选材原则……………………………………………………6
2.2高压储罐的常用钢…………………………………………………7
2.3主体材料的制备……………………………………………………9
第三章高压储罐的结构制造
3.1高压储罐的结构参数………………………………………………10
3.2本课题用钢…………………………………………………………10
3.3高压储罐板材的制作过程…………………………………………11
3.4高压储罐的装备……………………………………………………12
第四章高压储罐的焊接工艺
4.114CrMoVB的焊接性分析………………………………………16
4.2焊接方法的选择……………………………………………………19
4.3焊接材料的选择……………………………………………………20
4.4焊前准备……………………………………………………………23
4.5坡口的制备及方法…………………………………………………27
4.6分层焊接……………………………………………………………30
4.7焊接工艺卡…………………………………………………………40
第五章检验
5.1无损检验……………………………………………………………41
5.2高压容器的常见缺陷及处理………………………………………42
5.3压力实验……………………………………………………………46
5.4成品验收……………………………………………………………49
结论…………………………………………………………………………49
致谢……………………………………………………………………………51
参考文献………………………………………………………………………52
第一章绪论
1.1压力容器的应用
石油、化工、医药等产品是按照一定的工艺过程，在一定的条件下利用与之相匹配的机械设备生产出来的。
随着科学技术的进步和工业生产的发展，特别是国民经济领域持续稳定压力容器已在石油、化工、轻工、医药、环保、冶金、食品、生物工程及国防等工业领域以及人们的日常生活中得到广泛应用，且数量日益增大，大容积的设备也越来越多。
例如，生产尿素就需要与之配套的合成塔、换热器、分离器、反应器、储罐等压力容器；加工原油就需要与原油生产工艺配套的精馏塔、换热器、加热炉等压力容器；此外，用于精溜、解析、吸收、萃取等工艺的各种塔类设备也为压力容器；用于流体加热、冷却、液体汽化、蒸汽冷凝及废热回收的各种热交换器仍属于压力容器；石油化工中三大合成材料生产中的聚合、加氢、裂解等工艺用的反应设备，用于原料、成品及半成品的储存、运输、计量的各种设备等都是压力容器。
据统计，化工厂中80%左右的设备都属于压力容器的范畴。
压力容器种类多，操作条件复杂，有真空容器，也有高压超高压设备和核能容器；温度也存在从低温到高温的较大范围，处理的介质大多具有腐蚀性，或易燃、易爆、有毒，甚至剧毒。
这种多样性的操作特点给压力容器从选材、制造、检验到使用、维护以致管理等诸方面造成了复杂性，因此对压力容器的制造、现场组焊、检验等诸多环节提出了越来越高的要求。
压力容器涉及多个学科，综合性很强，一台压力容器从参数确定到投入正常使用，要通过很多环节及相关部门的各类工程技术人员的共同努力才能实现。
1.2压力容器制造技术的进展
随着科学技术的发展，压力容器制造技术的水平越来越高，其制造进展主要表现在四个方面。
1.压力容器向大型化发展
大型化的压力容器可以节省材料、降低投资、节约能源、提高生产效率、降低生产成本。
目前板焊结构形式的煤气化塔厚度达200mm，其内径为9100mm，单台质量已达2500t；现在年产30万吨合成氨和52万吨尿素装置的四个关键设备均已实现国产化。
炼油处理装置也由250X104t/a原油提高到1000X104t/a原油的处理能力。
液化石油气、化工原料气储运中，卧式储罐已能生产φ7400mmX38mmX7400mm，单台设备达600t的设备。
在核电设备的生产中，已能生产总重达380t的350MV核反应堆压力容器，以及总重达345t的1000MV核电蒸汽发生器。
为了适应大型容器的制造，其制造装备也得到了迅猛发展。
目前，单台吊车的起吊质量已达1200t，水压机在6000t以上，卷板机在4000t以上，冷弯最大厚度达380mm，宽6m,热冲压封头直径达4.5m，厚度达300mm。
重型旋压机可加工直径为7m，厚165mm的椭圆形封头。
2、压力容器用钢的发展
由于压力容器的大型化以及生产过程中的工艺条件越来越苛刻，导致对压力容器用钢的要求日益严格，因而促使材料技术不断发展，在要求钢材强度越来越高的同时，还要求改善钢材的抗裂性和韧性指标。
通过降低含碳量和增加微量合金元素来保证强度，同时通过提高冶炼技术以降低杂质来保证抗裂性和韧性。
目前日本的冶炼技术己能使磷含量降低到0.01％下，硫含量降低到0.002％以下。
随着冶炼技术的不断发展，出现了大线能量下焊接性良好的钢板，且复合钢板的使用也越来越普遍。
随着加氢工艺技术，特别是煤加氢液化工艺的发展，钢的抗氧能力，抗蠕变性能，最高使用温度限制及抗拉强度已不能满足要求，因此近年来国外相继开发了新型的Cr-Mo-V抗氢钢。
为在一些腐蚀环境中保证压力容器的安全使用，双向不锈钢，Ni基不锈钢、哈氏合金等材料的应用越来越多。
3、压力容器制造方法的发展
传统的压力容器制造方法主要有锻造式、卷焊式、包扎式、热套式等方法，1981年德国首次推出了焊接成形技术的新方法，采用多丝埋弧焊法制造压力容器。
这一新技术出现，在原铸、锻、轧三种传统制造方法基础上增加了第四种制造方法——焊接制造。
4.焊接新材料、新技术的产生和应用
为了提高高强度钢的断裂韧性，必须降低焊缝中氢的含量，因此超低氢材料的研制和使用受到了容器制造厂家的关注。
日本神钢公司研制的UL系列超低氢焊条，使用时止裂温度可降低25-50。
C，同时它的吸湿性很小，管理也很简便。
我国压力容器用钢从单纯的碳钢过渡到普通低合金钢，进而发展到低温钢、高强度钢和特殊钢，目前已能利用Cr-Mo-V抗氢钢制造出加氢反应器。
此外，自动焊接技术和焊接机器人使大型容器的焊缝实现了自动化，提高了焊接质量和效率，降低了工人的劳动强度。
在自动焊接设备方面，出现了跟踪焊缝系统的自动焊机。
并能用数控技术来控制焊接参数，用工业电视监视焊接过程等。
热处理方式也出现了轻型加热炉，淬火工艺也出现了喷淋式和浸人式方法，退火出现了内部燃烧和局部加热退火。
工频电加热、电阻加热和红外线加热等局部加热方法也得到广泛应用。
第二章高压储罐的常用材料和选择
2.1储罐的选材原则
（1）强度要求压力容器在工作过程中，需要承受压力和其他载荷，所用材料强度应能满足其使用要求。
材料的强度指标是确定压力容器壁厚的依据，但钢材的各项力学性能具有相互联系和相互约束的机制，因此，选材时不能单纯地考虑强度指标，而且还要考虑材料的塑性、韧性、耐蚀性等指标。
材料的强度过低，势必造成材料厚度增大，但无原则地选用高强度的材料，将会带来材料和制造成本的提高以及抗脆性能力的降低。
在满足强度的条件下，尽量选择塑性和韧性比较好的材料;对于有特殊要求的高温、高压、有氢介质的压力容器，选择材料时除考虑蠕变极限和持久极限外，还要考虑抗氢腐蚀和氢脆的影响。
（2）塑性、韧性要求在压力容器的结构上不可避免地存在小圆角和缺口结构；在焊接中也不可避免地存在气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等缺陷。
使用过程中由于压力、温度等存在波动，势必造成出现交变载荷，导致存在缺陷的地方产生应力集中而使缺陷出现扩展的趋势，因此要求材料有较好的塑性，以减少缺陷延展的趋势。
由于压力容器制造过程中几乎都采用冷（热）弯成形和焊接结构，因此要求所选材料应具有较好的冷（热）加工性能和塑性，按GB150-1998的规定，压力容器材料的塑性δ5在15%~20%以上，并且还要考虑含碳量，一般碳的含量不超过0.2％。
（3）制造工艺性压力容器的壳体都是通过一定的热变形或冷变形而得到所需形状的，因此对所用材料要求具有良好的焊眺能和较好的冷（热）加工性能，以保证冷（热）加工时不出现断裂等缺陷，而且得到质量可靠的焊接结构。
此外还要具有较好的焊接性能，即在不附加其他任何工艺措施的条件下仍能得到优质的焊接接头。
（4）耐蚀性能在许多生产中，压力容器所接触的介质存在一定的腐蚀性，因此导致容壁减薄而不能满足最初的设计载简要求，因此为了保证压力容器在设计寿命内安全运行，就必须根据介质性质选择不同要求的耐蚀性能的材料。
必要时可以针对介质的具体性质选用高合金钢、有色金属或耐蚀衬里。
（5）较低的硫、磷含量在钢材中硫、磷是主要的有害元素。
硫元素存在于钢中将会促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低；磷元素尽管能够提高钢的强度，但伴随着增钢材的脆性，特别是低温脆性。
因此与一般的结构钢相比，压力容器用钢要求硫、磷在一个较低的水平。
我国压力容器用钢对硫、磷含量的要求就分别低于0.02％和0.03％，这有别于其他用途的钢材，所以在压力容器用钢牌号后用“R”以示区别，这里“R”代表中文“容器”的第一个字的大写字母。
2.2高压储罐的常用钢
压力容器用钢的基本要求
1、压力容器常用材料
（l）壳体常用材料压力容器的壳体是主要的受压元件，因此除有强度要求外塑性和韧性也必须满足要求。
目前压力容器壳体一般采用冷（热）成形方法，因此选用碳素结构钢、压力容器用碳素钢板、低合金钢板和不锈钢板。
①碳素结构钢板此类材料只能用于一般用途的非压力容器专用钢板，由于价格便宜、来源广泛、质量稳定，因此一定限制条件下可以用于压力容器。
可供选用的钢板有Q235-A·F，Q235-A，Q235-C，其限制条件参见GB150——1998
《钢制压力容器》。
②压力容器用碳素钢板和低合余钢板这类材料属于一般压力容器的专用钢板，在普通的压力容器结构钢板中加入少员的合金元素，诸如Mn、Si、Mo、V、Ni、Cr等元素，能够显著改变钢材的强度和综合力学性能在GB—1996《压力容器用钢板》提供了多个钢板品种。
如20R、16MnR、15MnVR等，此外在GB150-1998《钢制压力容器》中还规定允许采用《压力容器用钢板》以外的其他钢板，如07MnCrMoVR、07MnCrMoVDR等低合金钢板。
压力容器用碳素钢板和低合金钢板的使用性能和要求参见GB150-1998《钢制压力容器》。
③低温压力容器用低合金钢板按GB150--1998《钢制压力容器》规定，设计温度≤-20℃的容器即属于低温容器范畴；对于这类容器，应选用耐低温的专用钢板，除强度要求外，更要求具有足够的韧性，以防止压力容器的低温脆断。
GB3531-1996《低温压力容接用低合金钢板》和GB150-1998《钢制压力容器》提供了用于制造低温压力容器专用钢板，如16MnDR、15MnNiDR、09Mn2VDV07MnNiCrMoVDR、等。
④不锈钢板不锈钢是指含铬量在12%~30%的铁基合金。
含铬量在12％~17％的不锈钢，它在大气中可以发生钝化，主要用于大气、水及其他腐蚀性不太强的介质中；含铬量在17％以上的不锈钢可以用于强腐蚀性介质中这类不锈钢也称为“耐酸钢”。
GB4237《不锈钢轧制钢板》提供了多种不锈钢。
不锈钢虽然在生产中起广泛作用，但对某一种钢号而言其使用却受到一定的限制，目前还没找到能够抵抗多种介质类型腐蚀的不锈钢。
（2）接管与换热管常用材料压力容器上有许多工艺接管，如进料管、出料管、换热管等，它们多为无缝钢管，而切属于受压元件。
常用无缝钢管材料一般有四类，即碳素钢、低合金钢、低合金耐热钢和高合金钢。
它们的冶炼要求、性能要求与前面介绍的钢板基本相同。
常用的碳素钢管材料有10、20、20g等，低合余钢材料有16Mn、15MnV等，低温钢管材料有09Mn2VD、09MnD等，中温抗氢钢管材料有12CrMo、15CrMo、10MoWVNb、12Cr2Mo、1Ni5Mo等。
高合金钢管材料有0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni12Mo2Ti、0Crl9Ni13Mo3、00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2等。
（3）管道与法兰常用材料管道与法兰式压力容器中几比较典型的受力元件，通常是用钢板或者是锻件经过机械加工制成，然后与壳体组焊，因此要求管板与法兰材料具有良好的可锻性、可焊性和切削加工性能。
此外，管道与法兰不仅与介质直接接触，而且受力比较复杂，因此在选择材料时应考虑其力学性能要高于壳体材料。
管板的常用材料有Q235-A、Q235-I3、Q235-C、16Mn、I6MnR等。
法兰常用材料有板材Q235-A、Q235-13、Q235-C、16Mn、15MnVR，常用锻件有20MnMo、15CrMo等种类。
（4）螺栓与螺母常用材料螺栓与螺母是压力容器广泛使用的一类基础零件。
由于压力容器工作时要承受较大的负荷，因此螺栓与螺母需要采用较高强度的材料制造，同时要求所选择的材料具有较好的塑性、韧性以及良好的机械加工性能。
对高温和高强度螺栓用钢，还必须具有较好的抗松弛性、良好的耐热性以及较低的裂纹敏感性。
螺栓与螺母配对使用，通常螺栓的强度和硬度比螺母的稍高。
螺栓常用的材料有Q235-A、35、40、40MnB、40MnBV、40Cr、30CrMoA、35CrMoA、35CrMoVA、25Cr2MoVA、1Cr5Mo、0Cr19Ni19等。
螺母常用的材料有Q215-A、Q235-A、20、25、35、2Cr13、30CrMn等。
（5）支座与其他附件常用材料压力容器支座将承受整个容器的自重和工作介质负荷，但没有承受介质的压力和温度负荷，因此选择时刚性较好的材料即可。
常用钢材Q235A、Q235-B等。
2.3主体材料的制备——钢材的处理
（1）钢材的表面处理低合金高强度钢通常具有较高的耐断裂强度及疲劳强度，但它的抗腐蚀性及腐蚀疲劳性能较差。
在工程应用中，许多构件不可避免的收到水、氯离子以及其他介质的侵蚀，同时还承受动载荷的作用，也因此要求构件还要具有较高的疲劳抗力。
表面处理方法主要有表面喷丸，表面镀锌以及它们的相互结合。
通过实验表明，经过表面处理后的钢材抗腐蚀疲劳强度提高80％，钢材的疲劳源从表明转移到亚表面，表明形变层的抗腐蚀能力增加，小孔腐蚀消失，疲劳裂纹减少。
有利于改善低应力长寿命范围内的腐蚀疲劳性能。
（2）钢材的表面净化工作钢板的表面净化是钢板预处理的一个步骤，运用特定的方法或设备祛除表面的油污、铁锈、杂质、氧化皮等。
表面净化的方法大体分两类：
机械法和化学法。
化学法主要有酸洗、碱洗、盐洗等。
机械法主要有砂轮打磨、喷沙、喷丸处理。
经过表面处理后的钢材能较好的除去钢结构构件表面的锈蚀及飞溅；使钢结构构件表面产生一定程度的凹凸不平的压花效果，可以消除应力集中，增加表面硬度；改善表面密度，增加表面抗力；增大构件摩擦系数（主要用于高强摩擦栓）及涂料的附着力。
（3）钢材的矫正工作钢材在轧制、运输、装卸和堆放过程中，由于自重、支承不当或装卸条件不良及其他原因，可能会产生弯曲、扭曲、翘曲、波浪变形及表面不平等变形。
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，而且会影响到成形后零件的尺寸和几何形状的精度，从而又会影响到装配、焊接和整个产品的质量。
所以在划线下料前应予以矫形。
钢材在加工过程中，也会由于受力不均等工艺原因和其他原因而使工件产生变形，为不影响下道工序的加工和确保加工质量，也需进行矫形。
另外，在装配——焊接之后，工件也会因焊接等原因，产生某些变形，亦需矫形，此为成品矫形。
矫形就是使钢材或工件在外力作用下产生与原来变形相反的塑性变形，以消除弯曲、扭曲、皱折、不平等现象，从而获得正确形状的过程。
矫形的实质就是将被拉长的纤维缩短或将缩短的纤维拉长，以恢复原状，或是使其他部分的纤维也拉长或缩短，产生与局部纤维相同的变形。
从而达到矫形的目的。
矫形的方法按操作方法的不同，可分为手工矫形、机械矫形和火焰矫形三种。
第三章高压储罐的结构
3.1高压储罐的结构参数
1250t水压的高压储罐的设计压力为32MPa，工作压力为21，储罐主体为锻焊结构，设备内径为7745mm，厚60mm，总长度为7745mm，由三节壳体和两个端盖组焊而成。
其结构如图3-1所示
图3-1高压储罐的结构示意图
3.2本课题的用钢
储罐的主题材料为14CrMoVB，为低合金高强度钢。
这种钢的屈服比不大，但硬度较高（285HB），含锰量大，淬透性好，因此焊接性比较差。
材料的金相组织为回火马氏体和少量的粒状贝氏体。
14CrMoVB钢的化学成分见表3-1。
表3-114CrMoVB钢的化学成分
成分
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
V
B
含量（质量分数）/％
0.10
0.32
1.20
0.019
0.010
0.94
0.42
0.056
0.026
3.3压力容器板材的制作工艺流程
1、筒体板材的制作流程
（1）板材的切割与下料，例如60mm的厚板材需要等离子或者火焰切割
（2）筒体的卷制与成型，对于厚大钢板应采用热卷板或者辊卷板，如图3-2所示
图3-2
（3）焊接，主要包括筒体纵缝的焊接、环缝的焊接。
根据焊接工艺应采用埋弧焊焊接最为合适（具体参照第四章《焊接工艺》）
（4）筒体组装前准备，主要包括筒体纵缝边缘的准备、筒体的矫圆、组对环缝
（5）筒体组装的后续工作，包括筒体内壁的修磨和清理、筒体封头接管的开口、筒体的的接管、总装和焊接。
2、封头的制作工艺
（1）封头板的火焰切割与下料
（2）封头板拼缝的焊接，与筒体工艺相同，主要采用埋弧焊进行焊接。
（3）封头板的无损检测与正火处理
（4）热冲压成型或旋压成型
（5）正火或者进行调制处理。
对于低合金钢热冲压加温不高于该钢材的正常正火温度。
（6）封头内部的清理和整修
3、型材结构的制作工艺
（1）型材的预处理，包括矫平、矫直和涂防护漆等
（2）热切割和冲剪下料
（3）弯曲成形和折边
（4）孔加工，可采用气割、钻、铣等方法
（5）总装焊接
（6）结构整体喷丸除锈
4、管材焊接的结构的制作工艺
管材制作的工艺与型材相似，不再进行一一介绍。
3.4压力容器的装配
1、筒体装配
筒节的制造过程中，至少有一条纵缝是在卷制后组焊的，同时纵缝的组装没有积累误差，组装质量较易控制，但对于壁厚为20~65mm、直径为1000~6000mm的筒节，若弯卷过程控制不好，就会产生偏差，如图3-3所示。
图3-3
筒节的板料预弯质量不佳还会造成纵缝棱角超差。
这时靠组装过程来控制是无能为力的，而只能在筒节纵缝焊后校圆工序中予以修正。
图3-4棱角度
2、壳体环缝的组装
环焊缝的组装比纵焊缝困难。
一方面由于制造误差，每个筒节和封头的圆周长度往往不同，即直径大小有偏差；另一方面，筒节和封头往往有一定的圆度误差。
此外组装时还必须控制环缝的间隙，以满足容器最终的总体尺寸要求。
可采用螺栓撑圆器、间隙调节器、筒式万能夹具等辅助工具有有关量具来矫正，对中、对齐。
3、人孔、接管、支座等零部件与壳体的组装
筒体划线
在筒体总装、焊接、无损检
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