氮气贮罐罐体设计说明书Word格式.docx
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筒节卷制
Abstract
Thisdissertationmainlyintroducesthemanufacturingtechnologyandthetoolingdesignofthenitrogentankbody.TheheadismadefromthesteelplateofQ345D,withthethicknessof24mm;
Thecylinderjoint,steelplateofQ345D,22mm.Thenominaldiameterofthecylinderis2800mm.Accordingtothestandardforclassificationofthepressurevessel,thetankiscalledtheclassIIItype,andtheprocessofmanufacture,testandacceptanceallagreewiththeregulationofGB150-98.Thispaperformulatesthemanufacturingtechnologyofthenitrogentankbodyandthedesignofstampingdieoftheheadindetail,onthebasisofamaturediscussionoftheweldabilityofQ345D.
Intheintroductionofthemanufacturecraft,itnotonlyanalyzestheconstitution,therequestofmakingandemployingofthenitrogentank,butalsothematerialandthemechanicalpropertiesofeachpart,thethesisdescribestheassemblyweldingprocedureofthetankdetailedly,includingtheprocessingofthecylinderjointofhead,thegeneralassemblyweldingprocedure,fillingtheprocessingcardofpartsmachiningandweldingtechnique,etc.Whenmakingtheheadplate,itisnecessarytocalculatethespecificdimensionofthemalemouldandthefemalemouldaccordingtothesizeoftheheadplate.Inthispaper,thetrouble-spotinlinksareanalyzedandsomeadvisablesolutionsareproposed.
Keywords:
nitrogentank;
weldingprocedure;
stampingdie;
sectionrollingtube
引言
压力容器是一个涉及多行业、多学科的综合性产品，其建造技术涉及到冶金、机械加工、腐蚀与防腐、无损检测、安全防护等众多行业。
随着冶金、机械加工、焊接和无损检测等技术的不断进步，特别是以计算机技术为代表的信息技术的飞速发展，带动了相关产业的发展，在世界各国投入了大量人力物力进行深入的研究的基础上，压力容器技术领域也取得了相应的进展。
为了生产和使用更安全、更具有经济性的压力容器产品，传统的设计、制造、焊接和检验方法已经不同程度地被新技术、新产品所代替，而冶金、机械加工、焊接和无损检测等压力容器相关行业的技术进步，是压力容器行业整体技术水平提高的前提条件。
压力容器钢在国民经济中广泛使用，范围适用于机械、石油、石化、航天、核能等近20个行业。
压力容器钢的分三大系列。
一是低合金高强度钢板。
该钢是压力容器应用范围最广、使用量最大的一个钢种，2005年使用量超过80万吨。
目前，国家提出石油储罐用钢板国产化的目标，石化企业、储油站已大量选用国产钢板建造10万立方米大型石油储罐。
近期我国大型石油储罐用钢板将可全面实现国产化。
二是低温用钢板。
它是低温压力容器中使用量最大的一个钢种，广泛应用于制造单层卷焊容器、球形容器等。
在近阶段，低温压力容器钢板的重点工作是提高部分钢板的低温冲击功指标。
三是中温抗氢用钢板。
此钢在我国的钢板生产与钢锻件生产方面与先进国家存在着较大差距，中温抗氢用钢板的国产化工作任重道远。
在压力容器建造的初期，产品建造的目的是为满足本国相应工业的需求，压力容器的生产技术也是以本国的基本生产条件为基础。
生产技术的总结和统一安全质量的要求，使得国家依据自己的生产技术和管理要求制订出了适合于本国国情的相应安全法规和技术标准体系。
安全法规和技术标准水平的先进性如何，应体现在安全法规和技术标准是否能有效地保证压力容器产品的安全性和经济合理性，是否体现了代表时代的技术手段的应用，是否能推动行业的技术进步。
随着全球经济一体化的逐步发展，承压设备法规和标准的国际化趋势已经越来越明显。
欧洲标准化委员会（CEN）现正在采取积极行动，试图将现有的欧洲标准上升为国际标准。
美国和日本等一些国家为了争夺国际市场，也在采取积极的措施加速国际标准的制订。
本届秘书处设在美国的ISO/TC11已多次召开会议，并已经提出了ISO15386国际锅炉压力容器标准草案。
其目的是建立一个承压设备的通则，用以保证承压设备的安全使用，消除各国标准中可能出现的技术壁垒，在相互标准认可的基础上，实现承压设备产品的全球自由贸易。
随着我国加入世贸组织，我国的压力容器行业已经不可避免地面临国际市场的激烈竞争。
在新形势下，压力容器生产厂家应充分认识自身的优势与不足，改变观念，实行国际压力容器生产的通行做法，使产品早日走出国门。
近年来，压力容器制造业在装备投资中，焊接设备的比例占了40%以上。
正由于这些先进高效焊接设备和工艺的采用，使压力容器制造技术有了很大的提高和发展。
就具体的压力容器焊接而言，焊条
电弧焊的比例已逐步缩小，埋弧自动焊、氩弧焊、CO2气体保护焊、混合气体保护焊、等离子焊、真空电子束焊等先进的工艺技术已大量或逐步得到采用。
这对于稳定地提高压力容器焊接质量，提高压力容器制造工艺水平，无疑将起到很大推动作用。
在厚板成形方面，一些大型制造厂都添置了大型卷板机和压弯机，使厚壁板焊结构的压力容器生产得到了实现。
对于特大厚度的压力容器采用锻制筒节进行组焊的技术日趋成熟。
封头成形已具有整体冲压成形，分瓣成形和旋压成形各种工艺能力，特别是一大批封头专业制造厂的出现，为压力容器制造的社会分工和专业化生产奠定了良好的基础。
在无损检测方面，除去常规的X光射线检测设备外，不少厂为生产厚壁压力容器都购置了直线加速器。
连续成像的X光射线检测设备已应用于生产，智能化和可记录的超声检测仪已研制出并得到应用。
这都为压力容器的制作奠定了良好的基础
据不完全统计，我国以焊接为主要加工技术（或焊接对其产品质量具有关键影响的）的企业数量达7000多家。
这部分企业广泛分布在锅炉、压力容器、发电设备、核设施、石油化工和管道等行业中。
这些企业在我国工业经济建设中影响深、涉及面广、具有举足轻重的影响和作用。
本论文将焊接技术和氮气贮罐罐体制造相结合，根据罐体特点制定了全套的、合理的氮气贮罐罐体制造工艺。
1.焊接工艺设计
1.1母材分析
本设计产品选用的母材是Q345D钢，它是一种专门制造压力容器的低合金高强钢。
它具有良好的综合力学性能、焊接性能、加工工艺性能及低温冲击韧性。
中温（450C以下）及低温力学性能优于Q235,15,20等碳素钢，是一种十分成熟的钢种，质量稳定，可在-40~400C场合使用。
在石油化工设备、锅炉、压力容器中Q345D钢
的板材、钢管及锻件均有广泛应用，并分别纳入多种材料标准。
1.1.1母材的化学性能分析
Q345D钢是一种较常用的低碳低合金压力容器用钢。
常规化学成分如表1所示，以Mn为主要合金元素，以热轧状态交货，某些厚板需经正火热处理。
Q345D钢在热轧状态下具有较高的强度和韧性及良好的焊接性。
表1Q345D钢的化学成分（%）
钢种
技术标准
C
Si
Mn
P
S
Q345D
GB6654-96
0.20
0.20-0.55
1.20-1.60
0.035
0.030
1.1.2母材的力学性能分析
Q345D钢的屈服强度为340MPa。
它为压力容器的专用钢板，具
有良好的综合力学性能。
其主要力学性能如表2所示。
表2Q345D钢力学性能
技术
标准
规格
/mm
拉伸试验
冲击试验
冷弯
试验
抗拉强度
少/MPa
屈服强度
（js/MPa
伸长率
55/%
温度
/C
Akv
/J
（横向）
180o
GB6654
6〜16
510〜640
>
345
21
31
d=2a
16〜36
490〜620
325
d=3a
1.1.3母材的焊接性分析
Q345D特点是焊接热影响区具有不同程度的淬硬倾向，焊缝和热
影响区对冷裂纹都比较敏感。
电弧焊时，各种冷却速度下都可能在热影响区形成马氏体组织，钢中碳和合金元素的含量越高，热影响区的淬硬倾向就越大，同时金相组织中的马氏体组织的比例就越高。
因此,在拟定其焊接工艺时，应以防止接头各区马氏体组织和冷裂纹形成及防止热影响区淬硬变脆为基本出发点。
1）焊接缺陷
①热裂纹：
Q345D钢的碳当量较低而锰含量较高，因此，这种钢的SMn/（S能达到要求，具有较好的抗裂性能，焊接过程中的热裂纹倾向较小，正常情况下焊缝中不会出现热裂纹。
但个别情况下也会在焊缝中出现热裂纹，这主要与钢中碳、硫、磷等元素含量偏高或严重偏析有关。
如果焊缝中的碳含量过高，为了防止硫的有害作用就需要有较高的锰含量，随着碳含量的增加，要求WMn/CS也提高，当此=0.12%时，仙/S不应低于10,而当比=0.16%时，册n/⑷就应大于40才不能出现热裂纹。
硅的有害作用也与促使硫的偏析有关，因此硅含量高时
热裂纹倾向也增加
②冷裂纹：
Q345D只有在较快冷却速度下，才可能形成富碳的贝氏体和马氏体，以至诱发冷裂纹。
冷裂纹的影响因素：
a碳当量Ceq。
淬硬倾向主要取决于钢的化学成分，其中以碳的作用最明显。
通常碳当量越高，冷裂敏感性越大。
b热轧钢的淬硬倾向。
随着合金元素和强度级别的提高而增大。
c热影响区最高硬度。
热影响区最高硬度是评定钢材淬硬倾向和冷裂纹敏感性的一个简便的办法。
最高硬度允许值就是一个刚好不出现冷裂纹的临界硬度值。
碳当量增大时，热影响区淬硬倾向随之提高，但并非始终保持线性关系。
当碳当量减小且降低冷却速度时，热影响区淬硬和冷裂纹倾向随之降低。
2）脆化：
Q345D钢产生脆化的主要原因是热输入量过大导致晶
粒粗大，以及因冷却速度过快而在过热区形成粗大马氏体和贝氏体混合组织。
Q345D钢主要靠合金元素的固溶强化来保证其具有良好的力学性能，因为在热轧状态下使用，所以脆化问题不是很严重，Q345D焊后经600C、保温1小时的高温回火处理后，韧性有了很大恢复，因此消除应力回火处理可防止脆化。
1.2产品制作工艺流程图工艺流程图主要是为了让设计和生产者能够直观的熟悉整个工艺流程，理清思路，提高工作效率。
并且让人们能够简单了解工艺流程的步骤和主要环节。
其流程如图1所示。
封头制旬
筒节阀
图1筒体制作工艺流程图
1.3焊缝位置分布
本设计的氮气贮罐罐体的体积较大、焊缝较多，有纵焊缝、环焊缝等。
为了防止焊缝交叉。
1.4筒节制作工艺
1.4.1钢板的复检
本设计选用的金属材料是Q345D钢板，材料要有材质证明书，有符合规定的材料标记符号，要对材料的表面质量和材料的几何尺寸进行复检。
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，断裂试验等。
1.4.2钢材的矫正
1）钢材矫正的基本原理和方法
矫正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（即永久变形），以消除原来工件弯曲、扭曲和皱折、不平等变形。
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［2］。
本设计选择机械矫正，其原理如图2所示。
图29辊矫直机工作原理图
1-导向辊2-上支承辊3-上工作辊4-下支承辊5-下工作辊
2）钢板矫正设备
钢板的矫正，一般情况下都是采用多辊板料矫正机进行机械矫正，但特殊情况，如对于厚板、小块板料的矫正，也可以用对称式三辊卷板机和各种压力机来代替多辊板材矫平机进行矫正，少数情况下也可进行手工矫正。
本设计选用国产4200mm9辊中厚板矫直机，其技术条件如表3所示。
表34200mm9辊中厚板矫直机技术条件
厚度（mm）
宽度（mm）
长度（mm）
温度（C）
辊数M辊距（mm）
8〜40
1500〜4000
4000〜18000
600〜800
9X360
辊径熾昆长（mm）
上横梁开口度
（mm）
传动比（i）
矫直速度
（m/s）
主电动机
（kw）
①320mmx4200
240
22
0.3〜0.8
125
1.4.3钢板表面的预处理
为了避免钢材表面的油污、锈蚀和氧化皮等影响产品的制造质
量，应该在进行材料划线、下料之前进行表面预处理。
钢材表面的预处理对于提咼产品质量、延长产品的寿命、减少环境污染具有重要的意义。
钢材的表面预处理方法主要有机械法和化学法两种[4]。
本设计选用机械法中的喷丸处理。
选用的喷丸设备是GYX-NM型钢材预处理装置，它既可以用于钢板、型钢的表面处理，也可用于结构部件的表面处理。
该装置进行钢材预处理的工艺过程为：
电磁吊上料t辊道输送t预热（40-50C）t喷丸t清理丸料t喷漆t烘干（60-70C）t辊道输送出料。
1.4.4划线、下料
在划线、下料之前应先选取制作筒节钢板的尺寸规格。
钢板卷圆时，板材纤维沿厚度方向的变形是不同的，弯曲后内层的纤维受压缩而缩短，而外层的纤维受拉伸而伸长，在内层与外层之间必然存在弯曲时既不伸长也不缩短的一层纤维，该层称为中性层[3]。
中性层的长度在弯曲过程中保持不变，因此可作为展开尺寸的依据。
筒节的尺寸计算
筒节的展开长度：
L（Dg）S1S2
（2-1）
其中L筒节毛坯展开长度（mm）；
Dg筒节内径（mm）;
筒节壁厚（mm）;
S1加工余量（mm）;
S2修边余量（mm）。
代入数据L=3.14（2800+22）+10+60=8931.08（mm）
意义。
钢材的表面预处理方法主要有机械法和化学法两种⑷。
本设计选用机械法中的喷丸处理。
选用的喷丸设备是GYX-NM
型钢材预处理装置，它既可以用于钢板、型钢的表面处理，也可用于结构部件的表面处理。
该装置进行钢材预处理的工艺过程为：
电磁吊
上料t车昆道输送t预热（40-50C）t喷丸t清理丸料t喷漆t烘干（60-70C）-车昆道输送出料。
1.4.4划线、下料
在划线、下料之前应先选取制作筒节钢板的尺寸规格。
钢板卷圆时，板材纤维沿厚度方向的变形是不同的，弯曲后内层的纤维受压缩而缩短，而外层的纤维受拉伸而伸长，在内层与外层之间必然存在弯曲时既不伸长也不缩短的一层纤维，该层称为中性层⑶。
中性层的长
度在弯曲过程中保持不变，因此可作为展开尺寸的依据。
L（Dg）0$
（2-1）
其中L--筒节毛坯展开长度（mm）;
Dg一筒节内径（mm）;
一筒节壁厚（mm）;
Si—加工余量（rnrn）j
S2一一修边余量（mm）。
代入数据L=3.14（2800+22）+10+60=8931.08（mm）
（注：
图中虚线为选板尺寸，实线为毛坯料尺寸。
）
图4筒节展开图
146边缘加工
边缘加工是将工件的边缘或端面加工成符合工艺要求的形状和
尺寸精度的加工工序。
对下料后的零件进行边缘加工，主要是为了：
1消除前道工序加工所产生的加工硬化层和热影响区；
②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；
③提高结构的表面质量，也可为产品的后期制作创造条件⑸。
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B81050A型刨边机进行边缘加工。
1.4.7筒节的卷制
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。
筒节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
选择40mM4000mm对称式三辊弯板机。
其原理如图5所示。
图5三辊卷板机卷制钢板
1-上辊2-下辊3-钢板
1）预弯
1预弯原理
用对称式三辊卷板机弯卷钢板时，钢板两端各有一平直段长度，由于没有接触上辊不发生弯曲，称为剩余直边。
工艺上把平板端部到开始弯曲的最小的距离叫做理论剩余直边，其大小与设备及其弯曲形式有关。
为了避免板料从辊筒间脱出，所以存在剩余直边，而实际剩余直边常比理论值大。
由于剩余直边在矫圆时难以完全消除，并造成较大的焊缝应力，故一般应对板料进行板边预弯，在卷板前要采用一定的办法先将其两端弯曲成所需要的曲率，使剩余直边接近理论值，使钢板都能弯曲成同一曲率。
2预弯的方法
卷板机预弯。
凡可以进行不对称弯曲的卷板机或带弯边垫板的三
辊卷板机都具有弯边的能力。
胎板厚度一般不小于卷制钢板厚度的两倍，所以选取厚度为44mm，其曲率半径应略小于被弯钢板的半径，预弯的长度一般要大于两下辊中心距的一半，取200mm,如图6所示
2）对中
预弯后将钢板放入卷板机上、下辊之间进行滚卷，注意将钢板放正、对中，使工件的母线与辊子轴线平行，防止产生扭斜。
对中方法可先在钢板上划出中线，然后与下辊表面的线槽对正，即可对中。
3）卷圆
钢板对中以后，就可以调下上辊压住钢板并使之产生一定的弯曲，开动机床进行弯曲。
每滚卷一次行程，便适当调整上辊一次，经过这样多次滚卷后就可以将钢板弯曲成所需要的曲率。
冷卷时考虑到回弹，要有一定的过卷量，一般为20〜30mm,且当曲率达到要求时还应在此曲率下多卷几次。
热卷时不必考虑回弹。
4）矫圆
一般矫圆分三个步骤：
1加载根据经验或计算将辊筒调到所需的最大矫正曲率位置。
2滚圆将筒节在矫正曲率下滚卷1〜2圈（着重滚卷近焊缝区）
使整圆曲率均匀一致
3卸载逐渐卸除载荷，使工件在逐渐减少的矫正载荷下多次滚卷⑴。
148纵缝装配焊接
根据所选板材为22mm厚的Q345D钢板，采用双面埋弧焊，开
X形坡口。
定位焊采用焊条电弧焊，选用焊机型号ZXG-300。
然后进行焊接，选用埋弧焊机型号MZ-1000，该焊机为变速送丝，结构特点是焊车式。
MZ-1000的焊丝送进速度由电弧电压反馈控制，即依靠电弧电压反馈对送丝速度进行控制，通过依靠电弧电压反馈对送丝速度调节以及电流自身调节的综合作用，保证弧长及燃烧稳定。
此类焊机适用于粗焊丝，使用陡降外特性的电源较好。
可用交流或直流电源，可焊对接、角接、环缝或纵缝等接头形式。
电弧电压自动调节是指当焊接系统受到外界干扰而使焊接规范偏离给定值时，系统能对弧压进行自动调节，以保持弧压不变。
此焊机技术参数如表4所示。
表4MZ—1000焊机的技术参数
焊接电流（A）
焊丝直径（mm）
送丝速度（cm/min）
焊接速度（cm/min）
电流类型
400〜1200
3〜5
50〜200
25〜117
直流或交流
筒节的纵缝装配的制造过程中，至少有一条纵缝是在卷成形后组焊的，由于纵缝的组装没有积累误差，组装质量较易控制。
但是若弯卷过程控制不好，就会产生偏差，从而给组装带来麻烦。
筒节的板料预弯质量不佳还会造成纵缝棱角度超差，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矫圆工序中予以修正。
为了焊透保证焊接质量，因而焊接坡口采用X型坡口，焊接方法采用双面埋弧焊。
要求待焊边缘必须平直，保证间隙为2mm。
焊接外侧的熔深为板厚的40%-50%,内侧要控制熔深达到板厚的60%-70%，以保证焊透。
1）焊前准备：
1焊接坡口本筒体壁厚为22mm，开对称X形坡口，其坡口形式如图7所示。
焊条需在350C下烘干1-2h，焊剂需在150C下烘干1-2h。
2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。
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1
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图7筒体纵缝坡口示意图
2）焊接工艺参数
焊条电弧焊的定位焊采用直流电源反
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