pg課程設計論文-臥式儲罐焊接結構和工藝設計

1、1 產(chǎn)品介紹 工業(yè)生產(chǎn)中具有特定的工藝功能并承受一定壓力的設備，稱壓力容器。貯運容器、 反應容器、換熱容器和分離容器均屬壓力容器。壓力容器的用途十分廣泛。它是在石油 化學工業(yè)、能源工業(yè)、科研和軍工等國民經(jīng)濟的各個部門都起著重要作用的設備。壓力 容器一般由筒體、 封頭、法蘭、密封元件、開孔和接管、 支座等六大部分構成容器本體。 此外，還配有安全裝置、表計及完成不同生產(chǎn)工藝作用的內件。壓力容器由于密封、承 壓及介質等原因，容易發(fā)生爆炸、燃燒起火而危及人員、設備和財產(chǎn)的安全及污染環(huán)境 的事故。目前，世界各國均將其列為重要的監(jiān)檢產(chǎn)品，由國家指定的專門機構，按照國 家規(guī)定的法規(guī)和標準實施監(jiān)督檢查和技術檢

2、驗。為保證壓力容器的安全使用，在制造時就必須按照有關標準、規(guī)范，對壓力容器的 原材料和加工制造過程進行嚴格的質量檢驗，因此，對投入運行的壓力容器也需要進行 定期檢驗。壓力容器的檢驗內容主要有： 對材料的化學成分和力學性能的常規(guī)理化檢驗； 對焊接接頭的各種性能檢驗；對壓力容器各部分存在的各類缺陷的無損檢測；用高于操 作壓力的液體對容器進行耐壓試驗等。質量檢驗在壓力容器制造過程中占重要的地位。 在有些反應堆壓力容器的生產(chǎn)周期中，有一半的時間都是用于質量檢驗。筒體是圓筒形壓力容器的主要承壓元件， 它構成了完成化學反應或儲存物所需的最 大空間。筒體一般是由鋼板卷制或壓制成型后組裝焊接而成。當筒體直徑較

3、小是，可采 用無縫鋼管制作。對于即軸向尺寸較大的筒體，采用環(huán)焊縫將幾個筒節(jié)拼焊制成。根據(jù) 筒體的承載要求和鋼板厚度，其縱焊縫和環(huán)向焊縫可采用開坡口或不坡口的對接接頭。 對于承受高壓的厚壁容器筒體，除了采用單層厚鋼板制作外，也可以采用層板包扎、熱 套、繞帶或繞板等工藝制作多層筒體結構。封頭即是容器的端蓋。根據(jù)形狀的不同，分為球形封頭、橢圓形封頭、蝶形封頭和 平板封頭等結構形式。2結構計算本次設計的容器為臥式壓力容器，其容積為 10m3。結構設計為筒體和橢圓封頭。2.1筒體長度的計算設筒體直徑為D,筒體長度為H=2D選用標準橢圓封頭，則其體積可表示為V =V +V2 + V3 =兀乙2。+江只20

4、 =10由此可求得 D= 1800mm。由以上尺寸將筒體分為三段式，其中每一段的長度為1.2m，筒體為兩瓣組焊而成。2.2容器壁厚的計算筒體壁厚計算公式為：二 20mm2.53X.82 136.7 0.85-2.53式中：Pc為設計壓力，根據(jù)壓力容器設計標準在本試驗中其值為2.53MPa為材料的許用應力本次所用材料為1Cr17其屈服極限為 亠= 205 MPa，抗拉強度極限為 6 =450 MPat f = 205 =136.7 MPa1.5t 450 -150 MPa3在式中選用A f作為本材料的許用應力雙面含或相當于雙面焊的全焊透對接焊縫100%無損檢測=1.0局部無損檢測=0.85不做無

5、損檢測=0.70單面焊的對接焊縫，沿焊縫根部有緊貼的墊板100%無損檢測=0.9局部無損檢測=0.8單面焊的環(huán)向對接焊縫（無墊板）局部無損檢測=0.7不做無損檢測=0.6此容器選擇焊接方法為雙面全焊透，局部無損檢測，因此焊縫系數(shù)選擇為0.85實際厚度公式為：= cc為附加壁厚其值為：C=Ci，C25為板材厚度偏差取為1mm，C2為材料腐蝕裕量，本結構為微腐蝕其取值為2mm。因此筒體實際厚度為：、=20 1 2 二 23mm2.3封頭厚度計算橢圓封頭壁厚計算公式為:sKpcDj2V-0.5pc1 2.53 1.8=20mm2 136.7 0.85-0.5 2.53式中K=1；實際厚度為：s1 c

6、1 c 23mm2.4標準件的選擇2.4.1橢圓封頭的選取以內徑為公稱直徑選取封頭，由計算得到的封頭的設計內徑為D=1800mm，根據(jù)JB/T 47395橢圓封頭標準選取橢圓封頭如下圖：封頭結構示意圖（圖1）其參數(shù)見下表:直徑Di厚度S高度hl高度h2質量m18002345050900表（一）2.4.2支座的選擇：臥式容器用支座支撐。其中主要有鞍式支座、圈式支座和腿式支座三種。按座的結構和尺寸，除特殊情況需要另設計外，一般可根據(jù)設備的工程直徑選用標 準形式支座，目前常用的鞍式支座標準為 JB/T47192。因為臥式貯運罐對于臥式貯運罐，除了考慮容器重量在殼體上引起的彎曲應力，所以，即使選用標準

7、鞍座后，也要 對容器進行強度和穩(wěn)定習性的校核。一般臥式容器最好采用雙支座。根據(jù)容器的公稱直徑 DN=1800和鞍式支座標準(JB/T 47192)選取支座結構如其具體數(shù)據(jù)為：鞍座高度250包角角度120墊板弧長2100筋板厚度8底板厚度12螺栓間距1120底板總長L1:1280墊板厚度8腹板厚度10243視鏡的選擇：視鏡的標準結構采用帶頸和不帶頸兩種。不帶頸視鏡結構簡單，便于窺視，但缺乏 制造經(jīng)驗，容易引起視鏡焊后密封面變形，另外在不宜把視鏡直接焊在設備上時，也有 帶頸視鏡供選用。本容器上為帶頸視鏡(HGJ 502-86其結構簡圖如下所示：視鏡結構示意圖（圖3）3焊接結構制造工藝3.1材料的進

8、廠入庫檢驗結構材料和焊接材料驗收合格后，應按企業(yè)標準，分別存放在金屬材料庫和焊接材 料庫。金屬材料主要存放各種鋼材、有色金屬和外購鑄、鍛件等，不允許露天堆放。不 銹鋼板、鋼管和有色金屬材料，應分別單獨存放并妥善保管。3.1.1結構材料預處理鋼材進入車間加工之前進行表面預處理是金屬結構制造中最重要的首道工序。一搬鋼材經(jīng)過預處理比手工或風動鋼絲刷清理鋼材耐腐蝕壽命要長5倍多。鋼材的預處理有機械除銹和化學除銹方法兩種。本容器選用GYX-3M鋼材預處理裝置。利用拋丸機械除銹的先進大型設備，鋼材經(jīng) 此處理，并經(jīng)噴保護底漆，烘干處理等工序后，既可保護鋼材在生產(chǎn)和使用過程中不再 生銹，又不影響機械加工和焊接

9、質量。矯正是利用材料的塑性變形能力，在力的作用下，使工件得到正確形狀的過程。鋼材的的矯正分手工、機械、火焰等三種矯正方法。本容器結構所選用鋼板厚度為 23mm,屬于厚板。選用矯正方法為機械矯正，選用矯正機型號為：CDW43S(25x2500); 其具體參數(shù)見下表：最大矯平厚度最大矯平寬度最小矯平厚度板材屈服點工作輥輥距工作輥直徑工作輥輥數(shù)矯平速度主電動機功率25250063602502309790CDW43S板材矯平機數(shù)據(jù)(表二)3.2放樣、劃線與號料放樣、劃線與號料是決定焊接坯料形狀與尺寸公差的重要工藝，亦是焊接結構過程 主要質量控制點之一。放樣是在制造金屬結構之前，按照設計圖樣，在放樣平臺

10、上用1： 1的比例尺寸,劃出結構或者零件的圖形和平面展開尺寸。號料和劃線采用劃針或者磨尖的石筆、粉線 作線。3.2.1筒節(jié)下料筒節(jié)的劃線是在鋼板上劃出展開圖。筒節(jié)的展開計算比較簡單，即以筒節(jié)的平均直 徑為基準。由于鋼板在卷板機上彎卷是受輥子的碾壓，厚度會減薄，長度會伸長。因此,下料尺寸應比計算出來的尺寸短一些。筒節(jié)展開長按下式計算：L - Dm -丄-二 Di S - - L式中L -筒節(jié)展開式，mmDm -筒節(jié)平均直徑，mmDi -筒節(jié)內徑，mmS -板厚，mmL -鋼板伸長量，mmS通常 L = 0.10 0.12 二Dm Di所以將數(shù)據(jù)帶入公式可得：L - Pm - 丄-二 Di S -

11、 L =3.14180023 一10 =5714mm由于單個筒節(jié)是由兩個半圓筒焊接而成的，因此筒節(jié)下料單個鋼板的長度為：2857mm 其實具體尺寸為（長 x寬x高）：2857 1200 23mm筒節(jié)鋼板的下料選擇機械剪切下料。常用的機械剪切下料多采用圓板剪和龍門剪板機，而以龍門剪板機的應用最為廣泛，通常只能做直線剪切。本次選擇的剪板機的型號為：Q1150 X3200型。其具體參數(shù)見下表：最大板厚最大板寬板料強度喉口 深度剪切角度可剪次數(shù)行程次數(shù)飛輪轉速刀片 長度50320049070054/min8/min82r4080Q11-50x3200型剪板機（表三）322封頭的下料封頭的展開較筒節(jié)復雜

12、，有些封頭如橢圓封頭、球形封頭和折邊錐形封頭，屬于不 可展開的零件，它們從坯料制成零件后中性層尺寸發(fā)生變化，因此這類零件的坯料計算 較為復雜。本結構選擇的封頭為橢圓形標準封頭，其毛坯展開尺寸計算公式為：Do =1.223di 2hKo式中Ko -封頭沖壓成形拉伸系數(shù)，通常取 0.75;Do =1.223d1 2hK0 =1.223 18002 50 0.75 = 2276mm封頭由于其尺寸較大，且其形狀為圓形，不能使用龍門剪板機。所以對封頭的切割選擇火焰切割。氣割機型號為：FG-4000切割最大厚度切割最大直徑切割速度升降速度升降最大距離進給速度回轉速度回轉角100400050 7802800

13、150050 780120045封頭氣割機參數(shù)（表四）3.3成形和彎曲加工大多數(shù)焊接結構，如鍋爐、壓力容器、船舶、車輛、橋梁及起重機的許多構件，為 了達到產(chǎn)品設計圖樣形狀的要求，在焊接之前都經(jīng)過成形加工。成形工藝包括沖壓、卷 制、彎曲和旋壓等。331筒體的卷制成形圓筒形和圓錐形構件，都是采用不同厚度的鋼板卷制而成。卷制成形通常在三輥筒 或四輥筒卷板機上進行的，實際上是一種彎曲工藝。卷筒可以分為熱卷和冷卷。通常對 厚度小于60mm的鋼板可采用冷卷；本次設計的容器筒體鋼板厚度為23mm，因此選擇冷卷。卷板機型號為：CDW11-數(shù)控制上調式）25x4000。其具體參數(shù)為：取大卷板寬度取大卷板厚度最小

14、卷筒直徑電機功率外形尺寸400025275459x1.6x1.79對稱式三輥卷板機參數(shù)（表五）鋼板在卷板機上卷制時，鋼板的兩端總有一段長為a的直邊無法卷制，其長度取決與兩下輥的中心距。為消除此剩余直邊，在鋼板卷圓錢應作板邊預彎曲。通常采用水壓機在 專用模具上預彎。3.3.2封頭的沖壓成形封頭成型法主要有沖壓成型法、旋壓成型、爆炸成型等三種方法。沖壓成型就是用 水壓機或油壓機借助沖模把毛坯沖壓成所需形狀。其成型質量好，生產(chǎn)效率高適用于批 量生產(chǎn)。由于沖壓過程毛坯塑性變形較大，對于壁厚較大或沖壓深度較大的封頭，為了 提高材料變形能力，保證封頭成型質量，一般都采用熱沖壓成型。由于本次所選用的封 頭壁

15、厚為23mm，壁厚較大，因此封頭的沖壓成形選用熱沖壓一次沖壓成形。選用液壓 機型號為：125T油壓機。其具體參數(shù)為：工作行程垂直速度空程速度回程速度工作臺尺寸使用介質20010801203000x290020號機油油壓機參數(shù)（表六）3.4坡口加工焊接接頭坡口形狀和幾何尺寸的設計，應遵循以下原則：（1）保證焊接質量 （2）坡口加工簡易 （3）便于焊接加工（4）節(jié)省焊接材料3.4.1筒體縱焊縫坡口加工筒體是由鋼板卷制而成，其邊緣部分由于變形和冷作硬化作用其性能已發(fā)生變化， 不能滿足設計要求，應此需將此區(qū)域除去。筒節(jié)卷制成形后，按圖樣規(guī)定的筒體名義直 徑測量筒節(jié)的實際周長，并劃二次線，割去余量后按焊

16、接工藝要求加工坡口。筒體的縱縫的焊接采用雙面埋弧焊，根據(jù)埋弧焊坡口加工要求其坡口形式為雙面V形坡口，即X形坡口。具體尺寸如下：100縱縫對接坡口（圖4）根據(jù)具體尺寸，可選用HP-1O系列坡口加工機342筒體環(huán)焊縫坡口壓力容器筒身環(huán)焊縫坡口形式，取決于其壁厚及所選用的焊接工藝方法。對于薄壁 容器，殼體環(huán)焊縫多采用V形坡口；而對于厚壁容器殼體環(huán)焊縫，為了減少焊縫的橫截 面，通常采用U形坡口。對于此次所設計的容器，屬于厚壁型。其環(huán)焊縫包括筒節(jié)對接 焊縫和筒體與封頭的對接焊縫，都采用相同的坡口形式。如下圖：該類型坡口可采用半自動切割機加工，生產(chǎn)經(jīng)驗表明，如果坡口的加工尺寸不符合 圖樣的要求，且嚴重超差

17、，則必將導致各種焊接缺陷的形成。4裝配與焊接在各類焊接結構生產(chǎn)中，裝配焊接是決定產(chǎn)品最終質量的關鍵性工序，是質量保證 體系中重要的質量控制點。為此，生產(chǎn)企業(yè)必須為每一部件編制裝配工藝卡，為每一中 接頭編制焊接工藝規(guī)程。4.1部件焊接筒體壓力容器結構復雜，擁有較多的部件，為了達到設計的要求必須采用合理的部 件焊接順序和總裝順序。根據(jù)具體要求，本次設計的焊接順序為：首先是單個筒節(jié)的焊 接，其次是筒節(jié)間的對接，然后是筒體與封頭的連接，最后是接管、支座等相關構件的 焊接。4.1.1筒節(jié)的裝配與焊接筒節(jié)縱縫的焊接工藝方法需根據(jù)壁厚和材料本身的性能選定的。 壁厚50mm以下的 筒節(jié)縱縫，通常采用單絲或多絲

18、埋弧焊。本次焊接材料為 1Cr17屬于鐵素體不銹鋼，其 具體成分為：CSiMnSPCrNi 0.12 0.75 1.00 0.03 0.03516 180.61Cr17化學成分（表七）筒節(jié)鋼板的壁厚為23mm,屬于較厚板材，為了確保焊接質量和提高焊接效率，選擇埋 弧焊作為筒節(jié)縱焊縫的焊接方法。埋弧焊具有以下優(yōu)點：1焊接效率高2焊縫質量優(yōu)異;3 接頭坡口制備簡易；4 改善焊接環(huán)境；焊接材料和參數(shù)的選擇影響埋弧焊焊接質量的主要參數(shù)有：焊接電流、電弧電壓、焊接速度、電流種類及 其極性等。根據(jù)板厚和所開坡口形式，埋弧焊的焊接工藝參數(shù)為：焊接電流 680A ， 電弧電 壓 39V, 焊接速度 25m/h

19、, 電流種類為 直流電，極性為直流反接； 在焊縫的兩端需添 加引弧板和收弧板，以獲得相同質量的焊縫。根據(jù)母材成分，和焊縫等強原則，埋弧焊所選用的焊絲牌號為： H1Cr17 焊劑牌 號為： HJ260 焊絲直徑為 5 毫米。焊機的選擇為 MZ-1000型埋弧焊機。它是根據(jù)電 弧電壓反饋調節(jié)原理設計的變速送絲式焊機，有交流和直流兩種，適合與焊接水平位置 會與水平面傾斜不大于 15 度的開坡口和不開坡口的平板對接、角接和搭接的焊縫，借 助于輪胎或滾輪架等輔助設備也可以焊接圓筒件的內、外焊縫。焊件的裝配不僅要求組件的尺寸與配合符合設計圖樣的要求， 而且要保證接頭的裝 配及定位焊縫的質量符合工藝規(guī)范的要

20、求。對于筒節(jié)的焊接，可將卷制好的板材放置在 滾輪架上，并與其他夾具相配合以保證結構的精度。4.2 筒體環(huán)焊縫的焊接 環(huán)焊縫包括筒節(jié)的對接和筒體與封頭的焊接。由于筒體和封頭的壁厚材料都相同， 可采用相同的焊接工藝進行焊接。薄壁容器筒體環(huán)縫，可以采用焊條電弧焊、熔化極氣體保護焊、鎢極氬弧焊機等離 子弧焊等。壁厚大于 20mm 的筒體環(huán)縫，通常采用埋弧焊，可以達到較高的焊接效率。 厚壁容器筒體環(huán)縫的焊接，基本上都是采用單絲或雙絲埋弧焊。根據(jù)筒體材料1Cr17和壁厚23mm，焊縫坡口如圖5所示。坡口類型為單側U形坡口，其正面采用埋弧焊，反面采用手工電弧焊。焊機可和縱縫一樣選擇 MZ1000型埋弧焊機，

21、埋弧焊絲型號為H1Cr17焊劑牌號為HJ260焊絲直徑為4mm;手工電弧焊焊條型號為 E 34715牌號為A137;焊接參數(shù)選擇為：焊接電流 500A，電弧電壓34V,焊接速度40m/h，焊接電源為直流 電，采用直流反接。4.3 容器殼體接管的焊接 由于化工工藝流程或工作介質循環(huán)的需要，在壓力容器殼體上，總需要設置各種不 同直徑的接管。本次設計的臥式儲罐上附件主要有：人孔與法蘭、進料口、出料口、視 鏡、液面計等。這些接管的焊縫質量往往是決定容器運行特性和使用壽命的重要因素之 一。因此必須重視接管焊接及相關工序的加工。接管焊接工藝方案有兩種：第一種是每個筒節(jié)焊接和無損檢測合格后，或者若干 筒節(jié)相

22、接并無損檢測合格后，進行劃線、鉆孔、割孔，再裝焊接管；第二種是容器殼體 總裝焊接并無損檢測合格后， 整體劃線、鉆孔、割孔再裝焊接管。 接管組裝方案的選擇， 取決于接管的數(shù)量規(guī)格、布置方式，以及殼體本身的總長和重量；同時也取決于容器生 產(chǎn)單位的廠房設施、工藝裝備和加工能力等。為裝焊接管，在筒體或封頭上必須按圖樣所標位置和尺寸劃線、開孔。開孔可采用 鉆削、擴孔、氣割、鏜孔等方法加工。通常直徑在 100mm 以下的管孔，可采用鉆、擴 加工；而直徑在 100mm 以上的則采用手工或自動切割；接管焊縫的接頭和坡口形式，取決于容器的工作參數(shù)。本容器為中壓容器允許才用 局部焊透的坡口形式。根據(jù)以上原則，筒體

23、上的接管中直徑大于 100mm 的只有人孔與法蘭的接管，其公 稱直徑為500mm,接管壁厚為15mm;其余接管直徑都小于100mm;應此對大直徑的人孔接管采用馬鞍形管自動切割機進行開孔， 根據(jù)材料和壁厚其坡 口形式如下圖所示：人孔接管坡口示意圖（圖6）由于接管直徑較大為了提高生產(chǎn)效率和保證焊接質量焊接采用埋弧焊；對于其他直徑小于100mm的接管，由于其直徑較小，可以采用局部焊透。焊接 方法也應選擇手工電弧焊，以適應在小范圍內的焊接。4.4支座組焊本課設臥式設備采用鞍式支座。在底板上劃好線，焊上腹板和縱向立肋，組焊時需，將支座保證各零件與底板垂直。然后將彎制好的托板與腹板和縱向立肋組焊，最后 組

24、合件焊在筒體預先劃好的支座位置線上。5 焊后熱處理1Cr17 為典型的普通純度高鉻鐵素體不銹鋼，其焊接特點就是在焊接過程中可能導 致焊接接頭的塑性、韌性降低即發(fā)生脆化的問題，如果在950 度以上停留時間果長，會引起熱影響區(qū)晶粒急劇長大， 導致焊接接頭的塑性和韌性下降， 當接頭的剛度足夠大時，在室溫的條件下可能出現(xiàn)脆裂。所以要控制高溫停留時間，來選用焊接參數(shù)。在焊接工 藝上應采用以下措施：1 焊前預熱100200左右。2、焊后熱處理 750800 C退火處理。3、采用小的熱輸入6 焊件的質量檢查6.1 焊接接頭的無損檢測焊接接頭無損檢測的作用，是探測目視檢查不能發(fā)現(xiàn)的的各種缺陷。例如：焊縫表層的微裂紋，夾渣，以及各種內部缺陷。 焊接接頭的無損檢測方法有 :磁粉檢測、 滲透檢 測、渦流檢測、超聲波檢測和射線檢測等。X 射線檢測是一種波長短， 能量大，穿透能力強的電磁波， 由膠片觀察缺陷的位置、 形狀、大小及分布情況；可發(fā)現(xiàn)的缺陷為：氣孔、夾雜物、未焊透、未熔合等。超聲波探傷檢測利用聲波通過對有缺陷的金屬時會有不同的滲透性。 根據(jù)訊號指示 可測定缺陷的位置、大小和分布情況；可發(fā)現(xiàn)任何部位的氣孔、夾雜、裂縫等缺陷。6.2 致密性檢驗