材料一班李飛

1、換熱器結構設計與制造專業(yè)班級：09材料一班姓名：李飛學號：090803021110設計地點：大同大學煤炭工程學院設計時間：2012年12月 3日至2012年12月21日指導教師：魏雷緒論本課程是依據(jù)標準GB 1501998進行設計的。耐熱鋼壓力容器焊接結構的簡單，應用廣泛。屬于一種全焊結構，工藝嚴格，性能要求高。 本次“耐熱鋼壓力容器焊接結構生產(chǎn)課程設計”涉及多種焊接相關知識，包括焊接結構、焊接材料、焊接方法及焊接工藝制定等各方面內容。其中還附有設計的結構圖和總裝圖。本次設計理論和實踐結合緊密，做好本次課程設計對專業(yè)的學習和以后的工作打下堅實的基礎。在設計過程中，參閱了有關同類資料、書籍和網(wǎng)絡

2、資料。并得到老師的指導和幫助，在此致以深深的謝意！由于編者水平有限，設計難免存在某些需要進一步完善和改進的地方甚至是錯誤，懇請老師多多批評指正。 李飛目錄緒論目錄 ····································&#

3、183;··········· 31、壓力容器（筒體）焊接結構設計簡介 ··············· 6 1.1壓力容器（筒體）的組成 ·················

4、;·········· 61.2壓力容器（筒體）的簡介及設計要求 ················· 62、母材的焊接性分析·················&

5、#183;················ 72.1 15CrMoR鋼的焊接性分析························· 102.1.1 15CrMoR鋼的化學成分及分析

6、3;·················· 102.2 焊接中易出現(xiàn)的問題及預防措施 ···················· 112.2.1 焊縫金屬及熱影響區(qū)硬化····

7、3;·················· 112.2.2 再熱裂紋 ·····························&#

8、183;······ 112.2.3 回火脆化 ···································· 113、焊接工藝 ···&#

9、183;···································· 11 3.1 焊接方法選擇 ···········

10、;························· 113.215CrMoR鋼手工電弧焊的焊接工藝參數(shù)················ 12 3.3 焊前準備··

11、83;······································· 12 3.4焊接中易出現(xiàn)的問題及預防措施·······

12、··············· 123.5焊后熱處理·································&

13、#183;······· 133.6焊接工藝規(guī)程的編制···································15 3.7焊接工藝卡的編制··&#

14、183;································ 174、總結················&

15、#183;······························· 19參考文獻·················

16、······························ 21焊接結構生產(chǎn)課程設計的基本要求熟悉焊接結構（壓力容器）的結構特點，了解焊接壓力容器各部分的運行狀態(tài)、結構特點以及影響制造工藝的因素并能按實際情況具體制定相應的工藝流程卡和工藝卡。具體要求：1) 要充分認識課程設計對培養(yǎng)自己的重要性，認

17、真做好設計前的各項準備工作；2) 既要虛心接受老師的指導，又要充分發(fā)揮主觀能動性。結合課題，獨立思考,努力鉆研，勤于實踐，勇于創(chuàng)新；3）獨立按時完成規(guī)定的工作任務，不得弄虛作假，不準抄襲他人內容，否則成績以不及格計；4）課程設計期間，無故缺席按曠課處理；缺席時間達四分之一以上者，其成績按不及格處理；5） 在設計過程中，要嚴格要求自己，樹立嚴肅、嚴謹?shù)目茖W態(tài)度；6） 認真閱讀設計任務書，保質保量地完成任務書的規(guī)定的工作。7） 焊接結構裝配圖用A4紙繪制或打印，必須符合國家有關標準的規(guī)定。8） 小組成員之間，分工明確，但要保持聯(lián)系暢通，密切合作，培養(yǎng)良好的互相幫助和團隊協(xié)作精神；9） 每組合作完成

18、一套焊接結構（壓力容器）的整體裝配圖，將壓力容器根據(jù)結構劃分成筒體、封頭、接管三部分，每個同學獨立完成其中的一部分，并根據(jù)自己的課題設計相應的焊接工藝規(guī)程和焊接工藝卡；10）編寫課程設計說明書，說明書要求文字通順，簡練。不少于5000字。 課程設計的基本步驟1） 選題與搜集資料：根據(jù)分組，選擇課題，在小組內進行分工，進行系統(tǒng)調查，搜集資料。2） 分析設計、畫裝配圖：根據(jù)搜集的資料，進行分析，了解焊接結構（壓力容器）的基本構造和工作原理，并繪制壓力容器裝配圖；3） 制定焊接工藝：制定相關部件的制造工藝流程，并對其中的焊接部件編寫相應的焊接工藝規(guī)程卡和焊接工藝卡。4） 驗收與評分：指導教師對每個小

19、組選定的課題（焊接結構），及每個成員設計的焊接工藝及工藝規(guī)程，結合課程設計說明書，根據(jù)課程設計成績的評定方法，評出成績。課程設計說明書要求1） 寫出課程設計的基本步驟及方案；2） 簡單說明焊接結構（壓力容器）的基本構造和工作原理，并繪制相應的裝配圖（用A4紙單獨畫出）；3） 設計相關部件的焊接工藝流程，并編寫相應的焊接工藝規(guī)程和焊接工藝卡； 4） 設計者的心得體會。第一章壓力容器簡介1 壓力容器（筒體）焊接結構設計簡介 圖 1-11.1 壓力容器（筒體）結構組成及制造關鍵點（1）組成：本次設計的壓力容器它的組成主要有筒體、封頭及接管、法蘭，管束，管板，耳座等組成，其中筒體、封頭，接管是壓力容器

20、制造的關鍵部分。（2）制造關鍵點 1）筒體 本次筒體有一個筒節(jié)拼焊而成，筒節(jié)可采用半自動切割下料，下料前先劃線。筒節(jié)在三輥卷板機上冷卷而成。1.2 容器的簡介及設計要求（1）結構名稱：換熱器（加熱器）（2）設計壓力3.70MP（3）筒體直徑：mm （4）殼體材質：15CrMoR（5）容器圖樣：如圖1-1(6)設計溫度：進溫出溫最高溫度1.殼程壁厚計算查 壓力容器材料使用手冊-耐熱鋼得15CrMoR許用應力t如下表表1-1溫度2 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0壓力 1 5 01 5 01 5 01 5 01 4 1 1 3 11 2 51 1 8圓筒的計

21、算壓力為3.70MP容器筒體的縱向焊接接頭和封頭的拼接接頭都采用雙面焊或相當于雙面焊的全焊透的焊接接頭，取焊接接頭系數(shù)為1.00,全部無損探傷。取許用應力為141MP。殼程：經(jīng)計算得5.80mm2.管程壁厚計算經(jīng)計算得5.77mm設計的腐蝕裕度為2mm，由于殼程與管程計算基本相同，經(jīng)圓整后均取8mm。2母材15CrMoR鋼的焊接性分析2.1 材料的焊接性分析 在普通碳鋼中加入一定量的合金元素，以提高鋼的高溫強度和持久強度，就形成了低合金耐熱鋼，對于壓力容器用低合金耐熱鋼，為改善其焊接性能，常常把碳含量控制在0.2以下。這類鋼通常以退火態(tài)或正火+回火狀態(tài)交貨。由于合金含量在2.5以下的低合金耐熱

22、鋼具有珠光體+鐵素體組織，故也經(jīng)常稱為珠光體耐熱鋼，如15CrMoR。1 焊接接頭性能應滿足條件 接頭的等強性 耐熱鋼接頭不僅應具有與母材基本相等的室溫和高溫短時強度，而且更重要的是應具有與母材相近的高溫持久強度。 接頭的抗氫性和抗氧化性 耐熱鋼接頭應具有與母材基本相同的抗氫性和高溫抗氧化性。為此，焊縫金屬的合金成分和含量應與母材基本一致。 接頭的組織穩(wěn)定性 耐熱鋼焊接接頭在制造過程中，特別是厚壁接頭將經(jīng)受長時間多次熱處理，在運行過程中將長期受高溫高壓的作用，接頭各區(qū)不應產(chǎn)生明顯的組織變化及由此引起的脆變或軟化。 接頭的抗脆斷性 雖然耐熱鋼壓力容器大多數(shù)是在高溫下工作，但當壓力容器和管道制造完

23、工后將在常溫下進行設計壓力1.25倍壓力的水壓試驗。在安裝檢修完后，要經(jīng)歷水壓試驗及冷啟動過程。因此，耐熱鋼焊接接頭亦應具有一定的抗脆斷性。 接頭的物理均一性 耐熱鋼焊接接頭應具有與母材基本相同的物理性能。焊縫金屬的熱膨脹系數(shù)和熱導率應基本一致，這樣就可避免接頭在高溫運行過程中的熱應力。2 焊接特點（1） 淬硬性 低合金耐熱鋼中的主要合金元素Cr和Mo等都能顯著提高鋼的淬硬性。其中Mo的作用比Cr大50倍。這些合金元素推遲了鋼在冷卻過程中的轉變，提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，從而在較高的冷卻速度下可能形成全馬氏體組織，比如12Cr2Mo1R焊接時，如果焊接線能量較小，鋼板厚度較大且不預熱焊接時就有

24、可能發(fā)生100的馬氏體轉。（2）冷裂紋 由于Cr-Mo鋼極易產(chǎn)生淬硬的顯微組織，再加上焊縫區(qū)足夠高的擴散氫濃度和一定的焊接殘余應力共同作用，焊接接頭易產(chǎn)生氫致延遲裂紋。這種裂紋在熱影響區(qū)和焊縫金屬中都易發(fā)生。在熱影響區(qū)大多是表面裂紋，在焊縫金屬中通常表現(xiàn)為垂直于焊縫的的橫向裂紋，也可能發(fā)生在多層焊的焊道下或焊根部位。冷裂紋是Cr-Mo鋼焊接中存在的主要危險。（3）消除應力裂紋 因為這類裂紋是在消除應力熱處理時，接頭再次處于高溫下所產(chǎn)生的裂紋，故又稱為再熱裂紋。Cr-Mo鋼是再熱裂紋敏感性鋼種，敏感的溫度范圍一般在500 700之間。大量試驗結果表明，鋼中Cr、Mo、V、Nb、Ti等強碳化物形成

25、元素對再熱裂紋形成有很大影響。通常以裂紋指數(shù)PSR粗略地評價鋼的消除應力裂紋敏感性。PSR按下式計算：PSR=Cr + Cu + 2Mo + 10V + 7Nb + 5Ti - 2當PSR0時，就有可能產(chǎn)生消除應力裂紋。但對于碳含量低于0.1的鋼種，上式不適用（4）熱裂紋 對低合金耐熱鋼，人們往往注重冷裂紋的防止。實際上，當焊道的成形系數(shù)（熔寬與熔深比）小于1.2 1.3時，焊道中心易形成熱裂紋。這是因為窄而深的梨形焊道，低熔點共晶聚集于焊道中心，在焊接應力作用下，導致焊道中心出現(xiàn)熱裂紋。一切影響焊道成形系數(shù)的因素都會影響熱裂紋的發(fā)生。（5）回火脆性 Cr-Mo鋼及其焊接接頭在350 500溫

26、度區(qū)間長期運行過程中發(fā)生脆變的現(xiàn)象稱為回火脆性。例如某廠一臺2.25Cr-1Mo鋼制壓力容器在332 432運行30000h后，鋼的40J脆性轉變溫度從-37提高到了+60，并最終導致災難性的脆性斷裂事故。（6）珠光體耐熱鋼的焊接特點珠光體耐熱鋼是低合金耐熱鋼，含有不同成分的鉻、鉬、釩、鎢、鈮等合金元素，其可焊性與低碳調質高強鋼相似，主要問題是近縫區(qū)的硬化和冷裂紋。這種鋼的淬硬傾向較大，在冷卻到較低溫度時會發(fā)生馬氏體轉變，因此焊接此種鋼種時，如果冷卻速度較大，最易形成淬硬組織，使焊縫和熱影響區(qū)的塑性降低，脆性增大，往往產(chǎn)生冷裂紋。為防止冷裂紋產(chǎn)生，需要進行焊前預熱和焊后熱處理，焊接時應連續(xù)焊完

27、，中途最好不要中斷，在整個焊接過程中保持焊件不低于預熱溫度，采用較大的熱輸入量。 2.1.1 材料15CrMoR鋼的化學成分及分析在壓力容器用鋼的化學成分中，碳、硫和磷等元素對鋼的焊接性十分有害，應將其含量控制在最低的限度以下。錳、硅、鎳和鉬等合金元素，在一定的范圍內對鋼材的焊接性起有利的作用。當其含量超過容許的范圍時，則起相反的作用。有關合金元素含量的適應范圍如下：含量（C）0.03%0.11%； （Si）0.05%1.2% （Mn）0.2%1.16%； （Ni）0.05%1.40% （Mo）<1.2%； （S）0.006%0.110% （P）0.004%0.170% 表1 15CrM

28、oR鋼板化學成分( 質量分數(shù)) (%)CMnSiMoCrSP標準0.120.180.400.700.150.400.450.600.801.200.0200.030由表1中可以看出15CrMoR鋼的化學成分，根據(jù)國際焊接學會(IIW)推薦的反映低合金鋼淬硬和冷裂傾向的公式：CE（IIW）=( C + Mn6+ (Cr+ Mo+ V)5 +(Ni+ Cu)15 計算出15CrMoR鋼碳當量值Pcm 在0.437 0.657 之間。 根據(jù)有關資料得知：當Pcm04 時，焊接時基本無淬硬傾向，焊接性良好，不須采用預熱和嚴格控制焊接線能量等措施；但是當0.4 Pcm0.5 時，淬硬傾向還很不明顯，焊接

29、性尚可，隨著板厚的增加，焊接往往需要預熱；當Pcm>05 時，淬硬傾向顯著，冷裂傾向隨之增加。為避免冷裂紋，應嚴格控制焊接工藝。由于15CrMoR鋼碳當量值相對很大，所以如果工藝不當，會讓你容易產(chǎn)生裂紋。2.2 焊接中易出現(xiàn)的問題及預防措施2.2.1 焊縫金屬及熱影響區(qū)硬化15CrMoR鋼中的主要合金元素Cr和Mo顯著提高了鋼的淬硬性, Mo的作用比Cr約大50倍。這些合金元素推遲了冷卻過程中的轉變, 提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性。在焊接過程中, 熱輸入過小時, 易出現(xiàn)過硬組織; 熱輸入過大時, 焊縫金屬及熱影響區(qū)晶粒顯著變粗。兩者明顯降低了焊縫金屬及熱影響區(qū)的塑韌性。為了解決這一問題，通常

30、采用較小的焊接線能量，同時又采取適當?shù)念A熱、后熱措施。因此，根據(jù)現(xiàn)場實際情況決定采用火焰加熱進行焊前預熱縱縫用乙炔焰直接加熱環(huán)縫采用鋼管鉆眼噴焰的方法。2.2.2 再熱裂紋 再熱裂紋傾向取決于鋼中碳化物形成元素的特性及其含量。再熱裂紋總是產(chǎn)生在焊接熱影響區(qū), 它與焊接工藝參數(shù)密切相關。為防止再熱裂紋的產(chǎn)生, 應采取如下措施:( 1) 嚴格控制母材和焊材的合金成分, 特別是要將V, Ti,Nb等合金元素的含量嚴格控制到最低程度。( 2) 選用高溫塑性優(yōu)于母材的焊接材料。( 3) 采取焊前預熱, 焊后保溫緩冷( 后熱) 的措施。( 4) 采用較小熱輸入的焊接工藝和方法, 減小焊接過熱區(qū)寬度, 細化

31、晶粒。( 5) 選擇合理的熱處理制度, 避免在敏化溫度區(qū)間停留較長時間。2.2.3 回火脆化15CrMoR鋼的回火脆化與其雜質含量有著密切關系, 應嚴格控制鋼中的P, As, Sb, Sn等雜質, 同時降低焊縫金屬中的Si, Mn等元素的含量, 是解決回火脆性的有效措施。3 壓力容器（筒體）的焊接工藝3.1焊接方法的選擇 鋼制壓力容器的溶化焊接方法有手工電弧焊、埋弧自動焊、等離子弧焊、氣體保護焊和電渣焊。焊接方法在條件允許的條件下首先選用自動焊。手工焊焊條是由焊條芯和藥皮兩部分組成。焊條芯起導電和填充焊縫金屬的作用，它的化學成分和非金屬夾雜物的多少將直接影響焊縫質量。藥皮則用于保證焊接順利進行

32、并使焊縫。選擇壓力容器用材，須根據(jù)容器的使用條件（如溫度、壓力、介質腐蝕性、介質對材料的脆化作用及其是否易燃、易爆、有毒等）、制造工藝、材料的焊接性能及經(jīng)濟合理性選擇具有適宜的機械性能、耐腐蝕性能、物理性能等的材料。注意在同一工程中應盡量注意用材統(tǒng)一,具體的選材過程中必須仔細考慮如下因素：3.2 15CrMoR鋼手工電弧焊焊接工藝參數(shù) 表3-13.3焊前準備 用火焰切割大厚度15CrMoR鋼時，應將距切割點100mm以內范圍預熱到100攝氏度以上；不進行機械加工的切割邊緣，應進行磁粉探傷（MT）以檢查裂紋；采用碳弧氣刨清根時，應預熱到200攝氏度以上，表面用砂輪打磨，直至露出金屬光澤，打磨后應

33、進行磁粉探傷。34焊接中易出現(xiàn)的問題及預防措施焊縫金屬及熱影響區(qū)硬化15GrMoR鋼中的主要合金元素Gr和Mo顯著提高了鋼的淬硬性，Mo的作用比Gr大50倍。這些合金元素推遲了冷卻過程中的轉變，提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性。在焊接過程中，熱輸入過小時，易出現(xiàn)過硬組織；熱輸入過大時，焊縫金屬及熱影響區(qū)晶粒顯著變粗。兩者明顯降低了焊縫金屬及熱影響區(qū)的塑韌性。再熱裂紋再熱裂紋傾向取決于鋼中碳化物形成元素的特性及其含量。再熱裂紋總是產(chǎn)生焊接熱影響區(qū)，它與焊接工藝參數(shù)密切相關。為防止再熱裂紋的產(chǎn)生，應采取如下措施：（1） 嚴格控制母材和焊材的合金成分，特別是要將V，T，Nb等合金元素的含量嚴格控制到最低程度

34、。（2） 選用高溫塑性優(yōu)于木材的焊接材料。（3） 采用焊前預熱，焊后保溫緩冷（后熱）的措施。（4） 采用較小熱輸入的焊接工藝和方法，減小焊接過熱區(qū)寬度，細化晶粒。35 焊后熱處理對于低合金耐熱鋼來說,焊后熱處理的目的不僅是消除焊接應力, 而且更重要的是改善金屬組織,降低焊縫及熱影響區(qū)硬度, 提高接頭的高溫蠕變強度和組織穩(wěn)定性,達到提高接頭的綜合力學性能的目的。由于低合金耐熱鋼在370565溫度區(qū)間長期運行過程具有回火脆性，因此在選擇熱處理工藝時一定要避免在此溫度區(qū)間長時間停留。溫度的確定：各國制造法規(guī)對15CrMoR的焊后熱處理溫度要求不一，JB/T4709-2000推薦溫度為600,其它規(guī)范

35、推薦溫度為640680，為此分別做了（620±40)，(660±20)溫度下熱處理焊接接頭的力學性能檢測,較高的的熱處理溫度由于提高了組織的穩(wěn)定性而延長了蠕變斷裂時間有利于提高接頭的沖擊韌度。為此產(chǎn)品的熱處理溫度選定在(660±20)， 為避免15CrMoR在370565這一溫度帶出現(xiàn)材料韌性下降的現(xiàn)象，降溫過程中在400以下要加快冷卻速度。 附錄附錄A 15CrMoR加熱器筒體環(huán)焊縫焊接工藝規(guī)程 焊接工藝規(guī)程制造單位名稱：遼寧石油化工大學職業(yè)技術學院編號： - 焊接工藝評定報告編號： -產(chǎn)品零部件名稱：加熱器筒體環(huán)焊縫 所按標準名稱及編號：GB 150-1998

36、焊接方法：焊條電弧焊鎢極氬弧焊 自動化等級：手工接頭坡口形狀及尺寸焊件母材6 母材類別號、組別號及鋼號：類別號 - 組別號 - 與類別號 - 組別號 - 相焊鋼號 15CrMoR 與鋼號 15CrMoR 相焊7 焊件壁厚適用范圍 711mm8 管件直徑適用范圍 焊接材料3 鎢極牌號及規(guī)格 WTh15，2.5mm4 焊條牌號及規(guī)格 R307，3.2，4.0mm5 實心焊絲牌號及規(guī)格 H13CrMoA，2.56 焊劑牌號 - 7 藥芯焊絲牌號及規(guī)格 - 8 焊帶牌號及規(guī)格 - 9 其他 - 保護氣體1.保護氣體種類及配比 w(Ar)=100%2.保護氣體流量 1015L/min3.背面成形氣體種類

37、及配比 - 4.拖罩保護氣體種類及配比 - 焊前準備1. 坡口加工方法及要求2. 坡口及焊縫兩側清理方法及要求 坡口面及兩側母材各20mm用丙酮擦凈3. 焊材清理、烘干方法及要求 焊條經(jīng)350400烘干，2h；焊絲表面用丙酮去油4. 焊接襯墊材料牌號及規(guī)格 - 5. 其他 - 焊接溫度參數(shù)1.最低預熱溫度 200 2.最高層間溫度 350 3.后熱溫度及保溫時間 - 4.消氫處理溫度和保溫時間 - 焊后熱處理參數(shù)1. 熱處理種類 消除應力2. 加熱溫度范圍 650±253. 加熱速度 u100/h 4. 加熱溫度容許偏差5. 保溫時間 1.5h 6. 冷卻速度 90/h7. 出爐溫度

38、 - 8. 其他要求 - 焊接電參數(shù)1. 焊接電流3.2mm,85105A; 4.0mm,105150A 2. 焊接電壓 2125V 3. 焊接速度3.2mm,90110mm/min; 4.0mm,120140mm/min4. 送絲速度 100160mm/min5. 脈沖峰值 - 6. 脈沖寬度 - 7. 脈沖頻率 - 8. 引弧電流 - 9. 収弧電流 - 10. 其他 手工TIG焊，直流，正接，I=55125A，U=1012V 焊接時間參數(shù)1. 預送氣時間 25s 2. 電流遞增時間 - 3. 焊接時間 - 4. 電流衰減時間 - 5. 填補弧坑時間 - 6. 延遲斷氣時間 5.0s 操作

39、技術1.焊接位置 平焊 - 立焊 - 橫焊 - 仰焊 - 全位置焊 2.橫擺參數(shù) 橫擺幅度 - 擺動速度 - 兩側停留時間 - 3.填絲方式 自熔 - 填絲 絲徑 2.5mm 4.焊縫層數(shù) 多層多道焊 5.焊接順序 先手工TIG焊封底，單面焊雙面成形，焊條電弧焊填充、蓋面 6.清根方式 - 7.錘擊方式 - 8.其他 - 焊后檢測1. 目視檢測 2. 射線檢測 抽查率 100% 3. 超聲波檢測 - 抽查率 - 4. 磁粉檢測 - 檢測部位 - 5. 滲透檢測 - 檢測部位 - 備注編制校對審核日期日期日期附錄B 15CrMoR加熱器筒體環(huán)焊縫焊接工藝卡單位名稱：遼寧石油化工大學職業(yè)技術學院工

40、藝卡編號：所依據(jù)的工藝評定報告編號：批準日期：修改文件編號：/日 期：/評定項目：1.外觀檢查 2.無損探傷焊接方法：GTAW、SMAW產(chǎn)品名稱：15CrMoR筒體環(huán)焊縫自動化程度：手工施焊接頭：接頭型式 對接 襯 墊 / 襯墊材料 / 其 他 / 母材：類號 / 級號 / 與類號 / 級號 / 鋼號 15CrMoR 與鋼號 15CrMoR 相焊接母材厚度范圍：對接接頭 7 11mm 角接接頭 / 焊縫金屬厚度范圍： 7 11mm 筒體直徑范圍：對接接頭 600mm 角接接頭 / 其他： /填充金屬根部填充蓋面焊條型號/R307R307規(guī)格（mm）/4.0、3.24.0焊絲牌號H13CrMoA/規(guī)格（mm）2.5/焊劑型號/其他/焊接位置： 對接接頭焊接位置：-焊 接 方 向：由下至上角接接頭焊接位置：/ 預熱：預熱溫度：200230 層間溫度：250350