课程设计说明书
09MnNiDR塔顶冷凝器外壳
焊接生产工艺设计
作 者: 学院(系): 专 业:
李志勇 教授 指导教师：
刘保串 学 号： 1103054323
材料科学与工程学院 材料成型与控制工程
丁京滨 高工
2015年1月
1
中北大学本科课程设计说明书
1 序言............................................................. 4 2 焊接生产工艺性分析............................................... 4
2.1 焊接结构工艺性审查 .......................................... 4
2.1.1 产品样图结构审查....................................... 4 2.1.2 技术要求............................................... 5 2.1.3 技术特性............................................ 5 2.2 母材的焊接工艺性分析 ........................................ 5
2.2.1 09MnNiDR的特性 ........................................ 5 2.2.2 09MnNiDR的焊接性分析 .................................. 6 2.3 09MnNiDR低温压力容器钢焊接工艺要点.......................... 9
2.3.1焊接过程注意事项 ....................................... 9
3焊接性实验 ....................................................... 10
3.1 工艺焊接性实验 ............................................. 10
3.1.1斜Y形坡口焊接裂纹试验法 .............................. 10 3.1.2 插销试验.............................................. 13 3.1.3 焊接热裂纹敏感性试验方法.............................. 15
4 焊接工艺评定.................................................... 16
4.1 焊接试件的制备 ............................................. 16 4.2 焊接试件试验方法 .......................................... 18
4.2.1拉伸试验 .............................................. 18 4.2.2冲击试验 .............................................. 19 4.2.3弯曲试验 .............................................. 19 4.3工艺评定试验分析............................................ 20 5 主要零件的加工制造.............................................. 21
5.1 筒体的制造 ................................................. 21 5.2 封头的制造 ................................................. 25 5.3法兰的选用.................................................. 27 5.4 接管的制造 ................................................. 28 5.5 支座的制作 ................................................. 29
2
中北大学本科课程设计说明书
6 零件的装配...................................................... 31
6.1 封头、筒体与管板的装焊 ..................................... 31 6.2 法兰筒体的焊接 ............................................. 31 7 塔顶冷凝器外壳的检查............................................ 32
7.1 焊缝外观检查 ............................................... 32 7.2 焊缝无损探伤 ............................................... 33 7.3 水压试验 ................................................... 33
附录一 排版图
附录二 筒体焊接工艺卡 附录三
筒造工艺卡
3
中北大学本科课程设计说明书
1 序言
石油化工领域中，精馏塔是一种使用非常频繁、非常重要的工艺设备，它的
稳定运行直接关系到整个石油化工装置的产品质量及综合能耗。塔顶冷凝器作为与精馏塔联合使用的重要耗能设备，通过对其合理设计能有效的使精馏塔稳定。 本文主要介绍塔顶冷凝器外壳的制造及焊接工艺过程。
2 焊接生产工艺性分析
2.1 焊接结构工艺性审查 2.1.1 产品样图结构审查 产品图纸如图2-1
图2-1 塔顶冷凝器外壳
此次设计的设备为塔顶冷凝器外壳，母材材料：09MnNiDR 尺寸：直径Φ1000mm 总长37mm 壁厚8mm，主要加工手段为焊接，此外还采用冲压、卷弯、机加工等辅助工艺。焊接方法采用埋弧焊和熔化极混合气体保护焊，接头形式为对接、角接。
4
中北大学本科课程设计说明书
2.1.2 技术要求
本设备按《钢制焊接容器技术》条件JB/T4735-1997 和《钢制列管式换热技术》条件GB151-1999进行制造试验和验收，并须同时遵从《压力容器安全监察规范》有关规定；焊接方法采用埋弧自动焊和熔化极混合气体保护焊；焊接结构型式除图中注明外，对接焊接按GB/T 985-1988中规定，其余焊接按GB986-1988规定，法兰焊接按相应的法兰标准中规定；壳体对接焊缝应进行无损探伤检查，探伤长度不少于焊缝总长的20%，探伤等级为二级；设备完成后，壳程及管理都以0.408MPa（表压）进行水压试验。 2.1.3 技术特性
塔顶冷凝器壳体技术特性如表2-1所示：
表2-1 技术特性表
设计压力/MPa 管程 0.49 设计温度/℃ ＜-200℃ 壳程 0.49 ＜-200℃
甲醇 蒸汽 水 1 介质 焊缝系数 腐蚀裕度/mm 2 换热面/m2 140 容器类别 2.2 母材的焊接工艺性分析 2.2.1 09MnNiDR的特性
09MnNiDR低温用钢主要用于低温下工作的容器、管道和结构，如液化石油气储罐、冷冻设备及石油化工低温设备等，低温用钢可分为不含镍及含镍的两大类，其牌号、化学成分、力学性能如表1、表2所示。对低温用钢的主要性能要求是保证在使用温度下具有足够的韧性及抗脆性破坏的能力。低温用钢一般是通过合金元素的固溶强化、晶粒细化，并通过正火或正火加回火处理细化晶粒、均
5
中北大学本科课程设计说明书
匀化组织,而获得良好的低温韧性，09MnNiDR低温钢的含碳量不高,在常温下具有较好的塑性和韧性，冷或热加工工艺均可采用。09MnNiDR低温钢是以铁素体为基的低温钢，铁素体的晶粒度对断裂韧性的影响十分明显。铁素体的晶粒尺寸越细小，钢的脆性转变温度将向低温方向移动。因此，凡是促使细化晶粒的合金元素，当加入量适当时，都能改善其韧性。Ti、Al、Nb等元素有很好的细化晶粒作用。此外，通过正火处理也有利于获得细化晶粒的效果。 2.2.2 09MnNiDR的焊接性分析
焊接性是材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。它包含两方面内容：一是焊成的构件符合设计的要求；二是满足预定的使用条件，能够安全运行。根据这两方面的内容,优质的焊接接头应具备两个条件：即接头中不存在超过质量标准规定的缺陷，同时具有预期的使用性能。焊接时，产生各种焊接缺陷和影响其接头性能的因素很多，既有钢材内在的因素，如化学成分、组织状态、厚度等，又有焊接条件的外在因素，如焊接材料、焊接方法、焊接工艺及参数、结构型式、焊工技术水平等。以下从碳当量及合金元素对09MnNiDR钢焊接性进行分析。
① 碳当量计算。焊接热影响区的淬硬和冷裂倾向，与钢材的化学成分有着密切的关系。在化学成分当中，碳对钢材的淬硬和冷裂的影响最为明显。通常把各种合金元素对淬硬和冷裂的影响都折合成碳的影响，再用碳当量公式进行计算。国际焊接学会（IIW）碳当量C（%）公式为： C=C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Cr+Mo+V）/5 按此公式计算后C =0.356
09MnNiDR钢为铁素体+少量珠光体型低温用钢。其碳当量≤0.44，淬硬倾向小，不易形成冷裂纹，焊缝具有较好的塑性和韧性，通常无需预热。当板厚超过一定的厚度、接头刚性拘束较大或碳当量偏高时，应考虑预热。但预热温度不要过高，否则会使热影响区晶粒长大，并在晶界析出氧化物。所以，焊接时应控制焊接线能量和层间温度，焊后还应进行消除应力的热处理。
② 合金元素对焊接性的影响
钢中加入适量的合金元素不但能保证钢材的力学性能要求，而且影响其焊接性。
6
中北大学本科课程设计说明书
09MnNiDR低温钢中合金元素主要有C、Si、Mn、Ni、Nb、P、S等,对其焊接性起了很大的作用。
1) 碳。C含量是影响焊接性的主要元素。碳能增加钢材的硬度，促使硫的偏析，
故钢中wc越高，tcr越高，为此低温钢的wc应＜0.20%。钢中的碳与铁结合易于形成碳化物，严重地增大钢的脆性。因为09MnNiDR低温钢中含碳量低，对冷裂纹敏感性很低，焊接性良好。
2) 硅。Si能显著提高钢的弹性极限,屈服强度和抗拉强度，当在0.5%左右时，
能降低脆性转变温度；但当硅大于0.5%时则提高脆性转变温度，从而降低钢的焊接性能。
3) 锰。Mn为其主要合金元素，Mn的作用主要是通过固溶强化来提高钢的强度，
并有利于提高钢的低温韧性。Mn与Si在比例合适时，可以有很好的脱氧作用，对改善韧性是有利的。Mn还有脱硫的作用，适当提高Mn的含量,有比较明显地提高韧性的效果。因此低温钢应适当提高含锰量，并严格S和P含量。
4) 镍。Ni为其主要合金元素，能改善铁素体的低温韧性，它的作用大约是Mn
的5倍，并具有显著降低钢的冷脆转变温度的作用。在低温用钢中,含镍钢占有重要地位。含镍钢必须严格控制C、S、P的含量，才能充分发挥Ni的有利作用。
5) 铌。Nb有很好细化晶粒的作用，加入适量可改善钢的韧性。
6) 硫。S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，对焊接性不利。硫与氧形
成的非金属夹杂物对韧性危害极大，钢中硫氧含量越多，夹杂物越多，钢的韧性越低。夹杂物的形态对韧性也有重大影响，当为长条状（如MnS）时，降低冲击韧性，而且造成纵横向冲击韧性严重的各向异性。但因09MnNiDR低温钢中严格了其含量，故硫对其焊接性影响不大。
7) 磷。P作为有害杂质，能使钢产生冷脆性，严重降低钢的焊接性，但因09MnNiDR
低温钢对硫含量严格要求，故硫对其焊接性影响不大。
8) 09MnNiDR钢的焊接特点。09MnNiDR低温钢含碳量≤0.12%，合金元素总含量
≤5％，碳当量为0.35%。09MnNiDR低温钢的焊接性良好。虽然镍是提高钢淬透性的元素，但由于09MnNiDR钢含镍较低，碳当量不高，淬硬倾向较小，
7
中北大学本科课程设计说明书
室温焊接时不易形成冷裂纹；钢中S、P等杂质元素的含量较低，也不易产生热裂纹。通常板厚h<25mm不需预热，当板厚h>25mm或焊接接头拘束度较大时，应考虑预热,以防止产生焊接裂纹。预热温度过高会使热影响区晶粒长大，在晶界可能析出氧化物和碳化物而降低韧性，所以预热温度一般在100~150℃，最高不超过200℃。 ③ 焊接时可能存在的问题及防止措施 a. 冷裂纹
冷裂纹一般是在焊后的冷却过程中，在Ms点附近或200~300℃的温度区间出现。冷裂纹的起源多发生在具有缺口效应的焊接热影响区或有物理、化学性质不均匀的氢聚集的局部地带。Ni使钢的淬透性显著增大，但09MnNiDR钢含碳量低，S、P也被严格控制,故低镍低温钢的冷脆倾向不大，薄板熔焊时不必预热，厚板则须预热100~150℃。 b. 热裂纹
热裂纹是在高温下产生的，而且都是沿着原奥氏体晶界开裂。因为钢材不同，所以产生热裂纹的形态、温度区间和主要原因也各有不同，主要有结晶裂纹、高温液化裂纹。母材含杂质（S、P、C、Si）偏高时，特别是硫和磷偏高会使结晶温度区间明显加宽。但09MnNiDR钢含碳量低，S、P也被严格控制，热裂纹敏感性也不高。 c. 回火脆性
由于回火处理时Ni使S在晶界富集和偏析，形成硫化物析出相，故含镍钢对回火脆性敏感。
d. 如果焊接材料或焊接工艺参数等选择不合理，焊接接头很容易出现气孔、夹
渣等缺陷，且焊接接头（焊缝、热影响区）的低温冲击吸收功很难达到要求。 ④ 其防止措施主要有以下几种：
a. 严格控制焊接线能量和层间温度。目的是使接头不受过热的影响，避免热
影响区晶粒长大，降低韧性。
b. 合理地选择焊接材料。根据钢种的温度级别和低温冲击韧性合理地选择焊
条或焊丝。
c. 控制焊后热处理温度，避免产生回火脆性。板厚h>25mm的低温钢焊接结构，
8
中北大学本科课程设计说明书
焊后应采用消除应力热处理。含有V、Ti、Nb、Cu、N等元素的钢种,在进行消除应力热处理时，当加热温度处于回火脆性敏感温度区时会析出脆性相，使低温韧性下降。应合理选择焊后热处理工艺，以保证接头的低温韧性。 d. 防止焊接接头的应力集中。低温钢焊接，为保证焊缝质量，防止产生咬边、
夹杂、未焊透、裂纹、弧坑、焊瘤和电弧擦伤，表面焊道必须圆滑过渡，重要焊缝应将焊道表面余高磨平，尽量减少应力集中。 2.3 09MnNiDR低温压力容器钢焊接工艺要点 焊接方法的选择
焊接具有回转体形状的圆柱筒体，可选用焊条电弧焊或埋弧焊，为了提高焊接生产率，首先应该采用埋弧焊，为了降低消耗，坡口设计应保证质量的前提下要选用窄间隙坡口，法兰、接管、支座等零件的焊接采用熔化极混合气体保护焊。 焊接材料的选用
埋弧焊焊接材料选择，经过查焊接工程手册，初步选用H10Mn2A，直径为4mm焊丝，焊剂选用YD507A，而熔化极气体保护焊时采用直径为2.4mm的H09MnNiDR焊丝。 2.3.1焊接过程注意事项
（1）焊接坡口形式的设计应避免采用焊不透或局部焊透的坡口，还要尽量减少焊缝的横截面积，以降低接头的残余应力，同时也可减少焊接材料的消耗量。 （2）坡口加工采用热切割时应注意防止母材边缘会形成一定深度的淬硬层，这种低塑性的淬硬层往往成为冷加工的开裂源。
（3）焊前必须消除焊接区钢板表面的水分，坡口表面的氧化皮、铁锈、油脂以及其他污物。
（4）焊接材料在使用前应按生产厂推荐的规范进行烘干。 （5）装配定位焊缝必须采用与正式焊缝同一类的焊条。
（6）为防止焊接接头晶粒粗大，塑韧性下降，焊接热输入量控制在25kJ/cm以下，尽量采用多层多道焊，焊道要稍薄一些。 （7）焊后要进行后热处理，并控制好冷却速度。
9
中北大学本科课程设计说明书
3焊接性实验
3.1 工艺焊接性实验
3.1.1斜Y形坡口焊接裂纹试验法
它适用于碳钢和低合金高强度钢焊接热影响区冷裂纹的试验方法，通称为“铁研式”抗裂试验，后经改进称为“小铁研式”。此试验方法已列为国家标准(GB 4675.1-84)，与日本JISZ 3158-1966等效。
(1)试件的制备：试件的形状和尺寸如图3-4图3-5所示。试件的坡口采用机械切削加工。 (2)试验条件
①试验用焊条采用低碳钢及低合金高强度钢焊条，与试验的钢材相匹配，焊前要严格烘干。
②拘束焊缝采用双面焊接，注意不要产生角变形和未焊透。 ③试件达到试验温度后，原则上以标准规范进行试验焊缝的焊接。 (3)试验步骤
①按图3-4装配试件，先焊拘束焊缝。
②当采用手弧焊时，试验焊缝按图3-5所示进行，当采用自动送进装置焊接时，按图3-6所示进行。
③焊完试件放置48h以后，开始进行裂纹检测和解剖。
10
中北大学本科课程设计说明书
图3-4 斜Y形坡口焊接裂纹试验试件的形状和尺寸（单位：mm）
图3-5 手弧焊时的试验焊缝
(4)检测裂纹及裂纹率的计算方法:用肉眼或手持放大镜来检查焊接接头的表面和断面是否有裂纹，并按下列方法分别计算表面裂纹率、根部裂纹率和断面裂纹率。
① 表面裂纹率 Cf=Lf/L*100%
11
中北大学本科课程设计说明书
式中 Cf- 表面裂纹率（%）；
Lf-表面裂纹的长度之和（图3-7a）（mm）； L—试验焊缝长度(mm)；
图3-6 采用自动送进装置焊接的试验焊缝（单位：mm）
图3-7 裂纹长度的测量与计算 a、表面裂纹 b、根部裂纹 c、断面裂纹
12
中北大学本科课程设计说明书
②根部裂纹率：采用试件着色的方法，然后拉断，并按下式计算出根部裂纹率：
Cr=Lf/L*100%
式中 Cf- 根部裂纹率（%）；
Lf-根部裂纹的长度之和（图3-7b）（mm）；
③断面裂纹率：在试验焊缝上切出同样厚度4-6块，检查5个断面上的裂纹深度(图3-7c)，按下式计算断面裂纹率：
Cs=Hs/（5H)*100%
式中Cs-断面裂纹率（%）；
H-断面裂纹深度的总和（mm）
sH-焊缝的最小厚度（mm）
除斜Y形坡口的试件之外，还可以做成直Y形坡口的试件。这种试件主要用于考核焊缝金属的裂纹敏感性。这种试验方法，由于试件的两端被161定，对试验焊缝有较大的拘束作用，其拘束程度往往比实际结构(如球罐、船体、桥梁等)的长焊缝还大，所以一般情况下，只要裂纹总长度小于焊缝长度的20%，在实际生产中就不致发生裂纹。 3.1.2 插销试验
采用插销试验方法，可以定量测定低温钢焊接热影响区冷裂纹敏感性。 插销试件和底板尺寸分别如图3-8 和图3-9所示。
13
中北大学本科课程设计说明书
图3-8插销试棒的形状尺寸
图3-9 底板尺寸
将被焊钢材加工成圆柱形的插销试棒，沿轧制方向取样并注明插销在厚度方 向上的位置。试棒上端附近有环形缺口。将插销试棒插入底板相应的孔中，使带
14
中北大学本科课程设计说明书
缺口一端与底板表面平齐。用选定的焊接输入进行堆焊（垂直底板纵向，并通过 插销顶端中心），焊道长度100-150mm。为获得焊接热循环有关参数（t8/5 等）， 应事先将热电偶旱在底板焊道下的盲孔中，其深度应与插销试棒的缺口处一致， 测点最高温度不低于1100℃。当焊道冷至150-100℃时，给试棒逐渐加载，规定 载荷应在1min 内加载完毕，此时试棒的温度不应低于100℃。
载荷保持16h 或24h 后卸载，若试棒未断，而采用“断裂准则”，应增加载 荷重复上述试验，直至试棒发生断裂，然后降低约10Mpa 的载荷，而试棒未发生断裂，此值即为“断裂准则”的“临界应力”。 3.1.3 焊接热裂纹敏感性试验方法
压板对接（FISCO) 焊接裂纹试验方法GB4675.4-84),可用于评定焊条焊缝的 热裂纹敏感性。
（1）准备试件试件材质与焊件相同，采用原板厚，开I 形坡口。采用机 械加工方法，试件尺寸如图3-10
图3-10 FISCO 试验班尺寸
（2）试验装置如图3-11 所示。
15
中北大学本科课程设计说明书
图3-11 FISCO 试验装置
（3）试验步骤把试件安装在C 形装置中，调好坡口间隙。将螺栓旋紧， 在水平、垂直方向顶紧试板。用待试焊条焊4 条长约40mm 的试验焊缝。10min 后，取出试件，沿焊缝弯断，观察断面有无裂纹。 （4）计算裂纹率C C = (Σli / ΣLi ) ×100%﹪ •式中：Σli —4 条试验焊缝上的裂纹长度之和（mm）； ΣLi —4 条焊缝的长度之和（mm ）。
4 焊接工艺评定
4.1 焊接试件的制备
采用刨边机进行坡口加工。清除坡口附近的水、油污、锈渍等杂质。 ⑴对接焊缝试件的制备 采用 V 形坡口，坡口型式如图4-1所示。
16
中北大学本科课程设计说明书
图4-1 V型坡口
采用埋弧焊， 埋弧焊的规范参数包括焊丝直径、 电弧电压、 焊接电流、焊接速度等。焊接工艺参数如表4-1所示
表4-1 09MnNiDR埋弧焊焊接参数
接头形式 焊件厚度（mm） 对接焊缝 8.0 550 34 焊接电流（A） 电弧电压（V） 焊接速度（m/h） 34.5 （一）焊丝直径 埋弧自动焊的焊丝直径一般可根据板厚选择。塔顶冷凝外壳筒体壁厚为8mm，可选Ф4.0mm 的焊丝。
㈢电弧电压和焊接电流 对于一定直径的焊丝来说，在埋弧自动焊中， 采用较低的电弧电压， 较小的焊接电流焊接时， 焊丝熔化所形成的熔滴把母材和焊丝连接起来， 呈短路状态称为短路过渡。 大多数埋弧自动焊工艺都采用短路过渡焊接。当电弧电压较高、焊接电流较大时，熔滴呈小颗粒飞落称为颗粒过渡。
（2）角接焊缝的制备
采用熔化极混合气体保护焊，焊缝形式如图4-2所示，焊接工艺参数如表4-2：
17
中北大学本科课程设计说明书
图4-2角焊缝
表4-2角焊缝熔化极混合气体保护焊工艺参数
焊接方法 焊丝牌号及规格 熔化极混合气体保护焊 H09MnNiDR 直径2.4mm 焊接电流/A 400 电弧电压/V 26 送丝速度（m/h） 152 焊接速度/(m/h) 49 气体流量（L/min） 21 气体Ar+（1~5）%O2作保护气体 4.2 焊接试件试验方法 4.2.1拉伸试验
金属拉伸实验是测定金属材料力学性能的一个最基本的实验， 是了解材料力
学性能最全面， 最方便的实验。 按 GB/T 228-2012 规定对试件进行拉伸强度试验，如图4-3所示。
图4-3 拉伸试验简图
18
中北大学本科课程设计说明书
4.2.2冲击试验
将试样置于低温槽的均温区冷却到-45℃后，保温足够长的一段时间，然后将试样取出进行冲击试验。使用液体冷却介质，保温时间不得少于 5min。试样移出冷却介质至打断的时间不超过 5s， 如超过 5s 则应将试样放回冷却介质重新冷却，保温，再进行试验。
采用摆锤冲击试验，其示意图如图 4-4所示。
图 4-4冲击试验简图
4.2.3弯曲试验
将试件放在实验机带滚动轴的支座上， 用规定的弯心直径压头将试件弯曲到
要求的角度， 弯曲试件的中心应对准焊缝中心， 当弯曲到规定角度后， 焊缝拉伸面沿试件宽度方向上所允许出现的裂纹或缺陷不大于 1.5， 沿试件长度向 上为不大于 3mm。试件如图 4-5所示：
19
中北大学本科课程设计说明书
图4-5 弯曲试验简图
4.3工艺评定试验分析
（1）无损探伤 试验试板焊后经射线探伤，均末发现焊接缺陷。 （2）接头力学性能 根据接头力学性能试验的结果，其接头强度、塑性均 能满足规定的标准值。
（3） 接头冲击韧性 试验结果表明，焊缝金属的-45℃却贝冲击值可以达到规定标准，热影响区-45℃却贝冲击值比规定的标准值要高得多，其冲击值完全可以满足09MnNiDR 钢的标准。熔合线的冲击值所反映的是焊缝或热影响区的冲击韧性。 可以认为， 只要是热影响区尤其是焊缝金属的冲击韧性解决好了， 熔合线的冲击韧性应该能获得较为满意的结果。
（4） 根据试验可以看出， 焊接接头无淬硬组织。 接头的硬度分布是正常的，09MnNiDR低温压力容器钢并未出现接头脆化问题。
（5）09MnNiDR埋弧焊焊接参数如表4-3所示
表4-3 09MnNiDR埋弧焊焊接参数
坡口形式 焊件厚度（mm） V型坡口 8.0 550
焊接电流（A） 电弧电压（V） 焊接速度（m/h） 34 34.5 20
中北大学本科课程设计说明书
焊后去应力退火温度：540℃左右
5 主要零件的加工制造
生产工艺流程图：
5.1 筒体的制造
筒体是压力容器最重要的组成部分，由它构成储存物料或完成化学反应的所需要的大部分压力空间。当筒体较小时，可以用无缝钢管制作。而中间热交换器外壳的直径较大，一般采购、用钢板的卷制或压制（压成两块半圆板或数块弧形板）而后焊接而成，本设备采用卷制筒体。
制造流程如下：
1. 钢板复检：对钢板进行复检，内容包括钢的化学成分、各种力学性能、 表面缺陷及外形尺寸（主要是厚度）的检验。一般采用抽检法，抽检的百分比15%。
2.预处理： 复检合格后对钢板进行矫正。 矫正后对钢板进行喷丸、 喷漆等表面处理。原理： 将淬硬钢丸 ( 一般应用锰钢丸 , 直径为 0.8-1.2mm, 硬度
21
中北大学本科课程设计说明书
为HRC47-50),以压缩空气喷出或离心式喷丸机借离心力甩到金属表面, 利用钢丸对金属表面的冲击作用使零件表面硬化。钢丸冲击金属表面:第一使零件表面生成 0.1-0.4mm 深的硬化层, 增加零件表面对塑性变形和断裂的抵抗能力,并使
表层产生压应力,提高其疲劳强度;第二使零件表面上的缺陷和由于机械加工所带来的损伤减少, 从而降低应力集中。
3.划线：划线前应展开，可采用计算展开法。具体展开公式如下：
L(Dg)S
式中 L---筒节毛坯展开长度（mm）
Dg---容器公称直径（mm） δ---容器壁厚（mm）
S---加工余量（包括切割余量、刨边余量和焊接收缩量等） （mm） ，如两侧均需刨边，则取 10～15mm。
筒体展开后， 其实就是一块矩形金属板。 毛坯宽度为筒节的长度， 其大小取决于原材料的宽度和容器上焊缝的分布情况（焊缝不允许十字交叉） 。注意，毛坯实际宽度也要包括加工余量 S。经查阅资料及计算，如图 5-1所示，取划线尺寸为 3181×2490（长度×宽度）的坯料。
图5-1下料尺寸
22
中北大学本科课程设计说明书
4.下料：采用气体火焰切割。
5.边缘加工：采用刨边机进行钢板的直线边缘加工和开坡口，加工精度高， 坡口尺寸准确。坡口型式及加工尺寸如图 所示。 6.卷制：采用对称式三辊卷板机来卷制钢板。
（1）预弯 采用对称式三辊卷板机弯卷钢板时，钢板两端各有一平直段无 法弯卷。 为使钢板都能弯曲成同一曲率， 在卷板前要先将其两端弯曲成所需要的曲率，称为预弯。
本次设计利用压力机预弯。 受模具长度， 板料的压弯需逐段进行， 且在 压制过程中需要随时用样板检查曲率半径的大小，以保证成形尺寸满足要求。 如图5-2 所示。
（2）对中 板料预弯后，放入卷板机上下辊之间进行辊卷前必须使板料的 母材与辊的轴线平行，使板料的纵向中心线与辊的轴线保持相互垂直，即对中， 其目的是防止钢板在滚卷过程中产生扭斜变形。
（3）卷圆 钢板对中后，即可用上辊压住板料并使之产生一定弯曲，开动 机床进行滚卷。每滚卷一次行程， 便适当下调上辊一次， 这样经过多次滚卷就可将板料弯曲成所要求的曲率。 在滚卷过程中要注意： 随时用卡样板测量， 看是否达到曲率要求，不可过卷量太多，因为过卷要比曲率不足难以修正，且易使金属性能变坏。在冷卷时要考虑到回弹的影响， 必须施加一定的过卷量。 当卷制达到曲率要求时，还应在此曲率下多卷几次， 以使其变形均匀和释放内应力，
23
中北大学本科课程设计说明书
减少回弹。 09MnNiDR钢回弹量较大， 需要在最终成形之前进行一次退火。 卷板机辊子的位置关系如图5-3所示.
7．纵缝装焊：筒节的装配一般在 V 形铁或焊接滚轮上进行。带Ⅱ铁的螺旋 压紧器和斜楔式压紧器可以防止错边， 螺旋拉紧器可以调整间隙。 如图 5-4所示。
图5-4
通过采用夹具保证纵缝边缘齐整， 且沿着整个长度方向上间隙均匀一致后，
24
中北大学本科课程设计说明书
可进行定位焊。定位焊时，焊点要有一定尺寸，且焊点间距 300mm。 筒节纵缝采用埋弧自动焊焊接。焊接工艺参数如表5-1所示
表5-1 09MnNiDR埋弧焊焊接参数
坡口形式 V形坡口 焊件厚度（mm） 焊接电流（A） 电弧电压（V） 焊接速度（m/h） 8.0 550 34 34.5
8．矫圆：焊接结束后，在卷板机上进行矫圆，大致可分三个步骤。 （1）工件放入卷板机上辊之后，根据计算，将上辊调至所需要的最大矫正 曲率的位置进行加载。
（2）使工件在矫正曲率下多次滚卷，并着重于焊缝区的矫正，使圆筒曲率 均匀一致。经测量，直到合乎要求为止。
（3）逐渐卸除载荷，并使工件在逐渐卸除载荷的过程中多次滚卷。
9．无损检验：焊缝进行 X 射线局部无损探伤，探伤长度分别不少于纵环焊缝长 度的 20%，质量评定按 JB4730.2-2001《焊缝射线探伤标准》达到Ⅱ级为合格。 10．制孔：须在筒体上开 1 个300mm 的孔。然后再开 两个150和两个80的孔。先要进行划线、打标记来确定孔中心的位置。 将筒节置于 V 形铁上固定， 在筒体上已标记的孔中心位置分别沿筒体径向和周向划出接管的尺寸和位置线。 仔细检查核对孔的大小、 方位后开孔，采用气割的方法粗加工孔，再使用砂轮进行打磨修整。 5.2 封头的制造
根据几何形状的不同，压力容器的封头可以分为凸形封头、锥形封头和瓶盖性封头三种，其中凸形封头使用最多。图形封头包括球形封头和椭圆形封头，而本结构采用与与椭圆形封头结构形式。如图5-2所示。
25
中北大学本科课程设计说明书
封头外形尺寸如下： 公称直径：DN＝1000mm 封头壁厚：δa＝8mm 直边高度：h＝54mm 封头总深度：H＝309mm 封头制造工艺如下：
1.钢材复检：复检材料成分、规格、牌号。 2.预处理：矫正，喷丸处理。 3.划线：椭圆形封头毛坯尺寸的计算：
P22(a2b2)1ab2 4式中： P—封头椭圆部分的半周长 a—椭圆的长半轴 b—椭圆的短半轴。
由于 a=500mm，b=309mm，得出 P=1296.4mm。 考虑加工余量后，封头毛坯直径可按下式计算：
D0=P+2hk0+2S
综上，在原材料上划一直径为1424.4 mm 的圆。 4.下料：气体火焰切割。
5.热冲压：先加热至 1000℃，再 1000t 水压机压制成形并预留直边加工余 量。
26
中北大学本科课程设计说明书
6.二次划线：量取直边高度 54mm 划线。
7.切割：LGK8 等离子弧切割机切出 54mm 直边。 8.检验：按图样要求检查其尺寸、质量等。 5.3法兰的选用
按 HG/T 20592~20635-2009《钢制管法兰.垫片.紧固件》 ，壳体上的管法兰为带颈平焊法兰，公称直径为 300mm，公称压力为 1MPa，材料为 09MnNi， 零件形状尺寸见图 5-3。法兰尺寸见表5-2
表5-2带颈平焊钢制管法兰
公称尺寸 DN A B 法兰外径D 300 324 325 440 螺栓孔中心圆直径K 395 22 螺栓孔直径L 螺栓孔数量 n（个） 12 M20 22 328 328 355 355 12 100 螺栓 Th 钢管外径A1 连接尺寸 法兰厚度 C A 法兰内径B1 B A N B R 法兰颈 法兰高度H
法兰厚度为22mm，内径为328，法兰外径为440mm，公称直径为300mm，螺栓孔中心圆直径为395mm
图5-3法兰示意图
27
中北大学本科课程设计说明书
管法兰制造工艺如下：
1.材料复检、预处理:与筒体基本一致。
2.下料：采用 GB4235 锯床，从φ300mm 的圆钢上锯取长 100mm 的一段。 3.镦粗：始锻温度 1150～1200℃，终锻温度 800～850℃，使直径达φ400± 2mm，厚度达 20±2mm。
4.垫环局部镦粗：始锻温度 1150～1200℃，终锻温度 800～850℃，使法兰盘 直径达φ440±2mm，厚度达 22±2mm。
5.热处理: 对其进行 600～650℃回火，保温 4h,空冷，以恢复组织。 6.滚圆修整。
7.钻孔：用 Z3080 摇臂钻床钻出φ328mm 孔。
8.一次检验：检验锻造后尺寸是否在允许范围，是否存在夹层等内部缺陷。 9.粗铣：X5032 铣床粗铣两端面各留余量 1mm。
10.划线：在已铣好的大端面上，画出φ20 通孔位置线，并用样冲做好标记。 11.钻孔：用 Z3080 摇臂钻床钻φ20螺栓孔。 12.精车：CA6140 车床精车柱面，不再留余量。 13. CA6140 普通车床修锐边。
14.二次检验：对法兰进行表面检验，法兰的表面应光滑，不得有裂纹及其它 降低法兰强度或连接可靠性的缺陷。 5.4 接管的制造
取连接上述法兰与对应筒体的尺寸为φ328×4.5mm（内径×壁厚）的接管为研究对象，进行接管设计研究。
采用与母材相同材质的无缝钢管。尺寸与法兰公称直径相匹配， 按 GB/T8162-2008，其具体参数如表 5-4所示。
表5-4 接管参数
内径/mm 壁厚/mm 理论重量/kg 328 4.5 2.62 其制造工艺过程如下：
28
中北大学本科课程设计说明书
1.钢管复检：检查钢管材质、圆度、型号。 2.预处理：清除管表面杂质。 3.划线：在钢管上按需要长度划线
4.下料： 采用等离子弧切割切出相应长度钢管。 利用等离子弧的热能实现被 切割材熔化的方法称等离子弧切割， 它是利用高速、 高温和高能的等离子体来迅速加热熔化被切割的材料，并借助内部或外部的高速气流。将熔化的材料排开， 直至等离子气流束穿透工件背面而形成切口，从而达到切割的目的。 5.车加工：在车床上加工切割断面，使其达到标准要求。 6.清理：表面清洗，使其表面不得有油污等杂质。
7.检验：另取相同钢管，按 GB/T 3091-2008 进行拉伸、弯曲、盛水试漏试 验。
5.5 支座的制作
本设备采用鞍式支座，其示意图如图5-5所示
图5-5鞍式支座示意图
支座的流程为：
1. 钢板复检：对钢板进行复检，内容包括钢的化学成分、各种力学性能、 表面缺陷及外形尺寸（主要是厚度）的检验。一般采用抽检法，抽检的百分比15%。
29
中北大学本科课程设计说明书
2.预处理： 复检合格后对钢板进行矫正。 矫正后对钢板进行喷丸、 喷漆等表面处理。原理： 将淬硬钢丸 ( 一般应用锰钢丸 , 直径为 0.8-1.2mm, 硬度 为HRC47-50),以压缩空气喷出或离心式喷丸机借离心力甩到金属表面, 利用钢丸对金属表面的冲击作用使零件表面硬化。钢丸冲击金属表面:第一使零件表面生成 0.1-0.4mm 深的硬化层, 增加零件表面对塑性变形和断裂的抵抗能力,并使 表层产生压应力,提高其疲劳强度;第二使零件表面上的缺陷和由于机械加工所带来的损伤减少, 从而降低应力集中。
3划线：划线前应展开，可采用计算展开法。计算与筒造相似、 4.下料：采用气体火焰切割。
5.边缘加工：采用刨边机进行钢板的直线边缘加工和开坡口，加工精度高， 坡口尺寸准确。
6.卷制：采用对称式三辊卷板机来卷制钢板。 4.下料：采用气体火焰切割。
5.边缘加工：采用刨边机进行钢板的直线边缘加工和开坡口，加工精度高， 坡口尺寸准确。
6.卷制：采用对称式三辊卷板机来卷制钢板。
8．矫圆：焊接结束后，在卷板机上进行矫圆，大致可分三个步骤。 （1）工件放入卷板机上辊之后，根据计算，将上辊调至所需要的最大矫正 曲率的位置进行加载。
（2）使工件在矫正曲率下多次滚卷，并着重于焊缝区的矫正，使圆筒曲率 均匀一致。经测量，直到合乎要求为止。
（3）逐渐卸除载荷，并使工件在逐渐卸除载荷的过程中多次滚卷。 9.筒体与支座底架的焊接
10．无损检验：焊缝进行 X 射线局部无损探伤，探伤长度分别不少于纵环焊缝长度的 20%，质量评定按 JB4730.2-20010《焊缝射线探伤标准》达到Ⅱ级为合格。
30
中北大学本科课程设计说明书
6 零件的装配
6.1 封头、筒体与管板的装焊
① 定位焊及工卡具的焊接，引弧和熄弧都应在坡口内或焊道上，每段定位焊缝的长度不宜小于50mm；
② 焊接前应检查组装质量，清理坡口面及坡口两侧20mm范围内的泥沙、铁锈、水分和油污，并应充分干燥；
③ 预热温度为100~150℃，采用熔化极混合气体保护焊，焊接参数如表6-1，焊接结构示意图如图6-2所示
图6-2 筒体，封头与管板的焊接示意图
表6-1熔化极混合气体保护焊工艺参数
焊接方法 焊丝牌号及规格 熔化极混合气体保护焊 H09MnNiDR 直径2.4mm 焊接电流/A 400 电弧电压/V 26 送丝速度（m/h） 152 焊接速度/(m/h) 49 气体流量（L/min） 21 气体Ar+（1~5）%O2作保护气体，焊后需进行探伤检查，探伤长度不少于焊缝总长的20%
6.2 法兰筒体的焊接
一、焊前严格清理母材表面的油污、铁锈等污物；
31
中北大学本科课程设计说明书
二、局部预热到100~150℃；
三、法兰与筒体焊接示意图如图6-3所示
图6-3 法兰与筒体装焊示意图
四、采用熔化极混合气体保护焊，焊接参数如表6-2
表6-2 熔化极混合气体保护焊工艺参数
焊接方法 焊丝牌号及规格 熔化极混合气体保护焊 H09MnNiDR 直径2.4mm 焊接电流/A 400 电弧电压/V 26 送丝速度（m/h） 152 焊接速度/(m/h) 49 气体流量（L/min） 21 气体Ar+（1~5）%O2作保护气体，焊后需进行探伤检查，探伤长度不少于焊缝总长的20%
7 塔顶冷凝器外壳的检查
7.1 焊缝外观检查
① 所有焊缝焊后都应进行外观检查，检查前应将熔渣、飞溅清理干净。 ② 焊缝的表面质量，应符合下列要求：
a. 焊缝的表面及热影响区，不得有裂纹、气孔、夹渣和弧坑等缺陷； b. 对接焊缝的咬边深度不得大于0.5mm；咬边的连续长度不得大于100mm；
焊缝两侧的咬边总长度不得超过该焊缝的10%；
c. 屈服强度大于390MPa或厚度大于25mm的低合金钢的底圈壁板，纵缝如果
32
中北大学本科课程设计说明书
有咬边应打磨圆滑；
d. 边缘板的厚度大于或等于10mm时，底圈壁板与边缘板的T形接头罐内角焊
缝靠罐底一侧的边缘应平滑过渡，咬边应打磨光滑；
e. 罐壁纵向对接焊缝不得有低于母材表面的凹陷。罐壁环向对接焊缝和罐底对
接焊缝低于母材表面的凹陷深度，不得大于0.5mm。凹陷的连续长度不得大于100mm，凹陷的总长度不得大于该焊缝总长度的10%； f. 焊缝宽度应按坡口宽度两侧各增加1~2mm来确定； g. 对接接头的错边量应符合壁板组装要求；
h. 屈服强度大于390MPa的钢板，其表面的焊疤应在磨平后进行渗透或磁粉探
伤。
7.2 焊缝无损探伤
采用射线探伤，射线探伤应按国家标准GB3323《钢熔化焊对接接头射线照相和质量分级》的规定进行，并应以二级标准为合格。但对屈服强度大于390MPa的钢板或厚度大于或等于25mm的普通碳素钢和厚度大于或等于16mm的低合金钢板的焊缝，合格标准为二级。 7.3 水压试验
水压试验的程序、步骤方法如下：
1）连接。将试压设备与试压的管道系统相连，试压用的各类阀门、压力表安装 在试压系统中，在系统的最高点安装放气阀、在系统的最低点安装泄水阀。 2）灌水。打开系统最高点的放气阀，关闭系统最低点的泄水阀，向系统灌水。 试压用水应使用纯净水。待排气阀连续不断地向外排水时，关闭放气阀。 3）检查。系统充水完毕后，不要急于升压，而应先检查一下系统有无渗水漏水 现象。
4）升压。充水检查无异常，可升压，升压用手动试压泵（或电动试压泵） ，升压过程应缓慢、 平稳， 先把压力升到试验压力的一半， 对管道系统进行一次全面的检查，若有问题，应泄压修理，严禁带压修复。若无异常，则继续升压，待升压至试验压力的 3/4 时，再作一次全面检查，无异常时再继续升压到试验
33
中北大学本科课程设计说明书
压力， 一般分 2～3 次升到试验压力。
5）持压。当压力达到试验压力后，稳压 10min，再将压力降至设计压力，停压 30min，以压力不降、无渗漏为合格。
6）试压后的工作 试压结束后，应及时拆除盲板、膨胀节限位设施，排尽系统 中的积水。
2．水压试验应注意的事项
1）试验前，向系统充水时，应将系统的空气排尽。
2）试验时，环境温度不应低于 5℃，当环境温度低于 5℃时，应采取防冻措施。 3）试验时，应测量试验温度，严禁材料试验温度接近脆性转变温度。
4）承受内压的地上钢管道及有色金属管道试验压力应为设计压力的 1.5 倍，埋 地钢管道的试验压力应为设计压力的 1.5 倍，且不得低于 0.4MPa。
5）当管道与设备作为一个系统进行压力试验时，管道的试验压力等于或小于设 备的试验压力时， 应按管道的试验压力进行试验， 当管道试验压力大于设备的试验压力， 且设备的试验压力不低于管道设计压力的 1.15 倍时， 经建设单位同意，可按设备的试验压力进行试验。
6）当管道的设计温度高于试验温度时，试验压力应按下式计算：
Ps1.5P()1/()2式中 Ps－试验压力（表压） ，MPa；P－设计压力（表压）
MPa；〔б〕1－试验温度下，管材的许用应力，MPa；〔б〕2－设计温度下，管材的许用应力，MPa。当〔б〕1/〔б〕2 大于 6.5 时，取 6.5。当 Ps 在试验温度下，产生超过屈服强度的应力时，应将试验压力 Ps 降至不超过屈服强度时的最大压力7） 承受内压的埋地铸铁管道的试验压力， 当设计压力小于等于 0.5MPa 时， 应为设计压力的 2 倍，当设计压力大于 0.5MPa 时，应为设计压力加 0.5MPa。8）对位差较大的管道，应将试验介质的静压记入试验压力中。液体管道的试验压力以最高点的压力为准，但最低点的压力不得超过管道组成件的承受力。9）对承受外压的管道，其试验压力应为设计内、外压力之差的 1.5 倍，且不得低于 0.2MPa。10）夹套管内管的试验压力应按内部或外部设计压力的高者确定。11）当试验过程中发现泄露时，不得带压处理，应降压修复，待缺陷消除后，应重新进行试验。
8 小结
34
中北大学本科课程设计说明书
本次课程设计的目的是：（1）初步掌握材料焊接性分析的方法，确定焊接工艺方案。（2）初步掌握焊接结构的零件加工、装配、焊接等工艺规程的编制方法。（3）理论联系实际，综合运用课程知识，分析焊接结构的生产实际问题，培养解决问题的能力。设计内容：⑴材料焊接性分析，焊接工艺方案分析，进行焊接工艺评定。⑵确定焊接结构生产工艺流程、确定产品外壳主要零件的加工工艺及检验。⑶绘制焊接结构简图及排版图。 ⑷确定部件的装配工艺；确定焊接工艺（含焊接变形的控制）。设计要求：⑴初步掌握焊接结构的工艺设计原理、方法、步骤。⑵具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力。⑶综合运用各课程所学知识与技能，并结合生产实习等环节进行设计训练。⑷完成课程设计所规定的任务。
参考文献：
【1】 陈祝年.焊接设计简明手册【M】.北京：机械工业出版社，1997 【2】贾安东.焊接结构及生产设计【M】.天津：天津大学出版社，1985 【3】邓洪军.焊接结构生产【M】.北京：机械工业出版社，2004 【4】周浩森.焊接结构生产及设备【M】.北京：机械工业出版社，1998 【5】陈祝年. 焊接工程师手册【M】.北京：机械工业出版社，2003 【6】周振丰.焊接冶金学（金属焊接性）【M】.北京：机械工业出版社,1997 【7】梁启涵.焊接检验【M】. 北京： 机械工业出版社,1998 【8】田锡唐.焊接结构【M】. 北京： 机械工业出版社,1982
【9】陈裕川.焊接工艺评定手册【M】. 北京：机械工业出版社，2000 【10】中国焊接协会编.焊接标准汇编【M】.北京:中国标准出版社,1997 【11】张建勋.现代焊接生产与管理【M】.北京: 机械工业出版社，2003 【12】董大勤,袁凤隐.压力容器与化工设备实用手册【M】.
【13】李亚江.焊接组织性能与质量控制【M】.北京:化学工业出版社,2003 【14】贾安东. 焊接结构及生产设计【M】.天津：天津大学出版社,1985 【15】宗培言.焊接结构制造技术与装备【M】.北京：机械工业出版社，2007.3 【16】王洪军.焊工技师必读【M】.北京：人民邮电出版社，2005.8
35
中北大学本科课程设计说明书
附录一
36
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容
Copyright © 2019- 99spj.com 版权所有 湘ICP备2022005869号-5
违法及侵权请联系：TEL:199 18 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com
本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务