管壳式换热器焊接设计说明书.doc

管壳式换热器焊接工艺编制说明书目 录第一章 管壳式换热器设计概述11.1管壳式换热器结构设计简介11.2 换热器材料的选择2第二章 管壳式换热器焊接工艺设计42.1确定焊缝的位置42.2焊接接头形式的设计42.3焊接方法的选择和坡口的设计62.4焊接材料的选择72.5焊接工艺参数的选择82.6 确定焊接顺序92.7 焊接工艺卡片的制定9第三章 管壳式换热器焊接工艺103.1焊接原材料的准备103.2焊前准备103.3焊接过程103.4焊后处理及检验10第四章 课程设计总结11参考文献12附图一：13附图二：14附表：15第一章 管壳式换热器结构设计概述1.1管壳式换热器结构设计简介1.1.1 管壳式换热器的结构组成及制造关键点（1） 组成主要有支座、传热管、圆筒体、折流板、接管（2） 制造关键点管热式换热器为承压设备，且壳体为分片焊接而成，所以筒体上各部分焊缝的焊接是制造关键点。1.1.2 管壳式换热器的简介、工作原理及设计要求（1）简介：管壳式换热器由一个壳体和包含许多管子的管束所构成，冷、热流体之间通过管壁进行换热的换热器。通常的工作压力可达4兆帕，工作温度在200以下，在个别情况下还可达到更高的压力和温度。（2） 工作原理：附图一为固定管板式换热器的构造。A流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入,通过管内从接管4流出。如果A流体的温度高于B流体,热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体 (A流体)。管子和管箱以内的区域称为管程,通过管程的流体称为管程流体(B流体)。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。（3）设计要求：设计压力2.5MPa、设计温度200（当介质温度200时允许的最大工作压力为2.5MPa；当介质温度250时允许的最大工作压力为2.29MPa；当介质温度300时允许的最大工作压力为2.12MPa）、水压试验压力3.75MPa、焊接接头系数0.85、介质无毒、筒壁腐蚀余量2mm、程数：壳程，管程；冲水重量16544Kg。（4）生产类型：单件生产1.2 材料的选择1.2.1 管壳式换热器材料的性能要求（1） 对强度、塑性和韧性的要求由于该管壳式换热器是承受一定压力的容器，因此该材料必须具有较好的强度、塑性和韧性，才可满足管壳式换热器材料对强度性能的要求。（2） 对管壳式换热器材料化学成分的要求压力容器用钢碳含量一般不宜高于0.24%；锰是一种能强化钢材基体，提高抗拉强度和屈服强度的元素，含1%的锰约可提高b100MPa,一般来说，锰含量在2%以下，对焊缝金属的韧性是有利的；硅能提高钢的强度，防止热裂纹的形成，但是硅含量超过0.15%时，就会降低钢的塑性和韧性，在一般焊条电弧焊和埋弧焊焊缝中，硅含量控制在0.3%以下较为适宜；硫、磷对钢材是有害元素，按规定，压力容器用钢硫含量不宜超过0.045%，磷含量限制在0.04%以下。（3） 焊接性的要求管壳式换热器是一种全焊结构，它的材料应具有较好的焊接性，并具有能适应各种形式热处理的特性。（4） 工作温度要求低合金钢在温度超过300400时，会发生蠕变，造成厚度明显减薄与鼓胀变形，但此容器的工作温度在200以下，不会发生蠕变现象。（5） 经济要求钢材价格便宜，符合经济性要求。1.2.2 材料的确定16MnR的化学成分如下：钢号成分（）%）CSiMnP、S16MnR0.200.20-0.601.20-1.600.030 16MnR是普通低合金钢，是锅炉压力容器专用钢，锅炉压力容器的常用材料，它的强度较高，塑性、韧性良好。常见的交货状态为热轧或正火，属于低合金高强度钢，含Mn量较低，伸长率为19%-21%，具有良好的热加工、冷加工和焊接性能。16MnR是常用的压力容器钢材，价格相对便宜，符合经济要求。1.2.3 材料的确定综上所述，管壳式换热器用原材料，选择16MnR能满足强度、塑性、韧性、减震性和消磨性以及焊接性等要求，但管壳式换热器的支座用于承受载荷，且载荷属于中等强度载荷，Q235满足作为承受中等强度载荷的零件材料，因此，选16MnR的壁厚为14mm（如下）的钢带为管壳式换热器圆筒体的原材料，选择Q235的钢板作为管壳式换热器支座的原材料，底座用厚度为20mm的钢板，加强筋用厚度为12mm的钢板。计算钢板的厚度：根据条件，容器的液注静压力为 计算厚度 腐蚀余量C2为2mm ，则设计温度下筒体的设计厚度为 查相关数据知，钢板的厚度负偏差C1为0.8mm钢板的名义厚度为 取钢板的标准厚度为12mm水压试验校核 其中为钢板的有效厚度 则 即 合格另外，考虑到加工减薄量等情况，适当加厚板材，取钢板厚度为14mm第二章 管壳式换热器焊接工艺设计2.1确定焊缝的位置附图一为换热器的结构示意图，附图二为换热器的焊缝位置示意图。2.2焊接接头形式的设计压力容器主要受压部分的焊接接头分为A、B、C、D四类。此分类顺序并不是按其重要性和受力高低排列的，仅是个类别符号而已，例如D类接头受力状态的复杂性远远大于C类接头。A类接头 壳体部分的纵向接头(多层包扎容器层板层纵向接头除外)、半球形封头与筒体连接的环向接头、各类凸形封头中的所有拼焊接头。B类接头 壳体部分的环向接头、锥形封头小端与接管连接的接头、长颈法兰与壳体、接管连接的接头，筒体与椭圆形封头、碟形封头间的环向接头。A、B类接头的焊接结构应采用全焊透的双面焊对接接头形式。如因结构尺寸的限制，只能从单面焊接时，也可采用单面开坡口的接头形式，但必须保证形成相当于双面焊的全焊透对接形式，或采用氩弧焊打底焊接工艺形成全焊透封底焊道，或在焊缝背面加临时衬垫或固定衬垫，采用经评定合格的焊接工艺保证根部焊道或坡口两侧完全熔合。 C类接头 平盖、管板与壳体非对接连接的接头（全焊透T形接头），法兰与壳体、接管连接的接头（局部焊透T形接头），多层包扎容器层板层纵向接头。C类接头的焊接要求如下：要求全焊透的C类接头，双面焊时背面须清根；单面焊时，根部应采用氩弧焊打底工艺或背面加衬垫方式。为减小角焊缝焊趾部位的应力集中，焊缝表面可按要求加工成圆角，做到焊缝与母材圆滑过渡。角焊缝的焊脚高度在图样无规定时，取焊件中较薄者的厚度。D类接头 接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头，但规定为A、B类的焊接接头除外。D类接头的典型结构如下：插入式接管全焊透T形接头 高温高压容器、低温容器、承受交变载荷的容器及低合金制容器上直径大于100mm的接管均应采用这种结构形式。该种接头工作可靠，使用寿命长。插入式接管非全焊透T形接头 这种接头不适于温度梯度急剧变化的场合。带补强圈的插入式接管T形接头 此种接头虽然可以起到补强的作用，但接头厚度大、拘束度大、缺陷形成概率明显提高，无法进行超声波、射线探伤检查，也不适于温度梯度急剧变化的场合。安放式接管角接接头 拘束度低，焊缝截面小，但接管角焊缝收缩应力垂直于壳体钢板厚度方向，要求壳体钢板具有较高的抗层状撕裂能力。凸缘与壳体的角焊缝连接接头 该种接头不适于承受脉动载荷的容器，焊脚尺寸在任何情况下均不得小于6mm。D类接头的焊接要求如下：对于截面全焊透的D类T形接头和角接接头，当无法检测内部缺陷，而制造单位又没有足够的能力确保焊透时，应按JB 4708钢制压力容器焊接工艺评定的规定，增加制作试件进行焊接工艺评定，经解剖试验确认方能施焊产品。D类接头的焊脚尺寸 在图样无规定时，取焊件中较薄者的厚度。补强圈的焊脚：当补强圈的厚度不小于8mm时，其焊脚等于补强圈厚度的70%，且不小于8mm。D类接头焊缝应与母材呈圆滑过渡，以避免应力集中。在此管壳式换热器结构中，焊接接头的形式有对接接头和T形接接头和搭接接头。2.2.1焊接接头的选择（1）圆筒体上纵缝的连接应采用对接接头，如下图所示。 A1、A5接头 A2、A3、A4接头（2）圆筒体上环缝之间的连接采用对接接头，如下图所示。 B1B8接头 B9B12接头（3）接管与圆筒体采用插入式全焊透T形接头，如下图所示。 D1 、D6接头 带加强圈插入式接管T形接头 （4）支座与筒体之间的连接应采用搭接接头，如下图所示。D4、D5接头2.3焊接方法的选择和坡口的设计在管壳式换热器制造中，生产中常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、熔化极气体保护焊、钨极惰性气体保护焊和等离子弧焊等。拟采用的焊接方法主要根据被焊钢种、接头厚度、焊缝位置和坡口形式以及对接头的质量要求等来选择，同时还应考虑到该种焊接方法的效率和生产成本。由于管壳式换热器材料为16MnR，支座的板厚均为20mm，圆筒体壁厚为14mm，都属于中厚板，且管壳式换热器为压力容器，对焊缝的质量要求较高，所以采用焊条电弧焊和埋弧焊相结合的焊接方法。焊条电弧焊的工艺简单，特点如下：（1）焊接设备简单，成本低；（2）工艺灵活，货源充足；（3）对工作场地无特殊要求；（4）可在任何位置焊接；（5）对各种钢材的适应性强，可焊接碳钢、低合金钢、不锈钢和耐热钢等。（6）焊条的品种齐全，可按技术要求选择与母材性能相配的焊条；（7）焊缝金属的力学性能良好，特别是低温冲击韧性相当高；（8）操作方便，容易控制焊接变形。埋弧焊的工艺简单，特点如下：（1）生产效率高；（2）焊接质量好，对焊工的操作技术要求不高；（3）机械保护作用好，焊缝的化学成分均匀、稳定；（4）劳动条件好；（5）节约金属及电能。由于圆筒体材料厚度为14mm，属于中厚板，对于埋弧焊焊接的部分来说，（1） 若采用I形坡口，如果预留间隙过小，则出现未焊透；预留间隙过大，则容易焊穿，装配间隙要求精度严格，难以控制。（2） 若采用U形坡口，坡口制备困难，成本高；（3） 若采用单面V形坡口，并留有一定间隙，焊接过程中金属填充量少，易于焊透。所以，圆筒体上的纵焊缝、环焊缝开V形坡口。对于焊条电弧焊焊接的部分，由于焊条电弧焊的电流相对较小，选择X形坡口更利于焊透，接管与圆筒体之间的连接采用插入式全焊透T形接头，采用J形坡口较好。2.4焊接材料的选择焊接材料的选择依据是所焊焊缝与母材等强度等化学成分。 焊接材料选择原则如下:等强度原则:选用焊材熔敷金属的抗拉强度与被焊母材的抗拉强度相等或相近，这是焊接结构钢最常用的原则；等韧性原则：选用焊材熔敷金属的韧性与被焊母材的韧性相等或相近，在高强度钢焊接时常采用强度等级略低于母材但韧性相等的焊材；等成分原则：熔敷金属的化学成分符合或接近母材金属，这是不锈钢和耐热钢焊接时选材的最主要原则；焊条电弧焊使用焊条按所焊钢种类别可分碳钢焊条、低合金焊条和不锈钢焊条。由于本次设计所选用的母材为低合金钢，因此选择焊接材料需要考虑抗拉强度、塑性和韧性，考虑熔敷金属的化学成分与母材匹配。由于此次设计母材为16MnR，其抗拉强度值为510-640Mpa，屈服强度为345Mpa，因此选用与此强度相近的GB/T51181995低合金钢焊条J507，其熔敷金属抗拉强度不低于490Mpa，屈服强度不低于400Mpa。根据GB/T2931999埋弧焊低碳钢焊丝和焊剂中埋弧焊焊丝与焊剂组合，选用组合F4A2H08MnA，即焊丝为H08MnA和焊剂HJ431，其抗拉强度为415550MPa，屈服强度大于330MPa。2.5焊接工艺参数的选择2.5.1 焊条直径的选择焊条直径的选择主要取决与焊件厚度、接头形式、焊缝位置及焊接层数等因素。在一般情况下，可按照焊件厚度选择焊条直径。由于圆筒体厚度为14mm。根据4焊条直径与焊件厚度的关系，可选择4.0mm的焊条，4.0mm的焊丝。2.5.2 焊接电流的选择 焊接电流的选择应根据焊条、焊丝的类型、直径、焊件的厚度、接头形式、焊缝空间位置等因素来考虑。 由于圆筒体厚度为14mm，圆筒体上纵缝（A2、A3、A4）、环缝的焊接均为平焊，均采用埋弧焊焊接，焊条电弧焊用于纵缝（A1、A5）定位焊接以及接管与筒体的焊接。具体数据参照工艺卡片。2.5.3 电弧电压的选择根据电源特性，由焊接电流决定相应的电弧电压。筒体环缝、纵缝上用埋弧焊焊接的部分，焊接电弧电压选用36-38V。2.5.4 焊接速度的选择本管壳式换热器的焊缝选用焊条电弧焊和埋弧焊焊接，焊条电弧焊的焊接速度由人为控制，埋弧焊的焊速为22-25m/h。2.5.5 焊接层数的选择 焊接层数应视焊件的厚度而定。由于圆筒体厚度为14mm。所以，筒体环缝、纵缝的焊接均采用多层焊（正面三层，背面一层），焊接层数为4。2.5.6 电源种类及极性的选择 焊条电弧焊采用直流电源，极性反接，电弧稳定，飞溅小，所以可选BX1-315型弧焊变压器。 埋弧焊采用交流电源焊接，可选焊机MZ-1000。2.6 确定焊接顺序第一步：圆筒体上纵缝对接接头的焊接。第二步：圆筒体上环缝对接接头的焊接。第三步：接管与圆筒体之间T形接头的焊接。第四步：支座与筒体之间搭接接头的焊接；第五步：其他焊接位置。2.7焊接工艺卡片的制定 2.7.1 焊接工艺卡制定的具体内容（1）合理地选择焊接材料。（2）合理的选择焊接方法及相应的焊接设备。（3）选择或设计合理的焊接工艺装备。（4）合理地选择焊接工艺参数。（5）合理地选择焊接工艺措施。（6）合理地选择控制焊接质量的措施及焊缝质量检验方法。焊条电弧焊、埋弧焊的焊接工艺卡片和焊接工艺指导说明书如附表所示。第三章 管壳式换热器焊接工艺3.1焊接原材料的准备筒体材料的准备：材料为16MnR、厚度为14mm的钢板截成所需的尺寸;支座材料的准备：Q235钢板，厚度为20mm;焊接设备：BX1315焊机、MZ1000埋弧焊机、焊条、焊丝、焊剂等。3.2焊前准备（1） 坡口的加工制备（2） 工件的清理与装配（3） 焊条、焊剂烘干，焊丝清理（4） 焊机的检查及调试3.3焊接过程（1）