5000立方米球罐工艺设计

1、课程设计任务书学 院材料科学与工程专 业材料成型及控制工程学生姓名班级学号课程设计题目5000m³球罐工艺设计实践教学要求与任务:1 写出该焊接方法的几种设计方案2 确定合适的焊接参数3 选择合适的破口形式4 撰写焊接工艺工作计划与进度安排:1 熟悉设计内容 2天2 查阅相关资料，提出可行方案 2天3 上机画各类焊缝图 1天4 书写说明书 3天5整理工艺卡 3天6 答辩指导教师： 201 年 月 日专业负责人：201 年 月 日学院教学副院长：201 年 月 日 成 绩 评 定 表学生姓名班级学号专 业材料成型及控制工程课程设计题目5000m³球罐工艺设计评语组长签字：成绩

2、日期 20 年 月 日目录1 绪论1材料的焊接性分析11.1 16mndr的学成分和力学性能11.2 16mndr的焊接性分析21.3 焊接方法与填充材料的选择32 焊接结构制造工艺设计42.1球壳各带的厚度计算52.2焊缝的分类52.3焊接工艺参数62.4 球罐的焊接102.4.1 施焊环境102.4.2 焊工资格102.4.3 焊前准备102.4.4 焊接工艺113 焊接结构质量检验133.1 焊缝外观质量检查要求133.2 无损检测133.3 焊后修补133.4 焊后整体热处理143.5 水压试验和气密性试验143.5.1 水压试验143.5.2 气密性试验143.6去锈、涂装163.7

3、 球罐成品验收16参考文献171 绪论材料的焊接性分析1.1 16mndr的化学成分和力学性能16mndr 钢是细晶粒的铁素体型低温钢，细晶粒钢通过正火或调质处理后获得良好的综合性能，属低合金系统，温度等级为- 40 ，热轧热处理状态，其中碳及其它合金元素含量较低. (1)16mndr钢的化学成分见表1-1。钢板以热轧、控轧或正火状态交货1。表1.1 16mndr钢板的化学成分牌号化学成分（质量分数）csimnnivnbalsps不大于16mndr0.200.150.501.201.600.0200.0250.012根据国际焊接学会（iiw）所采用的碳当量（ce）计算公式： （%） 将16mn

4、dr所含化学成分的相应数值代入上式，计算其碳当量。通过计算得出，16mndr的碳当量ce=0.40%0.47%。当ce=0.40%0.60%，钢的淬硬倾向逐渐增加，所以16mndr属于有淬硬倾向的钢。但是，当ce不超过0.5%时，淬硬倾向尚不严重，焊接性较好，但随板厚增加需要采取一定的预热措施。650m3液体二氧化碳球罐的球壳板厚为38mm，所以在焊接前，为避免出现裂纹，应对其进行预热，预热温度为100150。16mndr 钢碳当量不高，淬硬倾向小，室温下焊接一般不易产生冷裂纹。钢在轧制中，硫、磷含量控制较低，所以也不易产生热裂纹 (2)16mndr钢的力学性能见表1-21 表1-2 16mn

5、dr钢板的力学性能和工艺性能牌号钢板公称厚度/mm拉伸试验冲击试验180°弯曲试验弯心直径(b35mm)抗拉强度rm/(n/mm2)屈服强度rel/(n/mm2)伸长率a/%温度/冲击吸收能量kv2/j不小于不小于16mndr61649062031521-4034d=2a>1636470600295d=3a>3660460590285>60100450580275-3034>1001204405702651.2 16mndr的焊接性分析16mndr 钢在焊接时，不需要采取特殊的工艺措施，当钢板厚度较大，焊接接头刚性拘束较大或环境温度过低时，可在焊接前进行合理的

6、预热。有关资料表明，除了面心立方点阵的金属材料(奥氏体钢、铝、铜等) 外，一切体心立方点阵或六方点阵的金属材料均有低温转脆的现象，而低温钢必须具备的，最主要的性能就是低能韧性。因此，必须在焊接过程中通过细化晶粒，合金化和提高纯净度等措施来对其焊接接头的组织和性能加以改善。特别是以铁素体为基的16mndr钢，铁素体晶粒尺寸越细小，钢的脆性转变温度将越向低温方向移动，一定低温下的韧性值相应提高。通过上述分析，可以清楚地认识到：通过细化晶粒来保证16mndr 钢焊接接头的低温韧性，这是制定16mndr 钢焊接工艺的一个根本出发点。1.3焊接方法与填充材料的选择低温钢16mndr的主要焊接方法有焊条电

7、弧焊、埋弧焊和气体保护焊。对球罐焊接来说主要采用焊条电弧焊。细晶粒低温钢焊条的选用原则是强度与使用温度。焊条：型号e5015-g（牌号示例j507rh）。 焊条电弧焊是手工操纵焊条进行焊接的一种电弧焊方法，俗称手工电弧焊，属于传统的焊接工艺方法。其特点是电弧柱的温度高于3000，且热量集中，与气焊方法相比，热效率较高。该方法有所需焊接设备简单、易于操作、灵活性好等优点22。j507rh是低氢钠型药皮的高韧性超低氢低合金钢焊条,采用直流反接。具有良好的焊接工艺，电弧稳定，脱渣容易，焊缝金属有优良的塑性、韧性和抗裂性能。可进行全位置焊接。适用于e36、d36、a537等低合金钢的重要结构焊接。如海

8、洋平台、船舶、压力容器等。利用j507rh焊条焊接时的参考电流：焊条直径为4.0mm时，焊接电流为130180a；焊条直径为5.0mm时，焊接电流为170240a。2 焊接结构制造工艺设计焊接结构制造即焊接结构生产，简称焊接生产。球罐的焊接结构制造工艺流程与其他焊接产品的制造流程大致相同，主要包括：生产的准备工作、备料加工工艺、装配焊接工艺以及焊后成品的热处理、质量检验、耐压试验、成品的涂装入库等6。在球罐的整个制造过程中，其制造难点是：瓣片的成形及其尺寸和形状精度的控制、罐体的装配技术及瓣片位置精度、装配焊接顺序、夹具的合理使用、焊缝质量及其密封性、罐体焊接变形的控制等。5000m³

9、;球罐的焊接结构制造工艺流程见图2.1。图2.1 5000m³球罐的焊接结构制造工艺流程2.1球壳各带的厚度计算计算各带压力：p=1.6mpap=1.6+0.66×10×(5.4-2.44)×10=1.6195mpa (2.1) p=1.6195+0.66×10×(3.54+3.54)×10=1.6662mpa (2.2) p=1.6662+0.66×10×5.4×10=1.70184mpa (2.3)p=1.70184+0.66×10×1.66×10=1.7128

10、mpa 球壳材料采用16mndr，s=275mpa,常温下许用应力为 t=157mpa 取焊缝系数：=1.0 腐蚀裕量c=2mm，钢板厚度负偏差c=2mm，故厚度附加量c=c+c=2mm6液柱高度h： h=k1r=1.6084×10600=17100mm (2.4)液体的静压力p=gh = 664×9.8×17100×10-9 =1.113mpa (2.5) (2.6) 将（2.1）（2.2）（2.3）di及、c分别带入（2.6）并圆整后得到名义厚度=57mm =57mm =59mm =63mm =60mm2.2焊缝的分类根据国标gb1998钢制压力容器

11、对压力容器主要受压部件焊接接头要分为a，b，c，d，e, f六类。a类焊缝（对接缝或搭接焊缝，不包括角接焊缝）a类焊缝的结构形式可以是对接焊缝或搭接焊缝，不包括角接焊缝。具体包括：圆筒、管子或圆锥壳上的纵向焊缝；球壳、成型封头、平封头、或平板、矩形截面容器各侧板等上的任何焊缝，此处所说的任何焊缝指在上述各部件的任何方向、但属a类的任何焊缝结构形式；球形封头与圆筒、圆锥壳等相连接的环向焊缝。b类焊缝（对接缝或搭接焊缝，不包括角接焊缝）b类焊缝的结构形式可以是对接焊缝或搭接焊缝，但不包括角接焊缝。具体包括：圆筒、圆锥壳或接管上的环向焊缝；成型封头（半球形封头除外）与圆筒、圆锥壳或管子想连接的环向焊

12、缝。c类焊缝（对接缝或搭接焊缝或角接焊缝）c类焊缝的结构形式包括法兰、平封头、端盖、管板与壳体间的搭接接头。d类焊缝的结构形式是指接管、人孔圈、手孔盖、加强圈、法兰与壳体或封头相连的t形和角接接头。e类接头包括吊耳、支撑、支座、及各种内件与壳体或封头内外表面相接的角接接头。f类接头系在筒体、封头、接管、法兰和管板上的堆焊接头1。 2.3焊接工艺参数2.3.1焊接方法的选择16mndr的主要焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护焊。对球罐焊接来说主要采用焊条电弧焊。2.3.2焊条的选择对于大厚度的焊件来说，焊条直径应在45mm。对于背面难以清根的焊缝单面焊缝的打底焊以及封底焊道的焊接，宜采用直径

13、不超过4mm的焊条，以保焊透；而立焊、横焊及仰焊的焊条直径不超过5mm3。焊条型号e5015牌号j507，烘干温度为350，保持时间1h22.3.3钢号分类分组由球形储罐焊接工程技术可知，16mndr类别为fe-1类，组别为2组2。2.3.4焊前预热焊前对球壳板进行预热，预热的目的是：减缓焊接接头加热时温度梯度及冷却速度，适当延长在800500区间的冷却时间，改善焊缝金属和热影响区的显微组织，从而减少和避免产生淬硬组织，有利于氢的逸出，可防止冷裂纹的产生。热源采用液化石油气，定位焊和临时焊缝采用点状加热器，球壳焊缝采用条状加热器，且应放在焊缝小坡口的一侧。注意应保证加热的均匀性，预热温度为10

14、0150，实测层间温度不得低于100。温度的测量点在距焊缝中心50mm处，两侧对称测量。在整个焊接过程中应保持此温度。预热宽度为焊缝中心线两侧各3倍板厚，为114120mm。预热长度须在施焊长度两端各延伸150mm以上。拘束度较高的焊缝节点（如人孔、接管）或环境温度低于5时，应采用较高的预热温度，且适当扩大预热范围。2.3.5电源种类及极性的选择2对于像j507这样的碱性焊条一般应采用直流电源且反极性焊接。2.3.6焊接电流的选择2焊接电流的选择一般根据焊条的直径来选择，在平焊时焊接电流与焊条直径之间的关系见表 2-1。表2-1 焊条电弧焊焊条直径与焊接电流的关系焊条直径 mm2.53.24.

15、05.0焊接电流 a5080100130160200200250立焊、横焊和仰焊的电流一般比平焊电流小10%左右。2.3.7焊接层数与焊接道数焊接层数与坡口深度、焊接直径及焊接速度有关2，即n=s1/(0.81.2)dn为焊接层数 s1为坡口深度(mm) d为焊条直径（mm)2.3.8坡口加工方法及清除坡口加工采用机械加工，其加工精度高，也可以采用火焰切割或碳弧气刨清根。对强度级别高、厚度较大的钢材，为防止其格式产生裂纹，应按焊接的预热工艺进行预热。碳弧气刨的坡口应仔细清除余碳，在坡口两侧约10mm内，应严格除去水、油、锈及脏污等。1。2.3.9坡口型式坡口是用来使电弧沿板厚熔入一定的深度，保

16、证焊接接头的焊透，坡口形式应根据母材的结构形状，板材厚度及对焊接质量要求来设计，条件不同其接头及坡口形式也不同。在选择坡口形式时主要考虑一下因素：（1）是否能够保证工件焊透和便于操作；（2）坡口的形式应 容易加工；（3）尽可能提高焊接生产率和节省焊条； （4）调整焊缝金属的化学成分。常用的坡口形式有i、v、u、x型，一般通过板厚来决定坡口。板厚为60mm左右的球壳板开坡口多数为双v形坡口7。2.3.10选择合适的焊层厚度 一般焊层厚度控制在34mm左右7。2.3.11焊接工艺参数4,7焊件工艺参数包括焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊接线能量等。（1）焊接电流 焊接电流的大小主要根据焊条类型、焊

17、条直径、焊件厚度、焊缝的空间位置接头形式、焊道层次等因素选取。焊接电流主要影响熔深。焊接中电流越大，效率越高，但飞溅大，烟熏大，容易产生咬边、烧穿、焊瘤等缺陷，同时影响焊缝成形。电流小，熔深就小，电弧不稳定，容易造成未焊透和夹渣等缺陷。因此，在保证不烧穿和成形良好的情况下，选用较大的焊接电流。电源极性对焊接质量也有影响，直流电源的电弧稳定，飞溅少，焊缝质量好。在焊接重要结构件是一般选用直流焊接。交流电源较直流电源成本低，但不稳定。（2）焊接电弧 电弧电压主要由弧长决定，弧长越长，电弧电压越高；电弧越短，电弧电压越低。电弧电压主要影响焊缝的宽窄，电弧电压高时，焊缝较宽，反之较窄。而焊缝的宽度主要

18、由焊条的横向摆动来控制，因此电弧电压对焊缝的影响不是很大。电弧拉的太长时，电弧燃烧不稳定，飞溅较大，熔池保护不好，容易引起咬边、未焊透、气孔等缺陷。焊接时焊接电弧不宜太长，一般电弧长度不超过焊条直径。（3）焊接速度 焊接速度主要影响焊缝成形。速度太快，成形不好，容易引起未焊透。速度太慢，容易引起焊瘤等。手工电弧焊时，电弧电压和焊接速度可以灵活掌握，但必须保证焊缝焊透，并且达到所要求的外形尺寸和强度。（4）线能量 焊接线能量是指单位长度焊缝所得到的焊接电弧热能量。2-2 16mndr球罐的焊接工艺参数焊接位置层次牌号焊条直径mm焊接电流/a焊接电压/v焊接速度(mm/min)线能量（kj/cm)

19、立焊外12外37外8j50745416022020025011013022242426222456765474507024.634.537.952.024.734.5内1内24内5j50745411013016018011013022242426222465855474507022.628.837.952.026.737.4横焊外11外22外33外44外54外65外76j50745555541101301601801601801601801601801601801601802224242624262426242624262426759596116146166127147150170270290

20、29031019.724.924.229.216.919.219.122.116.518.59.810.49.19.7内11内22内33内44内55j50745544120140160180160180160180160180222424262426242624261101309611617019017019017019015.518.324.239.214.716.514.716.514.716.5仰（平）焊外1外2外37j50749011011013011013022242224222450706080456622.631.623.431.228.841.6内1内25j5074412014

21、0160180222424264868587829.644.836.048.4立焊外12外37外8j50745416022020025011013022242426222456765474507024.634.537.952.024.734.5内1内24内5j50745411013016018011013022242426222465855474507022.628.837.952.026.737.42.4 球罐的焊接2.4.1 施焊环境当施焊环境出现下列任一情况，且无有效防护措施时，禁止施焊：手工焊时风速大于10m/s；气体保护焊时风速大于2m/s；相对湿度大于90；雨、雪环境。尤需指出，焊

22、接环境的温度和相对湿度应在距球罐表面0.51m处测量，要选择合适的湿度和温度测量仪器7。2.4.2 焊工资格从事球罐焊接中受压元件的焊缝、与受压元件相焊的焊缝、定位焊缝、受压元件返修焊缝的焊工，须按锅炉压力容器焊工考试规则进行考试，取得焊工合格证后，才能在有效期间担任合格范围内的工作。对停止焊接工作6个月以上的焊工，在参加施焊前，应对其重新进行技能考试。对每一个持证焊工，颁发识别钢印。根据产品施焊记录中的焊工姓名和钢印，每月统计一次，以证实其资格的连续性2。2.4.3 焊前准备（1）焊接工艺评定球罐焊接前，应按钢制压力容器焊接工艺评定进行焊接工艺评定，并且应按立焊和横焊两种焊接位置分别评定。然

23、后做出有效的焊接工艺评定报告。焊条的干燥焊条贮存库应保持干燥，相对湿度不得大于60%，焊条使用前应按要求进行烘干，对于e5015焊条，烘干温度为350400，保持时间为1h。烘干后的焊条应保存在100150的恒温箱中，药皮应无脱落和明显裂纹。焊条在保温筒内不宜超过4h，超过后，应按原烘干制度重新干燥。重复烘干的次数不应超过两次7。（2）定位焊和工装夹具焊接球壳板上的定位焊采用焊条电弧焊，焊机选用zxg - 400型弧焊整流器，焊接时采用短弧操作，焊接位置要求平焊、仰焊、立焊、横焊。定位焊采用间断焊，焊缝长度为100mm，间距300mm，焊缝高度8mm，要求焊接第一层时尽可能背面成形。其具体焊接

24、工艺参数见表2-7。表2-7 球壳板定位焊工艺参数层、道填充材料焊接电流电弧电压（v）焊接速度（cm/min）线能量（kj/cm）型号直径(mm)极性电流（a）第1层e50153.2直流反接12014022244.86.829.644.8第2层e50154.0直流反接16018024265.87.836.048.42.4.4 焊接工艺（1）焊接顺序总的焊接顺序是：先焊纵缝，后焊环缝；先焊大坡口面焊缝，后焊小坡口面焊缝；先焊赤道带，后焊极板。所有焊缝的大坡口，一律在球壳板的外侧。球罐焊缝见图2-2。图2-14 球罐焊缝示意图具体的焊接顺序是：赤道带纵缝的焊接 上极带纵缝的焊接 下极带纵缝的焊接

25、上极带大环缝的焊接 下极带大环缝的焊接 上极带方环缝的焊接 下极带方环缝的焊接 上极带极板拼缝的焊接 下极带极板拼缝的焊接7。3 焊接结构质量检验3.1 焊缝外观质量检查要求焊缝外观质量先由焊工自检，合格后再由专职检查人员进行检验，合格后，焊工方可离场。焊缝表面不得有裂纹、气孔、夹渣、咬边、弧坑、焊瘤以及飞溅物。焊缝接头过渡应圆滑，焊缝边缘与母材熔合处也必须圆滑过渡。焊缝余高大小坡口面全部不得大于2.5mm7。3.2 无损检测球罐焊缝经外观检查合格后，按要求进行无损检测。要求检测人员必须持有有效期内的无损探伤资格证，并且探伤经验丰富。 （1）射线和超声检测球壳的全部对接焊缝在焊接完成24h后进

26、行100%射线检测，按jb/t4730-2005中规定级合格。全部对接缝(包括全部t字口部位)按20%进行超声波检测复验，按jb/t4730-2005中规定级合格7。（2） 表面检测 全部对接焊缝内、外表面、角焊缝、补焊处表面区、工卡具拆除处的焊迹表面和缺陷修磨处的表面，包括工艺附件的焊道在焊接完成24h后应实行100%渗透检测，按jb/t4730-2005中规定级合格。水压试验合格后全部对接缝内、外表面、角焊缝、补焊处表面区、工卡具拆除处的焊迹表面和缺陷修磨处的表面，包括工艺附件的焊道，进行20%渗透检测7。3.3 焊后修补球壳板局部表面和焊缝表面的缺陷及工夹具焊迹，必须用砂轮修磨，修磨范围

27、内的斜度至少为3 ：10。修磨后的实际球壳厚度不得小于设计厚度32.3mm，超过时应进行修补。当球壳板表面焊补深度超过3mm时，还应进行超声波检测。对球壳板表面缺陷进行焊补时，每处的焊补面积控制在50cm2以内。如有两处以上焊补时，任何两处的净距应大于50mm。每块球壳板上焊补面积总和，必须小于该球壳板面积的5%。补焊后的表面须修磨平滑。焊补长度应大于50mm。对焊缝内部超标缺陷焊补时，为控制角变形，缺陷的清除深度不应超过球壳板厚度的2/3，即25mm。当清除到板厚2/3处还残留缺陷时，应在该状态下焊补，然后在其背面再次清除缺陷，确认缺陷已根除，将其补满。为防止超次返修，可根据x射线、底片和超

28、声波仪器来正确定位缺陷，以保证缺陷彻底清除。返修焊缝的工艺应与主体焊缝相同。需预热时，以修补处为中心在直径300mm范围内加热，预热温度取上限，为150，补焊后立即作消氢处理7。3.4 焊后整体热处理本球罐球壳板材质为16mndr，板厚60mm左右，经无损检测合格后，应在水压试验前进行焊后整体消除应力热处理。由于球罐的体积庞大，无法在热处理炉内进行消除应力热处理，所以采用内燃加热法对球罐进行整体热处理。此法是将球罐本身作为一个燃烧炉，借助于底部开口（人孔）安装喷火嘴，以燃油或液化石油气为燃料，热处理前球罐外部须包覆细纤维玻璃棉作为保温材料，然后进行内部加热处理。在热处理之前，应将平台、梯子的焊

29、件焊好，用于固定产品铭牌和注册铭牌的铭牌架也应在热处理之前焊在球壳板上，并避开焊缝。经热处理后的球罐壳体不允许再施焊。此外，在热处理之前，还应把试板对称地设置在球罐赤道带外侧赤道线上。在该处先焊上两个角钢，然后装入试板并加楔打紧。试板焊缝与其所模拟的焊缝方向一致。空隙处加铜丝或铜屑填实，使传热改善。650m3球罐测温点数为12点，测温点应均匀布置在球壳表面各带上，相邻测温点的间距在4.5m以内。距人孔与球壳板焊缝边缘200mm以内及产品焊接试板上，必须设测温点。在热处理过程中，在400以上升温和降温时，球壳表面相距4.5m处温差不得大于130。保温层外表面温度不应超过60。并随时调整支柱位置，

30、以保证其垂直度。3.5 水压试验和气密性试验3.5.1 水压试验水压试验时要求采用清洁的工业用水进行试验，水温不得低于5，试验压力为2mpa。球罐进行水压试验时，设基础沉降观测点，基础为环形基础，要求均匀沉降，并做好实测记录。放液后，基础沉降差不得大于12.3mm，相邻支柱基础沉降差不大于2mm，若超过此范围，应采取措施处理7。3.5.2 气密性试验气密性试验应在水压试验合格、经焊缝表面第二次渗透检测合格后进行。试验压力为2.2mpa，试验介质为干燥、洁净的压缩空气，温度不低于5。试验前，球罐内部及配管内积水全部排除干净。在球罐顶部安装两只安全阀，安全阀的设定压力为2.2mpa。封闭所有接管口，启动压缩机开始升压。图6.26 球罐水压试验流程升压时要观察球罐各部位，特别是附件、接管等的紧固部位。同时按预定的升压曲线缓慢、均匀升压