400立方米球罐设计

1、摘要 本次设计中的低压储罐为容积为400m3球罐，其用途为贮存氮气，壳体材料为Q345。本文对其母材及其焊接性做了简要的分析，并以此为基础选择了球罐焊前的预热温度、焊接方法、焊机型号和焊接材料。预热温度为120140，焊接方法为手工电弧焊，焊机型号为ZXG-400，焊条为E5015。 本文根据球罐上每条焊缝的特点，结合所选用的焊接方法、设备及材料，制定了针对各条焊缝的合理可行的焊接工艺。围绕着球罐的焊接过程，作者分析了可能出现的缺陷并提出了避免或减少这些缺陷产生的方法和措施。 在焊接完成之后，还需进行一系列的焊后处理，包括焊后热处理、无损检测等。关键词：低压储罐；球罐；装配；焊接；工艺。目录前

2、言51球罐的概况71.1主要技术参数71.2结构形式图71.3壳体材料分析81.4球罐的主要焊接缺陷82焊接初步分析82.1焊接性分析82.2 Q345钢在焊接时易出现的问题82.3焊接方法的选择82.4焊接材料的选择82.5施焊环境82.6焊工资格113焊前准备123.1焊条的干燥和选择123.2焊接电流的选择123.3焊接速度133.4电弧电压133.5焊接层数的选择143.6坡口形式143.7焊机的选择143.8焊前预热144球罐的装配154.1球罐的组装方法154.2球罐零部件复验164.3壳板定位块及吊点的布置和焊接164.4操作脚手架形式164.5球壳板的组装过程及组装后球罐的调整

3、175焊接操作185.1预制片组装焊接185.2定位焊195.3球罐的焊接顺序205.4焊缝的焊接工艺206焊后处理和焊后检验226.1焊后球罐整体热处理226.2焊后检验22总结23致谢24参考文献25前言随着锅炉、压力容器和管道工作参数的大幅度提高及运用领域的不断扩展，对焊接技术提出了愈来愈高的要求。就目前而言，焊接已经广泛用于机械、石油、交通、航空航天、制造安装、核能等各个行业，几乎遍及工业生产的各个领域。有报道称，发达国家全国全年钢生产量的百分之四十到百分之五十的钢材是用于焊接结构件，由此可见，焊接技术在工业生产中占据着极其重要的地位。近几年中国经济发展的很快，制造安装行业发展更是迅速

4、，而焊接作为制作安装行业的支柱，在行业中就显现出不可替代的地位。其中压力储罐的制造安装就是典型的代表。由于我国经济的快速发展我国人民生活水平的提高，能源消耗急剧增长，我国的石油需求量大量提升。现在，我国已经成了石油进口国，石油已经成为了国家发展的重要战略物资，它直接关系到我国的国民经济发展和社会的稳定，石油储备成为了国家任务的重中之重。因此储罐的建造业发展也极为迅速。其中，球罐的增长速度很快，1981年我国大约拥有1100台球罐，到1985年增加至约1800台，而到1993年数量增加到3107台，在这12年间每年约增加150台，至1996年全国已经有了近5000台球罐，这四年间平均每年建造约四

5、百台球罐，相比1981年，增长率达到了惊人的百分之四百。就目前的统计数据来看，我国现有大约万台。其中大部分的球罐是用于储存液化石油气、天然气。球罐建造的速度之所以如此的快，是因为人们越来越认识到使用球罐的合理性。在相同容积的压力储罐之间相比，球罐的表面积最小，其消耗的材料最少，具有节省钢材、降低成本的作用。同时球罐的受力最均匀，在相同直径和工作压力下，其所受内力最小。然而，任何事物都有它好的一面和不好的一面。球罐虽然耗材最少，受力最均匀，但是其制造工艺较复杂、加工费用较高。此外，球罐直径较大，不便于运输如100立方米容积的球罐，直径就达到11.28米要运输一个直径11.28米的大球何其困难，因

6、此球罐必须现场组装。而100立方米的圆筒状则可以在制造厂中预制，然后运输出厂。目前，我国的球罐制造业发展虽快，但总体制造水平还很低，某些加工手段及工艺措施还相对落后。因此在原有的稳定制造工艺下，我们还是要寻求突破创新。本次设计中的400立方米球罐用于储存氮气，属于中小型容积的球罐，现在，400立方米的球罐在国内运用较为广泛，主要用于储存燃气或是液化石油气。本次的球罐焊接工艺设计目的是使我所学到的焊接技术及自动化的专业理论知识能够运用到实际生产当中去，并最终完成毕业设计工。在设计工作过程中，采取“边设计，边学习，边调研，边改进”的“四级”原则，真正做到理论与实际相结合，力求达到学以致用，并为自己

7、以后参加工作，打好理论知识基础，积累实际工作经验。1球罐的概况1.1主要技术参数球罐的主要技术参数如表1所示。表1 球罐的主要技术参数设计压力3MPa设计温度50°C介质氮气壳体材料Q345球罐内径9200mm容积400m³筒体壁厚40mm结构形式混合式1.2结构形式图 球罐一般由球壳板、支柱、拉杆、人孔、接管等部件组成。球壳是球罐的主体,球罐由多块压制成球面的球壳组焊而成。本设计所施工的400m3球罐属五带混合式结构,14个支柱,球罐内径26800mm,罐体总高为28400mm。其特点是球罐的赤道带、上温带、下温带的球壳(每带28块)按桔瓣分割,上、下极带按足球瓣分割(每

8、带7块),五带拼装成球体。球罐的典型结构图如图1所示.。图1 球罐的典型结构本设计中得球罐采用的是混合式5带形式，分为上级，赤道带、下级上温带和下温带，简图如图1所示。1.3壳体材料分析（一）、化学成分分析壳体采用Q345低合金钢，其化学成分如表二所示。表2 Q345低合金钢的化学成分表钢种CSiMnPSQ3450.200.551.01.600.0350.030（二）、力学性能分析Q345的力学性能如表3所示。表3 Q345的力学性能机械性能指标板厚伸长率（%）试验温度(t/)抗拉强度（b/MPa）屈服点（s/MPa）数值40mm2234470-650324-2591.4球罐的主要焊接缺陷球罐

9、焊接除应避免一般焊缝缺陷外，尤其要防止变形和裂纹这两种缺陷。(一)变形焊缝横向收缩往往产生角变形，即焊缝产生内凹或外凸。另外，环向焊缝纵向收缩造成球罐相对应的直径缩小，形成赤道带直径小，而极板则向外凸起。球罐变形不仅是外观质量问题，而且将导致应力集中和附加应力。严重削弱球罐承压能力，影响安全。因此，必须正确地组装焊接，尽量减小变形。(二)裂纹球罐钢板厚度大，材质强度高，成型后刚性大，焊接应力比较大，如果在材料选用、施工及焊接工艺中稍有忽略，将会产生严重的焊接裂纹，威胁球罐的安全使用。球罐焊接裂纹可能发生在焊缝，也可能发生在热影响区；既可能是纵向裂纹，既可能是横向裂纹，也可能在焊接过程中产生热裂

10、纹，也可以在焊接后相当一般时间出现延迟裂纹(又称冷裂纹)。对于低合金高强度钢，延迟裂纹出现的倾向性更大。因此，不论是选用材料，或是制定工艺和操作过程，每一个环节都必须密切注视焊接裂纹出现的可能性。2焊接初步分析2.1焊接性分析碳当量(Ceq)的计算 Ceq=C+Mn/6+Ni/15+Cu/15+Cr/5+Mo/5+V/5 计算Ceq=0.49%，大于0.45%，可见Q345钢焊接性能不是很好，需要在焊接时制定严格的工艺措施。 2.2 Q345钢在焊接时易出现的问题（一） 热影响区的淬硬倾向 Q345钢在焊接冷却过程中，热影响区容易形成淬火组织-马氏体，使近缝区的硬度提高，塑性下降。结果导致焊后

11、发生裂纹。 （二） 冷裂纹敏感性 Q345钢的焊接裂纹主要是冷裂纹。2.3焊接方法的选择因为400m³球罐的体积较大，需要焊接的区域较广，因此在本设计中采用灵活性大的手工电弧焊。2.4焊接材料的选择 Q345属于低合金高强度钢，它的冷裂纹倾向较大，国内外普遍都采用碱性低氢型焊条，因为这种焊条韧性高，抗裂性能好。同时考虑到焊接接头与母材等强度的原则，因此选用E5015焊条。2.5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严禁施焊。一、 雨天及雪天。二、 风速超过8m/s，相当于V级风。三、 ,环境温度在-5°C以下。四、 相对湿度在90%以上。尤其指出，焊机环境温

12、度和相对湿度在距球罐表面500100mm处测得。2.6焊工资格从事球罐焊接的焊工，需按有关规定进行培训与考核，取得焊工资格证后，才能在有效期间担任处于资格范围内的工作。对停止焊接工作6个月以上的焊工在参加施焊前，应该对其重新进行技能考试。对每一个特证焊工，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。3焊前准备3.1焊条的干燥和选择焊条应该存放在通风良好、干燥的位置，温度应该控制在1025°C。相对湿度应该小于60%以防止焊条受潮变质。焊条使用前要进行烘干，拥有降低扩散氢含量，防止产生裂纹及气孔等缺陷。 对于E5015焊条，烘干温度达到350&

13、#176;C400°C，保温时间2h。烘干后的焊条应该放置在温度为100°C150°C的恒温筒中保存。焊条在保温筒中超过4h后应该重新烘干，焊条不宜重复烘干两次。焊条直径的选择由表4所示。焊件厚度（mm）234781213焊条直径(mm)1.62.02.53.23.24.0.4.05.04.05.0因为本设计中球罐的壁厚为40mm，为了避免焊缝组织粗大，造成冲击韧性下降，必须采用小规范焊接。具体措施为：选用小直径焊条、窄焊道、薄焊层、多层多道焊的焊接工艺。焊道德宽度不大于焊条的3倍，焊层厚度不大于5mm。第一层至第三层采用4.0，第四至第六层采用5.0电焊条。因此

14、本设计中选用的焊条直径是4.0mm和5.0mm两种。3.2焊接电流的选择焊机电流大小选择恰当与否直径影响到焊接的最终质量。焊接电流过大可以提高生产率，并使熔透深度增加，但是容易出现咬边、焊穿、增加焊件变形和金属飞溅量，也会使焊接接头的组织由于过热而发生变化，并增大气孔倾向，尤其是在立焊操作时熔池难以控制，容易出现焊瘤，弧长增加，就会长生咬边。焊接电流过小，使电弧不稳定，熔透深度减小，容易出现未焊透、未熔合、夹渣及脱节等缺陷。焊接电流应该根据板件厚度、头形式、焊接位置、焊接层数、焊条类型、焊条直径和焊接经验等因素综合考虑。对于一定直径的焊条有一个合适的焊接电流范围如表5所示。表5焊接电流和焊条直

15、径的关系焊条直径/mm1.62.02.53.2456焊接电流/A254040655080100130160210200270260300在相同焊条直径的条件下，平焊是焊接电流可大些，其他位置焊接电流应小些；在相同条件下，碱性焊条使用的焊接电流一般可比酸性焊条小10%左右否则焊缝中容易产生气孔。综合以上因素我们在焊接第一层到第三层选用焊接电流为120180A,第四层以后选用的焊接电流为160200A。3.3焊接速度焊接速度是表征焊接生产效率的主要参数合理选择焊接速度对保证焊接质量尤为重要。焊接速度应该均有适当，既要保证焊透又要保证不焊穿，同时还要使焊缝宽度和余高等符合设计要求。焊速过快使熔池温度

16、不够，易造成未焊透、未熔合，焊缝成形不良等缺陷。焊速过慢，使高温时间长，热影响区宽度增加，焊接接头的晶粒变粗机械性能降低，焊件的变形量的增大，同时焊速过慢还会使每层的层数增大，导致熔渣倒流，形成夹渣等缺陷。3.4电弧电压焊接过程中合理的控制电弧长度是保证焊缝质量稳定的重要因素。焊条电弧焊电弧电压主要由电弧长度决定的。电弧长度越大，电弧电压越高，电弧长度越短，电弧电压越小。电弧过长对熔化金属保护差，空气中的氧、氮等有害气体容易侵入使焊缝产生气孔，焊接金属的机械性能降低。但弧长也不易太短，若弧长过短，就会引起粘条现象，且由于电弧对熔池的表面压力过大，不利于熔池的搅拌，使熔池中气体及熔渣上浮受阻从而

17、引起气孔、夹渣等缺陷的产生。3.5焊接层数的选择焊接层数主要根据焊件厚度、焊条直径、坡口形式和装配间隙来确定。可做如下近似估算：n=/d式中，n为焊接层数；为焊件厚度（mm）；d为焊条直径（mm），本设计中我们选择的焊件厚度为40mm焊条直径为5mm，所以我们需要焊8层。3.6坡口形式坡口形状和尺寸对球罐的几何形状及焊接质量影响很大，球壳板预制片的对接焊缝，本设计中我们采用不对称X形坡口和V型坡口，大坡口一般应为地球壳板外侧。钝边的尺寸一般选在0.51mm之间，坡口20mm以内处用磨光机打磨，并将表面的铁锈、油污等清除干净，露出金属光泽。3.7焊机的选择本设计中我们选用弧焊整流器，它具有噪音小

18、、效力高、成本低和制造维护简单等优点，具体型号为我们常用的ZXG-400弧焊整流器。它可焊接的材料有：碳钢、合金钢、不锈钢（使用于各种焊条的焊接）；焊接厚度适用于2mm以上厚度的材料；焊接位置：适用于各种位置的焊接，平焊、立焊、横焊，仰焊。焊前应对焊机进行试焊，确认焊机的引弧性能和稳定性能好，工艺的调节方便、灵活、方可使用。3.8焊前预热适当的预热温度降低了焊缝冷却速度，可使氢更易从焊缝熔池向大气中扩散，减少了焊缝中扩散氢的含量，减小温差应力。预热范围一般为坡口两侧三倍于球壳板厚度并且不小于100mm，当环境温度低时应该增加预热温度和预热范围。对纵焊缝应整条焊缝同时预热，不能分段预热。4球罐的

19、装配4.1球罐的组装方法球罐安装是将支柱坐落在球罐基础上并以此为支撑,在空中将球壳用工卡具组装为一体,并依序进行其后的焊接和检验等工作,最终交付使用。因球罐组装全部为高空作业,必须借助干操作脚手架来完成每块壳板之间的连接。 整体组装法指在球罐的基础上把球壳板用工卡具逐一组装成球,而后一并焊接的方法。它的安装工程可大致分为二个阶段,组装阶段和焊接阶段。这种方法有利于球体定位,稳定性好,还可节约大量的安装辅助材料,由于生产专业性强,给生产管理和生产速度的提高带来很大优势,尤其是对大型球罐的安装。 整体组装法一般有二种形式 （一）单片组装法 又称散装法,即把单张球瓣逐一组装成型的方法。这种方法由于单

20、片组装,故不需要很大起吊能力的机具和安装场地,准备工作量小,组装速度快,且球体的组装精度易于保证,组装应力小。 单片组装法由于散装的特点,它的高空作业量较多,要求全位置焊接的技术也较为严格,焊工操作劳动强度大,对球瓣的几何尺寸及形状要求也高,且需相当数量的工夹具。 随着球罐专用材料的出现(宽长板材的出现)球罐的单张球瓣就有相当面积和重量,这样单片组装法对各种球罐的组装,特别是大型球罐的组装显得尤为优越。 （二）拼大片组装法 是在胎具上把已预装编号后的各带板中,把相邻的二张或更多的球瓣拼接成较大的一组合瓣(视单张球瓣的大小,以及起吊能力而定),然后吊装各组合瓣成球。 拼大片组装法由于部分球瓣在地

21、面进行组焊,故可采用各种不同的自动焊接手段进行焊接,大大提高这部分纵缝的焊接质量,并减少了部分高空作业量和工夹具的数量。当然,需要相应提高起重的能力。这种方法对于单张球瓣不大的球罐组装是加快工程进度,提高质量的一种途径。通常应用在较小容积球罐的安装上。 4.2球罐零部件复验 球瓣的曲率及外形尺寸的好坏,会直接影响球罐的安装质量和施工进度。所以,在安装之前对球瓣的曲率及尺寸精度必须严格检查。球瓣检查应在胎具上进行。 4.3壳板定位块及吊点的布置和焊接 根据球罐组装和施工作业的需要,要在球壳板上焊上一些必要的临时焊件,包括组装用定位块、吊耳、挂鼻等。所有临时焊件均在地面焊接完成,尽量减少高空作业的

22、工作量,给安装工作提供便利条件。定位块设置于壳板内表面,其间距视壳板厚度及几何尺寸而定,大约在8001000mm之间。在赤道带板的赤道线与壳板坡口相交处焊上定位档铁,用以保证球罐组装时球壳赤道线在同一平面上。带支柱赤道带板的定位档铁焊于赤道线下缘并露出板面20mm左右,不带支柱赤道带板的定位档铁焊于赤道线上缘,与壳板坡口面平齐。吊耳的布置根据吊装要求,吊耳位置的选择要满足壳板吊起后,在空中具备与壳板就位时相同的倾斜角度。 4.4操作脚手架形式 球罐的内脚手架通常为伞形脚手架、满堂脚手架和三角脚手架几种形式。 满堂脚手架主要采用钢管杆件和扣件连接结构,具有工作可靠和适应性强等优点。由于球罐检测需

23、要,脚手架必须反复搭拆,这种结构对于大型球罐而言,工作量繁重,影响工效。 伞形脚手架是借助于组装用的中心柱架设的一种设施,是由中心柱、多层三角形架和跳板组成。在大型球罐上的应用弊端与满堂脚手架相同,而且,由于高度原因,中心柱的抗弯曲稳定性较差,存在作业安全隐患。 三角脚手架是由三角托架,挂鼻,钢跳板等组成。三角托架一般采用角钢制作,由水平杆、支撑杆和固定杆构成一个三角形框架。球罐组装前,将三角托架固定杆端部固定在球壳挂鼻上,并在其水平杆上绑固钢跳板,作为操作平台。 三角脚手架由于支撑结构的因素,水平杆长有一定限制,通常使用在仰角不大的工作面,一般设于赤道带内、外壁,在上半球设于外壁,下半球设于

24、内壁。三角脚手架装设比较灵活,可重复利用,不受球罐规格影响。4.5球壳板的组装过程及组装后球罐的调整球形储罐作为一种储存压力容器,在燃气行业得到了广泛应用。由于球罐体积、直径较大,不能整体运输,所以必须在制造厂压制球片,加工制造支柱、组焊接管等部件,然后运到使用现场进行组装焊接。因此,球罐的现场组装就成为球罐建造过程中一个十分重要的环节。吊装顺序如下: 赤道带板下温带板下极带侧板下极带边板上温带板上极带侧板上极带边板上极带中板下极带中板 吊装前,在地面上将三角托架安装在设置于每块球壳板的挂鼻上,并在带支柱赤道带板、下温带板和下极带边板内侧和上温带板外侧的挂鼻上、铺设跳板并绑扎牢固,之后进行壳板

25、的吊装。 首先吊起一块带支柱赤道带板就位于球罐基础上,吊起另一块带支柱赤道带板就位于相邻基础上,之后吊起一块不带支柱赤道带板(不带跳板),插入两块已就位的球壳板之间,操作人员通过爬梯到达带支柱赤道带板的各层操作平台,通过卡具固定赤道带板,然后向不带支柱赤道带板上的三角托架上铺设连接跳板,闭合操作平台,同样方法直至完成赤道带板的吊装。 为减少高空作业工作量,预先在地面将每两块温带板连接部位调整点焊为一体,进行吊装就位。先安装一块下温带板,就位后进行相邻温带板的安装,依次完成除下极带中板以外的下部各板的吊装。为施工操作方便,下极带中板暂不安装,待球罐其余焊缝焊接及检验完成后,进行安装组焊。下部壳板

26、安装完毕后,操作人员从罐内赤道带板上端安装赤道带上环缝下外部挂架并搭设跳板和围栏,进行上温带板的吊装时,操作人员从罐外利用赤道带板和上温带板的外侧挂架形成的平台上完成上温带各板的组装工作。采用同样方法,完成上极带各板的吊装。 壳板吊装完成后,还要进行必要的调整,方能达到后续工序的要求。包括支柱的径向和周向垂直度、球罐的椭圆度、焊缝的对口间隙、错边量、棱角度等。通过调整,须保证在球罐焊接前各部位组装质量满足允差要求。 5焊接操作5.1预制片组装焊接 预制片组装焊接应在焊接胎具上进行。实距证明，在凹形胎具上组装比较容易，因此，一般是点焊内部，先焊外焊缝，后焊内焊缝。由于每片重量较大，翻转较难，一般

27、都是将外焊缝全部焊完再焊接内焊缝。焊接外焊缝时，把固定点焊好的预制片放到焊接外焊缝胎具上，不加任何约束进行焊接。如三个焊工同时施焊，可按图2所示的位置、方向和顺序进行，由焊缝端部开始焊至预制片的中心最高点，再从另一端焊起至最高点相接，多层焊的顺序均相同。图2外焊缝的焊接顺序预制片外焊缝施焊完成后，翻转过来放入焊接内焊缝胎具上，先进行碳弧气刨清除焊根。预制片四周边缘用卡具进行半刚性固定，使预制片的弧度与内弧样板完全吻合。把焊缝的两端点点焊固定，防止施焊变形。施焊位置、方向和顺序可按图3所示进行。图3内焊缝的焊接顺序5.2定位焊定位焊的目的是为了在装配时固定焊接机构各个零部件间的相对位置，定位焊的

28、质量往往直接影响到焊缝的质量，因此必须认真对待。定位焊采用不对称X型坡口，破口角度的允许偏差为±2º30，坡口钝边及坡口深度的允许偏差为±1.5mm，焊3层。定位焊前，需在定位焊焊接处至少150mm范围内进行预热，选择与球罐焊接相同的预热温度，即100-150。在一般情况下，层间温度等于预热温度，因此选取层间温度为130。5.3球罐的焊接顺序焊接顺序的制订主要是使焊接应力减小，并均匀分布，将焊接变形控制在最小范围内，并防止冷裂纹的产生。施焊顺序的原则是先焊接纵焊缝，后焊接环焊缝；先焊接大坡口面焊缝，后焊接小坡口面焊缝；先焊接赤道带焊缝，后焊接温带焊缝，最后焊接极板

29、焊缝。例如，由五环带组成的球罐可按下述两大阶段进行焊接。（一）散装球罐的焊接顺序赤道带外侧纵缝下温带外侧纵缝上温带外侧纵缝赤道带内侧纵缝下温带内侧纵缝上温带内侧纵缝上下外侧大环缝上下内侧大环缝上外侧小环缝上内侧小环缝下外侧小环缝下内侧小环缝。（二）上下极板、人孔凸缘的焊接顺序极板外侧平缝极板内侧平缝人孔凸缘外侧焊缝极板接管外侧焊缝人孔凸缘内侧焊缝极板接管内侧焊缝。（三）上支柱与下支柱的组焊 支柱与赤道带板的组对必须在钢制平台上进行,支柱通常分两段,上段支柱与赤道带板的组焊工作在制造厂已经完成,安装前需要在平台上将下段支柱与上段支柱组焊为一体,根据赤道带板的几何尺寸在钢制平台上焊上定位档块,将带

30、支柱赤道带板凹面向下放置干档块内,之后连接下段支柱,并用水准仪检查上下段支柱的标高,随时用设于下段支柱下部的千斤顶调整,同时检查支柱与赤道带板轴线的平行度、支柱直线度、长度,合格后进行支柱焊接。 5.4焊缝的焊接工艺（一）纵缝的立焊焊接工艺赤道带和上下温带(及寒带)的纵缝可由数名焊工组成的施焊组进行对称焊接。一般可每隔一条或两条缝安排一名焊工。焊接时，数名焊工同时开焊，焊接速度基本保持一致。对于厚度为40mm的球壳板，焊接层次是外焊缝8层，内焊缝6层左右。焊接赤道带纵缝按立焊焊接规范进行；上温带呈平立焊位置，焊接速度可稍快；下温带呈仰立位置，焊接速度应放慢些。焊接时预热温度为125150，层间