氮气缓冲罐焊接工艺设计毕业论文

1、摘要I1.绪论12.氮气缓冲罐结构设计22.1设计条件22.2设计文件22设计温度4 4材料的选择5911 1113141517192.3.7吊耳212.4设计小结22制造工艺设计23氮气缓冲罐制造工艺流程图2324 备料24 3.2.2焊接坡口加工2424 253.3封头的制造工艺25252526263.4外观、无损检测26272728 282929293030303030总结3132331绪论随着全球经济一体化的发展和我国即将加入世界贸易组织，我国必须大力增加化工储备资源，以减少国际动荡对我国经济的影响。由于国家战略储备的需要，一些先进，高效的焊接设备和工艺的采用，我国将发展各型缓冲罐，来

2、增加安全性能。正是由于这些先进、高效的焊接设备和工艺的采用，使氮气缓冲罐制造技术有了很大的提高和发展，由于一些先进的焊接，高效的焊接设备和工艺的采用，使氮气缓冲罐焊接制造技术有了较大的发展和提高，焊条电弧焊的比例逐渐减少，埋弧自动焊，氩弧焊，二氧化碳气体保护焊 ，混合气体保护焊 ，等离子焊，真空电子束焊等先进技术以大量应用。我国氮气缓冲罐焊接技术的现状：传统的焊条电弧焊由于焊接施工投入人员多，劳动强度大效率底，工期长等缺陷逐渐被机械化，自动化程度高的焊接方法代替。特别在立式缓冲罐中应用二氧化碳气体保护自动立焊和埋弧自动横焊技术进行焊接施工是一种先进的焊接技术 。近年来我国有研究出NBC逆变式焊

3、接电源，进一步提高弧焊特性。随着我国容焊用焊丝和焊剂生产工艺的改进，埋弧焊也越来越多的应用于现场焊接施工中。2.氮气缓冲罐结构设计2.1设计条件。该容器用于室内；工作压力为：2MPa；工作温度为：常温；承装介质为：氮气；设计使用寿命20年。2.2设计文件压力容器的设计文件包括强度计算、结构设计、施工图和零件图制作。必要时还应包括安装、使用说明书、应力分析报告等。制造工艺设计的其主要内容包括：筒体和封头、接管、法兰等零件的制作工艺流程；整体装配工艺；筒体和封头纵环缝焊接工艺设计；接管与法兰焊接工艺设计；按管与筒体、封头焊接工艺设计。 表2.1续2.2.2设计温度设计温度指容器在正常下作过程中，在

4、相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度(沿元件金属截面厚度的温度平均值)，即铭牌上的设计温度，用t表示。该氮气缓冲罐的工作温度为常温，根据工作温度选取设计温度，见表2.2。表2.2 设计温度的选取介质工作温度T设计温度T20°C介质最低工作温度介质工作温度减010°C20°CT15°C介质最低工作温度介质工作温度减510°CT15°C介质最高工作温度介质工作温度加1530°C注：当最高（低）工作温度不明确时，按表中的规定确定。1. 该缓冲罐已知条件中工作温度没有明确最高工作温度，按表2.3，应按II进行选择，所以设计温度

5、应为25+1530=4055，这儿我们选中间值，确定设计温度为50。物理性质 2.腐蚀性4介质的腐蚀性是压力容器设计要考虑的重要因素。在役压力容器的破坏，在很多情况下是由于腐蚀后在其他因素的作用下发生的。因此，了解腐蚀的类型、机理和腐蚀的方法是很有必要的。3.毒性5 介质为氮气，因此无毒。4.易燃易爆性5 介质的成分为氮气，因此易燃易爆性无。压力容器用材料的质量及规格，应符合相应的国家标准、行业标准的规定。压力容器材料的生产经国家安全监察机构认可批准。压力容器选材除应考虑力学性能和弯曲性能外，还应考虑与介质的相容性。压力容器专用钢材的磷含量（熔炼分析，下同）不应大于0.030%，硫含量不应大于

6、0.020%。20R、钢号标准公称厚度mm在下列温度（）下的许用应力，MPa注20100150200250300350400Q235BGB9123-4113113113105948677-GB32744.5-16113113113105948677-16-4011311310799918375-20RGB66546-16133132123110101928616-3613312611610495867936-6013311911010192837760-10012811010392847771钢号标准公称厚度mm在下列温度（）下的许用应力，MPa注42545047550052555057560

7、0Q235BGB9123-4-GB32744.5-16-16-40-20RGB66546-16836141-16-36786141-36-60756141-60-100686141-钢号锻件标准公称厚度mm在下列温度（）下的许用应力，MPa注2010015020025030035040016MnRGB66546-1617017017017015614413412516-3616316316315914713412511936-6015715715715013812511610915CrMoRGB66546-6022015615015015013412511860-100275110110钢号锻

8、件标准公称厚度mm在下列温度（）下的许用应力，MPa注42545047550052555057560016MnRGB66546-16936643-16-36936673-36-60936643-15CrMoRGB66546-60115112110888573-60-100104104103885837-钢号标准公称厚度mm在下列温度（）下的许用应力，MPa注201001502002503003504004254500Cr18Ni9JB47282001371371371301221141111071051032）137114103969085827978760Cr18Ni9TiJB4728200

9、1371371371301221141111081061052）13711410396908582807978钢号标准公称厚度mm在下列温度（）下的许用应力，MPa注4755005255505756006256506757000Cr18Ni9JB472820010110089917964524232272）757473716762524232270Cr18Ni9TiJB4728200104103101835844332518132）77767574584433251813钢的腐蚀数据（表2.9、表2.10、表2.11）表2.9碳素钢腐蚀数据4介质浓度%温度，25 50 80 100N2湿0-1

10、00 表2.10 低合金钢腐蚀数据4介质浓度%温度，25 50 80 100N2湿0-100 表2.11 奥氏体不锈钢腐蚀数据4介质浓度%温度，25 50 80 100N2湿0-100 注：耐腐蚀性金属的耐蚀性等级符号 腐浊率，毫米/年优良-0.05不适用，腐蚀严重-1.5综合上述的表格数据比较分析可知，上述三种常用的压力容器用钢在力学性能方面均能满足要求，但是因介质具有一定的腐蚀性，在设计时应留有一定的腐蚀裕量，该容器的设计寿命为20年，上述三种钢的腐蚀裕量分别为：1.碳素钢：C21mm； 2.低合金钢：C21mm； 3.不锈钢：C21mm.出于减小容器体重、经济性、便于运输和降低制造强度等

11、角度考虑，选用16MnR。压力容器的介质分为以下两组：第一组介质，毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。第二组介质，除第一组以外的介质。由分析可知该分离器介质为第一组介质。图2.1 压力容器类别划分图第二组介质61)无损检测的基本比例要求6 压力容器对接接头的无损检测比例一般分为全部(100%)和局部(大于或者等于20%)两种。碳钢和低合金钢制低温容器，局部无损检测的比例应当大于或者等于50%。2)无损检测的可实现性该氮气缓冲罐的容积大约50m3。该分离器的内径Di与高度的比较见表2.12，最终我们选择内径Di=2800mm。表2.12缓冲罐内经的选择内径Di（mm）27

12、0028002900封头容积（m3）2.80553.11983.4567筒节高度（m）7.7567.116.526注：JB/T 47462002（附录B）按容规，该直径下的容器应设计人孔装置。由以上两点，可以实现纵环缝的双面焊。由于有人孔装置，也可以实现100%RT探伤。1容器的设计直径取为2800mm，且在筒体设置有人孔能够实现100%RT检测。综合上述分析焊缝系数为=1.00筒体设计筒体板材的厚度。其中：计算厚度，mm； 设计厚度,mm；n名义厚度,mm； e有效厚度,mm； C1钢板或钢管厚度负偏差,mm； C2腐蚀裕量,mm下料厚度C1+C2C1C2圆整加工减薄量（制造商考虑）容器圆筒

13、的厚度关系1）计算厚度3计算厚度指的是按公式计算得到的厚度设计温度下圆筒的计算厚度按式（2.1）计算，公式的适用范围为Pc0.4. （2.1）式中 Pc计算压力；根据分析，取Pc=2.2MPa ;Di圆筒或球壳的内直径；根据2.2分析，取Di=2800mm;设计温度下圆筒或球壳材料的许用应力；根据表2.8，得25=163MPa ;焊接接头系数;根据分析，=1.0因此：=19.024mm2）设计厚度1 （2.2）其中腐蚀裕量C2由可知：C2=1.5mm因此设计厚度：计算厚度；由中可知=19.024mm;C1厚度负偏差值；由表2.16可知C1取0.8mm；C2腐蚀裕量；由2.12可知C2为1.5m

14、m表2.14 钢板的常用厚度2、3、4、（5）、6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、30、32、34、36、38、40、42、46、50、55、60、65、70、75、80、85、90、100、105、110由表2.14可知，圆整为22mm，筒节高度及内径见表2.12。封头类型选择椭圆形封头的计算厚度1椭圆形封头的计算厚度按式（2.4）计算： （2.4）其中 ，即18.959mm椭圆形封头的名义厚度1椭圆形封头（EHA）的名义厚度指计算厚度加上钢材厚度负偏差向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度，按式（2.5）计算 （2.5）其中 名义厚度；计算厚度；由中

15、可知=18.959mm;厚度负偏差值；由表2.14可知C1为0.8mm；腐蚀裕量；由2.2.4可知C2为1.5mm=18.959+0.8+1.5=21.259mm由表2.15可知，圆整为表2.15 封头成形厚度减薄率8加工减薄量由上表2.15可知厚度减薄率为14%，即厚度减薄量为3.08mm。除去加工减薄量后板厚为21.92mm大于计算名义厚度=21.259mm因此封头的名义厚度取=24m1.判断壳体开孔是否需要补强的条件，当同时满足下述要求时，可不另行补强：a） 设计压力小于或等于2.5Mpa；b） 两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍；c） 接管公称外径小

16、于或等于89mm；d） 接管最小壁厚满足表2-16要求。 表2-16 mm接管公称外径253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0注1 钢材的标准抗拉强度下限值b>540Mpa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构形式。2 接管的腐蚀裕量为1mm。2.筒体或封头开孔要求当其内径Di1500 mm时，开孔最大直径dDi,且d520mm；当其内径Di1500 mm时，开孔最大直径DDi，且d1000mm；3.开孔尺寸及补强圈尺寸通过接管轴线所有截面上所需的最小补强截面积A应符合表2.16的规定表2.16 最小补强截面积1d/(Ri)A圆筒求壳或成形封头0.2不需另行补

17、强不需另行补强0.2且0.44.05d/(Ri)-1.81d5.4d/(Ri)1/2-2.41d0.40.75ddcos注：表中=arcsin（d/2Ri） 经过计算可知四个孔的d/(Ri)均大于0.2，因此四个孔均需要补强。 补强方法采用等面积法补强。所谓等面积法开孔补强，就是要求补强板与母板厚度相同的条件下补强所需面积等于壳体上挖掉的面积。开孔尺寸见表2.17。表2.17 开孔尺寸名称氮气进口接管规格（50×10）氮气出口接管规格（50×10）安全阀口接管规格（40×10）人孔接管规格480×10排污口接管规格（25×10）D1(mm)57

18、574548025因此，根据1判断可知，所有开孔都需要补强。接管材料选用16MnR，其许用应力50=163MPa ;其中开孔直径d=di+2C2=57+2×1.5=60mm根据GB150-1998中式8-1，壳体开孔处的计算厚度=19.024mm接管的有效厚度et=nt-C=5-1.3=3.7强度削弱系数 所以A=d+2et（1-fr）=1141.44mm2表2.21 公称通径和钢管外径（mm）公称通径DN101520253240506580钢管外径A17.221.326.933.742.448.360.376.188.9B141825323845577689公称通径DN100125

19、150200250300350400450钢管外径A114.3139.7168.3219.1273323.9355.6406.4457B108133159219273325377426480注：A系列为国际通用系列（俗称英制管）B系列为国内沿用系列（俗称公制管）表2.22 法兰类型及适用范围9法兰类型带颈对焊法兰（PL）带颈平焊法兰（SO）标准号HG 20593HG 20594适用钢管外径系列A和BA和BPN，MpaDn,mm0.250.61.01.62.50.61.01.62.54.010XXXXXXXXXX20XXXXXXXXXX50XXXXXXXXXX65XXXXXXXXXX80XXXX

20、XXXXXX300XXXXXXXXXX400XXXXXXXXX500XXXXXXXXX1800XX法兰类型带颈对焊法兰（WN）标准号HG 20595适用钢管外径系列A和BPN，MpaDn,mm1.01.62.54.06.310.016.025.010XXXXXXXX20XXXXXXXX50XXXXXXXX65XXXXXXXX80XXXXXXXX300XXXXXXX400XXXXXX500XXXX1800XX注：X代表满足条件表2.23 密封面型式密封面型式代号公称压力PN，Mpa0.250.61.01.62.54.06.310.016.025.0突面RFDN10-2000DN10-1200DN

21、10-600DN10-400DN10-300凹凸面MFM-DN10-600DN10-400DN10-300-凹面FM凸面M榫槽面TG-DN10-600DN10-400DN10-300-榫面T槽面G全平面EFDN10-600DN10-2000环连接面RJDN10-400DN10-300表2.24 法兰类型与密封面型式9法兰类型密封面型式压力等级PN，Mpa板式平焊法兰（PL）突面（RF）全平面（FF）0.25-1.6带颈平焊法兰（SO）突面（RF）凹凸面（MFM）榫槽面（TG）全平面（FF）带颈对焊法兰（WN）突面（RF）凹凸面（MFM）榫槽面（TG）1.0-16.0环连接面（RJ）全平面（FF

22、）法兰选择 表2.25 选择的法兰序号接管名称标准法兰代号数量材料1氮气进口接管HG 20592-97法兰 SO50-2.2RF116MnR2氮气出口接管HG 20592-97法兰 SO50-2.2RF116MnR3安全阀口接管HG 20592-97法兰 SO40-2.2RF116MnR4人孔接管HG 20592-97法兰 SO450-2.2RF116MnR排污口接管HG 20592-97法兰 SO20-2.2RF116MnR见图2.5。HG21515-21535人孔的型式 表2.26表2.26 回转盖带颈平焊法兰人孔明细表10 2封头质量m2 因为封头的公称直径DN2800mm，名义厚度为2

23、4mm，根据JB-T4746-2002钢制压力容器用封头得封头的质量为1467kg3.接管质量m3因为氮气进口接管、氮气出口接管的公称直径为57mm，厚度为10mm，长度为150mm，因此： M进口M出口因为安全阀进口接管公称直径为40mm，厚度为10mm，长度为150mm，M安全阀口因为人孔接管公称直径为450mm，厚度为10mm，长度为150mmM人孔接管 M进口+M出口+M安全阀口+M人孔接管=1.74+1.74+1.1+16.268=20.848kgm=JB/T 4712.1-2007 A型鞍式支座图2.6 A型鞍式支座增加100mm增加的质量2326283435鞍座质量 kg2342

24、98324462492 螺栓配置luo孔长l4060螺纹M20M24螺孔d24 28间距l215201640180019402100垫板e10012041012B4500610610660660弧长28003030326034903720 筋板38881010B3290360360410410B2208268268316316L3265295320340370腹板 10 底板11414141616B1240300300360360L117201880204021802340鞍座高度 h250 允许载荷 KNKB435440445785795公称直径DN24002600280030003200

25、表2-28 参数尺寸表A型鞍式支座型号选择 由总图可知，缓冲罐（包括筒体、封头、接管、法兰、附件及介质）总重量约为13754.848kg、氮气缓冲罐直径为Dn=2800mm。所以，根据由表2.26可知应选6号支座，吊耳类型选择分离器（包括筒体、封头、接管、法兰、支座、附件等XXX见总图），设计采用SP侧壁吊耳，数量为2个，所以单个吊耳承受的重量只为其中一半，约为XXX，根据HG21574-2008标准内容，我们选择吊耳型号为：SP-3（单个吊耳重为3T）。2.4设计小结通过以上结构设计，现对分离器设计压力、设计温度、筒体、封头、法兰、支座、吊耳等的标准号、代号、材料等主要参参数见表2.30。表

26、2.30氮气缓冲罐各主要参数序号名称标准号代号材料大小1设计压力2.2MPa2设计温度常温3接头系数=1.04筒体GB4237-2007Dn2800 =2216MnR5封头JB/T4746-2002EHA2800×2516MnR6补强环JB/T4736-200216MnRn=22mm7接管与法兰氮气进口接管法兰HG 20592-97SO50-2.2RF16MnR8氮气出口接管法兰HG 20592-97SO50-2.2RF16MnR9安全阀口接管法兰HG 20592-97SO40-2.2RF16MnR10人孔接管法兰HG 20592-97SO450-2.2RF16MnR11排污口接管法

27、兰HG 20592-97SO20-2.2RF16MnR10人孔HG 21517-20050Cr18Ni911支座JB/T4712.1-2007A3Q234A注12吊耳HG/T21574-94SP-3组件 注：支座弧板材料为0Cr18Ni9。3. 氮气缓冲罐制造工艺设计3.1氮气缓冲罐制造工艺流程图放样、画线包括展开、放样、画线、打标记等环节。不锈钢板卷圆时，其展开长度按下式计算： L=（Di+n） （3.1）其中：Di筒节内径；Di=2800mm;n 板材厚度；n =22mm即L=（Di+n）=3.14（2800+22）=8861.08mm下料采用等离子切割图 3.33.2.4组焊纵缝图3.4

28、 棱角度3.3.封头的制造工艺 与中，但封头的展开与筒节相比较复杂。根据标准JB/T 4746-2002可知EHA椭圆形封头的总深度H= 740mm；内表面积A=8.8503m2；容积V=3.1198m3。下料采用等离子切割。表3.13.3.4组焊环缝环焊缝的组装比纵焊缝困难。一方面由于制造误差，每个筒节和封头的圆周长度往往不同，即直径大小有偏差;另一方面，筒节和封头往往有一定的圆度误差。此外组装时还必须控制环缝的间隙，以满足容器最终的总体尺寸要求。由于环缝组装的这种复杂性和需要大的工作量，因此，对机械化组装设备的需求是很迫切的。图3.5是国内目前常用的筒节与封头环焊缝组装设备。图3.5 封头

29、环焊缝组按TSG R00042009固定式压力容器安全技术监察规程对所有焊缝在焊后对焊缝表面质量进行外观检查，焊缝表面不能夹渣、气孔、咬边、焊瘤等缺陷，同时对接焊缝余高、角焊缝焊脚尺寸满足图样要求。 焊缝冷却后对筒体纵缝、环缝及筒体与封头环缝进行100%RT探伤，底片质量为AB级，缺陷合格标准为II级合格。所有工作完成后，应对分离器进行水压试验，检验压力容器的强度，焊接质量，以及密封的严密性。水压试验用压力为工作压力的1.25倍，所以水压试验压力为2.5Mpa。试验用水的氯离子的含量不得超过20mg/L，试压水温应保证在整个试压过程中壁温不得低于15o。水压试验前应将设备内的赃物，碎片，焊渣等

30、清扫干净，水压试验合格后应立即将水放净，吹干。压力容器在制造过程中，不同程度地受铁、氧、氢等杂质的污染，因此表面需要清理。压力容器的油漆包装和运输应符合JB 2536-80压力容器油漆、包装、运输的规定。4. 50m3 氮气缓冲罐纵环缝焊接工艺设计合金元素：工艺焊接性：热裂纹的分析HCS= =冷裂纹 CCT+T8/5 T8/5计算（线能量根据后面采用的工艺参数，预热温度，板厚）Pcm使用焊接性：焊接接头在使用中的可靠性，包括焊接接头的机械性能(强度、弹性、塑性、韧性、硬度以及抗裂纹扩展等的能力) 和其他特殊性能(如耐热、耐蚀、耐低温、抗疲劳、抗时效等)。 根据使用工况来分析根据上图可得：16M

31、nR在不同的t8/5下，冷却速度不同，组织也不同；当 冷却速度较快时，将会产生B。合金元素4.2焊接工艺制定4.2.1焊接方法的选择对于缓冲罐筒体的纵环缝的焊接，对以下几种焊接方法进行对比：气焊由于效率低，保护效果差，不宜采用；焊条电弧焊由于焊缝质量、劳动条件差等不宜采用；TIG焊因电流较小，而壁厚达10mm,生产效率低，不宜采用；埋弧焊具有焊接效率高、焊接速度快、相同电流下熔深大、焊接变形小、焊缝成形美观等特点，基本上克服了上述几种方法的缺点，故埋弧焊是首选的焊接方法。当焊接最后一条环焊缝的时候由于条件限制，埋弧焊不能完成容器内部焊缝的焊接，因此选择焊条电弧焊。因此，我们确定纵环缝的焊接方法

32、为：最后一道环缝采用焊条电弧焊+埋弧焊；除此之外的纵环缝采用埋弧焊。4.2.2焊接材料的选择根据16MnR板材的成分及力学性能，选用的焊接材料见表4.1。表4.1 焊接材料15母材钢号焊接方法焊接材料焊丝/条牌号焊丝条规格焊剂牌号16MnR埋弧焊H10MnSi4.0HJ431焊条电弧焊E50154.0/3.24.2.3焊缝坡口型式见图4.2.3焊接工艺参数的确定1.16MnR埋弧焊及焊条电弧焊的焊接工艺参数见表4.2。表4.2 焊接工艺参数15焊道层数焊接方法焊接电流/A电弧电压/V焊接速度/（cm.min-1）打底层埋弧焊500-60032-3835-50焊条电弧焊160-17024/279

33、盖面层埋弧焊530-5503642a.预热温度的确定适当的提高预热温度，可以减小焊缝金属的应变率，从而降低热裂纹的倾向。但是如果预热温度过高，一方面恶化了劳动条件；另一方面在局部预热的条件下，由于产生附加应力，反而会加剧冷裂纹的产生。因此必须选择最合适的预热温度。预热温度主要取决于一下几个因素：(1) 材料的淬硬性倾向（碳当量Ceq）越大，预热温度越高；(2) 焊接的冷却速度越快，预热温度越高；(3) 预热温度随拘束度的增加而提高；(4) 含氢量越高，裂纹产生的倾向越大；(5) 焊后不进行热处理时，预热温度应该偏高一些。低合金钢的预热温度可以使用下面的公式进行粗略的计算： =0.197 用各种

34、焊接方法焊接碳钢时，熔敷金属中的含氢量示于表4-3 表4-3 焊接碳钢时熔敷金属中的含氢量焊接方法扩散氢（cm3/100g）残余氢（cm3/100g）总氢量（cm3/100g）备注手弧焊纤维素型35.86.342.1钛型39.17.146.2钛铁矿型30.16.736.8氧化铁型32.36.538.8低氢型4.22.66.8埋弧焊4.401-1.55.90CO2保护焊0.041-1.51.54氧乙炔气焊5.001-1.56.50b）后热温度确定热轧正火钢一般不需要后热处理。但及时的后热处理可以有效地防止冷裂纹；且后热与预热相比，不会产生附加应力、不会使劳动条件恶化、比预热更便于施工。根据裂纹产

35、生机理，延迟裂纹发生在一定温度区间之内，高于其上限或者低于其下限，都不会产生冷裂纹，这个温度区间的上限就是后热温度的下限。根据经验公式：后热温度其中： =0.14+0.2033×1.32+0.0473×0.06+0.0292×0.012-0.0792×0.27-1.595×0.012+1.692×0.004 =0.3778从而为了保证母材本身的性能，后热温度必须小于母材本身的回火温度。16MnR高温回火的温度约为500-600。因此不需要后热。c)是否需要热处理 参考文献 根据GB150-1998：16MnR及16Mn厚度大于30mm（或预热100时，厚度大于34mm）时才需要热处理。筒体板厚为22mm，因此不需要热处理。4.3 焊接工艺试验试验16MnR冲击韧性按母材要求进行 GB713 (试样数量是焊缝和热影响区各三个，温度按母材规定)4.3.2试验结果