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闪蒸罐说明书资料

闪蒸罐的焊接制造

设计说明书

学院：

山西大同大学工学院

专业：

材料成型及控制工程（焊接）

班级：

09材料

姓名：

***

指导教师：

***

摘要

焊接技术作为一种永久性连接的的工艺过程，被广泛应用于航空航天、机械制造、石油化工、桥梁船舶等工程设计中。

本次设计的主要对象为不锈钢压力容器（闪蒸罐），其主要由筒体、封头和接管三个结构组成。

本文在介绍了其工作原理、其在生产中的主要应用的基础上选取合理的工艺。

本闪蒸罐选用奥氏体不锈钢0Cr18Ni9为主体材料。

本文对奥氏体不锈钢0Cr18Ni9的焊接特性及材料特性加以分析，并制定了相应的焊接工艺。

并选取了焊条电弧焊作为了主要的焊接方法。

根据生产经验制定了较为合理的焊接工艺流程，包括焊前预处理措施、焊接参数与材料的选择、焊后的热处理措施与焊后质量检验。

在此次设计中引用了前辈的文章及书籍，特在此表示感谢，同时感谢魏雷老师的指导。

1、闪蒸罐的概况

1.1闪蒸罐的原理与用途

1.1.1闪蒸罐的原理

物质的沸点是随压力增大而升高，反之，压力越低，沸点也就越低。

闪蒸的原理就是让高压高温流体经过减压，使其沸点降低，进入闪蒸罐。

这时，高压下临近沸点的高温液体进入闪蒸罐经过减压降低沸点，液体吸取自身的能量后部分汽化形成新的汽液平衡，即流体温度高于该压力下的沸点，流体在闪蒸罐中迅速沸腾汽化，并进行两相分离。

1.1.2闪蒸罐的作用

闪蒸罐的作用是提供流体迅速气化和汽液分离的空间，也就是通过减压，是流体在闪蒸罐内沸腾，从而实现汽液部分分离。

换句话说，闪蒸罐就是将溶液中溶解的原料气先闪蒸出去,一方面可以节约资源提高热量利用，另一方面可以减小再生塔的气相负荷.

1.2主要技术参数

表1闪蒸罐的主要技术参数

介质

蒸汽和凝液

容器类别

Ⅰ

设计压力

0.9MPa

最高工作压力

0.6MPa

试验压力

1.0MPa

设计温度

230℃

工作温度

165℃

焊缝系数

1.0

腐蚀裕量

1.0mm

型号

4.6m3

1.3结构形式

图1闪蒸罐的结构形式

筒体采用两节制成，焊缝分布如图所示，共有两道纵焊缝和三道环焊缝。

1.4选用材料

由于闪蒸罐的介质具有一定的弱酸性，在选取材料的时候根据经验和相关记载，选取不锈钢为闪蒸罐的主要材料。

所谓不锈钢是指在钢中加入一定量的铬元素后，使钢处于钝化状态，具有不生锈的特性。

为达到此目的，其铬含量必须在12％以上。

为提高钢的钝化性，不锈钢中还往往需加入能使钢钝化的镍、钼等元素。

一般所指的不锈钢实际上是不锈钢和耐酸钢的总称。

不锈钢并不一定耐酸，而耐酸钢一般均具有良好的不锈性能。

不锈钢按其钢的组织不同可分为四类，即奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体一铁素体双相不锈钢。

我们选取的是奥氏体不锈钢0Cr18Ni9。

1.4.1化学成分和力学性能分析

首先计算厚度，

该容器需要100%探伤，所以取焊接系数φ=1.0，假设该压力容器的厚度范围在2-60mm区间，则查GB/T150-1998中表4-1得：

100℃以下[σ]t=137MPa，采用的闪蒸罐直径为1200mm，

采用中径公式：

，带入各项数据可得：

δ=3.95mm

查标准HG20508-1998《钢制化工容器设计基础规定》表7-1得，钢板厚度负偏差为0.25mm，而由GB/T150-1998中3.5.5.1知，当钢板的负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计，故取C1=0.

查标准HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》表7-5知，对于有轻微腐蚀的介质，腐蚀裕量C2=1.5mm。

则容器的名义厚度δn≥3.95+0+1.5=5.45mm。

圆整后取δn=6mm。

0Cr18Ni9的化学成分和力学性能见表2和表3.

表20Cr18Ni9的化学成分（%）

钢号

0Cr18Ni9

≤0.07

≤1．00

≤2.00

≤0.035

≤0.030

8.0-11.0

17.00-19.00

表30Cr18Ni9的力学性能

钢号

固溶处理温度

℃

拉伸试验（≥）

硬度试验（≤）

σ0.2/MPa

σb/MPa

δ5（%）

HBS

HRB

0Cr18Ni9

1010-1150

205

520

187

200

1．4.2焊接性分析

0Cr18Ni9属于奥氏体不锈钢，其组织为奥氏体（A）加3-5﹪铁素体（F）。

他具有良好的塑性和高温、低温性能。

它在焊接热循环的作用下，主要显示出以下基本要求：

①焊接过程中采用小的线能量输入，减少热影响区范围，加快焊缝及热影响区的冷却速度对不锈钢的焊接是有益的。

②用0Cr18Ni9焊接时导热系数小，存在过热区，也容易造成热影响区的晶粒长大。

焊接高温停留时间过长，在高温状态下Cr和C形成化合物，在高温区就形成了贫铬层，也会导致焊缝的枝晶倾向加剧。

因此要求尽量选择线能量输入较小的焊接方法。

③由于导热系数小而线膨胀系数大，自由焊接下焊接易产生较大的变形，选用能量集中，热影响区小的焊接方法能在一定程度上减少焊接变形。

0Cr18Ni9的含碳量很小，在加上它属于高合金钢，碳当量对它焊接性能的估算是不怎么准确的。

因此我们不用碳当量对它的焊接性进行分析。

0Cr18Ni9属于奥氏体不锈钢，这类钢有具有较高的变形能力而且不可淬硬，同时它的碳当量又很低，所以总得来说焊接性还是不错的。

但是由于热导率较低，热膨胀系数大，局部加热时温度分布不均匀，收缩量大等都将使接头在焊接过程中产生较大的内应力。

在焊接的时候应该注意这方面的问题，焊接时尽量避免或减少这种受热不均显现的发生，焊接的速度也应该适当的快点。

同时，此次设计中采用的钢板厚度为6mm，在焊接时无需采用焊前预热，焊后也不需要热处理措施。

1.5焊接方法与焊接材料

1.5.1焊接方法的选择

0Cr18Ni9具有较好的塑性和韧性，无淬硬倾向，易于采用各种熔焊方法焊接，包括手工电弧焊、埋弧焊、氩弧焊、等离子焊等焊接方法。

焊接接头在焊后具有较高的力学性能。

鉴于此次的闪蒸罐为小批量生产，使用可操作性较强的手工焊条电弧焊。

焊条电弧焊具有以下优点：

1、设备简单，价格便宜，维护方便。

2、不需要辅助气体保护，并且具有较强的抗风能力。

3、操作灵活，适应性强，可达性强。

但是，焊条电弧焊对清渣要求高；易产生气孔、夹渣等缺陷；合金元素过渡系数小，和氧亲和力强的元素，如钛、硼、铝等易被烧损。

此外，焊条电弧焊的焊接环境较差，应该对工人做好良好的防护措施，并注意焊接场所的通风。

1.5.2焊接材料的选择

0Cr18Ni9属于奥氏体不锈钢，奥氏体不锈钢的焊条电弧焊具有热影响区小，易于保证质量，适应各种焊接位置及不同板厚工艺要求的优点。

查表得，对于0Cr18Ni9选用的焊条为A107或A102T.考虑各方面因素，我们选取A107焊条。

其主要力学性能见表4.熔敷金属化学成分见表5.

表4焊条A107的主要力学性能

焊条类型

焊条牌号

型号

药皮

类型

电源

种类

主要力学性能（≥）

σb/MPa

δ5（%）

奥氏体型不锈钢焊条

A107

E308-15

低氢型

直流

550

表5焊条A107的熔敷金属化学成分（质量分数，%）

焊条牌号

A107

≤0.08

0.5-2.5

≤0.90

18.0-21.0

9.0-11.0

≤0.75

≤0.03

≤0.04

2、闪蒸罐的生产工艺流程

闪蒸罐用于工业中，主要作用是分离提纯和节省能量。

我们在此次设计中采用钢板卷焊式容器结构。

闪蒸罐作为一般压力容器，其生产工艺流程与其他焊接用压力容器的工艺流程相同，包括生产前的准备，金属材料的加工，装配与焊接以及焊后的成品加工四大部分。

在整个生产过程中，罐体的焊接与组装是尤其重要的，我们也会在此次设计中作为重点来介绍。

闪蒸罐的生产工艺流程见下图：

图2闪蒸罐的生产工艺流程

3、闪蒸罐的备料、下料工艺

3.1备料

根据前述设计，我们选用的材料为0Cr18Ni9，板厚为6mm，属于不锈钢薄板的生产。

在备料的时候要考虑以下几点：

一要考虑产品试板和样品的数量要留够足够的原材料，二要对于生产的部件留足裕量和余量，三要写清技术参数包括供货状态，尺寸等，四要注意附件的备料要比使用的数量要多以方便替换。

此外，选取的焊接方法为焊条电弧焊，焊接材料为A107焊条，要备足足够的焊条，焊接设备，其焊接防护设施。

板材的毛坯规格见表6。

表6板材的毛坯规格

名称

材质

厚度/mm

长度/m

宽度/m

数量

供货状态

板材

0Cr18Ni9

3.8

1.4

固溶处理

板材

0Cr18Ni9

1.5

固溶处理

3.2材料的入库、复验

无论是钢板，外购件以及焊材等必须按图纸及相关技术标准进行原材料的复验或外购件的进厂检验，确保原材料的各项性能指标符合要求后方可使用。

对钢板的具体要求如下：

钢板几何尺寸必须符合计划要求，每块板材均不得拼接，材质为0Cr18Ni9（必要时要进行化学成分测定和力学性能试验），并要求在固溶处理状态下供货，厚度保证6mm，钢板减薄量不得大于0.25mm，必须符合GB6654－96《压力容器用钢板》中的规定，并在交货状态下逐片进行超声波检测，按JB4730－94《压力容器无损检测》规定不低于Ⅱ级为合格，并须在20℃做V型缺口试验，冲击功不小于31J。

当材料经检验合格后，存入仓库，保证仓库的干燥及温度的变动范围，并做好标记，妥善保管。

3.3钢材的预处理

各类焊接结构用钢必须经过相应的预处理，以确保接头的焊接质量。

钢材的预处理工艺通常包括矫正、清理和表面防护等。

3.3.1钢材的矫正工艺

钢板在轧制、运输、装卸和堆放过程中，由于自重、支撑不当、或装卸条件不良及其他原因，可能会产生弯曲、扭曲、波浪及表面不平等变形。

当这些变形超过一定程度时，会给尺寸的度量、划线、剪裁及其他加工带来困难，而且会影响到成形零件的尺寸和几何形状的精度，从而影响到装配、焊接和整个产品的质量。

所以，划线、下料前必须进行钢板的矫平。

由于4.6m3闪蒸罐制造所用的钢板较薄，根据相关手册可查得选用正辊辊式矫正机来进行矫平。

其矫正精度为1.0-2.0mm。

选用的矫正机型号为CDW43S10×2000，其相关参数见表7.其矫平原理如图3所示，使板料通过矫平机上的上下两列辊子之间，在辊子压力的作用下，受到多次反复弯曲，整个钢板得到均匀地伸长，使多重原始曲率逐步趋向一致变为单一，并不断减小，最终得到矫平。

为了提高矫平效果，可使辊间距离前后不等，前边辊间距离较小，使钢板产生较大的变形，以使弯曲均匀，而后面的辊间距离较大，使钢板的变形逐渐减小和平直，这样一次通过便能达到矫平目的。

表7CDW43S10×2000矫正机的技术数据

型号

最大矫平厚度/mm

最大矫平宽度/mm

最小矫平厚度/mm

板材屈服强度/MPa

工作辊间距/mm

工作辊直径/mm

工作辊棍数

矫平速度（m/min）

主电动机功率/Kw

外形尺寸（mm×mm×mm）

CDW43S10×2000

2000

1.5

360

150

140

5.3

5.84×2.78×3.47

需要说明的是：

钢材经矫正后表面不应有明显的凹坑及损伤，划痕深度应小于0.5mm，且不大于刚才厚度负偏差的1/2。

图310×2000辊式薄板矫平机原理图

3.3.2钢板的表面清理

奥氏体不锈钢焊缝受到污染时，其耐蚀性会变差。

焊前应彻底清除焊件表面的油脂、污渍、油漆等杂质，否则这些有机物在电弧高温作用下分解成气体，引起焊缝产生气孔和增碳，从而降低耐蚀性。

需要注意的是，要慎重对待焊前的清理工作，任何不必要的随处任意引弧、锤击、打冲眼等，也是造成腐蚀的根源，应明令禁止。

钢板的表面除锈采用喷丸的方法。

选用GYX－3M型钢材预处理装置。

其技术特性参数见表8。

该装置进行钢材预处理的具体工艺过程为：

电磁吊上料→辊道输送→预热（40～50℃）→喷丸除锈→清理丸料→自动喷漆→烘干（60～70℃）→轨道输送出料。

表6GYX-3M型钢材预处理装置技术数据

项目

数据

钢板预处理规格/mm

宽1000～3000，厚6～600，长2400～12000

轨道最大载荷

2t/m

焊件输送速度v/m.min-1

v=0.8～4，无级调速

年处理量/t

20000～40000

除锈等级

SISO55900Sa21/2（A,B）

涂膜等级/μm

15～25

3.4划线、放样工艺

该工序用于检查设计图样的正确性，确定零件的毛坯下料尺寸，以及制样板等。

将设计结构按1:

1比例绘制出来（放大样）即称为放样。

放样是精确、细致、技艺较高的工作，对以后加工有很大影响。

一般放样在放样间进行，为提高放样效率和质量，现代焊接生产中采用光学放样和计算机放样。

我们此次设计将采用计算机放样。

将待加工零件或毛坯划在金属材料上，以便切割或装配，此工序成为划线，而用样板划线则称为号料。

划线和号料都在专用的平台上进行，划线平台应在起重机活动范围内。

当采用仿形样板下料或是采用数控切割机下料时，可不预先进行划线和下料。

在制作样板时，应考虑焊接收缩变形量及零件的加工裕量。

各种焊接接头时焊缝的纵、横向收缩余量见表7，表8.

表7各种焊接接头在厚度为6mm下的横向收缩量

接头形式

V型坡口对接接头

X型坡口对接接头

单面坡口十字接头

单面坡口角焊缝

不开坡口单面角焊缝

双面断续角焊缝

横向收缩量/mm

1.3-1.4

1.6-1.8

0.8

0.9

0.3

表8各种焊接接头在厚度为6mm的情况下的纵向焊缝收缩量

接头形式

对接接头

连续角焊缝

断续角焊缝

纵向收缩量/mm

0.15-0.30

0.20-0.40

0-0.10

用样板号料时应注意留出切口间隙，各种切割方法条件下的间隙尺寸见表9.（板厚为6mm）

表9切口间隙尺寸（mm）

板厚

火焰切割

等离子弧切割

手工

自动、半自动

手工

自动、半自动

号料时，将所制作的划线样板放在用于制作闪蒸罐筒体及封头的坯料上，在样板轮廓线的基础上，再向外四周分别扩展150mm,打上下料线。

号料要求沿净尺寸向四周内打检查线，距净尺线距离50mm（见图4）。

图4检查线位置示意图

3.5下料工艺

采用剪切切割，这类切割相对于大量的手工热切割来讲称为机械切割。

需要注意的一点是，对于奥氏体不锈钢在进行了机械剪切方法下料时，剪切边缘应使用机械加工去除冷作硬化带。

3.5.1筒节的下料

筒节的划线是在钢板上划出展开图。

筒节的展开计算比较简单，即以筒节的平均直径为基准。

由于钢板在卷板机上弯卷是受辊子的碾压，厚度会减薄，长度会伸长。

因此，下料尺寸应比计算出来的尺寸短一些。

筒节展开长按下式计算：

L=πDm-ΔL=π（Di+S）-ΔL1+ΔL2+ΔL3

式中，L—筒节展开式，mm

Dm—筒节平均直径，mm

Di——筒节内径，mm

S—板厚，mm

ΔL1—钢板伸长量，mm

ΔL2—钢板加工余量，mm

ΔL3—焊缝横向收缩余量,mm

通常ΔL=（1-K）πDm，K—修正系数，K=0.9931-0.9960，综合考虑ΔL2取5mm。

所以将数据带入公式可得：

L=3753m

由于整个筒体是用两个筒节组对拼焊而成，因此筒节下料单个钢板的具体尺寸为（长x宽x高）：

3753mmx1850mmx6mm

筒节钢板的下料选择机械剪切下料。

常用的机械剪切下料多采用圆板剪和龙门剪板机，而以龙门剪板机的应用最为广泛，通常只能做直线剪切。

采用我国生产的数控液压剪板机，考虑各方面因素选用BS-QC12K6×2500，其相关技术数据见下表。

表10BS-QC12K6×2500数控液压剪板机技术数据

型号

BS-QC12K6×2500

剪切角

1.5°

送料最大行程

1250mm

最小板材尺寸

300mm×100mm

可剪最大厚度

6mm

行程次数

22/min

送料定位精度

±0.15/300

夹钳数量

板材强度

≤450MPa

主电动机功率

7.5Kw

送料最大速度

20m/min

送料机构电动机功率

1.5Kw

可剪最大板宽

2500mm

工作台离地面高度

800mm

最大板材尺寸

1550mm×2550mm

外形尺寸

3870mm×3318mm×1700mm

3.5.2封头的下料

封头的设计采取标准椭圆封头。

，型号代号为EHA,则Di/2hi=2，则有hi=1200mm/4=300mm，根据GB/T150-1998中椭圆封头的计算公式7-1计算：

，带入各项数据得，δ=3.95mm。

同上，去C2=1.5mm，C1=0，封头的名义厚度δn=5.4mm，圆整后，取名义厚度为δn=6mm。

封头的容积：

查标准GB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》中表B.1EHA和表B.2EHA表椭圆形封头内表面积、容积，质量，见表11和图5.

表11封头的相关参数

公称直径DH

总深度H

内表面积A

容积V

质量m

1200mm

325mm

1.6552m2

0.2545m3

76.4kg

图5封头示意图

封头的下料依然选取与筒体下料同型号的剪板机。

3.5.3人孔与接管

人孔的选择根据HG/T21518-2005《回转盖带颈对焊法兰人孔》，查表3-3，选取凹凸面的法兰，其明细表见表18.

表11人孔尺寸表（mm）

密封面形式

凸面

８４５

ｂ１

５３

ｄｏ

３０

公称压力

２.５ＭＰａ

７７０

ｂ２

５８

螺柱

数量

２０

公称直径

６００

２９０

Ａ

４６０

螺母

数量

４０

dw×s

６３０×１２

１３３

Ｂ

２５０

螺柱

尺寸

Ｍ３６×３×１９０

６０５

ｂ

４６

Ｌ

３５０

总质

量ｋｇ

４５７

氮气储罐应设置闪蒸汽出口，闪蒸汽进口，人孔，压力表口，安全阀口，冷凝液进口，冷凝液出口，液位变送器口，高液位报警器口，液位指示口。

查表得各接管尺寸表如表19.

表12接管尺寸表（mm）

管口名称

公称直径

接管壁厚

接管材料

闪蒸汽出口

250

0Cr18Ni9

压力表口

0Cr18Ni9

安全阀口

250

0Cr18Ni9

冷凝液进口

100

0Cr18Ni9

冷凝液出口

200

0Cr18Ni9

液位变送器口

0Cr18Ni9

高液位报警口

0Cr18Ni9

液位指示口

0Cr18Ni9

人孔

600

0Cr18Ni9

放空口

0Cr18Ni9

3.6坡口加工

不锈钢制筒体在板料卷圆前，采用刨边机加工好筒体的纵环焊缝坡口。

查手册知对于焊条电弧焊焊接奥氏体不锈钢时，对于板厚为6mm的不锈钢需开V形75°坡口，钝边为2mm。

接管与筒体的焊接选用单边V形坡口。