500m3中压容器的焊接工艺研究11.docx
《500m3中压容器的焊接工艺研究11.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《500m3中压容器的焊接工艺研究11.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
500m3中压容器的焊接工艺研究11
毕业论文（设计）
课题500m³中压容器的焊接工艺研究
学生姓名孙凯
院别机械工程学院
专业班级10金属材料工程
（1）班
指导教师杨付双
二0一四年六月
目录
表格清单
插图清单
摘要
Abstract
第1章压力容器的特点及发展1
1.1压力容器的分类1
1.2压力容器的特点2
1.3压力容器的发展2
第2章中压容器制作材料的选择4
2.1中压容器的材料选择4
2.2Q235的化学成分和力学性能4
2.3Q345的化学成分及力学性能5
第3章中压容器焊前的备料7
3.1钢材的焊前准备7
3.1.1钢材的矫正7
3.1.2钢材的表面清理7
3.2中压容器的焊前备料工艺7
3.2.1画线工序7
3.2.2落样8
3.2.3下料8
3.3弯曲与成形9
3.3.1筒体的卷制成形过程9
3.3.2封头的成型工艺方法9
3.4焊接接头的设计10
3.4.1筒节纵向接头的设计10
3.4.2设计筒体环焊缝的过程方法10
3.4.3设计进液口、出液口、液面计以及筒体之间的焊缝过程11
第4章中压容器的部件装配与焊接工艺12
4.1材质Q345的焊接性能分析12
4.2焊接过程中产生的脆化问题13
4.3焊接工艺技术13
4.3.1焊条电弧焊焊接工艺13
4.3.2埋弧焊焊接工艺14
4.3.3CO2气体保护电弧焊14
4.4筒节的装配与焊接15
4.4.1工件的装配15
4.4.2焊条电弧焊来钝边15
4.4.3横向焊缝埋弧焊15
4.4.4焊后处理16
4.4.5焊后检验16
4.5筒体与封头的装配以及焊接16
4.5.1筒体的装配16
4.5.2Y型的坡口进行CO2气体保护焊16
4.5.3U型坡口进行的埋弧焊16
4.5.4焊后处理17
4.5.5焊后检查17
第5章焊接变形的防止和矫正18
5.1焊前的防止18
5.2焊接变形的减小及控制方法18
5.3矫正焊接变形的方式19
第6章致密性检验20
6.1气密性检验20
6.2密封性检验20
6.3产品焊接试板的力学性能20
第7章成品涂装及入库22
参考文献23
致谢24
表格清单
表1-1压力容器分类1
表2-1Q235的组成成分………………………………………………………………………4
表2-3Q235性能指标5
表2-4Q345的化学组成成分5
表2-5Q345的力学性能5
表2-6Q345的一般性能参数6
表2-7Q235与Q345的物理学参数6
表3-1卷板机的性能……………………………………………………………………………9
表4-1Q345的焊前预热和焊厚消除应力热处理要求………………………………………12
表4-2Q345的高温力学性能12
插图清单
图3-1压力容器筒节纵向接头形式10
图3-2筒体焊接容器的环焊缝图示11
图3-3进液口、出液口、筒体与液面之间的焊缝11
500m3中压容器的焊接工艺研究
摘要
本论文首先介绍了压力容器的基础知识和压力容器的一般分类方法，然后阐述中压容器的在中外的发展应用情况。
并且简单的介绍了制作中压容器所常用的材料与一些材料的的性能对比。
对制作压力容器的一般材料Q235和Q345的性能进行多方面对比。
在对500立方米的中压容器服役条件下需具备的性能加以分析，对Q345的焊接性进行详实的介绍。
对焊接中压容器的焊接工艺进行了简单的叙述，对其焊接过程易产生的缺陷和防止方法也进行了一些阐述。
对中压容器的焊接工艺施以论证。
并结合自己所选的材料特点，从焊接方法的选用、焊接材料的选择、焊接过程、焊后处理、检验等方面详细的介绍焊接工艺过程及焊接质量控制中应该注意的问题，总结出500立方米中压容器实际生产中的高效焊接工艺。
关键词：
压力容器；Q345；焊接性能；
500m3MediumQressureVesselWeldingTechnologyTesearch
Abstract
Thispaperfirstintroducesthebasicknowledgeofallofthepressurevesselandthegeneralclassificationmethodofpressurevessel,thentheauthorexpoundtheapplicationofmediumpressurevesselinthedevelopmentoftheChineseandforeign.Andsimpleintroducedthecommonlyusedbytheproductionofmediumpressurecontainersmaterialcomparedwiththeperformanceofsomematerials.TomaketheperformanceofthepressurevesselofgeneralmaterialQ235andQ345multiplecomparison.Undertheconditionof500cubicmetersofmediumpressurecontainerserviceinperformanceanalysisisrequired,forQ345weldabilitywereintroducedindetail.Forweldingmediumpressurevesselweldingtechnologyhascarriedonthesimplenarrative,theweldingprocessarepronetodefectsandpreventmethodalsomadesome.Theweldingprocessofmediumpressurevesselwithdemonstration.Combinedwiththefeatureoftheselectedmaterial,fromthechoiceofweldingmethod,weldingmaterialselection,weldingprocess,weldingprocessing,inspectionandsoonindetailintheweldingprocessandweldingqualitycontrolshouldpayattentiontotheproblem,summedupthe500cubicmetersofmediumpressurevesselefficientweldingtechnologyinactualproduction.
Keywords:
pressurevessel;Q345;weldingperformance
第1章压力容器的特点及发展
能够储存一定压力流体、运输或者是能够传质、传导热量、用于反应的密封的容器叫做压力容器。
在压力容器使用的早期一般是用在化工产业，压力范围也不是很大主要在10MPa以内。
在20世纪的早期氨气的合成和高压聚乙烯的研发成功，这些工艺的产生直接的向压力容器的压力要求提出了挑战，通常的压力容器已经无法满足日益发展的工业要求，要求生产的压力容器的压力值在100Mpa及其以上。
在化工产业以及石油化学工业的飞速发展的基础上，这需要生产的压力容器的工作温度范围和承受的压力范围必须变得更为的广泛，甚至要求需要压力容器要耐介质的腐蚀作用。
从1960年以后，世界各国对核电站的发展要求，这需要生产的压力容器的适应的环境更加的严厉，一般压力容器的性能已经远远达不到是生产要求，这再一次推动了世界各国压力容器的行业飞速腾飞，使压力容器应用的范围更加的广泛，不在仅仅是在石油化工和化学工业的方面。
现实生活中见到的压力容器的外形大多数是圆柱形，实际的生产中还会生产少量的球形以及其他的特殊形状来满足的生产要求。
多数压力容器是由钢材加工而成的，当然也有些厂家用铝合金、钛合金以及镍合金等常见的有色金属或者黑色金属制作压力容器，也有一些是预应力混凝土等一些无机非金属制作的。
在使用压力容器的过程当中如果发生容器破裂或者爆炸的情况将会产生巨大的经济和社会影响。
因此为了确保压力容器的安全生产，各个国家都投入了大量的人力物力来研发安全，经济，使用可靠地压力容器，并制定了压力容器的严格的行业技术规范。
[1]
1.1压力容器的分类
压力容器在最初设计、工厂生产、机械制造、加工、现场安装、使用、检修、改造和维护的过程当中有着严格的技术标准和国家规范。
当然压力容器的焊接过程国家也制定了严格的国标，行业内也有严格的技术要求规范。
[2]
压力容器根据其工作压力P的不同包括四类不同等级的压力容器：
低压；中压；高压以及超高压容器。
这四类压力容器的压力范围标准如表1-1[2]：
表1-1压力容器分类
分类
压力下限
压力上限
低压容器
0.1MPa
1.55MPa
中压容器
1.57MPa
9.81MPa
高压容器
9.81MPa
98.1MPa
超高压容器
98.1MPa
∞
如果从压力容器的安全技术的角度来分类，压力容器主要有移动式容器和固定式容器两种。
而如果从压力容器的使用范围和化学制作工艺上来分的的话，压力容器主要包括有反应式、贮运式、分离式以及换热式等不同使用范围的四种压力容器。
由于压力容器的的工作环境和工作压力的不同，压力容器从它的工作压力、工作温度和工作环境的不同以及在运输的过程的危害成都的大小又可分为Ⅰ类容器、Ⅱ类容器和Ⅲ类容器。
Ⅰ类容器一般是指装有没有毒性、不是易燃物质的低压容器，又或者是装有有毒性气体或者液体、比较容易燃烧的物质的一般的低压分离器和换热器。
Ⅱ类容器主要有一般的中压容器和装有剧毒和易燃物的的低压反应器和贮运容器。
Ⅲ类容器主要是指普通的高压容器以及超高压容器、大型的装有剧毒性物质的低压容器以及中压容器、储存着大量的剧毒性产品的低压容器以及装有大量的易燃性产品和有毒性产品的中压反应容器以及中压贮运式压力容器。
[3]
1.2压力容器的特点
大部分的压力容器的外观形状都是普通的圆柱形和球形，当然也有少量的圆锥形。
封头、端盖、主体筒体以及接管等等是压力容器的四个有机组成的部件。
压力容器的封头按其外外观形状有椭圆形、蝶形以及球形等三种形状。
通常的情况下，封头的厚度在20毫米及其以下的薄壁选择冷冲压成形和旋压冲压成形制造加工而成。
封头厚度在20毫米及其以上的厚壁基本是用热冲压成形工艺来对其进行加工成形的的。
而对于直径特别大的封头通常是采用焊接的方法来来瓜瓣片和圆顶盖链接起来完成的。
由于厚壁容器的壁厚非常大，因此在制造压力容器的顶盖和热交换生产器的管板的时候多数都是选用大型锻件制作生产的。
圆柱形筒体以及椎形筒体的加工方法比较多，通常是选择冷卷成形工艺或热卷成形工艺，有时候也会选择压制成形工艺制造封头的。
而对于压力容器的大部分的部件例如封头、端盖、筒体（椎体）以及接管的连接都是选择焊接加工的方法来进行的。
1.3压力容器的发展
在化学工业行业、石油加工工业、机械工业、冶炼金属行业、核能、航空航天等高新技术等许多部门，金属制作的压力容器扮演着重要的角色，是生产加工过程中必不可少的核心设备。
在冶炼金属行业、机械制造工业、焊接工艺以及无损检测等高新科技不断发展前进，尤其是在电子计算机为主要代表的信息技术快速的的发展，极大带动了相关产业的发展。
在全球都投入了大量的人力、物力对压力容器进行大量的科学探讨的前提下，金属压力容器行业也是有了前所未有的长足发展。
在近年来的压力容器产业国家发展报告表明：
2010年全年统计中我国总共有612家比较大的规模生产金属压力容器制造厂家，累计资产月423.89亿元；实现的销售总收入约489.20亿元，比上个月约增长了23.47%左右；而且获得了超过238300万元的利润总额，同比大约增长了38.25%。
随着近年来我国的金属压力容器这个行业不断加大的竞争压力的情况的发展，一些规模较大金属压力容器生产厂家他们之间相互并购以及资本运作整合愈来愈快了，国内许多优秀金属压力容器制造厂商越来越重视对金属压力容器这个产业发展的研究成果，尤其是对它们这些厂家行业发展环境以及客户需求变化趋势的这些领域内，他们都做了深入的研究。
正因为这些，许多的国内的压力容器制造厂商和他们的品牌都在快速的发展，并且逐渐占据我国金属压力容器行业中的大部分的份额！
从2003—2008这五年期间，国家的金属压力容器产业的发展有着快速增长的趋势，并且还在不断地发展着，其中年均复合增长率（CAGR）超过了26%，2007年这年度我国金属压力容器行业生产的总生产值将达到约3百亿元左右，比上个月将增加大约14.93%。
2009年这一年度我国的金属压力容器生产行业的生产总值预计超过400亿元大关。
2010年420亿以上的效益。
2011年11月份，在这个月当中我国所有生产厂家生产的工业锅炉达到了40000吨蒸发量的产量以上，比上个月的增长了约为34.84%以上。
我国发表的数据还表明：
在2012年全年，全国所有的工业锅炉生产厂商生产的锅炉达到了43.5万吨蒸发量的产量，同比更是增长近三成，增长率约为29.83%。
[4]
第2章中压容器制作材料的选择
2.1中压容器的材料选择
中压容器钢材的选择首先必须严格的遵守国家的一系列的技术标准和行业技术规范。
其中具体的选材还要考虑压力容器在什么样的条件下使用（例如温度多少、压力大小、何种介质和操作特点等等）、制作材料的使用性能（化学成分含量、物理性能和力学性能等等）、制作材料的焊接力学性能、设备的制造工艺流程、压力容器使用过程的安全可靠性以及制作压力容器的经济合理性等。
压力容器用钢的的使用时主要是在一些特定的温度区间内使用，一般的碳素钢和低合金用钢使用温度下限应高于20摄氏度。
由于压力容器是在一定的温度下使用的，所以其选用材料除要求常温力学性能外，还要在中、高温时都具有较好的使用性能和力学性能。
压力容器大多数基本上都是由焊接工艺来生产出来的，所以压力容器的用钢在常温和高温都适合时，还必须考虑钢材的焊接性能是否优良等等一些因素。
普通的碳素钢、低碳钢以及低合金钢三种材质的钢板是比较常用的用来制作中压容器的钢材，国家规定用来制造中压容器的钢材的碳含量不能高于0.25%这个含量。
压力容器用钢的普通力学性能和高温力学性能都必须足够的优良。
在正常的情况下，制造中压容器的钢材在常温下的力学冲击韧性的取值区间应该在60-70J/cm2内，而在零下39℃或者更为严酷的工作环境下的力学冲击韧性也必须在35-40J/cm2的区间内。
压力容器在出厂时必须严格的出厂质量说明书。
在本次设计中初步选择Q235钢材和Q345钢材进行性能的比较研究。
[5]
2.2Q235的化学成分和力学性能
Q235是比较常用的制作中压容器的钢材材质的一种，如果按它所属的范畴的话，它属于普通碳素结构用钢。
前面Q是表示钢的屈服强度，而后面的数字235表示选的这种钢材的屈服强度的大小，即它的屈服强度在235左右。
Q235这种钢材的屈服强度值会跟随钢板的厚度的逐渐增加而逐渐变小。
因为Q235的碳含量较居中，这样使Q235的力学性能也比较好，屈服强度、塑性能力和焊接力学性能等常用的性能都很优良，因此广泛的应用于钢筋的生产、输电铁塔的机构用钢、桥梁承重结构、车辆、锅炉产业、压力容器、船舶工业等行业，对一些对力学性能的要求不是太高的零件也可以使用。
它的一些组成成分以及性能指标见下表2-1[5]、表2-2[5]、表2-3[5]所示：
表2-1Q235的组成成分
钢材型号
钢材类型
Q235的化学成分（一般为质量分数）（%）
C
Mn
Si
S
P
小于等于
Q235
A型
0.14-0.22
0.30-0.65
0.30
0.050
0.045
B型
0.12-0.20
0.30-0.70
0.30
0.045
0.045
C型
小于0.18
0.35-0.80
0.30
0.040
0.040
D型
小于0.17
0.35-0.80
0.30
0.035
0.035
表2-3Q235性能指标
钢种
拉力强度
屈服点
伸长率
Q235
375~500MPa
235MPa
>26%
2.3Q345的化学成分及力学性能
Q345钢号与Q235钢号不同的钢材也是常用作制造中压容器的钢材的材质的一种，属于低合金钢种的范畴。
它屈服强度在345MPa或者之上。
Q345的综合力学性能非常的优良，它的焊接性能更是不错，最主要的是它的低温韧脆性、高温性能、力学冲击韧性和耐切削加工的性能都比同类型的钢种优异的多。
例如与Q235相比，它的屈服强度提高了约二分之一，耐大气腐蚀性能提高大约三分之一,比Q235钢更加优越低温冲击韧性，价格也不是比Q235贵多少。
由于Q345具有优良力学性能，它广泛的应用在船舶工业、桥梁承重结构、输气管道产业、锅炉工业、压力容器、矿山工业、机械加工行业、水火电站建设设备等承重结构。
[6]关于它的一些化学成分以及力学性能见下表2-4[5]、表2-5[5]、表2-6[5]、表2-7[5]所示：
表2-4Q345的化学组成成分
钢材的型号
Q345的化学组成成分（一般为质量分数）（%）
Si
C
Mn
Ni≤
S≤
Cr≤
Cu≤
P≤
Q345
0.20-0.60
0.13-0.19
1.20-1.60
0.30
0.030
0.30
0.25
0.030
表2-5Q345的力学性能
钢材型号
拉力强度
屈服点
伸长率
Q345
490-675MPa
320MPa
>21%
表2-6Q345的一般性能参数
钢材型号
拉伸力学性能指标
冲击性能指标
板厚/mm
状态
σs
/MPa
σb
/MPa
σ5
/%
弯曲180º
温度
/℃
冲击功Aku/J
时效冲击
Q345
6-16
热轧或热处理
≥345
510-
655
≥21
d=2a
室温
≥27
——
表2-7Q235与Q345的物理学参数
钢号
脆性转变温度FATT（/mK）
物理性质
热导率λ（W/mK）
线性膨胀系数α/K
熔点（℃）
密度（kg/m³）
100℃
300℃
500℃
20-100℃
20-300℃
20-500℃
Q235
-8
——
7830
49.0
41.0
37.0
8.0
12.9
14.0
Q345
NDT=-40
1430
7850
——
36.6
34.9
12.6
13.5
14.4
Q235和Q345两者都具有良好的综合力学性能、焊接工艺性能以及较好的物理学性能，但Q345的屈服强度比Q235的高的多、冲击韧性也比Q235的更加优越、耐大气腐蚀性比较优良，虽然在价格也方面有些昂贵，但综合考虑，应该选择Q345。
[5]
第3章中压容器焊前的备料
3.1钢材的焊前准备
对钢材的的焊前预处理主要是指对钢材在焊接的前面对钢材进行首先的初步处理，例如对钢材进行必要的矫正使之符合焊前的的要求，对钢材进行表面的油污、锈迹以及一些其他的氧化物进行清理。
焊前的预处理主要是方便后来的工序，为后来的工序做准备[7]。
3.1.1钢材的矫正
钢材的矫正主要是指在对钢材进行加工前使钢板保证良好的力学加工性能的一种手段。
钢材的矫正是钢材进行以后的加工的过程和加工出来的产品的质量的一种保证手段。
钢材的矫正从加工方法的这个角度主要可以大致的分为火焰矫正法；机械矫正法；手工矫正法以及高频热点矫正法等四种不同的加工矫正方法。
这次中压压力容器的设计结构所选用的钢材厚度是50毫米，属于厚的板材，因此选用机械矫正矫正。
3.1.2钢材的表面清理
钢材的表面清理过程主要是通过机械震动、化学或者其他的加工手段来对工件表面的油污、锈迹和其他的一些氧化物进行去除的一种工序。
这样做法是为了防止焊接工件在机械加工过程中再一次受到污染源的污染，有些材料还需要在表面清理结束后进行喷漆保护。
在工厂的实际生产过程中，通常对钢材的表面进行清除的方法一般可以分为机械除锈法、化学除锈法和火焰除锈法三种方式。
本次设计的压力容器选择机械除锈法去除表面的污迹。
3.2中压容器的焊前备料工艺
3.2.1画线工序
画线是指根据设计图纸的要求，按照比例1:
1的标准在坯料表面进行划线的一道工序过程。
画线的作用主要有使加工过程有参考的标准，确定零件的加工余量和加工位置；画线使加工零件时候，有准确的标准可以依据；还检验生产的工件毛坯是否准确；对于误差在允许的范围内的坯料可以通过借料来进行补救。
画线的精度一般都要求在0.25-0.5毫米范围内。
[8]
3.2.2落样
落样又叫做放大样或者放样。
它是在根据设计图的要求，用1:
1的比例，使用投影的原理，在平整的桌面上进行对构件画出图样的过程。
通过这样做来画出的图样通常叫做实样图，又称为落样图。
画落样图的过程就是通常所说的落样。
而这个工序要求有较好的机械制图的基础。
[9]
3.2.3下料
用各种各样的方法来从原材料上准确无误的分离下来把需要的毛坯或者是工件的工序叫做下料。
下料一般包括手工下料和机械下料两种方法。
一般比较常用的下料方式有很多例如剪切、切割、冲裁、锯子切割、砂轮式切割、克切等等。
（1）筒节的下料
通常在预备好的钢材上划出需要的钢材的展开图示的过程就叫做筒节画线。
筒节的展开计算过程非常的简单。
但钢材在钢材加工卷板机上加工弯卷的过程中是在加工辊子的反复的压力作用下，钢材的厚度会有所减小，当然它的长度就会略有伸长。
因此，下料尺寸一般比计算出来的尺寸短一些，这在计算是要特别注意。
筒节展开长的计算方式了如下公式：
L=πDN-△L
式中：
L：
筒节展开公式，（单位mm）
DN：
筒节的外围直径，（单位mm）
△L：
钢板生产过程伸长量，（单位mm）
在一般的情况下△L=（0.10-0.12）πDN
/（DN-2
）≈18mm
将数据带入：
L=3.14×5500-18≈17.26m
由于一般的情况下单个筒节是通过焊接两个半圆形状的筒节制作加工而成的，在本次的压力容器的设计中，要求的设计的每一个筒节下料钢板的长度应该为：
8620毫米，钢材宽度为4米，因此其具体尺寸为（长
宽
高）：
8630mm×4000mm×52mm。
筒节钢板的下料在通常的情况下是机械剪切下料。
一般的情形中采用的机械剪切下料大多数上都采用圆板剪和龙门剪板机，这两种方式中龙门剪板机的应
升级会员 