立式储气罐的焊接工艺设计.docx
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立式储气罐的焊接工艺设计
一、设计的性质、目的及任务..............................2
二、产品简介............................................3
三、材料焊接性分析......................................4
四、立式储气罐的设计....................................5
五、焊接工艺的设计......................................8
5.1—焊条电弧焊.....................................9
5.2—埋弧焊.........................................12
六、备料加工工艺.......................................13
6.1原材料的储备.................................13
6.2板材的预处............................13
6.3下料，边缘加工以及夹具的选择.....................14
6.4装配的焊接次序..................................16
6.5焊后热处理......................................16
七、焊缝的无损检验与耐压气密性检验......................16
八、参考文献.............................................17
一设计的性质、目的及任务
1.1性质：
焊接工艺课程设计是焊接专业教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性的初次尝试；是对学生在规定的时间内完成指定的焊接工艺操作设计任务的初步训练。
1.2目的、任务：
（1）通过对压力容器生产线的总体设计，培养学生能综合运用本课程和前修课程的基础知识，进行融会贯通的独立思考能力，巩固和强化焊接原理有关课程的基本理论和基本知识，使同学们了解压力容器生产中的全过程，并培养同学们综合运用专业知识独立进行设计,特别是对工艺的设计，焊接原理焊接材料焊接电源焊接生产和焊接检验等方面的知识能力，让同学们结合自己的设计产品正确的选择焊接方法、焊接工艺参数、焊接设备及检测方法，并对生产车间进行合理的布局。
（2）培养学生焊接工艺设计的技能以及独立分析问题、解决问题的能力，了解工艺设计的基本内容，掌握焊接工艺设计的主要程序和方法，在规定的时间内完成指定的焊接工艺设计任务，从而得到焊接工艺设计的初步训练。
通过焊接专业课程设计，使学生在机械制图和机械零件课程设计的基础上，进一步学习和提高对各种焊接接头、焊接坡口、焊接结构的设计、焊接工艺以及各种焊接生产用机械装置图纸的看图、识图能力，合理结构形式的判断能力和具体焊接接头、焊接结构机械装置的生产设计能力。
（3）培养学生分析和解决工程实际问题的能力，树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，为学生后续课程及毕业设计打下一定的基础。
（4）使学生熟悉查阅并能综合运用各种有关的设计手册、规范、标准、图册等设计技术资料；进一步掌握识图、制图、运算、编写设计说明书等基本技能；完成作为工程技术人员在工艺设计方面所必备的设计能力的基本训练。
焊接工艺已经广泛应用于国民经济的和个领域，但是还有一些领域应用得还不够，主要因为现有的焊接工艺设计得不够合理。
为了进一步推广焊接在生产,生活中的应用，我们做为焊接专业的学生更应在这方面上深入的研究，又因为焊接专业课程设计是培养焊接专业技术人才的一个重要教学环节，是一种实践性极强的必不可少的教学环节，是焊接生产实习和各门焊接专业课程的补充，通过课程设计，使同学们了解焊接车间的组成与合理布局，并掌握焊接工艺的设计及其生产用机械装置的设计方法和焊接工艺的编制与审查工作等。
我们也可以通过设计了解到焊接专业在实际生产中的应用，更好的将于实践中去，更好的专业知识，是专业知识更牢固。
二产品简介
油品和各种液体化学品的储存设备——储罐，是石油化工装置和储运系统设施的重要组成部分。
一般立式圆筒储罐的容积大于10000m³以上，习惯称为大型储罐。
以下称为储罐（包括大型卧式圆筒形、球形等储罐）。
按温度划分，可以分为低温储罐、常温储罐（<90℃）和高温储罐（90—250℃）
按压力划分可分为接近常压储罐（-490—2000Pa）和低压储罐（2000Pa—0.1MPa）。
储罐种类是按几何形状来划分的。
按几何形状可分为五大类，即立式圆筒形储罐、卧式圆筒形储罐、球形储罐、双曲线储罐和悬链式储罐。
我是圆筒适用于储存容量较小且压力较高的液体。
而球形储罐适用于储存容量较大用一定的压力的液体。
立式圆筒形储罐按其罐顶结构可分为固定顶储罐和浮顶储罐二种类型。
（一）拱顶储罐的构造
拱顶储罐是指罐顶为球冠状、罐体为圆柱形的一种钢制容器。
拱顶储罐制造简单、造价低廉，所以在国内外许多行业应用最为广泛，最常用的容积为1000-10000m3，目前，国内拱顶储罐的最大容积已经达到30000m3。
罐底：
罐底由钢板拼装而成，罐底中部的钢板为中幅板，周边的钢板为边缘板。
边缘板可采用条形板，也可采用弓形板。
一般情况下，储罐内径＜16.5m时，宜采用条形边缘板，储罐内径≥16.5m时，宜采用弓形边缘板。
罐壁：
罐壁由多圈钢板组对焊接而成，分为套筒式和直线式。
套筒式罐壁板环向焊缝采用搭接，纵向焊缝为对接。
拱顶储罐多采用该形式，其优点是便于各圈壁板组对，采用倒装法施工比较安全。
直线式罐壁板环向焊缝为对接。
优点是罐壁整体自上而下直径相同，特别适用于内浮顶储罐，但组对安装要求较高、难度亦较大。
罐顶：
罐顶有多块扇形板组对焊接而成球冠状，罐顶内侧采用扁钢制成加强筋，各个扇形板之间采用搭接焊缝，整个罐顶与罐壁板上部的角钢圈（或称锁口）焊接成一体。
（二）浮顶储罐的构造
浮顶储罐是由漂浮在介质表面上的浮顶和立式圆柱形罐壁所构成。
浮顶随罐内介质储量的增加或减少而升降，浮顶外缘与罐壁之间有环形密封装置，罐内介质始终被内浮顶直接覆盖，减少介质挥发。
罐底：
浮顶罐的容积一般都比较大，其底板均采用弓形边缘板。
罐壁：
采用直线式罐壁，对接焊缝宜打磨光滑，保证内表面平整。
浮顶储罐上部为敞口，为增加壁板刚度，应根据所在地区的风载大小，罐壁顶部需设置抗风圈梁和加强圈。
浮顶：
浮顶分为单盘式浮顶、双盘式浮顶和浮子式浮顶等形式。
单盘式浮顶：
由若干个独立舱室组成环形浮船，其环形内侧为单盘顶板。
单盘顶板底部设有多道环形钢圈加固。
其优点是造价低、好维修。
双盘式浮顶：
由上盘板、下盘板和船舱边缘板所组成，由径向隔板和环向隔板隔成若干独立的环形舱。
其优点是浮力大、排水效果好。
（三）内浮顶储罐的构造
内浮顶储罐是在拱顶储罐内部增设浮顶而成，罐内增设浮顶可减少介质的挥发损耗，外部的拱顶又可以防止雨水、积雪及灰尘等进入罐内，保证罐内介质清洁。
这种储罐主要用于储存轻质油，例如汽油、航空煤油等。
内浮顶储罐采用直线式罐壁，壁板对接焊制，拱顶按拱顶储罐的要求制作。
目前国内的内浮顶有两种结构：
一种是与浮顶储罐相同的钢制浮顶；另一种是拼装成型的铝合金浮顶。
三、材料焊接性的分析
3.1材质00Cr11Ti的焊接性的分析
00Cr12的化学成分和力学性能
00Cr12钢化学成分要求 （%）
元素
C
Ti
Si
Mn
S
P
要求
≤
0.030
0.50-0.60
≤1.00
≤
1.00
≤0.030
≤0.035
00Cr12力学性能的要求
σ0.2/MPa
σb/MPa
δ5/%
HB
≥196
≥370
≥22
≤183
热处理规范：
退火900—1050℃快冷
通常在钢中加w（Cr）
18%可使钢在1000—1100℃抗氧化，加入w（Al）3%—4%可使钢在900℃抗氧化，加入w（Si）2%—3%可使钢在900—1100℃抗氧化。
这类钢在常温下为铁素体组织，有磁性，不能淬火方法使之硬化，在加热冷却过程中无相变。
加热温度如果超过900℃，晶粒将迅速粗化，且不能用热处理方法细化。
同时有可能发生部分铁素体转变为奥氏体，冷却过程又转变成低碳马氏体，这都会将低钢的塑性，使之变脆。
因此铬钢焊接时，常要求低温预热使接头韧性提高，防止产生裂纹。
这类钢焊后从400—600℃缓冷（或加热）时，容易出现475℃脆化。
在680—850℃缓冷（或加热）时，容易出现
相脆化，所以预热应尽可能得低，一般在150℃。
但当含Cr量高时，预热也要高些。
有时不得不高到200—300℃。
但如使w（C+N）降到0.01%，可以改善焊接性。
焊接接头的塑性与韧性，对于普通铁素体不锈钢，一般尽可能在地的温度下进行热加工，在经短时的780-850℃退火热处理，得到晶粒细化、碳化物均匀分布的组织，并具有良好的力学性能与耐蚀性能。
但在焊接高温的作用下，在加热温度达到1000℃以上的热影响区，特别是近缝区的晶粒会急剧长大，进而引起近缝区的塑性韧性大幅度降低，引起热影响区脆化。
还容易产生焊接裂纹。
四立式储气罐的设计
压力容器壁厚的计算
2
压力容器，公称直径约为1400mm，工作压力为3.2MPa
容器的计算压力约为工作压力的1.05~1.1倍。
所以容器的计算压力等于3.2×1.05=3.36MPa
[2]《压力容器原理及工程应用》
材料的腐蚀裕量C2，取k=0.2mm/y,设计寿命10年，C2=BK=1
[3]《腐蚀数据手册》
筒体设计壁厚的计算公式:
P-容器的计算压力
D-容器的公称直径
φ-焊缝系数，当采用双面全焊透无损检验时，取1
设计厚度得
圆整后取15mm
壁厚的校核公式：
符合要求
[4]《化工设备设计全书》公式（3-4）表（3-1）
封头厚度的计算：
计算压力3.36MPa，封头内径1400mm，腐蚀裕量为1，封头材料0Cr11Ti，焊缝系数为0.9，采用2：
1标准椭圆型封头。
计算公式：
圆整后取14mm
最小厚度检验：
符合要求
筒体：
符合要求
封头：
符合要求
压力容器的整体结构分析
D=1400mmSn=15mmδn=13.8mm
[5]《JB4746-2002标准》表B1EHA椭圆型封头内表面积容积
得公称直径D=1400mm
总深度H=1540mm
容积V=5.87
所以筒节的总长度L=3.3
设计成2节，则单个筒节的长度L’=1.8L”=1.5
立式储气罐的封头的选择《压力容器设计手册》P302
根据表EH-6得到公称直径为1400mm时，在计算压力2.5MPa下，封头的计算厚度为14mm。
图4.4封头
立式储罐的法兰设计《压力容器设计手册》P687
立式储气罐选择长颈对焊法兰（平面密封面）
在PN=2.5MPa
法兰的公称直径DN=300mm
图4.5长颈对焊法兰
根据表3-1-4（A）长颈对焊法兰尺寸查得:
D=440mmD1=400mmD3=355mmQ=32mmH=85mm
h=25mm
1=12mm
=22mmR=12mmd=23mm
立式储罐支座的设计《压力容器设计手册》P804
根据立式圆筒的公称直径DN=1400mm
查表3-3-15得B型支承式支座尺寸
图4.6B型支柱
选择120°包角轻型带垫板鞍式支座，其结构和尺寸如下：
底板L1=1000mmb1=170mmδ1=10mm
腹板δ2=8mm
筋板L3=230mmb2=140mmb3=1805mmδ3=6mm
垫板弧长1640mmb4=270mmδ4=6mme=40mm
螺栓连接尺寸L2=840mm螺孔d=10螺纹M24孔长20
鞍座质量64kg两鞍座之间的距离900mm
五、焊接工艺的设计
普通铁素体不锈钢的焊接工艺与焊接材料选择对于普通铁素体不锈钢，可采用焊接电弧焊气体保护焊埋弧焊等离子等熔焊工艺方法。
该类钢在焊接热循环的作用下，热影响区的晶粒长大严重，碳氮化合物在晶界聚集，焊接接头的塑韧性很低，在拘束度较大时，容易产生焊接裂纹，接头的耐蚀性也严重恶化。
在焊接工艺方面应采取以下措施：
⑴增加熔池保护，如采用双层气体保护增大喷嘴直径，适当增加氩气流量，填充焊丝时，要防止焊丝高温端离开保护区。
⑵附加拖罩，增加尾气保护，这对于多道多层焊尤为重要。
⑶焊缝背面通氩气保护，最好采用同氩气的水冷铜垫板，以减少热增加冷却速度。
⑷尽量减少焊接热输入，多道多层焊时，控制层间温度低于100°C
5.1焊条电弧焊
焊条电弧焊它是利用电弧产生热量米熔化被焊金属及填充金属，然后凝固成牢固接头的一种手工操作的焊接方法。
手上电弧焊操作方便设备简单，能够对空间不同位置、不同接头形式的焊缝进行焊接，是焊接中应用最广泛的方法。
由于采用手工操作，故生产率低，劳动强度大。
在焊接中占有重要地位
5.1.1焊条电弧焊的优点
1）使用的设备比较简单
2）不需要辅助气体保护
3）操作灵活，适应性强
4）应用范围广，适用于大多数工业用的金属和合金的焊接
5.1.2弧焊电源
电源种类与比较焊条电弧焊采用的焊接电流既可以是交流也可以是直流,所以焊条电弧焊电源既有交流电源也有直流电源.目前,我国焊条电弧焊用的电源也有三大类:
交流弧焊变压器,直流弧焊发电机和弧焊整流器（包括逆变弧焊电源）,前一种属于交流电源,后两种属于直流电源
5.1.3电源的选择
焊条电弧焊要求电源具有陡降的外特性,良好的动特性和合适的电流调节范围.选择焊条电弧焊电源应主要考虑以下因素:
①所要求的焊接电流的种类;
②所要求的电流范围;
③弧焊电源的功率;
④工作条件和节能要求等;
电流的种类有交流、直流、或交直流两用，主要是根据所使用的焊条类型
和所要焊接的焊缝形式进行选择。
低氢钠型焊条必须选用直流弧焊电源，以保证电弧稳定燃烧。
酸性焊条虽然交、直流均可使用，但一般选用结构简单且价格较低的交流弧焊电源。
其次，根据焊接产品所需的焊接电流范围和实际负载持续率来选择弧焊电源的容量，即弧焊电源的额定电流。
额定电流是在额定负载持续率条件下使用的最大焊接电流，焊接工程中使用的焊接电流值如果超过这个额定焊接电流值，就要考虑更换额定电流值大一些的弧焊电源或者降低弧焊电源的负载持续率。
不同负载持续率时，弧焊电源所允许的焊接电流值见表3-1。
表3-1不同负载持续率下的焊接电流对照表
负载持续率（%）
100
80
60
40
20
焊接电流/A
116
130
150
183
200
230
257
300
360
516
387
434
500
611
868
5.1.4焊条电弧焊焊接工艺参数
1）焊条
材质为0Cr11Ti，查表选择E410-16（G202）型号的焊条。
G202焊条的药皮为钛钙型，焊接电流选择交流或直流。
选择相应的不锈钢焊芯H0Cr21Ni10,采用先进工艺制造而成。
该焊条熔滴过渡方式为颗粒和渣壁过渡，具有药皮耐发红特性。
不论是连续焊还是间断焊都能顺利焊完。
该焊条交直流两用，操作性能极佳，具有焊缝成型平坦、美观、电弧稳定、飞溅极小、脱渣容易等特点，适用于平角焊、平板对接焊。
熔敷金属具有良好的力学性能和抗晶间腐蚀性能。
焊条直径是根据焊件厚度,焊接位置,接头形式,焊接层数等进行选择的。
厚度较大的焊件,搭接和T形接头的焊缝应选用直径较大的焊条.对于小破口焊件,为了保证底层的熔透,宜采用较细直径的焊条,如打底焊时一般选用φ2.5mm或φ3.2mm焊条.不同的焊接位置,选用的焊条直径也不同,通常平焊时选用较粗的φ（4.0~6.0）mm的焊条,立焊和仰焊时选用φ（3.2~4.0）mm的焊条;横焊时选用φ（3.2~5.0）mm的焊条.对于特殊钢材,需要小工艺参数焊接撕可选用小直径的焊条，见表3-2《焊接手册1》P66
表3-2焊条直径与焊件厚度的关系
焊件厚度/mm
2
3
4-5
6-12
>13
焊条直径/mm
2
3.2
3.2-4
4-5
4-6
根据表得焊件的厚度大于13mm焊条的直径4-6mm
2）焊接电流
焊接电流是电弧焊的主要工艺参数,焊工在操作过程中需要调节的只有焊接电流,而焊接速度和电弧电压都是由焊工控制的.焊接电流的选择直接影响着焊接质量和劳动生产率。
焊接电流越大,熔深越大,焊条熔化快,焊接效率也高,但是焊接电流太大时,飞溅和烟雾大,焊条尾部易发红,部分涂层要失效或崩落,而且容易产生咬边,焊瘤,烧穿等缺陷,增大焊接变形,还会使接头热影响区晶粒粗大,焊接接头的韧性降低;焊接电流太小,则引弧困难,焊条容易粘连在工件上,电弧不稳定,易产生未焊透,未熔合,气孔和夹渣等缺陷,且生产率低。
因此,选择焊接电流时,应根据焊条类型,焊条直径,焊件厚度,接头形式,焊缝位置及焊接层数来综合考虑.首先应保证焊接质量,其次应尽量采用较大的电流,以提高生产效率.板较厚的,T形接头和搭接接头,在施焊环境温度低时,由于导热较快,所以焊接电流要大一些.但主要考虑焊条直径,焊接位置和焊道层数等因素。
考虑焊条直径焊条直径越粗,熔化焊条所需的热量越大,必须增大焊接电流,每种焊条都有一个最合适电流范围,见表3-3
表3-3焊接电流经验系数与焊条直径的关系
焊条直径
/mm
1.6
2.0
2.5
3.2
4.0
5.0
5.8
焊接电流
/A
25-40
40-60
50-80
100-130
160-210
200-270
260-300
根据表3-3选择焊条直径5.8mm焊接电流290A
当使用碳钢焊条焊接时,还可以根据选定的焊条直径,用下面的经验公式计算焊接电流，见式（3.1）《焊接手册1》P67
I=dk（3.1）
式中I——焊接电流（A）
D——焊条直径（mm）
K——经验系数（A/cm）,见表3.4：
焊条直径/mm
1.6
2-2.5
3.2
4-6
经验系数K
20-25
25-30
30-40
40-50
所以I=dK=5.8×50=290A
考虑焊接位置在平焊位置焊接时,可选择偏大些的焊接电流,非平焊位置焊接时,为了易于控制焊缝成形,焊接电流比平焊位置小10%~20%。
考虑焊接层次通常焊接打底焊道时,为保证背面焊道的质量,使用的焊接电流较小;焊接填充焊道时,为提高效率,保证熔合好,使用较大的电流;焊接盖面焊道时,防止咬边和保证焊道成形美观,使用的电流稍小些。
焊接电流一般可根据焊条直径进行初步选择,焊接电流初步选定后,要经过试焊,检查焊缝成形和缺陷,才可确定.对于有力学性能要求的如锅炉,压力容器等结构,要经过焊接工艺评定合格以后,才能最后确定焊接电流等工艺。
3）电弧电压
当焊接电流调好以后,焊机的外特性曲线就决定了.实际上电弧电压主要是电弧长度来决定的.电弧长,电弧电压就高,反之则低.焊接过程中,电弧不宜过长,否则会出现电弧燃烧不稳定,飞溅大,熔深浅及产生咬边,气孔等缺陷;若电弧太短,容易粘焊条.一般情况下,电弧长度等于焊条直径的0.5~1倍为好,相应的电弧电压为16~25V.碱性焊条的电弧长度不超过焊条的直径,为焊条直径的一半较好,尽可能地选择短弧焊;酸性焊条的电弧长度应等于焊条直径。
由于不锈钢使用酸性焊条,所以电弧长度应等于焊条直径,即为电弧长度为5.8mm,电弧电压为40V
4）焊接速度
焊条电弧的焊接速度是指焊接过程中焊条沿焊接方向移动的速度,即单位时间内完成的焊缝长度.焊接速度过快会造成焊缝变窄,严重凸凹不平,容易产生咬边及焊缝波形变尖;焊接速度过慢会使焊缝变宽,余高增加,功效降低.焊接速度还直接决定着热输入量的大小,一般根据钢材的淬硬倾向来选择
5）焊缝层数
厚板的焊接,一般要开坡口并采用多层焊或多层多焊道.多层焊和多层多道焊接头的显微组织较细,热影响区较窄.前一条焊道对后一条焊道起预热作用,而后一条焊道对前一条焊道起热处理作用.因此,接头的延性和韧性都比较好.特别是对于易淬火钢,后焊道对前焊道的回火作用,可改善接头组织和性能。
对于低合金高强钢等钢种,焊缝层数对接头性能有明显影响.焊缝层数少,每层焊缝厚度太大时,由于晶粒粗化,将导致焊接接头的延性和韧性下降
6）热输入
熔焊时,由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热量称为热输入,热输入对低碳钢焊接接头性能的影响不大,因此,对于低碳钢焊条电弧焊一般不规定热输入。
通过上述分析,在设计当中手工电弧焊所用的焊接参数参见表3-5
表3-5手工电弧焊焊接的工艺参数
焊条型号
A002
电源
交流
焊条直径/mm
5.8
焊接电流/A
290
负载持续率%
60
焊缝层数
4
焊接速度/cm
30
电弧电压/V
40
5.2埋弧焊
5.2.1埋弧焊是以电弧作为热源的机械化焊接方法。
5.2.2埋弧焊的优点
1）生产效率高埋弧焊所用焊接电流大，相应电流密度也大，见表3-6。
加上焊剂和熔渣的保护，电弧的熔透能力和焊丝的熔敷速度都大大提高，由于埋弧焊热效率高，熔深大，单丝埋弧焊不开坡口一次熔深可达20mm。
焊条
（焊丝）
直径/mm
焊条电弧焊
埋弧焊
焊接电流
/A
电流密度
/A
焊接电流
/A
电流密度
/A
2
50~65
16~25
200~400
63~125
3
80~130
11~18
350~600
50~85
4
125~200
10~16
500~800
40~63
5
190~250
10~18
700~1000
30~50
2）质量好因为熔渣的保护，熔化金属不与空气接触，焊缝金属中含氮量降低，而且熔池金属凝固较慢，液体金属和熔化焊剂间的冶金反应充分，减少了焊缝中产生气孔、裂纹的可能性。
3）劳动条件好埋弧焊弧光不外露，没有弧光辐射，机械化的焊接方法减,轻了手工操作强度
5.2.3埋弧焊电源
埋弧焊电源有交流电源和直流电源。
直流电源包括硅弧焊整流器、晶闸管弧焊整流器、电动机驱动式弧焊机和内燃机驱动式弧焊机，可提供平特性、缓降特性、陡降特性、垂降特性的输出。
交流电源通常是弧焊变压器类型，一般提供陡降特性的输出。
埋弧焊通常是高负载持续率、大电流的焊接过程，所以一般埋弧焊焊机电源都具有大电流、100%负载持续率的输出能力。
电源种类与比较
（1）直流平特性与缓降特性电源
（2）直流垂降特性与陡降特性电源
（3）多特性电源
（4）交流电源
经过对比，在设计中决定选用交流电源
5.24埋弧焊焊接工艺参数
埋弧焊的焊丝和焊剂，铁素体不锈钢的焊丝牌号选择H0Cr14或H1Cr17，焊剂的牌号为HJ260
根据国家标准GB/T14957—
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