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分汽缸制造与装配工艺毕业设计

分汽缸制造与装配工艺设计

摘要：

本设计分为焊接结构基础知识、焊接生产过程和焊接产品检验等三个部分，共九章设计内容。

第一、二主要介绍汽缸的相关知识，第三、四主要介绍汽缸使用的材料及制作，第五、六、七主要介绍焊接生产前、中、后三过程知识，焊接材料、焊接工艺性审查，这部分内容是本产品设计课题重点，汽缸是锅炉的主要配套设备，用于把锅炉运行时所产生的蒸汽分配到各路管道中去，汽缸系承压设备，属压力容器，其承压能力，容量应与配套锅炉相对应。

关键词：

分汽缸；压力容器；承压；焊接；装配；

TheDesignofCylinderManufacturingandAassembilyProcess

Abstract:

Thedesignisdividedintothreeparts,basicknowledgeofweldingstructure,weldingprocessandweldinginspection.Itcontainsninechapters.Thefirstandsecondchaptermainlyintroducetheknowledgeofcylinders,thethirdandfourthchapterareaboutmaterialsusedincylindersandcylinderproduction.Thefifth,sixthandseventhchaptermainlyintroducethewholeprocessofweldingproduction,weldingmaterials,andweldingtechnicalinspection.Thecontentofthispartisthemostimportant.Cylinderisthemainauxiliaryequipmentofaboiler.Itisusedtoallocatetheboilersteamproducedduringtheboilerrunningtoeachpipe.Cylinderisapressurebearingequipment,anditspressurebearingcapacityshouldbecorrespondingwiththeauxiliaryboiler.

Keywords:

Cylinder;Pressurevessel;Pressurewelding;assembly;

1前言

1.1选题研究意义：

压力容器是一个涉及多行业、多学科的综合性产品，其建造技术涉及到冶金、机械加工、腐蚀与防腐、无损检测、安全防护等众多行业。

压力容器广泛应用于化工、石油、机械、动力、冶金、核能、航空、航天、海洋等部门。

它是生产过程中必不可少的核心设备，是一个国家装备制造水平的重要标志。

如化工生产中的反应装置、换热装置、分离装置的外壳、气液贮罐、核动力反应堆的压力壳、电厂锅炉系统中的汽包等都是压力容器。

随着冶金、机械加工、焊接和无损检测等技术的不断进步，特别是以计算机技术为代表的信息技术的飞速发展，带动了相关产业的发展，在世界各国投入了大量人力物力进行深入的研究的基础上，压力容器技术领域也取得了相应的进展。

分汽缸是锅炉的主要配套设备，用于把锅炉运行时所产生的蒸汽分配到各路管道中去，分汽缸系承压设备，属压力容器，其承压能力，容量应与配套锅炉相对应。

分汽缸主要受压元件为：

封头，壳体材料等。

1.2国内外研究现状

随着金属压力容器行业竞争的不断加剧，大型金属压力容器企业间并购整合与资本运作日趋频繁，国内优秀的金属压力容器生产企业愈来愈重视对行业市场的研究，特别是对企业发展环境和客户需求趋势变化的深入研究。

正因为如此，一大批国内优秀的金属压力容器品牌迅速崛起，逐渐成为金属压力容器行业中的翘楚[1]！

2003-2007年间，我国金属压力容器行业产值保持高速增长态势，年均复合增长率（CAGR）为26.4%，2008年全年金属压力容器企业的总产值估计达264亿元，同比增长13.90%。

2010年金属压力容器行业产值达到350亿元左右的产业规模。

2011年385亿左右的规模。

2011年12月份，我国生产工业锅炉3.5万蒸发量吨，同比增长32.74%。

数据显示：

2011年1-12月，全国工业锅炉的产量达41.3万蒸发量吨，同比增长28.86%。

1.3分汽缸的设计要求

分汽缸不是锅炉本体的一部分，而是一件单独的压力容器，因此有一些与锅炉不同的要求，现说明如下：

1．分汽缸应符合GB150-2011压力容器的要求,它应由具有《压力容器设计单位批准书》（省级主管部门批准，同级劳动部门备案）的单位设计，应由具有省级劳动部门签署的《压力容器制造许可证》的单位制造。

分汽缸出厂应具备齐全的资料。

2．原有使用的分汽缸应按省级锅炉压力容器监察机构的要求进行登记和领取《使用登记证》。

3．分汽缸的材料并不一定按锅炉简体材质的要求去选择，可以选用比锅炉筒体材质要求低一些的材料。

4．分汽缸封头可以采用平端盖（只要强度足够、结构符合要求）。

内径不大于500毫米（mm）的，平端盖和筒体可以用打坡口的角焊。

5．分汽缸设计压力高于锅炉设计压力的可不装设安全阀，但设计压力低于锅炉设计压力的必须装设安全阀。

6．分汽缸上应装设压力表。

7．分汽缸底部应有疏水阀座，以连接疏水阀；疏水阀的前后应有截止阀，并且有与疏水阀并连的检修管路。

2分汽缸的基本知识

2.1汽缸的分类

分汽缸也叫分汽包，也有叫蒸汽分配台的。

它是蒸汽锅炉必不可少的附属设备。

分汽缸的主要功能是分配蒸汽，分汽缸上有多个阀座连接锅炉主汽阀及配汽阀门，以便将分汽缸中蒸汽分至各需要之处。

分汽缸还有储存蒸汽、多台锅炉蒸汽并用的作用，此外还有一定的汽水分离能力。

常用的分汽缸是圆筒形的，两端有椭球形封头。

分汽缸是分集汽缸应用中的一部分，分集汽缸是由分汽缸和集气缸组合而成的一种汽体流量和会集装置。

分汽缸是将一路进汽通过一个压力容器分为几路输出的设备，而集汽缸是将进汽通过一个压力容器一路输出的设备，其管理若干的支路管道，分别包括回路和供汽支路，其较大多为DN350—DN/500不等，用钢板制作。

它一方面将主干管的水按需要进行流量分配，保证各区域分支环路的流量满足负荷需要，同时还要将各分支回路的水流汇集，并且输入回水主干管中，实现循环运行。

其回水再利用，可达到更节能的效果，可以同时满足供热与制冷的需要，分汽缸并不属于锅炉范畴，它属于压力容器范畴，是一种分离窑器。

因此只要分汽缸的内径大于或等于0．15m，且容积大于或等于0．25m。

都应该接受压力容器安全技术监察规程’的监督，其设计、制造及检验也应该按照GB15o。

钢制压力容器的有关规定进行（当公称容积小于450L的可以参照执行）。

其广泛应用于锅炉、中央空调、工业循环冷却水系统、热水系统。

分汽缸的结构分别由20#钢和无缝钢管和20g制造，壁厚为6mm。

其尺寸安装配图所示I类中压力容器，设计压力为1.6MPa，最高工作压力1.4MPa，工作温度为0~180℃，设计温度为200℃，其主要受压元件：

法兰、接管采用20g,制造过程中罐体和封头的焊接均采用埋弧焊焊接。

2.2分汽缸的应用和相关压力容器焊接结构

分汽缸主要是和其他压力容器配合使用。

在前一节中已做部分介绍，它将主干管的水按需要进行流量分配，它一方面将主干管的水按需要进行流量分配，保证各区域分支环路的流量满足负荷需要，同时还要将各分支回路的主干管中，实现循环运行。

其回水再利用，可达到更节能的效果，可以同时满足供热与制冷的需要，其广泛应用于锅炉、中央空调、工业循环冷却水系统、热水系统。

还可用于工业中，如，按液体溶沸点的不同分离石油或其他液体分离过程，也用于提纯分离。

压力容器是能够承受一定压力作用的密闭容器，按国家劳动部2000年颁布的压力容器安全技术监察规程的规定，其所监督管理的压力容器定义是指最高工作压力P≧0.1Mpa,容器容积大于或等于25l，工作介质为气体、液体或最高工作温度高于标准沸点的液体的容器。

它主要用于石油化工、能源工业、科研和军事工业等方面，同时在民用工业领域得到广泛应用，如，煤气或液化石油气罐、各种储能器、换热器、分离器以及大型管道工程。

2.2.1压力容器的分类及应用

（1）按容器在生产中的作用分类:

a）反应压力容器（代号R）:

用于完成介质的物理、化学反应。

b）换热压力容器（代号E）:

用于完成介质的热量交换。

c）分离压力容器介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离。

d）储存压力容器（代号C，其中球罐代号B）：

用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质。

注1：

在一种压力容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时，应按工艺过程中的主要作用来划分品种。

（2）按安装方式分类：

a）固定式压力容器：

有固定安装和使用地点，工艺条件和操作人员也较固定的压力容器。

b）移动式压力容器：

使用时不仅承受内压或外压载荷，搬运过程中还会受到由于内部介质晃动引起的冲击力，以及运输过程带来的外部撞击和振动载荷，因而在结构、使用和安全方面均有其特殊的要求。

注2：

上面所述的几种分类方法仅仅考虑了压力容器的某个设计参数或使用状况，还不能综合反映压力容器的危险程度。

压力容器的危险程度还与介质危险性及其设计压力p和全容积V的乘积有关，pV值愈大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。

（3）按安全技术管理分类:

《压力容器安全技术监察规程》采用既考虑容器压力与容积乘积大小，又考虑介质危险性以及容器在生产过程中的作用的综合分类方法，以有利于安全压力容器分为三类：

1）第三类压力容器，具有下列情况之一的，为第三类压力容器：

高压容器；

中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；

中压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积大于等于10MPa·m3）；

中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积大于等于0.5Pa·m3）；

低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且乘积大于等于0.2MPa·m3）；

高压、中压管壳式余热锅炉；

中压搪玻璃压力容器；

使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540MPa）的材料制造的压力容器；

移动式压力容器，包括铁路罐车（化气体运输（半挂）车、低温液体运输（半挂）车、永久气体运输（半挂）车]和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等；

球形储罐（容积大于等于50m3）；低温液体储存容器（容积大于5m3）。

低温液体储存容器（容积大于5m3）

2）第二类压力容器，具有下列情况之一的，为第二类压力容器：

中压容器；

低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；

低压反应容器和低压储存容器（仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质）；

低压管壳式余热锅炉；

低压搪玻璃压力容器。

注：

第一类压力容器,除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。

可见，国内压力容器分类方法综合考虑了设计压力、几何容积、材料强度、应用场合和介质危害程度等影响因素。

压力容器的焊接结构

压力容器的结构形式虽然很多，但其最基本的结构是一个密闭的焊接壳体。

根据压力容器壳体的受力特点，最适合的形状是球型，但球型容器制造相对比较困难，成本高，因此在工业生产中，中、低压力容器多数采用圆形结构。

圆筒形容器由筒体、封头、密封元件、法兰接管以及支座等六大部件组成，并通过焊接构成一个整体，如图1所示：

1.法兰接管2.封头3.支座4.筒体

1.Flangetakeover2.Head3.Supports4.Cylinder

图1分汽缸

Figure1pointscylinder

2.3制作技术参数

2.3.1汽缸组成零部件及材料

汽缸主要由筒体、法兰、椭圆封头、接管及其它相应配合使用的零部件。

材料介绍:

筒体借用Q345R，法兰SO25（B）-25RF/SO65（B）-25RF/SO150（B）-25RF16MnⅡ,接管20#（借用）、名牌支座Q235B、δ=2,垫片ф78/ф38采用δ=3石棉橡胶板，螺母M16和螺栓M16*65均采用Q235—B制造或选用。

压力容器使用过程中具有非常大的安全隐患，若不严格按照国家相关行业标准制造生产，将会对使用者造成不可挽回的灾难。

因此按GB150—89《钢制压力容器》进行制造，试验与验收，并接受劳动部门办法的压力容器安全技术监察规程的监督。

制造焊接过程中使用电弧焊方法的焊条牌号ER50-6，设备制造完毕后要进行各种检测，包括水压试验、无损探伤、表面处理等工艺。

3生产准备

3.1制造材料介绍

3.1.1Q345R

Q345R是钢板中的一大类－－容器中板。

牌号表示方法：

Q345R16MnR16MnG。

根据2008年9月1日实施的《GB713-2008锅炉和压力容器用钢板》的新分类，16Mng和16MnR、19Mng合并为Q345R。

Q345R是普通低合金钢,是锅炉压力容器常用钢材，交货状态分：

热轧或正火，属低合金钢。

性能与Q345（16Mn）的（16mm钢板的屈服强度大于345Mpa）性能相近，抗拉强度为（510-640）之间，伸长率大于21%，零度V型冲击功大于34J。

Q345R工艺参考标准GB713-2008。

Q345R钢板是屈服强度为265-345MPa级的压力容器专用板，它具有良好的综合力学性能和工艺性能。

磷、硫含量略低于低合金高强度钢板Q345（16Mn）钢，除抗拉强度、延伸率要求比Q345（16Mn）钢有所提高外，还要求保证冲击韧性。

它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。

表1Q345R的力学性能

Table1Q345Rmechanicalproperties

钢板公称厚度/mm

抗拉强度R/（N/㎡）

屈服强度R/（N/㎡）

伸长率A/%

温度/℃

冲击吸收能量KV2/J

180°弯曲试验弯曲直径（b≥35mm）

>3-16

510-640

≥345

≥21

≥34

d=2a

>16-36

500-630

≥325

≥21

≥34

d=3a

>36-60

490-620

≥315

≥21

≥34

d=3a

>60-100

490-620

≥305

≥20

≥34

d=3a

>100-150

480-610

≥285

≥20

≥34

d=3a

>150-200

470-600

≥265

≥20

≥34

d=3a

3.1.216Mn

16Mn钢属于碳锰钢，碳的含量在0.16%左右，屈服点等于343MPa（强度级别属于343MPa级）。

16Mn钢的合金含量较少，焊接性良好，焊前一般不必预热。

但由于16Mn钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，所以在低温下（如冬季露天作业）或在大刚性、大厚度结构上焊接时，为防止出现冷裂纹，需采取预热措施。

焊件厚度（mm）不同气温下的预热温度计（℃）：

16以下不低于－10℃不预热,－10℃以下预热100～150℃；

16～24不低于－5℃不预热,－5℃以下预热100～150℃；

25～40不低于0℃不预热,0℃以下预热100～150℃；

40以上均预热100～150℃。

16Mn钢手弧焊时应选用E50型焊条，如碱性焊条E5015、E5016，对于不重要的结构，也可选用酸性焊条E5003、E5001。

对厚度小、坡口窄的焊件，可选用E4315、E4316焊条。

16Mn钢埋弧焊时H08MnA焊丝配合焊剂HJ431（开I形坡口对接）或H10Mn2焊丝配合焊剂HJ431（中板开坡口对接），当需焊接厚板深坡口焊缝时，应选用H08MnMoA焊丝配合焊剂HJ431。

16Mn钢是目前我国应用最广低合金钢，用于制造焊接结构的16Mn钢均为16MnR和16Mng钢。

3.1.3Q235

当所需钢板厚度小于8mm时，在碳钢与低合金高强度钢之间，应尽量采用碳钢板（多层容器除外）。

在刚度或结构设计为主的场合，应尽量选用普通碳素钢。

在强度设计为主的场合，应根据压力、温度、介质等使用限制，依次选用Q235B、20R（20g）、Q345R（16MnR）等钢板。

Q235表示钢筋，分别有A、B、C、D、E五个等级，A是零上40度，B是零上20度，C是零度以上，D是零下20度，E是零下40度，在偏冷地区对要求。

（1）Q-235A：

不得用于压力容器受压元件；

（2）Q-235B：

容器设计压力p≦1.6MPa，钢板的使用温度为0～350℃，用于容器壳体时，钢板厚度不大于20mm，不得用于毒性为高度或极度危害介质的压力容器。

（3）Q-235C：

容器设计压力p≦2.5MPa，钢板的使用温度为0～400℃，用于容器壳体时，钢板厚度不大于30mm。

Q235的力学性能：

抗拉强度（σb/MPa）：

375-500

伸长率（δ5/%）：

≧26（a≦16mm）；≧25（a>16-40mm）；≧24（a>40-60mm）；

≧23（a>60-100mm）；≧22（a>100-150mm）；≧21（a>150mm）。

其中a为钢材厚度或直径。

3.1.420号钢

20号钢属于低碳优质碳素钢，冷挤压、脆硬钢。

该钢强度低、韧性、塑性和焊接性均好，抗拉强度为253—500Mpa，伸长率≧24%，时常用的优质碳素钢，有的20#钢，也有20g。

，20g还有一些微量元素更适合用作锅炉压力容器使用的特性。

另外20g还着重考核它的物理性能。

比如弯曲、冲击和抗拉性能。

20号钢许用应力：

20号钢在225℃下的许用应力：

（16－36mm）111-124MPa之间;（6-16mm）之间117－131MPa

20号钢在100℃下的许用应力：

150℃时,20号钢钢管的许用应力为130MPa,20号钢锻件的许用应力为108MPa

20号钢与15号钢的区别：

两种钢材都属于低碳钢。

从数据上来看，20号钢含碳量稍高一些，两者的金相组织都是珠光体+铁素体。

反映到性能上的表现就是20号钢的抗拉强度和冲击任性稍高一些，基本上两种钢材没有大的区别。

两种钢材都淬不上火，热处理工艺比较简单，通常是毛坯直接切削加工或锻造正火，用于不重要的结构零件，连接件或冲压件，或用做渗碳钢使用。

市面上好象没发现有15号钢，可以以20号钢替代。

3.1.520G无缝钢管

20G无缝管（SeamlessSteelTube）是一种具有中空截面、周边没有接缝的长条钢材。

钢管具有中空截面，大量用作输送流体的管。

重量公式:

[（外径-壁厚）×壁厚]×0.02466=kg/米（每米的重量）。

一般用无缝钢管：

是用10、20、30、35、45等优质碳结钢16Mn、5MnV等低合金结构钢或40Cr、30CrMnSi、45Mn2、40MnB等合金钢热轧或冷轧制成的。

10、20等低碳钢制造的无缝管主要用于流体输送管道。

45、40Cr等中碳钢制成的无缝管用来制造机械零件，如汽车、拖拉机的受力零件。

一般用无缝钢管要保证强度和压扁试验。

热轧钢管以热轧状态或热处理状态交货；冷轧以热处理状态交货。

低中压锅炉用无缝钢管：

用于制造各种低中压锅炉、过热蒸汽管、沸水管、水冷壁管及机车锅炉用过热蒸汽管、大烟管、小烟管和拱砖管等。

用优质碳素结构钢热轧或冷轧（拨）无缝钢管。

主要用10、20号钢制造，除保证化学成分和机械性能外要做水压试验，卷边、扩口、压扁等试验。

热轧以热轧状态交货、冷轧（拨）以热处理状态交货。

表2钢管的力学性能

Table2Themechanicalpropertiesofsteelpipe

序号

牌号

力学性能

屈服点σs/mm

断后伸长率

σs%

断后收缩率ψ/mm

冲击功Akv/J

不小于

410—550

245

16Mn

490—670

320

Q235

235

375-500

—

注：

牌号当壁厚大于16~40mm时，屈服点允许降低10Mpa

冲击功试验结果的评定按GB/T17505的规定

高压锅炉钢管：

主要用来制造高压及其以上压力的蒸汽锅炉管道等用的优质碳素结构钢、合金结构钢和不锈耐热钢无缝钢管、这些锅炉管经常处于高温和高压下工作、管子在高温烟气和水蒸汽的作用下还会发生氧化和腐蚀，因此要求钢管有高的持久强度、高的抗氧化性能，并具有良好的组织稳定性，采用钢号有：

优质碳素结构钢钢号有20G、20MnG、25MnG；合金结构钢钢号15MoG、20MoG、12CrMoG、15CrMoG、12Cr2MoG、12CrMoVG、12Cr3MoVSiTiB等；有锈耐热钢常用1Cr18Ni9、1Cr18Ni11Nb高压锅炉管除保证化学成分和机械性能外，要逐根做水压试验，要作扩口、压扁试验。

钢管以热处理状态交货。

此外，对成品钢管显微组织、晶粒度、脱碳层也有一定要求。

20g和20#钢的成份基本类似，20g主要用于锅炉等一些压力容器及其零部件生产制造，性能比20号钢好。

表3低温冲击功性能

Table3Lowtemperatureimpactperformance

牌号

试验温度/℃

试样方向

冲击功Akv/J

试件尺寸：

10×10×55

5×10×55

20#

纵向

≧18

≧12

16Mn

≧21

≧14

注：

外径小于57mm且壁厚不小于14mm时，应该做标准尺寸式样的冲击试验，外径不小于49mm,且壁厚不小于8mm时应该做宽度为5mm的小尺寸的冲击试样试验。

4备料

4.1筒体

压力容器的筒体主要由钢板拼接而成，筒体的厚度主要依据强度参照锅炉计算标准来确定。

筒体是压力容器的主要的组成部分，由它构成储存物料或完成化学反应后所需要存在大部分压力的空间，筒体直径较小（小于500mm）时，可用无缝钢管制作。

当直径较大时，筒体一般用钢板卷纸或压制（压成两个半圆）后焊接而成，设计中所采用的是Q345R型号钢板。

筒体较短时可做完整的一节，当筒体的纵向尺寸大于钢板的宽度时可由几个停蹄拼接而成，由于筒节与筒节或筒节与封头之间的焊缝呈环形，故称为环焊缝，所有的纵、环焊缝焊接接头原则上均采用对接接头。

4.1.1圆筒的稳定校核

计算长度的确定，应取圆筒上两相邻支撑线之间的距离，见图4.1.1。

如图所示当圆筒部分没有加强圈（或可作为加强的构件）时，取圆筒的总长度加上每个凸形封头曲面深度的1/3。

［2］

的圆筒

（1）确定外压应变系数A

根据

和

由图和表查取外压应变系数A值（遇中间值用内插法）。

若

值大于50，则用

=50查图；若

值小于0.05，则用

=0.05查图3。

=1800/500=3.6

=500/6=83.3

图2筒体

Figure2cylind

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