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压力容器毕业设计说明书管理资料
摘要
根据压力容器的制造标准，此储气罐属于Ⅰ类容器。
该产品主要由16MnR材质做成。
本设计在讨论16MnR焊接性的基础上，详细制定了储气罐的制作工艺。
产品制作工艺说明书中，简要分析了储气罐的构成；根据材料的特点和产品的结构尺寸制作出适合本产品的工艺流程；详细论述储气罐加工、装配、焊接工艺。
同时对储气罐制作中容易出现的质量问题进行了分析说明，提出了相应的解决措施。
焊接方法选用埋弧自动焊与焊条电弧焊；埋弧焊焊接材料选用焊丝H08MnA和焊剂431，焊条电弧焊选用焊条E5015。
说明书中还对储气罐生产过程中所用的工艺装备－封头坡口自动切割机进行了整体设计。
坡口切割机主要应用于封头的坡口装配和切割作业。
其中对传动部分进行了设计计算；对机体运转的线速度进行了校核。
关键词：
压力容器；制作工艺；焊接；坡口自动切割机
Abstract
Accordingtothestandardofpressurevessel,Gascontainerarethefirstpartvessel.TheproductionismadeofpaperdesignsdetailedlythemakingprocessofGascontainerbasedon16MnRandthestructural.
ThisintroductionformulatestheGascontainer’sconstitutionandmakestheproperprocessaccordingtothematerial’scharacteristic,thestructuralsizeanddiscussesitsprocess,assembly,weldingprocess.ItanalysesthecommonproblemsofmakingGascontainerandpromotethecorrespondingsolution.WeldingmethodsareSAWthatchooseswireofH08MnA,fluxofJ431andSMAWthatusesweldingstickofE5015.
Thespecificationsofgasholderareusedintheproductionprocessofprocessequipment-headgroovemachinetheoveralldesignautomatically.Groovemachineismainlyappliedtoheadthegrooveassemblyandcuttingoperations.Onepartofthedesignandcalculation,Theoperationofthelinearchecks.
Keywords:
Pressurevessel;manufacturingtechnology;welding;Automaticcuttergroove
引言
所谓容器是指用于储存气体、液化气体、液体和固体原料、中间产品或成品的设备。
压力容器是容器的一种，是指最高工作压力P≥，容积V≥25L，工作介质为气体、液化气体或最高工作温度高于或等于标准沸点液体的容器。
它广泛地用于化工、炼油、机械、动力、轻工、纺织、冶金、核能及运输等工业部门，是生产过程中必不可少的设备[1]。
随着石油化工、电站锅炉和原子能工业的迅猛发展，压力容器制造技术也有了很大的发展，它主要表现在以下三个方面：
一是压力容器向大型化过渡，容器直径和壁厚成倍增长；二是低合金高强度钢的广泛应用，大部分压力容器均采用了各种级别的低合金高强度钢；三是焊接新工艺、新技术的广泛应用，使得焊接质量进一步提高，从而提高了这些大型产品质量的可靠性。
其中以压力容器产品大型化、高参数化的趋势尤为明显。
1000吨级的储气罐、2000吨级的煤液化反应器、10000立方米的天然气球罐（日本最大的天然气球罐为30000立方米）等已经在我国大量应用。
压力容器在石油化工、核工业、煤化工等领域中的应用场合也日益苛刻。
因此，耐高温、高压和耐腐蚀的压力容器用材料的研制与开发一直是压力容器行业所面临的重大课题。
对此，各国均投入了大量的人力物力从事相关的研究工作。
目前，压力容器用材料的主要研究成果和技术进步表现在以下几个方面：
①材料的高纯净度：
冶金工业整体技术水平和装备水平的提高，极大地提高了材料的纯净度，提高了压力容器用材料的力学性能指标，提高了压力容器的整体安全性；②材料的介质适应性：
针对各种腐蚀性介质和操作情况，已研究开发出超级不锈钢、双相钢、特种合金等金属材料，使之适合各种应用条件，给容器设计者以更多选择的空间，为长期安全生产提供了保证；③材料的应用界限：
针对高温蠕变、回火脆化、低温脆断所进行的研究，准确地给出材料的适用范围；④更高强度材料的应用：
在设备大型化的要求下，传统的材料已经无法解决，诸如30000立方米天然气球罐、200000立方米原油储罐以及超高压容器的选材问题。
目前
≥800MPa高强材料的应用正在引起国内研究人员的广泛关注[2]。
近年来，压力容器制造业在装备投资中，焊接设备的比例占了40%以上。
正由于这些先进高效焊接设备及工艺的采用，使压力容器制造技术有了更大的提高和发展。
就具体的压力容器焊接而言，焊条电弧焊的比例已逐步缩小，而埋弧自动焊、氩弧焊、CO2气体保护焊等先进的焊接技术已经得到广泛应用；带极堆焊、窄间隙埋弧焊和药芯焊丝气体保护焊等高效率的焊接方法设备已成为一些大型压力容器厂必备的焊接设备；小管径内壁堆焊、管子-管板自动旋转氩弧焊、马鞍形接管自动焊等一系列新型焊机也在不少工厂中得到了应用。
这对于稳定地提高压力容器焊接质量，提高压力容器制造工艺水平，无疑将起到很大推动作用。
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、无损检测及安全防护等众多行业。
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研究的基础上，压力容器技术领域也取得了相应的进展。
为了生产和使用更安全、更具有经济性的压力容器产品，传统的设计、制造、焊接和检验方法已经和正在不同程度地为新技术、新工艺所代替、而冶金机械加工、焊接和无损检测等压力容器相关行业的技术进步，是压力容器行业整体制造技术水平提高的前提条件。
中国是压力容器的生产大国，目前生产的目的主要是满足国内的需求。
生产厂家的数量（约3200家）和相应的装备能力均为世界领先，从以储气罐为代表的重型容器到高压气体运输容器等特殊的容器，中国都有很强的生产能力，并且产品的价格和质量都具有一定的竞争力。
多年的生产实践和国家的规范化管理，使我国的压力容器行业形成了装备齐全、人员配套、管理严格的生产格局，为我国的压力容器产品走向世界奠定了基础。
随着我国加入WTO和国民经济持续高速发展，压力容器制造业今后也必然会有一个很大的发展，只有认清发展趋势，才能把握住自己的发展方向，才会使压力容器制造业有更好的发展。
1储气罐的结构分析
储气罐基本构成及零件简图
储气罐是一个承受内压的钢制焊接压力容器。
在规定的使用温度和对应的工作压力下，应保证安全可靠，罐体的基本结构部件应包括人孔、封头、筒体、法兰、支座[3]。
图1为储气罐的结构简图。
图1储气罐的结构简图
筒体
本产品的筒体是用钢板卷焊成两个筒节后组焊而成，这时的筒体有纵环焊缝。
封头
按几何形状不同，有椭圆形封头，球形封头，蝶形封头，锥形封头和平盖等各种形式[4]。
封头和筒体组合在一起构成一台容器壳体的主要部分，也是最主要的受压元件之一。
此储气罐选择的是椭圆形封头。
从制造方法分，封头有整体成形和分片成形后组焊成一体的两种。
当封头直径较大，超出生产能力时，多采用分片成形方法制造，分片成形控制难度大，易出现不合格产品。
对整体成形的封头尺寸、形状，虽然易控制但一般需要有大型冲压模具的压力机或大型旋压设备，工艺设备庞大，制造成本高。
从封头成形方式讲，有冷压成形、热压成形和旋压成形。
对于壁厚较薄的封头，一般采用冷压成形。
采用调质钢板制造的封头或封头瓣片，为不破坏钢板调质状态的力学性能，节省模具制造费用，往往采用多点冷压成形法制造。
当封头厚度较大时，均采用热压成形法，即将封头坯料加热至900℃～1000℃。
钢板在高温下冲压产生塑性变形而成形，此时对于有些材料（如正火态钢板），由于改变了原始状态的力学性能，为恢复和改善其力学性能，封头冲压成形后还要做正火、正火+回火或淬火+回火等相应的热处理。
对于直径大且厚度薄的封头，采用旋压成形法制造是最经济最合理的选择[5]。
接管和法兰
接管和法兰作用是连接或供人进入容器内部的，是容器的主要组成部分。
接管与壳体间的焊接接头一般为角接接头或T形接头，但对于连接二者之间的焊缝，如果是壳体上开坡口时，则称为对接焊缝，壳体上不开坡口时称为角接焊缝[6]。
密封元件
密封元件是两法兰之间保证容器内部介质不发生泄漏的关键元件。
对于不同的工件条件要求有不同的密封结构形式和不同材质及形式的垫片，在制造时对于密封垫材料和形式不得随意更改。
容器内件
在容器壳体内部的所有构件统称为内件。
立式容器主要采用耳式支座。
为了保证采气安全性，往往对支座中的对接焊缝要进行局部甚至全部的射线检测或超声波检测。
储罐的每个零件图中均包括名称、材料、数量、重量以及相应标准，具体参数见表1。
表1零件简图及相应参数
序号
名称
标准
材料
数量
单重
（kg）
零件图及尺寸
1
接头Rp1
20#
1
2
支座A3
JB/T4727-92
Q235-B
4
29
3
封头EHA1800×8
JB/T4746-2002
16MnR
2
224
4
人孔300×
JB/2190-93
Q235-B
1
48
5
HG20592-97
20#
2
6
接管φ133×4
20#
2
7
吊耳
Q235-B
2
8
接头Rp1½
20#
1
9
接头Rp½
20#
1
10
筒体DN1800×8
16MnR
1
1213
储气罐的工艺流程图如下图2所示。
图2储气罐的工艺流程图
材料焊接性分析
本产品所采用的材质是16MnR，其特点是焊缝热影响区具有不同程度的淬硬倾向，焊缝和热影响区对冷裂纹都比较敏感。
电弧焊时，各种冷却速度下都可能在热影响区形成马氏体组织，钢中碳和合金元素的含量愈高，热影响区的淬硬倾向就愈大，同时金相组织中的马氏体组织的比例就愈高。
因此，在拟定其焊接工艺时，应以防止接头各区马氏体组织和冷裂纹形成及防止热影响区淬硬变脆为基本出发点。
16MnR钢，化学成分见表2，力学性能见表3。
焊接性良好，板厚34mm以下，焊前不需预热，焊后也不必进行热处理。
自动埋弧焊时，由于焊接线能量较大，焊接区冷却速度较慢，焊前不必预热。
本产品板厚为8mm，所以焊前不需预热，焊后也不必进行热处理。
表216MnR化学成分
钢种
技术标准
C
Si
Mn
P≤
S≤
16MnR
GB6654-96
≤
～
～
表316MnR力学性能
钢种
技术
标准
规格（mm）
拉伸试验
冲击试验
冷弯试验
抗拉强度
σｂ（MPａ）
屈服强度
σｓ（MPａ）
伸长率
δ5（%）
温度
（℃）
Akv（横向）（J）
ｂ=2ａ
180º
16MnR
GB6654
6～16
510～640
≥345
≥21
0
≥31
ｄ=2ａ
＞16～36
490～620
≥325
ｄ=3ａ
16MnR的焊条电弧焊应采用低氢型焊条E5015。
选择埋弧自动焊焊接材料时，应考虑坡口的形式，板厚和受压部件的热处理工艺。
对于不开坡口的对接接头，由于母材的熔合比比较高，在焊后不进行热处理的场合，可选用合金量较低的H08MnA焊丝配HJ431焊剂。
对于板厚超过30mm开坡口的对接接头，应采用H10Mn2焊丝配HJ431焊剂，对于焊后需作长时间消除应力处理的厚壁容器，应采用H08MnMo焊丝配HJ530焊剂。
根据本产品的特点，所选用的焊条为E5015，焊丝和焊剂分别为H08MnA和HJ431。
钢板表面净化
钢板的表面净化是钢板预处理的一个步骤，运用特定的方法或设备祛除表面的油污、铁锈、杂质、氧化皮等。
表面净化的方法大体分两类：
机械法和化学法。
化学法主要有酸洗、碱洗、盐洗等。
机械法主要有砂轮打磨、喷沙、喷丸处理。
本钢板选用喷沙作为表面净化的处理方式，除去铁锈和氧化皮。
用喷砂法做表面净化，所得钢板质量好，且效率高，但是，粉尘太大，所以一般都是在密闭的喷砂室里进行操作。
需要注意的是，近年来钢板出厂时，大都会喷一层防护漆，来避免它的腐蚀，防护漆不影响以后的加工和焊接，此时，表面净化这一工序就可省略。
钢材在轧制、运输、装卸和堆放过程中，由于自重、支承不当或装卸条件不良及其他原因，可能会产生弯曲、扭曲、翘曲、波浪变形及表面不平等变形。
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，而且会影响到成形后零件的尺寸和几何形状的精度，从而又会影响到装配、焊接和整个产品的质量。
所以在划线下料前应予以矫形。
钢材在加工过程中，也会由于受力不均等工艺原因和其他原因而使工件产生变形，为不影响下道工序的加工和确保加工质量，也需进行矫形。
另外，在装配－焊接之后，工件也会因焊接等原因，产生某些变形，亦需矫形，此为成品矫形。
矫形就是使钢材或工件在外力作用下产生与原来变形相反的塑性变形，以消除弯曲、扭曲、皱折、不平等现象，从而获得正确形状的过程。
矫形的实质就是将被拉长的纤维缩短或将缩短的纤维拉长，以恢复原状，或是使其他部分的纤维也拉长或缩短，产生与局部纤维相同的变形。
从而达到矫形的目的。
矫形的方法按操作方法的不同，可分为手工矫形、机械矫形和火焰矫形三种。
本设计采用多辊矫平机进行机械矫形。
多辊矫板机矫平钢板，是使板料通过矫板机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，整个钢板得到均匀的拉长，使多种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。
图3为多辊式矫平机的工作原理图。
本设计中，钢材16MnR，板厚为8mm。
选用九辊矫正机，其参数情况见表4。
图3多辊式矫平机工作原理图
表4矫正机参数表
辊数
辊距（mm）
辊径
（mm）
钢板最小厚≤40kg/mm²
（mm）
最大矫正度
（m/s）
主电机最大功率（kw）
9
250
220
5
180
应注意的是，不是所有的钢板都能一次矫平，是否容易矫平除与矫平机有关外，还与其本身的性质和厚度有关。
下料工艺（方法、设备）
、号料
划线和号料就是根据施工图样及工艺上的要求，正确地确定一个欲加工零件的配料尺寸和形状，并用划线的方法在钢材上号料，同时标注上必要的加工符号及其他必要内容，用以指导以后各道工序的加工。
它直接决定着零件的尺寸和几何形状的精度，而且对以后的装配和焊接工序也有很大的影响。
总体来看，划线和号料大致可以分为以下三部分操作内容和步骤：
放样展开、制作样杆样板、在钢材上进行号料。
号料尺寸公差是反映整个划线工序的最终允许公差，根据GB/T9019-2001，压力容器公称直径标准的规定，长×宽及其他外廓尺寸线为±1mm，超过一米的为L/1000，但不超过3mm；中心线、基准线为±；正方形或长方形，其对角线L1-L2之差≤2mm。
应注意的是，放样展开最后获得的尺寸是零件的设计尺寸或者说是零件加工后应得的尺寸，而样板是用来号料的，其外部尺寸应该是零件加工前坯料尺寸，这两者是不一样的。
零件的坯料尺寸是由零件展开尺寸、工艺余量和加工余量三部分组成的。
工艺余量是零件加工过程中由于工艺条件和工艺因素的影响而造成的尺寸变化和偏差。
在焊接结构制造中，主要是焊接收缩量和成型后的修边余量。
本设计中，16MnR板厚8mm，～,～。
加工余量主要包含切割余量，边缘加工余量两项。
气割时会产生一定宽度的割缝，但是当沿外侧切割时可不考虑工艺余量。
切割后尚需进行边缘机械加工，留3mm的加工余量，号料划线公差图如图4所示。
图4号料划线公差图
由于筒节为回转体，划线前要进行展开，可采用计算展开法，考虑壁厚因素，按中径展开。
根据公式：
L=π（Dg+σ）+S（1-1）
式中：
L----筒节毛坯展开长度（mm）
Dg----容器公称直径（mm）
σ----容器壁厚（mm）
S----加工余量（包括切割余量、刨边余量和焊接收缩量等）（mm），如两侧均需刨边，则取6mm。
则L=（1800+8）+6=，根据上面的计算得出下料尺寸（长×宽）3400mm×5683mm，由于没有符合尺寸的钢板，选择的钢板规格（长×宽）3500mm×6000mm。
筒节展开毛坯尺寸如图所示。
（注：
图中虚线为选板尺寸，实线为毛坯料尺寸。
）
图5筒节展开
钢板的剪裁就是按照所划的切掉线切割出零件的毛坯。
钢材的剪裁方法很多，目前金属结构制造厂常用的主要方法有：
机械剪裁，气体火焰切割和等离子弧切割等。
目前常用的机械剪切机床有：
龙门式剪板机，联合式剪板机，盘园式剪板机，振动式剪板机，以及专用或多用的型钢剪断机等。
由于剪切后仍然需要对其进行开坡口，因此，本设计选用较为方便操作的气体火焰切割方式来进行钢板的下料。
气体切割机选用CG1—30小车式半自动切割机见图6。
图6CG1—30小车式半自动切割机
气体火焰切割原理是利用可燃气体与氧气混合燃烧形成的预热火焰，将被切割的金属加热到其燃烧温度，再用喷射出高速氧气流使割缝被加热到燃点的金属发生剧烈燃烧产生大量热量，并将产生的氧化物熔渣吹除掉，从而把金属分割开来的一种加工方法。
CG1—30小车式半自动切割机主要技术参数见表5。
表5CG1-30技术参数
切割厚度
（mm）
切割速度
（mm/min）
电动机
型号
电压（V）
功率（kw）
5～60
50～750
S261
110
24
开坡口是边缘加工的一种。
其方法也很多，有手工铲削，砂轮打磨，用加工机床进行机械加工，以及气体火焰切割和碳弧气刨等。
本设计选用同款式气体切割机，进行坡口加工。
气割边缘加工可用自动或半自动切割机同时用两个或三个割嘴。
一次切割就可以切割出V型或X型坡口来。
钢板的卷制是对钢板进行弯曲加工的主要形式。
所用的最普遍的设备是对称式三辊卷板机。
三辊式卷板机的上轴可在oe垂直平面内上下调节，两个下辊为主动辊，可正反旋转，并对称于上辊中心线排列。
弯卷时将钢板放入上、下辊之间，然后上辊向下移动将钢板压紧并使之弯曲，在e点处弯矩最大，使钢板达到塑性变形状态。
再驱动两下辊旋转，并借助于钢板和辊子之间的摩擦力使钢板左右移动。
同时上辊也随之转动，这样就使钢板连续通过oe垂直平面，受到相同的弯曲，产生相同的变形。
既钢板变成曲率相同的弧形板。
一次行程之后，再将上辊下压一定距离，有驱动下辊，使钢板进一步受到弯曲。
上辊下压几次，就将钢板弯曲到需要的曲率半径。
三辊式卷板机的工作原理如图7所示。
图7三辊式卷板机工作原理图
预弯是在用卷板机弯卷钢板时，钢板两端各有一平直段无法卷弯。
为了使钢板都能弯曲成同一曲率，在卷板前要采用一定的办法，前将其两端弯曲成所需要的曲率，这就是预弯的目的。
较厚的板采用压力机进行模压弯曲，这种方法需较大型的压力机和模具；本设计板较薄，就用原三辊卷板机，借助一块预弯胎板进行辊卷预弯。
预弯过程见图8。
胎板厚度一般取卷制钢板厚度的两倍稍多一些，本设计选用的胎板厚度为19mm，其曲率半径应略小于被卷钢板的半径，这样既不致增加板机的负担，也避免损坏机床，又可以保证钢板的预弯曲率。
预弯的长度一般应超过两下辊的中心距离，本设计预弯的长度为100mm。
图8预弯过程图
当钢板弯好之后，即可将钢板放入卷板机上下辊之间，进行滚卷，但首先注意将钢板放正，也就是要对中，其目的是工件的母线要与辊子轴线平行，以防止产生扭斜。
对中常用方法有：
四辊机对中，有对中挡块的三辊机对中，倾斜进料对中，按棍中槽对中。
本设计选用三辊机对中即可。
钢板对中以后，就可以调上下辊压住钢板并使之产生一定弯曲，开动机床进行滚卷，每滚卷一次行程便适当向下调上辊一次，这样经过多次滚卷就可将钢板弯曲成所要求的曲率。
本设计应用冷卷工艺。
应注意的是：
①%；
②不致打滑和使设备不超过额定功率；
③滚卷过程中要随时用卡样板测量，是否已经达到曲率要求，不可过卷。
圆筒应封闭表面工件，当进行点装和纵缝焊接之后，一般还要进行一次校圆。
校圆多是在原卷板机上进行。
校圆大致有以下三个步骤：
①工件放入卷板机上辊之后，首先是根据经验或计算将辊调到所需要的最大矫正曲率位置，进行加载。
②使工件在矫正曲率下，多次滚卷并着重于焊缝区的滚卷，使整圈曲率均匀一致，并经测量，直至合乎要求为止。
③逐渐卸除载荷，并使工件在逐渐减少的载荷下多次滚卷。
注意：
内筒矫圆前，先要将纵缝加强高磨平，并用砂轮磨光到内筒圆弧度相平齐，然后到卷板机上进行校圆。
封头压制成形
封头的尺寸如图9所示，根据公式：
Dp=+2hk0+2δ（1-2）
=×1800+2×25×+2×5
=≈2208mm
式中：
k0----封头冲压成形时的拉伸系数，；
δ----封头边缘的加工余量，取5mm。
图9封头尺寸
封头设计尺寸，由JB/T4746-2002查得：
公称直径（DN）：
1800mm；
曲面高度（H）：
560mm；
直边高度（h）：
25mm；
厚度范围（δ）：
8mm；
内表面积（A）：
；
容积（V）：
³。
由于直径很大，材料尺寸不够，所以必须采用拼接钢板（拼板的对口错边量不得大于钢板厚度的10%，㎜），然后进行整体冲压。
压力容器封头拼板缝一般是在平板状态下完成的，焊接条件比较好，焊接坡口采用V形。
封头拼缝宜采用焊条电弧焊+埋弧自动焊组合。
拼焊焊缝的位置应满足有关标准的要求，即拼缝距封头中心不得大于1/4公称直径，拼接焊缝可预先经无损检测合格。
这可避免在冲压过程中坯料从焊缝缺陷处撕裂的可能。
坯料拼缝的余高如有碍成形质量，在成形前应打磨与母材齐平，必要时还应作表面检测。
拼接钢板时，先用焊条电弧焊进行点固焊，焊条选用E5015、、焊接电流I=kd=40×4=160A。
焊点可在钢板焊道上均匀分布，每隔一米焊大约300mm长的焊缝。
接下来要用埋弧焊把钢板拼接完整。
封头拼接完成进行X射线探伤，按JB4730-94标准，Ⅲ级合格。
拼接简图如图10所示。
图10封头下料尺寸
装配的基本条件
将零部件按图纸要求组合起来，经定位焊成为整体的工艺过程称为装配。
在进行金属结构件的装配时，将零件装配成部件称为部件装配。
将零件或部件总装起来称为总装配。
无论何种装配都必须对零件进行定位，夹紧和测量，这就是装
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