陕西科技大学期末考试复习题第十六期.docx
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陕西科技大学期末考试复习题第十六期
陕西科技大学期末考试复习题
——第十六期（焊接工艺设计实例）
陕西科技大学编
机电过控系审
第一篇.高压氮气储罐的焊接工艺
一，设计背景
储罐作为储存设备，主要是指用于储存或盛装气体、液体、液化气体等介质的设备，在化工、石油、能源、轻工、环保、制药及食品等行业得到广泛应用，如本设计中的高压氮气储罐，储罐的结构形式主要有卧式储罐、立式储罐和球形储罐，，本设计中采用立式储罐。
二，材料选择
对受内压的筒体，由于其工作介质为氮气，考虑其腐蚀性小，再综合其经济效益考虑，选择16MnR作为材料。
元素
C
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
质量分数（%）
0.16
0.36
1.53
0.015
0.0.14
0.003
0.006
16MnR材料性能分析：
16Mn钢的基体组织为铁素体+珠光体，是低合金高强钢中应用最广泛的钢，有比较成熟的经验，屈服强度为294～343MPa,基本属于热轧的低合金钢，其综合性能、焊接性及加工工艺性能均优于普通碳素钢，且质量稳定，其使用温度在-40～450℃范围内，16Mn钢作为低温压力容器时，为改善低温性能，可以在正火处理后使用。
16Mn钢是在低碳钢的基础上加入了少量合金，其加工性能与低碳钢相似，具有较好的塑性和焊接性。
由于加入了少量合金元素，其强度增加，淬硬倾向比低碳钢大，所以在较低温度下或刚性大、壁厚结构的焊接时，需要考虑采取预热措施，预防冷裂纹的产生，本设计中板厚62mm,均预热100～150℃。
由《过程设备设计》单层圆筒厚度计算公式得其厚度为54mm，加上钢板负偏差以及腐蚀余量选择厚度为62mm，可达到设计要求。
三，技术特性及要求：
3.1技术特性：
高压氮气储罐材料16MnR,工作压力12.1MPa，属于第三类压力容器，设计压力13MPa，工作温度-12.6～68℃，设计温度70℃，腐蚀裕度1.5mm，焊接接头系数1.0，液压试验压力16.47MPa（卧放），全容积21.7m3，充装系数1.0，安全阀开启压力13MPa
3.2技术要求：
1）设备的施工与验收应符合《工程建设标准强制性条文》中的相关规定
2）焊接采用电弧焊，焊条型号，低合金钢之间E5016，碳钢间E4303
3）焊接接头的形式及尺寸按图要求，角焊缝的焊脚高度为较薄件的厚度，法兰的焊接按相应的法兰标准规定，对接接头与角接接头需全焊透，接管焊缝成形表面均应圆滑过渡，不得有裂纹、咬边、及棱角.
4）壳体钢板按GB6654-1996《压力容器钢板》及修改单中正火状态供货，且逐张进行超声检测，质量标准应不低于JB/T4730.3-2005中规定的II级，壳体的A类纵向焊接接头制备产品焊接试板，按《容规》第25条进行材料复验，坡口表面进行100％磁粉检测，并符合JB4730.4-2005中规定的I级
5）塔体直线度允差25mm,安装垂直度允差为25mm
6）裙座螺栓孔中心圆直径允差以及任意两孔弦长允差均为2mm
7）壳体用钢板轧制，逐张进行-15℃夏比（V型缺口）冲击试验（横向），三个试样冲击平均值不得低于20J，允许其中一个试样冲击功小于平均值，但不得小于14J
8）钢管应逐根按JB/T4730.3-2005中I级为合格
9）裙座筒体与底封头的焊接接头必须采用全焊透连续焊，并进行磁粉检测，符合JB/T4730.4-2005中I级为合格
10）设备压力试验合格后对全部焊缝按JB/T4730.4-2005进行磁粉检测，符合I级为合格，复验焊缝总长的20％
11）热处理后，设备本体不得再行施焊
四，焊接工艺设计
4.1焊缝编号及示意图
4.2接管与壳体,封头的焊接（1D,2D,3D）
由GB150-1998《钢制压力容器》规定，接管，人孔，凸缘，补强圈等与壳体连的接头。
为D类焊缝。
由此选择焊缝类型为D类焊缝。
金属牌号及规格：
16MnR
4.2.1焊接方法的选择
手工电弧焊的优点
①焊接设备价格低。
②可以焊接多种不同的金属，包括最常用的金属和合金。
③在狭窄空间焊接的场合，采用手工电弧焊比较方便、实用。
④对于同样的焊接设备，采用不同的电流设置，获得满足使用要求的焊缝。
⑤适合各种位置的焊接。
⑥与气体保护焊相比，不易受到风的影响。
⑦对焊接金属的最大厚度没有限制
⑧在大多数天气情况下都可以进行焊接。
手工电弧焊的缺点
①不适合焊接厚度小于1.5mm的薄板。
②负载率和总的熔敷效率一般比送丝焊接方法低，当焊条消耗完毕或需要更换焊条时，焊接过程也暂时中断。
③并非整根焊条都可以充分利用，焊钳中被夹持的部分必须丢弃，一般要浪费25～50mm长度的焊条。
④频繁地更换焊条也增加了焊接缺陷的产生
埋弧自动焊的优点是：
①生产效率高。
埋弧自动焊的生产率可比手工焊提高5～10倍。
因为埋弧自动焊时焊丝上无药皮，焊丝可很长，并能连续送进而无需更换焊条。
故可采用大电流焊接（比手工焊大6～8倍），电弧热量大，焊丝熔化快，熔深也大，焊接速度比手工焊快的多。
板厚30毫米以下的自动焊可不开坡口，而且焊接变形小。
②焊剂层对焊缝金属的保护好，所以焊缝质量好。
③节约钢材和电能。
钢板厚度一般在30毫米以下时，埋弧自动焊可不开坡口，这就大大节省了钢材，而且由于电弧被焊剂保护着，使电弧的热得到充分利用，从而节省了电能；
④改善了劳动条件。
除减少劳动量之外，由于自动焊时看不到弧光，焊接过程中发出的气体量少，这对保护焊工眼睛和身体健康是很有益。
埋弧自动焊的缺点是适应能力差,只能在水平位置焊接长直焊缝或大直径的环焊缝。
综合考虑，由于进行的是双面焊接，手工电弧焊设备简单，操作方便适合全位焊接的呢个特点，因而内面采用手工电弧焊。
而外面为加大熔深，提高生产率，采用埋弧焊。
最终确定焊接方法为：
手工电弧焊+埋弧焊
4.2.2坡口形式
由于焊接厚度为62mm，因而需要开坡口，由于厚度比较厚，若开V型坡口的话，产生叫大的开口，一方面会浪费较多的焊条，而且焊接费时间，若开U型坡口的话，可以减小开口，而且U型坡口有利于焊剂的流入，同时可以减小焊接应力，减少裂纹的产生。
因而最终选择U型坡口，具体的坡口形式如下图所示：
4.2.3焊接姿势：
平焊
4.2.4焊接材料的选择
1）焊条的选择：
焊条的选用主要考虑焊缝的使用性和施焊的工艺性，焊条选择的主要原则有以下几点。
（1）根据被焊金属材料的类型，选择相应焊条种类的大类。
如焊接母材是普通低合金钢时，选用结构钢类型的焊条。
（2）根据被焊母材的性能，选用与其性能相同的焊条，或选用熔敷金属与母材化学成分类型相同的焊条，以保证母材性能与焊缝相同。
（3）选择焊条时还要考虑工艺方面，主要是操作方便，易获得优良的焊缝。
（4）从价格考虑，在满足性能及施工要求的前提下，尽量选用熔敷效率高、价格低的焊条，从而提高生产率，降低成本。
2）焊丝的选择：
药芯焊丝国内应用尚不普遍，活性焊丝主要用于气体保护焊，故选择实芯焊丝。
常用的低合金埋弧焊实芯焊丝有以下三类：
（1）低锰焊丝（如H08A）：
常配合高锰焊剂，用于低碳钢和强度较低的低合金钢焊接
（2）中锰焊丝（如H08MnA,H10MnSi）：
主要用于低合金钢焊接，并可配低锰焊剂焊接低碳钢
（3）高锰焊丝（如H10Mn2,H08Mn2Si）：
用于焊接低合金钢。
3）焊剂的选择：
说明:
JQ.SJ101是氟碱型烧结焊剂，碱度约为1.8，灰色圆形颗粒，粒度为2.0～0.28mm（10～60目）。
焊接时电弧燃烧稳定，脱渣容易，焊接成型美观，熔敷金属具有较高的低温冲击韧性，可交直流两用，直流焊接时焊丝接正极。
用途:
配合适当的焊丝（如H08MnA、H10Mn2、H08MnMoA、H08Mn2MoA等），可焊接多种低合金结构钢，如船体、锅炉压力容器、管道等。
可用于多层焊、双面单道焊、多丝焊及窄间隙埋弧焊。
焊剂参考成分（%）
S
P
SiO2+TiO2
CaO+MgO
Al2O3+MnO
CaF2
≤0.060
≤0.080
15~25
25~35
20~30
15~25
熔敷金属力学性能（按GB/T5293-1999）
项目
σb
σs
δ5
AKV（J）
配合焊丝
（Mpa）
（Mpa）
（%）
室温
0℃
-20℃
-40℃
H08MnA
415-550
≥330
≥22
≥150
≥110
≥80
≥27
H10Mn2
480～650
≥400
≥22
≥150
≥110
≥80
≥27
H08MnMoA
550～650
≥420
≥20
≥90
≥70
≥34
—
H08Mn2MoA
620～750
≥500
≥20
≥90
≥70
≥34
—
配合H10MnSi等焊丝可焊接低碳钢和某些低合金钢（16Mn）结构。
故选择焊剂SJ101
根据焊接工艺要求，选用焊条J507，并查常用焊丝焊剂表，选用焊丝H10MnSi
焊剂SJ101。
1）工艺要求
（1）预热温度的确定
为保证母材的材质不会受到影响而且具有很好的焊接性能，选择预热温度为≥130℃
（2）坡口加工：
机加工
坡口处理方法：
为步影响焊接质量，在施焊前应当清除坡口以及母材两侧表面20mm范围内（以离坡口边缘的距离计算）的氧化物，油污，熔渣以及其他由害物质。
（3）层间温度：
100-250℃
（4）清根方法：
碳弧气爆并打磨
（5）焊后热处理及时间
根据《过程装备制造与检测》表5-67得回火温度为580-620℃，由于厚度为62mm，因此得出热处理时间约为2小时。
焊后热处理目的是：
a松弛焊接应力
b稳定结构形状和尺寸
c改善母材，焊接接头和结构件的性能
2）工艺顺序
（1）坡口清理
（2）预热：
装配点焊
（3）预热：
内面焊条电弧焊
（4）预热：
外面清根并打磨
（5）预热：
外面埋弧焊
（6）焊后热处理
3）焊接规范
内面焊接—焊条电弧焊
1）确定焊条直径
由被焊工件的厚度选择焊条直径为5mm
2）焊接电流的确定
根据焊条直径查《过程装备制造与检测》表5-15，确定焊接电流为200-270A
3）焊接电压的确定
手工电弧焊，焊接电压选择为22-30V，其电压主要由电弧长度决定，电弧长则电弧电压高，反之则电压低。
电弧过长则不稳定，熔深浅，熔宽增加，易产生咬边等缺陷，同时空气容易侵入，易产生气孔，飞溅严重，浪费焊条，电能，效率低。
生产中尽量采用短弧焊接，电弧长度一般为2-6mm
4）焊接速度V的确定
由书本查得焊接线能量约为qv=18KJ/cm;
由焊接线能量公式qv=0.7UI/v得焊接速度为
v=0.7*（20～30）*（200～270）/18KJ·cm-1=15～20cm/min
选择焊接速度约为18cm/min
5）电源种类以及极性的确定
由J507焊条对应国标为E5015，即说明熔敷金属抗拉强度为50MPa，焊条适应焊接位置为平焊，药皮类型为低氢钠型，焊接电源为直流反接。
6）焊接层数的确定
厚板焊接一般要开坡口，同时采用多层多道焊，每层焊接厚度步超过5mm，手工电弧焊一次最大熔深约为6～8mm当每层厚度约为焊条直径的0.8～1.2倍时，生产效率高。
由公式n=D/d（此处厚度用D表示）得焊接层数n=62/5=13层
7）焊钳，焊接电缆的确定
由《过程装备制造与检测》表5-9得，选择G325可以满足焊接要求
8）焊工护目遮光镜片选用
由《过程装备制造与检测》表5-11以及焊接电流为200-270A，选择电弧镜片号为11-12；碳弧气爆镜片为12-14
外面焊接—埋弧焊
选择焊丝直径为5mm以及焊接速度要求选择MZ-1000型焊机
根据手工电弧焊工艺参数的确定方法依次确定各参数如下表格
焊接牌号及焊丝焊剂
焊丝直径
（mm）
电源种类及极性
焊接电流（A）
焊接电压（V）
焊接速度（cm/min）
J507
H10MnSi+SJ101
5
直流反接
400-1200
32-36
>22
接管与封头，其中各种设计角度及尺寸来源于《过程设备设计》附表，表B3中内容。
筒体的焊接详图如下，
（图二）接管与壳体焊缝详图
（图三）接管与底封头焊接详图
4.3各筒节纵向焊缝焊接工艺分析
由GB150-1998《钢制压力容器》规定，圆筒部分的纵向接头，球形封头与圆筒连接的环向接头，各类凸形封头中的所有焊接接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头均属A类焊接接头。
因而确定为A类接头，
4.3.1工艺要求：
1）预热温度120℃
2）坡口加工方法：
机加工坡口，并清除油锈
3）层间温度：
100-250℃
4）后热温度及保温时间：
250-300℃*2hr
5）清根方法：
碳弧气刨并打磨
6）焊接接头如图示：
（图四）筒体纵向焊接接头详图
4.3.2工艺顺序：
1.清理坡口，并进行磁粉检测（MT）
2．预热，并进行装配点焊
3．预热，内部进行埋弧焊
4．预热，外部清根并打磨，进行MT检测
5．预热，外部进行埋弧焊
6．焊后热处理
4.3.3焊接规范：
焊接牌号及焊丝焊剂
直径（mm）
电源类型
及极性
焊接电流
A
焊接电压
V
焊接速度
cm/min
内面手工电弧焊
J507
H10MnSi
5
直流反接
200-270
22-26
18
外面埋
弧焊
J507
H10MnSi
5
直流反接
400-1000
32-36
>22
4.4各筒节环向焊缝焊接工艺分析
由国标150-1998《钢制压力容器》规定，壳体部分的环向焊接接头，锥形封头与接管连接的接头等均属于B焊头,已经规定的除外。
因而经确定筒节环向焊缝为B类焊缝。
4.4.1工艺要求：
（前面已经详细叙述过确定过程，不再赘述）
1）预热温度120℃
2）坡口加工方法：
机加工坡口，并清除油锈
3）层间温度：
100-250℃
4）后热温度及保温时间：
250-300℃*2hr
5）清根方法：
碳弧气刨并打磨
6）焊接接头如图所示：
4.4.2工艺顺序：
1.清理坡口，并进行磁粉检测（MT）
2．预热，并进行装配点焊
3．预热，内部进行埋弧焊
4．预热，外部清根并打磨，进行MT检测
5．预热，外部进行埋弧焊
6．焊后热处理
4.4.3焊接规范：
焊接牌号及焊丝焊剂
直径（mm）
电源类型
及极性
焊接电流（A）
焊接电压
V
焊接速度
cm/min
内面手工电弧焊
J507
H10MnSi
5
直流反接
200-270
22-26
18
外面埋
弧焊
J507
H10MnSi
5
直流反接
400-1000
32-36
>22
4.5焊后热处理工艺参数
1）热件入炉或出炉时的温度不得超过400℃，但对厚度差较大、结构复杂、尺寸稳定性要求较高、残余应力值要求较低的被加热件，其入炉或出炉时的炉内温度一般不宜超过300℃。
2）升温至400℃后，加热区升温速度不得超过（5000/δs）℃/h，且不得超过200℃/h，最小可为50℃/h。
3）温时，加热区内任意5000mm长度内的温差不得大于120℃。
4）温时，加热区内最高与最低温度之差不宜超过65℃。
5）温保温期间，应控制加热区气氛，防止焊件表面过度氧化。
6）炉温高于400℃时，加热区降温速度不得超过（6500/δs）℃/h，且不得超过260℃/h，最小可为50℃/h。
7）焊件按1）炉温度出炉后应在静止空气中继续冷却
第二篇加氢反应器封头焊接设计
1.任务分析
1.1设计背景
从结构形式讲，加氢反应器分冷壁加氢反应器和热壁加氢反应器，20世纪60年代初由于冶炼水平与制造水平有限，加氢反应器多数冷壁结构形式，即在反应器内衬上很厚的大颗粒珍珠岩混凝土保温层以保证反应器壳体的壁温不致过热。
20世纪70年代以后随着技术的不断发展逐渐由冷壁加氢反应器转向热壁加氢反应器。
热壁加氢反应器克服了冷壁反应器的不足，内壁不需要衬保温层，具有有效体积利用率高、施工周期短、生产维护方便、安全可靠等特点，因此为世界各国普遍采用并且向大型化发展。
1.2技术参数
技术特性表
容器类别类
三
设计压力MPa
8.63
设计温度℃
435
操作压力MPa
7.55
操作温度℃
409
公称壁厚mm
78
焊接接头系数
1
腐蚀余量量mm
2
操作介质
催化柴油、焦化柴油
容器规格mm
Φ3613×（78+6.5）×30200
主体材质
2.25Cr-1Mo
1.3结构分析
加氢精制反应器为板焊结构，其内径φ3600㎜，壁厚98㎜，由2节组成；封头内半径1806㎜，壁厚78㎜，总重量170000Kg。
整个容器位于裙座圈上，总高度约13000㎜，容器内壁（该包括封头、筒体、法兰以及接管和弯管）全部堆焊309L+347不锈钢，反应器设有油气进出口、催化剂卸料口、冷氢进口、热电偶口、人孔等接管孔，所有接管均采用整体补强结构，裙座采用对接结构，各接管密封采用八角垫结构，设备上下各有一个弯管。
容器内部焊有凸台（一周），安装有冷氢盘、分配盘等内件。
材料选用15CrMoR
材料
加氢反应器是炼油化工行业中加氢装置的核心设备，工作条件十分苛刻，要求设备既耐高温（约400-450℃）、高压（8-18MPa），还要能抗氢腐蚀，为此，一般选用Cr-Mo耐热钢制造壳体，有的1Cr-0.5Mo或1.25Cr-0.5Mo-Si，但更多的选用2.25Cr-1Mo钢。
2.25Cr-Mo钢材各组分含量
成分
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
含量
0.15%
0.12%
0.54%
0.007%
0.003%
2.23%
0.95%
1.4焊接要求概述
焊接是压力容器制造中的一种主要加工方法之一,如平板拼接、筒节与筒节、筒节与封头、人孔、接管与壳体及法兰的连接,内件的组焊以及支座与壳体的连接等等,大多由焊接的方法完成。
通过分析大量的质量事故使人们认识到压力容器的安全性与材料选择、焊接工艺过程、焊接质量管理有很大的关系。
焊接工艺设计最终产生的焊接工艺文件具有法令性,将成为生产制造活动中所必须遵循的规范和依据。
目前，国内也早就形成了一套较为健全的与焊接工艺规程及评定相关的国标和行业标准，如JBT4708-2000、GB150-1998、JB4420-1986《锅炉焊接工艺评定》、《蒸气锅炉安全技术监察规程》、《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》、JB/T1609-1993《锅炉锅筒制造技术条件》等。
1、焊接环境出现下列任一情况时,须采取有效防护措施,否则禁止施焊
a.风速:
气体保护焊时大于2m/s,其它焊接方法大于10m/s；
b.相对湿度大于90%；
c.雨雪环境；
d.焊件温度低于-20℃。
2、当焊件温度为0～-20℃时,应在始焊处100mm范围内预热到15℃以上。
3、应在引弧板或坡口内引弧,禁止在非焊接部位引弧.焊缝应在引出版上收弧,弧坑应填满。
4、防止地线、电缆线、焊钳与焊件打弧。
5、电弧擦伤处的弧坑需经打磨,使基均匀过渡到母材表面,若打磨后的母材厚度小于规定值时,则需补焊。
6、受压元件的角焊缝的根部应保证焊透。
7、双面焊须清理焊根,显露出正底的焊缝金属.对于自动焊,若经试验确认能保证焊透,亦可不作清根处理。
8、接弧处应保证焊透与熔合。
9、施焊过程中应控制层间温度不超过规定的范围.当焊件预热时,应控制层间温度不得低于预热温度。
10、每条焊缝应尽可能一次焊完.当中断焊拉旮,对冷却纹敏感的焊件应及时采取后热、缓冷等措施.重新施焊时,仍需按规定进行预热。
11、采用锤击改善焊接质量时,第一层焊缝和盖面焊缝不宜锤击。
12、引弧板、引出板、产品焊接试板和焊接工艺纪律检查试板不应锤击打落
2.焊接工艺准备
2.1焊接技术选择
球形封头属于不可展的零件，但生产中冲压加工或旋压加工是毛坯料展开后的图形都为圆形，所以只需要求出展开后的半径或直径即可，采用经验法进行计算
Do=KDm+2h
Do为包括了加工余量的展开直径；K为经验系数
Dm中性层直径；h封头的直边高
经查表，由球形封头a：
b=1，所以K取1.42由于
由总图可知，Dm=3613+78=3691h=0,因此Do=1.42X3691=5167.4mm
由标准钢板的规格限制以及展开计算可以得知，需要多块钢板，因此采用拼焊缝技术，并选用埋弧自动焊。
2.2焊缝坡口的选择和制备
（1）焊接接头坡口形状和几何尺寸的设计，应遵循以下原则：
a.焊缝填充金属尽量少；b.避免产生缺陷；
c.减少残余焊接变形与应力；d.有利于焊接防护；e.焊工操作方便；
f.复合钢板的坡口应有利于减少过渡层焊缝金属的稀释率。
（2）由主材为2.25Cr-1Mo，以及标准抗拉强度，因此采用冷加工方法加工坡口，由钢板的厚度比较大，考虑材料的成本以及毛坯直径过大，应采用单面外向的坡口。
（3）坡口制备
1、碳素钢和标准抗拉强度不大于540MPa的碳锰低合金钢可采用冷加工,也可采用热加工方法置备坡口。
2、标准抗拉强度大于540MPa的碳锰低合金钢、铬钼低合金钢和高合金钢宜采用冷加工法.若采用热加工方法,对影响焊接质量的表面层,应用冷加工方法去除。
3、焊接坡口应保持平整,不得有裂纹、分层、夹渣等缺陷,尺寸符合图样规定。
4、坡口表面及两侧（手弧焊各10mm,埋弧焊、气体保护焊各20mm,电渣焊各40mm）应将水、铁锈、油污、积渣和其它有害杂质清理干净。
5、奥氏体高合金钢坡口丙侧各100mm范围内应刷涂料,以防止沾附焊接飞溅。
6、按焊接技术要求加工坡口，坡口两侧30mm范围内清理污物，然后按焊接工艺施焊；
7、焊条、焊剂按规定烘干、保温;焊丝需去除油、锈;保护气体应保持干燥。
2.3焊接材料的选择
（1）埋弧焊的焊丝主要有实心焊丝和药芯焊丝两种，生产中主要使用前者。
焊丝直径的选取依用途而定，自动埋弧焊一般使用直径为（3-6mm）的焊丝，以发挥埋弧焊大电流和高熔敷率的有优点。
焊丝直径（mm）
1.5
2.0
2.5
3.0
4.0
5.0
6.0
电流范围，A
115-500
125-600
150-600
200-1000
340-1100
400-1300
600-1600
焊丝H08MnA、H08A、广泛用于压力容器等行业，更适用于中、厚板的焊接，三者均属于中锰中硅型焊丝，与中锰、硅的焊剂相匹配，对母材上的锈迹不敏感，焊道成型及脱渣性能优良。
其主要参数如下：
牌号\成分
Mn
C
Si
S
Ni
Cr
H08A
0.30-0.55
≤0.10
≤0.03
≤0.030
≤0.30
≤0.20
H08MnA
0.80-1.10
≤0.10
≤0.07
≤0.030
≤0.30
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