1、气液分离罐罐体制作工艺设计焊接结构课程设计说明书-气液分离器生产工艺姓名： 班级： 系部： 学号： 指导老师： 2013-2014第二学期摘 要本设计编制的是气液分离器的制造工艺，按照在承压等级的基础上，综合压力容器工作介质的危害性（易燃、致毒等程度）进行分类，此容器属于类容器。此容器受压元件材料主要为Q245R，故在讨论Q245R焊接性的基础上对该容器进行制造工艺编制。本产品制造、试验和验收按GB1501998钢制压力容器中的技术条件规定执行。本次设计的气液分离器筒体由426mm14mm2700mm厚的筒体，封头426mm14mm由热压方法获得。本设计首先介绍了气液分离器的结构，并分析了制造
2、本产品的材料如Q245R钢的化学成分、力学性能及焊接性，然后分析了该容器焊接制作工艺流程。文中详细论述了气液分离器加工、装配、焊接工艺。同时对容器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。文中重点阐述了装配焊接工艺，包括筒节的纵缝装配焊接、筒节及封头的环缝装配焊接、筒节及筒节的环缝焊接等。如装配方法、焊条、焊剂及焊丝及焊接方法的选择、焊接参数的选取等。并对容器的焊后试验、气密性试验等进行了必要的说明。压力容器是容器的一种，是指最高工作压力0.1MPa，容积25，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。这类结构大都在一定的温度和压力下工作，且相当一
3、部分结构的工作介质或内部充装物为易燃易爆，或具有强烈腐蚀性，或有毒的物质，一旦发生泄露或者断裂破坏，就可能产生灾难性的后果，造成人民生命财产的严重损失。因此，必须保证该类结构在工作和运行中的安全可靠性，必须按照产品设计的技术要求中专门的技术规范来进行制造生产，严格控制质量，并且要由专设机构来进行监督和检查。世界各国对于压力容器的制造和使用都非常重视，均设有专门机构，制定了详细的技术规范和检查标准。压力容器产业的发展离不开机械、冶金、石油化工、电脑信息、经济管理和安全防护等诸多工程技术的改革创新，或者说它是在多项新材料、新技术、新工艺综合开发的基础上发展的工业产品。在科学技术不断提高的今天，压力
4、容器行业的发展当然也离不开先进技术的使用。气液分离器生产工艺1. 气液分离器概述气液分离器可安装在气体压缩机的出入口用于气液分离，分馏塔顶冷凝冷却器后气相除雾，各种气体水洗塔，吸收塔及解析塔的气相除雾等。气液分离器也可应用于气体除尘，油水分离及液体脱除杂质等多种工业及民用应用场合。1.1结构形式罐体为单层压力容器，见图1。气液分离器示意 图11.2 主要技术参数（见表1）表1 气液分离罐主要技术参数设计压力/MPa6腐蚀裕度/mm1.5卧置试压/MPa设计温度/50焊缝系数0.9地震烈度计算风压保温材料泡沫石棉容积/m29.5操作介质保温层厚度/mm60容器类别类1.3 材料分析（见表2）表2
5、 化学成分表材料CSiMnPSAltQ245R0.200.350.501.000.0250.0150.0202. 母材的选择及检验2.1母材的选择罐体封头板采用Q245R，其力学性能及化学成分见表2和表3。裙座、筋板采用Q235。表2 化学成分表材料CSiMnPSAltQ245R0.200.350.501.000.0250.0150.020表3 力学性能钢板厚度/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/J180弯曲试验 弯曲直径（b35mm）3-16400-52024525031d=1.5a16-36400-52023525031d=1.5a36-60
6、400-52022525031d=1.5a60-100390-51020524031d=2a100-150380-50018524031d=2a2.2 焊接性分析1）16MnDR的焊接性分析16MnDR钢焊接中需注意如何保证焊接接头的低温韧性,以防止低温使用时发生脆性裂纹。根据碳当量计算公式计算出16MnDR的碳当量为0.49%,说明淬硬倾向小,室温下焊接一般不易产生冷裂纹,且硫、磷含量控制较低,所以也不易产生热裂倾向。板厚小于25mm时不需要预热,板厚超过25mm、接头刚性拘束较大或环境温度过低时,可在焊接之前进行预热,预热温度为100150。当板厚大于16mm时,要进行焊后消除应力热处理。
7、为了消除焊接应力,进一步改善焊接接头性能,对气液分离罐进行焊后整体热处理。热处理温度为580640,在600下保温3 h,升温速度不大于200/h,降温速度不大于260/h,随炉自然冷却。2）Q235的焊接性分析Q235的含碳量(0.25%)低，其它合金元素含量也较少，在通常情况下不会因焊接而引起严重的硬化组织或淬火组织，因而适用于各种焊接方法进行焊接，一般而言不需要采用特殊的焊接工艺措施即可得到优质的焊接接头。这种钢材的塑性和冲击性优良,焊接接头的塑性也很好，在焊接时一般不需要预热，控制层间温度和后热，焊后也可不用热处理改善组织。在焊接Q235钢时，应着重注意防止结构拘束应力和不均衡的热应力
8、所引起的裂纹。用电弧焊焊接低碳钢时，为了焊缝金属的塑性、韧性和抗裂性能，通常都是使焊缝金属的碳含量低于母材，依靠提高焊缝中的硅、锰含量和电弧焊所具有较高的冷却速度来达到及母材等强度。因此，焊缝金属会随着冷却速度的增加，其强度会提高，而塑性和韧性会下降。为了防止过快的冷却速度，当厚板单层角焊缝时，其焊角尺寸不宜过小；多层焊时，应尽量连续施焊；焊补表面缺陷时，焊缝应具有一定的尺寸，焊缝长度不得过短，必要时应采用100150的局部预热。某些焊接方法热源不集中或线能量过大，如气焊和电渣焊等，引起焊接热影响区的晶粒区晶粒更加粗大，从而降低接头的冲击韧性，因此，重要结构焊后往往要进行正火处理。3.罐体制造
9、工艺流程图2是此次罐体内筒体和封头设计的工艺流程图，其他部件制作参照流程图。筒节制造工艺流程图钢板的复检预处理下料 钢板的卷制钢板的对中钢板的预弯边缘加工 纵缝装配焊接矫圆封头制造工艺流程图钢板的复检预处理 加热 边缘加工下料 压制 二次切割总装配焊接工艺筒节间或筒节及封头装配环缝焊接附件装配焊接 无损探伤 消除应力热处理 包装出厂 图2 气液分离罐罐体生产工艺流程图4 筒体的制作工艺4.1备料加工1）钢板的复检钢板在进行加工之前要对其进行复检，所谓的复检就是对钢板进行必要的化学成分、各种力学性能、表面缺陷及外观尺寸的检查。钢板进厂后，要对其附带的料单进行验收。需要查验料单上列出的钢板的化学成
10、分和力学性能。在此基础上还要对钢板进行抽样来做化学成分和力学性能的检验（如拉伸试验、冲击试验等等）。待复检合格后，才能对其进行加工。对于试验所得出的结论及料单不符的钢板，要进行返货。2）钢板的预处理(1) 钢材的矫正 在复检合格之后，要对钢板进行预处理。进厂的钢材可能在轧制、运输、装卸和堆放过程中，由于种种原因可能会产生弯曲、扭曲、波浪等变形。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，而且会影响到成形零件的尺寸和几何形状的精度，从而影响到装配、焊接和整个产品的质量。所以在划线、下料前应予以矫正。所谓矫正就是在外力的作用下给钢板施加一个及原来变形相反的力，以消除弯曲
11、、扭曲、皱折、表面不平等变形，从而获得正确形状的过程。矫正方法有手工矫正、火焰矫正和机械矫正。本设计选用42009辊式中厚板矫平机来对钢板进行矫正。其工作原理如图3所示。 图3多辊矫平机工作原理图1.导向辊 2. 上支承辊 3. 上工作辊 4. 下支承辊 5. 下工作辊42009辊式中厚板矫平机技术参数如表6所示表6 42009辊式中厚板矫平机技术条件厚度/mm宽度/mm长度/mm温度/辊数辊距/mm640150040002000180006008009360辊径辊长/mm上横梁开口度/mm传动比/i矫平速度/(m/s)主电动机/kw320mm4200240220.30.8125(2) 钢板的
12、表面预处理 钢板的表面预处理主要指清除钢材和零件表面的锈、油污和氧化物等。清理的方法主要有两类：机械法和化学法。机械法包括喷砂和喷丸、磨光机或钢丝刷、砂布打磨、刮光或抛光等。化学法主要是用溶液进行清理。钢材表面的预处理对于提高产品质量、延长产品的寿命、减少环境污染具有重要的意义。本设计采用喷丸的处理方法，因为此方法比较彻底，效率高。(3) 展开 复检合格后，进行矫正、喷丸及喷漆等处理加工，之后进行划线下料。由于内筒为圆柱形回转体，划线前要进行展开，采用计算展开法，考虑壁厚因素，按中径展开。具体展开公式如下： 式中 L筒体毛坯展开长度（mm）； Dg容器公称直径（mm）； 容器壁厚（mm）； s
13、加工余量（包括切割余量、焊接收缩量）（mm）。L=3.14（2600+10）+8=8203.4（mm）筒体展开后，其实就是一块矩形金属板。毛坯宽度为内筒的长度，其大小取决于原材料的宽度和容器上焊缝的分布情况（焊缝不允许十字交叉）。注意，毛坯实际宽度也要包括加工余量（可在某一块板料上加放焊接收缩量）。每边加30mm，两边一共60mm。则8203.4+60=8263.4（mm）。需要钢板规格及数量：9000500016（1张）如图4。(注：图中虚线为选板尺寸，实线为毛坯料尺寸)图4筒体展开图(4) 划线、号料及下料划线后进行下料加工。下料的同时将坡口加工出来，用气体火焰切割机完成此工作。 划线 应
14、根据材料规格进行下料、排版，其尺寸应比理论计算的尺寸每边再多加30mm。 标记移植 在划好线的钢板上作标记移植，并填好标记移植检查记录。 下料 采用气体火焰切割机下料，长度及宽度误差不应大于0.1mm。(5) 边缘加工 用气割去除加工余量（即二次下料），同时进行坡口加工，坡口加工后必须仔细检查表面质量和曲率。坡口表面不得有分层、裂纹或影响焊接质量的其他缺陷。经着色和超声波检验合格后，在坡口上涂上防锈漆，焊接时不必除去。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。气体火焰切割原理是利用可燃气体及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
15、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。CG130小车式半自动切割机主要技术参数如表7所示。表7 CG1-30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/kw56050750S26111024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。至此内筒的备料加工工艺过程结束。4.2筒节的卷制卷板机的主要结构形
16、式分为三辊、四辊及立式卷板机。本设计采用对称式三辊卷板机进行钢板的卷制。对称式三辊卷板机的工作原理如图5所示，其上辊1可在垂直方向上下调节。两下辊为主动辊，可正反两方向旋转，并对称于上辊中心线排列。弯曲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，是钢板达到塑性变形状态，再驱动两下辊旋转，并借助于钢板及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，就使钢板连续通过垂直面，受到相同的弯曲，产生相同的的变形。钢板成为曲率相同的弧形板。一次行程之后，再将上辊下压一定距离，又驱动下辊，使钢板进一步受到弯曲。上辊几次下压，就将钢板弯曲到需要的曲率半径。板料的两端不能同时进入三
17、辊之间的部分得不到弯曲，称为剩余直边。剩余直边的长度约为两下辊中心距的一半。坯料经卷弯后所得的曲率取决于辊轴的相对位置、板料的厚度和力学性能。它们之间的关系可以近似的用下式表示： 式中：, 辊轴的直径，mm；s板料的厚度，mm；R零件的曲率半径，mm；H，B辊轴之间的距离，mm。钢板在常温下弯曲加工时，其曲率半径不应小于某一最小规定允许值，若超过规定值，超过材料常温下塑性变形能力，则应进行热弯。通常根据规定D/ s 40，可进行冷弯；D/s40，可以冷弯。图5 三辊卷板机工作原理示意图1.上辊 2.下辊 3.板料主要工序步骤有：钢板的预弯、对中、卷圆、矫圆。1）预弯常用的预弯方法有二种，利用弯
18、曲模和卷板机预弯（适于02，24mm），利用楔垫板预弯（适于较薄板）和利用模具和压力机预弯（适于各种板厚），它分为专用模具预弯（适用于批量生产）和通用模具预弯（用于单件小批量生产）。本产品钢板厚度为16mm，可采用弯曲模和卷板机预弯的方法进行预弯，利用弯曲模和卷板机预弯的工作原理如图6所示，模板厚度一般取卷制钢板厚度的两倍或稍多些，其曲率半径应小于被弯曲钢板的曲率半径，这样既可以不致增加卷板机的负担，免于损坏机床，又可以保证钢板的预弯曲率。预弯的长度一般应大于两下辊中心距的一半，可取（620），通常为150200mm。图6胎板预弯工作原理图2）对中板料预弯之后，将放入卷板机上下辊之间进行滚卷前
19、必须使板料的母线及辊的轴线平行，使板料的纵向中心线及辊的轴线保持相互垂直，也就是对中。其目的是防止钢板在滚卷过程中产生扭斜。本产品用倾斜进料对中的方法进行对中，具体方法如图7所示。图7 对中方法3）卷圆钢板对中后，即可用上辊压住板料并使之产生一定弯曲，开动机床进行滚卷。每滚卷一个行程，便适当下调上辊一次，这样经过多次滚卷就可将板料弯曲成所要求的曲率。调整上辊的次数和每次调节量的大小，可依下述原则来确定：冷卷时不得超过材料允许的最大变形率。板料不致打滑，且不超过设备的额定功率。在滚卷过程中还应注意随时用卡样板测量，看是否达到曲率要求，不可过卷量太多，因过卷比曲率不足难以修正，且易使金属性能变坏，
20、但冷卷时，考虑到回弹的影响，必须施加一定的过卷量。当卷制达到要求曲率时，还应在此曲率下多卷几次，以使其变形均匀和释放内应力，减少回弹。4）矫圆矫圆大致分三个步骤：加载 根据经验或计算将辊筒调到所需的最大矫正曲率位置。滚圆 将滚筒在矫正曲率下滚卷12圈（着重滚卷近焊缝区）使整圆曲率均匀一致。卸载 逐渐卸除载荷，使工件在逐渐减少的矫正载荷下多次滚卷。5）卷板质量的控制钢板卷制的质量控制，除按工艺要求、正确的选择加工方法和工艺规范、正确的施焊外，还要注意防止各种缺陷的产生，以及对已经产生的缺陷加以排除。（1）外形缺陷 由材料性能、规格、下料精度，焊接质量，操作方式及工艺规范的差异所引起的筒节形状和尺
21、寸产生的误差。（2）表面压伤 在工件表面和辊子之间存在的氧化皮和其他夹杂物，造成表面压伤，特别是热卷和热矫时，氧化皮的危害尤为严重，为此应采取相应的措施。（3）卷裂 由冷卷硬化，粗晶组织，应力集中及各种脆性条件应起材料塑性变坏，导致卷裂，具体注意事项之前已写到，这里不再重复。6）筒体的组对（1）卧式组对方案的原则 卧式组对筒体最佳方案的确定，应以如何将两小段形成的椭圆为同向椭圆为准则，即长轴对长轴，短轴对短轴，即使椭圆度再大也不影响组对；反之，即使椭圆度再小、也不利于组对。（2）组对方法 四套转胎分别置于两小段筒体之下，且各转胎保证等高度等跨度。主动胎放置的位置，根据实践经验，必须放在中部,不
22、能放在端头，这是因为端头的重量太小，压力不够，摩擦力太小，筒体不易转动。（3）调椭圆度方法 如图8所示，为千斤顶法，将千斤顶和顶杆置于最大短轴上，施力后短轴扩大，长轴缩短，椭圆得以调整。 图8千斤顶法调椭圆度（4）始焊点位置的确定 由于本设备材料为16MnDR，所以可以在内侧进行点焊。通过转动主动胎侧筒体，对正度数线和错口量后，可在最下方或斜下方先点焊以定位，继而在下部进行点焊。（5） 间隙不均匀的处理方法 图9 间隙不均匀的调整方法图9为处理间隙不均匀的常用方法。当下部或水平位置间隙合适而上部间隙大时，可在间隙适合处先点焊一疤，然后利用吊车使上部间隙缩小，如图9(a)所示；当中部间隙合适而下
23、部间隙大时，可在间隙合适处先点焊一疤，然后用吊车使下部间隙缩小，上部间隙自然扩大，如图9(b)所示。4.3 筒体的纵缝焊接筒体的装配在焊接滚轮架上进行。装配时采用夹具来保证质量。采用夹具保证纵缝边缘平齐，且沿整个长度方向上间隙均匀一致（符合技术要求）后，可进行定位焊。定位焊采用焊条电弧焊，焊点要有一定尺寸，且焊点间距为200300mm。上述装配工作也可在卷板机上完成，但可能会影响卷板机的利用率。为防止纵缝装配后在吊运和存放过程中内筒发生变形而影响它的圆度，可在筒内焊上临时支撑。纵缝焊接时要备有焊接试板，以及引弧板和引出板。本设计的筒体纵缝焊接采用无衬垫双面埋弧焊，此种方法对边缘加工和装配要求较
24、高，要求边缘必须平直，保证间隙小于等于2mm。焊接第一面的熔深为板厚的40%50%，第二面要控制熔深达到板厚的60%70%，以保证焊透。坡口形式如图10所示。 图9筒体纵缝坡口形式纵缝焊接时采用伸缩臂式焊接操作机及焊接滚轮架配合使用，在伸缩臂式焊接操作机上装置埋弧焊焊接机头及焊工操作平台，以便进行焊接。之后按照JB/T47302005承压设备无损检测还应对焊缝进行100%射线检测，不低于级为合格；及100%超声检测，不低于级为合格。具体规范参数如表8所示。表8 无衬垫双面埋弧焊规范参数方位层位焊丝牌号焊丝直径/mm焊剂型号焊接电压/V焊接电流/A焊接速度/（cm/min）里第一层H08MnA4
25、HJ431242656058030第二层323462064025外第一层283058060028选择埋弧焊机型号为MZ1000，主要技术数据如表9所示。表9 MZ1000埋弧焊机送丝方式焊机结构特点焊接电流/A焊丝直径/mm送丝速度/（cm/min）焊接速度/（cm/min）焊接电流种类变速送丝焊车40012003650200（弧压35V）25117直流或交流5封头压制5.1封头尺寸的计算本次设计采用椭圆形封头。GB150中规定：由封头内直径Di（长轴）、封头曲面深度H和直边高h（为减小封头和筒体的连接应力而设）组成。GB150推荐：椭圆形封头采用长短轴比值为2的标准型。如图11所示。封头的公
26、称直径DN（以内径作为公称直径） DN=2600mm；H=1/4DN=650mm；h=50mm;图11 椭圆封头的结构形式坯料直径（包括工艺余量）：Dp=1.211（DN）2h =1.211（260010）+250 =3248.6mm 5.2 封头的冲压封头按照几何形状的不同分为：球形、球冠形、椭圆形、蝶形、平面形等，如图12所示。容器不开启时，可以把封头和筒体焊接在一起，从而有效地保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量。对于因检修或更换内件的原因而需要多次的开启的容器，封头和筒体的连接应采用可拆式的，此时在封头和筒体之间就必须要装有密封装置。图12 封头形式a) 平盖封头 b) 球形封头
27、c) 椭圆封头 d) 球冠封头冲压是利用具有一定半径的模具，将已下料得到的平板坯料制成各种形状的开口空心零件的冲压工序。冲压所用模具及冲裁模具不同，其凹凸模具没有锋利的刃口，而其工作部分都有较大的半径，并且凸、凹模之间的间隙一般大于板料的厚度。封头在冲压过程中，板料的变形很大，为保证封头的质量，采用热冲压进行封头的加工。1）封头的成形过程 整体封头的冲压过程为先将工件加热到1100。然后将其放在下模上，并对准中心，放下压边圈，将坯料压紧到合适程度，以保证冲压时使坯料各处能均匀变形，防止封头产生波纹和起皱，开动压力机加压，使坯料逐渐变形并落入下模。最后上提凸模使封头及上模脱离。由于成形后的封头在
28、温度降低后产生收缩，加之凸模受热后又稍有膨胀，因而封头被紧紧地裹在凸模上，使脱模困难。因此要严格控制终压温度，并在下模的圆周方向上穿六只活动销来脱模。2）封头的壁厚变化整体封头的冲压过程、无论是否采用压边圈，一般在接近大曲率部位封头壁厚都要变薄。椭圆形封头在曲率半径最小处变薄最大，一般壁厚减薄量在8%10%之间，所以选择的封头坯料比筒节坯料厚4mm。影响封头壁厚变化的因素有：材料强度越低，壁厚变薄量越大。变形程度越大，封头底部越尖，壁厚变薄量越大。上、下模间隙及下模圆角越小，壁厚变薄量越大。压边力过大或过小，压制温度过高，都会导致壁厚减小。3）压延力的计算（1） 凸模直径Dsm DsmDn（1
29、）=2600（1+0.9%）=2623.4mm。（2） 凹模直径DxmDxmDsm2Z=2623.4+220+2 =2665.4mm式中封头坯料厚度（mm）； Z模具间隙（mm），热压时Z（0.10.2）；冷压时Z（0.20.3）。球形封头或直边较长的椭圆形封头取较大值。设备能力偏小时，取大值，并可适当加大间隙范围。取Z=2mm。封头冲压时，冲压力采用下面公式计算： =1.21.23.14（3248.6-2665.4）20510 =26897371N=2.69MN式中 F冲压力（N）； e冲压力影响系数，无压边力时e=1，有压边力时e=1.2； K封头形状影响系数，K=1.2； Dp坯料直径（mm）； Dxm下模直径（mm）； 坯料厚度（mm）； bt材料的高温抗拉强度（Mpa）。此封头的坯料直径Dp及封头内径Dn的差满足条件6DpDn45，
