1、8000m3液氨球罐工艺目录1 材料分析 11.1 球壳材料的焊接性分析 11.1.1 13MnNiMoR的化学成分和力学性能 11.1.2 13MnNiMoR的焊接性分析 21.1.3 焊接方法与填充材料的选择 22 焊接结构制造工艺设计 42.1球壳各带的厚度计算 42.2 材料的进厂入库检验 42.3 放样、划线与号料 52.3.1 毛坯尺寸下料 52.3.2 二次精确下料 52.3.3 球瓣的压制 52.4 坡口加工 62.5 焊缝的分类 62.6 焊接工艺参数 82.6.1 焊接方法的选择 82.6.2 焊条的选择 92.6.3 钢号分类分组 92.6.4 层间及预热温度 92.6.
2、5 电源种类及极性的选择 92.6.6焊接电流的选择 92.6.7 焊接层数 92.6.8 坡口加工方法及清除 92.6.9坡口型式 102.6.10选择合适的焊层厚度 102.6.11焊接工艺参数 102.6.12 焊后处理 112.7 球罐的焊接 112.7.1 施焊环境 112.7.2 焊工资格 112.7.3 焊前准备 112.7.4焊件的预热 122.7.5焊接顺序 122.8焊材用量 123焊接结构质量检验 143.1焊缝外观质量检查要求 143.2 无损检测 143.3焊后修补 143.4 焊后整体热处理 153.5 水压试验和气密性试验 153.5.1 水压试验 153.5.2
3、 气密性试验 153.6去锈、涂装 153.7 球罐成品验收 16参考文献 171材料分析1.1 球壳材料的焊接性分析1.1.113MnNiMoR的化学成分和力学性能GB7132008锅炉和压力容器用钢板中的13MnNiMoR母材化学成分见表 1.1，力学性能见表 1.2，其金相组织为：珠光体贝氏体，脆性转变温度 DNT50 ，具有较好的力学性能和较高的热强性能，抗裂纹扩展性好。其合金成分中 w(Nb)00050020是保证得到细晶粒钢和良好力学性能的前提；Mn、Si、Cr、Ni 主要起固溶强化的作用，Ni 对改善低温韧性有良好的作用；Mo、Cr、Nb 能提高钢在中温长期工作的热强性。Nb 在
4、钢生成 Nb(CN)，在 950 仅少量溶解于奥氏体，冷却时，在 700 附近将在铁素体中析出高度分散的沉淀物，这种沉淀物与母材共格，产生沉淀强化，加入 w(Nb)002可使钢的屈服强度提高 135 MPa。在 900 950 正火时钢的强度提高主要是因为 Nb 细化了晶粒。表 1.1 13MnNiMoR化学成分项目(C)(Si)(Mn)(Cr)(Ni)(Mo)(Nb)(P)(S)标准范围015001500500120016000200040006001000020004000005002000200010复验值0.1300.3601.4200.3400.8300.2800.0130.0110
5、.002表 1.2 13MnNiMoR力学性能参数项目厚度/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa延伸率/%冲击功/kj弯曲试验交货状态常温标准301005707203901841=180 正火900930复验65552521.5102回火600630 350标准30100 350 正火900930复验62244523回火600630 1.1.2 13MnNiMoR的焊接性分析根据国际焊接学会(IIW)碳当量计算公式可计算出 13MnNiMoR 钢的碳当量：CECMn6(CrMoV)5(CrNi)15()0573，说明 13MnNiMoR钢具有较大的冷裂倾向。从 13MnNiMoR 钢的焊接连续
6、转变曲线(CCT 曲线)可知，其焊接接头容易产生马氏体组织从而引发焊接冷裂纹，且随板厚的增加，焊接接头淬硬组织增加，冷裂纹倾向加大。所以该钢在焊接时需要采取焊前预热和焊后消氢等工艺措施，以减少产生冷裂纹的可能性。13MnNiMoR钢中含有一定量的 Cr、Mo、Nb 等强碳化物形成元素，从而使其焊接接头的过热区具13MnNiMoR 钢焊接工艺有一定程度的再热裂纹(亦称消除应力热处理裂纹)敏感性。为保证焊接接头质量，通常在焊后无损检测合格的基础上，焊接接头热处理后再进行无损检测，主要是进行超声波和磁粉复查，以检测各种裂纹。1.1.3 焊接方法与填充材料的选择13MnNiMoR 钢焊接材料的选择主要
7、考虑化学成分与母材匹配，并满足力学性能和其他性能或使用性能。13MnNiMoR钢高压汽包多为厚壁容器，设备焊后需消除应力热处理。依据低合金钢压力容器焊接材料选配原则，并结合压力容器焊接技术的特点，选择了焊条电弧焊方法用于球罐的焊接。焊条电弧焊，焊材 J606，焊条直径 4 mm、 5 mm。焊接材料熔敷金属化学成分如表 1.3 所示，焊接材料的力学性能试验结果如表1.4 所示。表 1.3焊接材料熔敷金属化学成分牌号项目(C)(Si)(Mn)(Cr)(Ni)(Mo)(P)(S)J606标准0.12008001.0001.750050020000350035复验0.0800.5801.6000.0
8、350.9900.4800.0170.008表1.4 焊接材料的力学性能焊接材料抗拉强度/MPa屈服强度/MPa延伸率/%J60671061022.52 焊接结构制造工艺设计焊接结构制造即焊接结构生产，简称焊接生产。球罐的焊接结构制造工艺流程与其他焊接产品的制造流程大致相同，主要包括：生产的准备工作、备料加工工艺、装配焊接工艺以及焊后成品的热处理、质量检验、耐压试验、成品的涂装入库等6。在球罐的整个制造过程中，其制造难点是：瓣片的成形及其尺寸和形状精度的控制、罐体的装配技术及瓣片位置精度、装配焊接顺序、夹具的合理使用、焊缝质量及其密封性、罐体焊接变形的控制等。2.1球壳各带的厚度计算计算各带压
9、力： Pc1 =1.6+ 0 =1.6MPa Pc2 =1.6 +34116659.810-9 =1.62MPaPc3 =1.6 +116796659.810-9 =1.68MPa Pc4 =1.6+177306659.810-9 =1.72MPa Pc5 =1.6 +199456659.810-9 =1.73MPa球壳材料采用13MnNiMoR，b=570MPa，s=390MPa,常温下许用应力为 t=211MPa取焊缝系数：=1.0腐蚀裕量C2=0mm，钢板厚度负偏差C1=0mm，故厚度附加量C=C1+C2=0mm球壳所需壁厚：球壳各带所需壁厚：1=47.103mm2=47.693mm3=
10、49.169mm4=50.348mm5=50.890mm圆整可取=52mm 2.2 材料的进厂入库检验结构材料和焊接材料验收合格后，应按企业标准，分别存放在金属材料库和焊接材料库。金属材料主要存放各种钢材、有色金属和外购铸、锻件等，不允许露天堆放。不锈钢板、钢管和有色金属材料，应分别单独存放并妥善保管。2.3 放样、划线与号料放样、划线与号料是决定焊接坯料形状与尺寸公差的重要工艺，亦是焊接结构过程主要质量控制点之一。放样是在制造金属结构之前，按照设计图样，在放样平台上用1：1的比例尺寸，划出结构或者零件的图形和平面展开尺寸。号料和划线采用划针或者磨尖的石笔、粉线作线。2.3.1 毛坯尺寸下料根
11、据展开尺寸，考虑各种影响变形的因素，按下料时各边留出1820 mm的加工余量，做出毛坯下料样板进行画线下料。2.3.2 二次精确下料毛坯经成型加工，曲率合乎要求后，进行二次准确下料。二次下料的切割线采用球面样板画出，以得到尺寸准确的球壳板。球壳板的切割在弧形格板胎具上进行。胎具由弧形格板与支架构成，弧形壳板组成的球形弧面与被加工的球壳板曲率完全符合。因此，同一胎具可以切割同一球罐上的所有球壳板，割炬自行小车可在相同弧形轨道上运动。2.3.3 球瓣的压制球瓣的成型方法主要是通过压机的压力冲压加工而达到要求的形状。该过程称为成型操作。球罐的成型操作分冷压，热压及温压。考虑球壳的厚度，曲率半径，强度
12、等因素，选用热压成型方法。热压成型是指将钢板加热到临界点以上的某一温度，并在这个温度下成型。其优点是：可将钢板加热到塑性变形温度，然后用模具一次冲压成型，降低材料的屈服极限，减少动力消耗，避免应变硬化和增加材料的延展性。一次成型可避免冷压的多点多次冲压过程。 热压应注意以下几点： 1） 热压温度要加以控制，过高的加热温度会造成脱碳，晶粒长大和晶间氧化。热压时为了避免上述问题，要做到内外温度一致，保温时间尽可能短。一般推荐为800900C之间。 2） 需要正火处理的材料，可以用加压的加热来代替钢厂的正火处理，要有足够的保温时间。 3） 材料需要其他热处理，如退火或淬火加回火，则必须在热压后重作处
13、理。 采用厚截面热轧材料，为了提高材料的安全性，用正火温度来进行热压成型，不但达到了热压的效应，而且通过热压使材料的性能提高了。由于冲压过程毛坯塑性变形较大，对于壁厚较大或冲压深度较大的板材，为了提高材料变形能力，保证球壳成型质量，一般都采用热冲压成型。由于本次所选用的球壳壁厚为52mm壁厚较大，因此球壳的冲压成形选用热冲压一次冲压成形。选用液压机型号为：125T油压机。2.4 坡口加工坡口加工采用火焰热切割并清除表面的氧化层，坡口表面应平滑；焊接接头坡口形状和几何尺寸的设计，应遵循以下原则: （1）保证焊接质量 （2）坡口加工简易 （3）便于焊接加工 （4）节省焊接材料2.5 焊缝的分类根据
14、国标GB150-2011压力容器对压力容器焊接接头要分为A，B，C，D，E，F六类。A类焊缝（对接缝或搭接焊缝，不包括角接焊缝）A类焊缝的结构形式可以是对接缝或搭接焊缝，不包括角接焊缝。具体包括：圆筒、管子或圆锥壳上的纵向焊缝；球壳、成型封头、平封头、或平板、矩形截面容器各侧板等上的任何焊缝，此处所说的任何焊缝指在上述各部件的任何方向、但属A类的任何焊缝结构形式；球形封头与圆筒、圆锥壳等相连接的环向焊缝。B类焊缝（对接缝或搭接焊缝，不包括角接焊缝）B类焊缝的结构形式可以是对接焊缝或搭接焊缝，但不包括角接焊缝。具体包括：圆筒、圆锥壳或接管上的环向焊缝；成型封头（半球形封头除外）与圆筒、圆锥壳或管
15、子想连接的环向焊缝。C类焊缝（对接缝或搭接焊缝或角接焊缝）C类焊缝的结构形式可以是对接焊缝、搭接焊缝或角接焊缝。具体包括：法兰环、翻边搭环、管板、平封头与圆筒或圆锥壳、管子或各类成型封头（此处包括半球形封头）相连接的焊缝；矩形截面容器各侧板之间相连接的焊缝。D类焊缝（对接缝或角接焊缝）D类焊缝的结构形式可以是角接焊缝或对接焊缝。具体包括：接管或各种受压室与圆筒、球壳、圆锥壳或各类成型封头相连接的焊缝；接管或各种受压室与矩形截面容器个侧板相连接的焊缝；补强圈、凸缘等与壳体、封头之间的连接焊。E类焊缝（搭接缝或角接焊缝）E类焊缝结构形式可以是搭接焊缝或角接焊缝。具体包括吊耳、支撑、支座及各种内件与
16、筒体或封头内外表面相接的角接接头。F类焊缝(堆接焊缝）F类焊缝结构形式可以是堆接焊缝。是在筒体、封头、接管、法兰和管板表面上的堆焊接头。A类：各类接头中要求最高，也是应力条件最苛刻的接头；B类：较A类的应力水平低，工作应力为A类的一半，包括圆筒，圆锥壳体或管子上的环形焊缝。C类：这类接头受力较小，通常采用较焊缝连接；矩形截面容器各侧板之间的接头。D类：接管与壳体的交接接头，存在较高的应力集中，受力条件苛刻。图 2.1 焊缝分类2.6 焊接工艺参数2.6.1焊接方法的选择与别的焊接方法相比较，手工电弧焊的设备简单、易于维护、使用灵活方便，便于在室内、室外和高空作业，并且对材料的适应性广，是压力容
17、器制造过程中广泛使用的一种焊接方法。它具有以下优点：（1）要求不高，工艺灵活：适合各种结构形状、各种位置的焊接并且对焊接接头装置精度要求较低。（2）适应性强：设备简单，操作和维修方便，适用于不同厚度的金属材料焊接。（3）易于通过工艺的调整（如对称焊等）来控制工件的变形，改善应力状态。（4）与气焊和埋弧焊相比，金相组织较细，热影响区较小。焊条电弧焊的不足：生产效率低，劳动强度较大，对于焊工的操作技术要求较高。考虑到球壳的厚度和材料以及经济和实用问题，选择焊条电弧焊。2.6.2焊条的选择 对于厚度大于12mm的焊件来说，焊条直径应大于等于4mm。对于背面难以清根的焊缝、单面焊缝的打底焊以及封底焊道
18、的焊接，宜采用直径不超过3.2mm的焊条，以保焊透；而立焊、横焊及仰焊的焊条直径不超过4mm4。焊条型号E6016牌号J606，烘干温度为350，保持时间1h。2.6.3钢号分类分组13MnNiMoR类别为Fe-3类，组别为3组2.6.4 层间及预热温度Fe-3类别钢材最低预热温度为80。 后热温度一般为200350，保温时间不小于30min。2.6.5 电源种类及极性的选择 J606这样的低氢焊条一般应采用直流电源且反极性焊接。2.6.6焊接电流的选择 焊接电流的选择一般根据焊条的直径来选择，在平焊时焊接电流与焊条直径之间的关系见表 2.1。表2.1 焊条电弧焊焊条直径与焊接电流的关系焊条直
19、径 mm2.53.24.05.0焊接电流 A5080100130160200200250立焊、横焊和仰焊的电流一般比平焊电流小10%左右。2.6.7 焊接层数焊接层数与坡口深度、焊接直径及焊接速度有关，即n=S1/(0.81.2)dn为焊接层数 S1为坡口深度(mm) d为焊条直径（mm) 焊接道数与焊件厚度有关，当焊件厚度大于16mm时分两道，且道宽为810mm。2.6.8坡口加工方法及清除坡口加工采用机械加工，其加工精度高，也可以采用火焰切割或碳弧气刨。对强度级别高、厚度较大的钢材，为防止其格式产生裂纹，应按焊接的预热工艺进行预热。碳弧气刨的坡口应仔细清除余碳，在坡口两侧约10mm内，应严
20、格除去水、油、锈及脏污等。2.6.9坡口型式坡口是用来使电弧沿板厚熔入一定的深度，保证焊接接头的焊透，坡口形式应根据母材的结构形状，板材厚度及对焊接质量要求来设计，条件不同其接头及坡口形式也不同。在选择坡口形式时主要考虑一下因素：（1）是否能够保证工件焊透和便于操作（2）坡口的形式应 容易加工（3）尽可能提高焊接生产率和节省焊条（4）调整焊缝金属的化学成分常用的坡口形式有I、V、U、X型，一般通过板厚来决定坡口。板厚为52mm的球壳板纵缝开坡口多数为双边的V形坡口。环焊缝为单边U形坡口。2.6.10选择合适的焊层厚度 一般焊层厚度控制在34mm左右。2.6.11焊接工艺参数焊件工艺参数包括焊接
21、电流、电弧电压、焊接速度等。 （1）焊接电流焊接电流的大小主要根据焊条类型、焊条直径、焊件厚度、焊缝的空间位置接头形式、焊道层次等因素选取。焊接电流主要影响熔深。焊接中电流越大，效率越高，但飞溅大，烟熏大，容易产生咬边、烧穿、焊瘤等缺陷，同时影响焊缝成形。电流小，熔深就小，电弧不稳定，容易造成未焊透和夹渣等缺陷。因此，在保证不烧穿和成形良好的情况下，选用较大的焊接电流。电源极性对焊接质量也有影响，直流电源的电弧稳定，飞溅少，焊缝质量好。在焊接重要结构件是一般选用直流焊接。交流电源较直流电源成本低，但不稳定。 （2）焊接电弧电弧电压主要由弧长决定，弧长越长，电弧电压越高；电弧越短，电弧电压越低。
22、电弧电压主要影响焊缝的宽窄，电弧电压高时，焊缝较宽，反之较窄。而焊缝的宽度主要由焊条的横向摆动来控制，因此电弧电压对焊缝的影响不是很大。电弧拉的太长时，电弧燃烧不稳定，飞溅较大，熔池保护不好，容易引起咬边、未焊透、气孔等缺陷。焊接时焊接电弧不宜太长，一般电弧长度不超过焊条直径。 （3）焊接速度焊接速度主要影响焊缝成形。速度太快，成形不好，容易引起未焊透。速度太慢，容易引起焊瘤等。手工电弧焊时，电弧电压和焊接速度可以灵活掌握，但必须保证焊缝焊透，并且达到所要求的外形尺寸和强度。2.6.12 焊后处理 有消除内应力处理要求的球罐，13MnNiMoR的焊后热处理温度为600。加热时间为2.02h。2
23、.7球罐的焊接2.7.1施焊环境当施焊环境出现下列任一情况，且无有效防护措施时，禁止施焊：手工焊时风速大于10m/s气体保护焊时风速大于2m/s相对湿度大于90雨、雪环境尤需指出，焊接环境的温度和相对湿度应在距球罐表面0.51m处测量，要选择合适的湿度和温度测量仪器。2.7.2 焊工资格从事球罐焊接中受压元件的焊缝、与受压元件相焊的焊缝、定位焊缝、受压元件返修焊缝的焊工，须按锅炉压力容器焊工考试规则进行考试，取得焊工合格证后，才能在有效期间担任合格范围内的工作。对停止焊接工作6个月以上的焊工，在参加施焊前，应对其重新进行技能考试。对每一个持证焊工，颁发识别钢印。根据产品施焊记录中的焊工姓名和钢
24、印，每月统计一次，以证实其资格的连续性。2.7.3 焊前准备（1）焊接工艺评定球罐焊接前，应按钢制压力容器焊接工艺评定进行焊接工艺评定，并且应按立焊和横焊两种焊接位置分别评定。然后做出有效的焊接工艺评定报告。（2）焊条的干燥焊条贮存库应保持干燥，相对湿度不得大于60%，焊条使用前应按要求进行烘干，对于E6016焊条，烘干温度为350400，保持时间为1h。烘干后的焊条应保存在100150的恒温箱中，药皮应无脱落和明显裂纹。焊条在保温筒内不宜超过4h，超过后，应按原烘干制度重新干燥。重复烘干的次数不应超过两次。2.7.4焊件的预热焊前对球壳板进行预热，预热的目的是：减缓焊接接头加热时温度梯度及冷
25、却速度，适当延长在800500区间的冷却时间，改善焊缝金属和热影响区的显微组织，从而减少和避免产生淬硬组织，有利于氢的逸出，可防止冷裂纹的产生。对于13MnNiMoR，当板厚52mm左右时预热温度为100150。2.7.5焊接顺序焊接时，应先将赤道带的纵缝在地面平台焊完，在将赤道带和支柱组对后进行焊接。 再将上下温带在地面组焊，再和赤道带组焊。最后将上下极带在地面组焊完成，再整体组焊。2.8焊材用量球壳的焊材用量要先计算焊缝的横截面积，本球罐有两种焊缝形式；（1）计算双边V形坡口的横截面积及焊条消耗量（2）计算U形坡口的横截面积及焊条消耗量3焊接结构质量检验3.1焊缝外观质量检查要求焊缝外观质
26、量先由焊工自检，合格后再由专职检查人员进行检验，合格后，焊工方可离场。焊缝表面不得有裂纹、气孔、夹渣、咬边、弧坑、焊瘤以及飞溅物。焊缝接头过渡应圆滑，焊缝边缘与母材熔合处也必须圆滑过渡。焊缝余高大小坡口面全部不得大于2.5mm。3.2 无损检测球罐焊缝经外观检查合格后，按要求进行无损检测。要求检测人员必须持有有效期内的无损探伤资格证，并且探伤经验丰富。 (1)射线和超声检测球壳的全部对接焊缝在焊接完成24h后进行100%射线检测，按JB/T4730-2005中规定级合格。全部对接缝(包括全部T字口部位)按20%进行超声波检测复验，按JB/T4730-2005中规定级合格。(2)表面检测全部对接
27、焊缝内、外表面、角焊缝、补焊处表面区、工卡具拆除处的焊迹表面和缺陷修磨处的表面，包括工艺附件的焊道在焊接完成24h后应实行100%渗透检测，按JB/T4730-2005中规定级合格。水压试验合格后全部对接缝内、外表面、角焊缝、补焊处表面区、工卡具拆除处的焊迹表面和缺陷修磨处的表面，包括工艺附件的焊道，进行20%渗透检测2、13。3.3焊后修补球壳板局部表面和焊缝表面的缺陷及工夹具焊迹，必须用砂轮修磨，修磨范围内的斜度至少为3 ：10。修磨后的实际球壳厚度不得小于设计厚度50mm，超过时应进行修补。当球壳板表面焊补深度超过3mm时，还应进行超声波检测。对球壳板表面缺陷进行焊补时，每处的焊补面积控
28、制在50cm2以内。如有两处以上焊补时，任何两处的净距应大于50mm。每块球壳板上焊补面积总和，必须小于该球壳板面积的5%。补焊后的表面须修磨平滑。焊补长度应大于50mm。对焊缝内部超标缺陷焊补时，为控制角变形，缺陷的清除深度不应超过球壳板厚度的2/3，即25mm。当清除到板厚2/3处还残留缺陷时，应在该状态下焊补，然后在其背面再次清除缺陷，确认缺陷已根除，将其补满。为防止超次返修，可根据X射线、底片和超声波仪器来正确定位缺陷，以保证缺陷彻底清除。返修焊缝的工艺应与主体焊缝相同。需预热时，以修补处为中心在直径300mm范围内加热，预热温度取上限，为150，补焊后立即作消氢处理。3.4 焊后整体
29、热处理本球罐球壳板材质为13MnNiMoR，板厚52mm，经无损检测合格后，应在水压试验前进行焊后整体消除应力热处理。由于球罐的体积庞大，无法在热处理炉内进行消除应力热处理，所以采用燃油高速喷嘴内燃加热法对球罐进行整体热处理。此法是将球罐本身作为一个燃烧炉，借助于底部开口（人孔）安装喷火嘴，以燃油或液化石油气为燃料，热处理前球罐外部须包覆细纤维玻璃棉作为保温材料，然后进行内部加热处理。3.5 水压试验和气密性试验3.5.1 水压试验水压试验时要求采用清洁的工业用水进行试验，水温不得低于5，试验压力为2MPa。球罐进行水压试验时，设基础沉降观测点，基础为环形基础，要求均匀沉降，并做好实测记录。放
30、液后，基础沉降差不得大于12.3mm，相邻支柱基础沉降差不大于2mm，若超过此范围，应采取措施处理。3.5.2 气密性试验气密性试验应在水压试验合格、经焊缝表面第二次渗透检测合格后进行。试验压力为1.6MPa，试验介质为干燥、洁净的压缩空气，温度不低于15。试验前，球罐内部及配管内积水全部排除干净。在球罐顶部安装两只安全阀，安全阀的设定压力为2.05MPa。封闭所有接管口，启动压缩机开始升压。升压时要观察球罐各部位，特别是附件、接管等的紧固部位。同时按预定的升压曲线缓慢、均匀升压，每小时在0.2MPa以下。升压至试验压力的一半左右时，保压10min，检查有无压力下降。在球罐焊缝及接管法兰部位涂肥皂水，检查有无泄
