1、蒸汽锅炉汽包的焊接工艺设计学 号_1010131031_ 毕 业 论 文（设计） 课 题 蒸汽锅炉汽包的焊接工艺设计 学生姓名 罗祥 院 部 机械工程学院 专业班级 10金属材料工程(1)班 指导教师 杨付双 二 一 四 年 六 月插图清单表格清单蒸汽锅炉汽包的焊接工艺设计摘 要随着现代工业生产的迅速发展，焊接行业已成为加工机械制造业的重要手段之一。锅炉焊接技术的进步使得锅炉越来越安全。锅炉内部承受高温高压，安全是非常重要的。即使小锅炉，一旦发生爆炸，后果是很严重的。而汽包作为锅炉的核心部件，它的质量安全对于锅炉显得十分重要。所以汽包的材料选择、设计、制造和检验都有严格的标准与法规。而焊接作为
2、制造工艺中的重要方法，就显得十分重要的。在焊接过程中，焊接工艺的选用，将对焊接产品的质量产生重大影响。锅炉汽包在生产过程中，有许多需要注意的问题，例如汽包的选材、焊接方法的选用、质量监控等等，这些方面都严重影响着和锅炉汽包的质量安全。而对这些方面的研究就显得尤为重要。关键词：汽包；焊接方法；焊接工艺Welding Process Design Of Steam Boiler DrumAbstractWith the rapid development of modern industrial production, the welding industry has become an impo
3、rtant means of processing machinery manufacturing industry. Progress of the boiler so that the boiler welding more secure. Withstand high temperature and pressure inside the boiler, security is very important. Even small boilers, once the explosion occurred, the consequences are very serious. The Dr
4、um as a core component of the boiler, boiler for its quality and safety is very important. So the drum material selection, design, manufacture and testing have strict standards and regulations. The manufacturing process of welding as an important method, it is very important. During the welding proc
5、ess, selection, quality welding process of welding products will have a significant impact. Boiler drum in the production process, there are many issues that need attention, such as the drum selection, the selection of welding methods, quality control, etc., these areas are seriously affecting the q
6、uality and safety of the boiler drum. The study of these areas is particularly important.关键词：汽包、焊接工艺Keywords: drum; welding; welding process第1章设计任务说明1.1 设计要求1.设 计 压 力p=25bar2.最高允许运行温度T=2003.设 计 体 积V=3m4.工 作 介 质：汽水混合物5.筒身、封头、人孔和加强板材料选择20g，接管材料选择10# 钢管。1.2汽包筒身壁厚汽包筒身壁厚根据以下公式来计算：S= Da*p/(20*K/S*V+P)+C1+
7、C2其中，Da(外径) =1200mmP(计算压力) =25barK(强度值) =205 N/mS(安全系数 ) =1.5V(减弱系数 ) =0.85C1(壁厚负差补偿) =0.8C2(磨损补偿) =1.0由以上数据计算得到s：S=1200*25/(20*205/1.5*0.85+25)+0.8+1.0S11.2mm所以取筒身壁厚S=12mm强度特性值按DIN1755（EN10028）确定，计算中预期壁厚S30mm。安全系数S按照ADBO规定取S=1.5。减弱系数按照HPO取V=0.85。根据使用的尺寸标准AD-B1，可以确定C1=0.8mm；对于壁厚S30mm的铁素体钢磨损补偿系数C2=1.
8、0mm1。1.3设计图样蒸汽锅炉汽包的结构示意图如图1-1所示：图1- 1 蒸汽锅炉汽包结构确定设计图样与焊缝位置，如图1-2所示： 图1- 2 焊接工艺草图 在上图中，A1、A2为筒体纵缝接头，B1、B2、B3、B4为筒体环缝接头， D1为人孔与筒体的接头。第2章 蒸汽锅炉汽包2.1 汽包构成汽包的六个部分别为封头、筒节、汽水连接管座、下降管管座、汽包内件和水位表管座，是锅炉的核心部件之一，在锅炉中的作用为集气、集水和汽水分离。 汽包在锅炉工作时要承受非常高的内压力，有因为工况变化而导致壁温上下波动，进而产生热应力，故而气包的安全显得非常重要，需要进行实时有效地保护2。汽包,又称锅筒，是自然
9、循环锅炉中最重要的压力容器，在锅炉工作时承担着工质加热、蒸发、过热的重大作用，保证了锅炉内部水循环的正常运行。因为其内部装有汽水分离器和连续排污装置，从而保证了锅炉蒸汽的品质，由于装有一定的水量，具有了部分蓄热能力，能够缓和锅炉汽压的变化速度。汽包上装有压力表、水位计、事故放水、安全阀等装置，确保了锅炉能够安全的工作3。2.2汽包的工作原理在锅炉中，汽包的工作原理如下：1、汽水混合物经汽包上部的引入管从水冷壁进入汽包的内部，沿着汽包内壁与弧形衬板形成的狭窄环形通道流下时会以适当的流速均匀的向汽包内壁传递热量，因此使得锅炉启停时汽包上下壁温差较小，可以更快的启动。2、汽水混合物进入汽包后进入到汽
10、水旋风分离器中开始第一次分离：利用分离器改变汽水混合物流动方向时产生的惯性而对汽水混合物进行分离。 3、第一次分离后，马上进行第二次分离，分离出的蒸汽进入装在旋风分离器顶部的波形板分离器内，蒸汽在波形板间的缝隙中流动，流动时水黏附在金属壁面上形成水膜继续往下流。4、经过二次分离后的蒸汽经过清洗，再利用与水的密度的差别进行重力分离，这是汽水混合物的第三次分离。5、蒸汽经过上述三次分离，已经达到质量标准，只需再经过汽包顶部的饱和蒸汽管到达屏式过热器即可。第3章 汽包的材料成型3.1材料的选择汽包由于其在锅炉中的特别地位，对钢材有着不同于其他部件的要求：1、强度 须具有较高的室温强度，以s和b(s为
11、屈服强度极限，b为强度极限)为设计依据，一般取较大的s和b；2、韧性 在考虑强度的情况下韧性是不能忽略的，钢材具有良好的韧性性能，足够的韧性可以防止制造过程中的脆性断裂；3、敏感性 钢材在生产制造过程中会因为开孔和焊接而导致钢材产生局部应力集中从而产生裂纹，这就要求材料具有较低的缺口敏感性，而较低的敏感性可以使材料具有良好的加工性能和焊接性能；4、经济型 在实际操作过程中，材料的经济性同样是一项不可忽略的要求。根据汽包的技术参数可知，工作压力P=25bar，工作的最高温度T=200，工作介质为汽水混合物，所以强度、韧性、敏感性、塑性、硬度和韧脆转变温度等机械性能成为选择材料不可忽视的因素，要求
12、强度、硬度、韧脆转变温度较大，韧性、塑性较好，敏感性较低；对于材料的抗腐蚀能力要求不是很高。考虑到材料的焊接性，冷、热加工性、经济性等等因素，最终决定筒身、封头、人孔的使用材料为20g钢材，接管的使用材料选择10#钢管4。3.1.1 20g钢材和10#钢管的主要参数及性能3.1.1 .1 20g钢材的化学成分与力学性能20g钢材的化学成分和力学性能如表3-1,3-2所示：表3- 1 20g钢材的化学成分/%钢号CSiMnPS20g0.200.150.300.500.900.0350.035表3- 2 20g钢材的力学性能钢号状态断面收缩率/%SMPabMPa伸长率5%冲击韧度(AKJ)硬度HB
13、S20g正火551853802527J热轧钢1563.1.1.2 10#钢管的化学成分与力学性能10#钢管的化学成分和力学性能见表3-3,3-4：表3- 3 10#钢管的化学成分/%钢号CSiMnPSCrNiCu10#0.070.140.170.370.350.650.350.040.150.250.25表3- 4 10#钢管的力学性能钢号状态断面收缩率/%SMPabMPa伸长率5%硬度HBS10#正火524541025未热处理，1563.1.2 20g钢材的焊接性能分析C当量是碳钢焊接性的主要影响因素，且其焊接性随着碳当量的增加而减弱。根据C当量的计算公式：将所知的20g钢材所含化学成分的相
14、应数值代入上面的计算公式，计算可以得出20g钢材的C当量CE为0.23%0.25%。因此可知20g钢材中C当量不高，一般情况下不会在焊接时引起组织产生硬化和淬硬状况。在焊接时20g钢通常不需要进行预热处理和控制层间温度和后热，也不需要通过焊后热处理来改善组织结构。3.2 材料成型3.2.1 备料根据设计要求对筒体板的备料作出相应的计划，其中有以下几点须考虑：1、准确性 筒体板的备料要确保外形尺寸的精准，同时还必须清楚的记下筒体板的各项技术参数，以方便购料。筒体附件备料要求各项技术的参数、标准和数量等数据必须明确清晰。2、充足性 筒体板在备料的时候，要把筒体焊接产品的试板用量计算进去，确保焊接时
15、不会出错。另外在购买筒体的标准附件的时候其数目要比所需的规定数量多一点，以便互换使用和维修5。3.2.2 成形1、钢板在卷制前进行预弯，一般预弯的宽度应不小于选定的卷板机两下辊中心距的1/2，但通常情况下还要加上50100mm。2、钢板必须端正的放在上下辊中间，并且钢板的边缘须与辊筒轴线平行，平行的标准是钢板上的标记与辊轴线上的划线标记对正。3、卷制过程中，大直径的薄壁筒节需要用卷板机托架和吊车来确保已卷好的筒节不会回直或不被压扁失形。4、卷圆时每次的变形量必须低于总变形量的30%，上辊的下压量要通过卷板机上已有的标尺来确定。5、卷制圆筒过程中，筒体的曲率半径需要用通过检验并合格的样板来检测。
16、6、圆筒卷制成型后，应由有丰富经验的施焊工按照设计的焊接工艺对筒体纵缝进行点焊操作。7、卷板机校圆时要求圆周曲率均匀，辊筒应该调到所需矫正曲率半径的地方。8、卷制和成形过程中，要及时清除掉钢材表面生锈杂质和发生氧化的氧化物杂质，确保设备和筒体不遭到压损6。3.2.3 矫形1、筒节端面错口量应小于一毫米。2、纵缝棱角度控制：用弦长为1/6 Di且300mm的内或外样板来进行检查， E0.1n+2mm且5mm。其中，Di为设计内径，E为棱角度。3、筒节圆度控制：对于筒节的同一个断面， e1/100Di且e25mm。其中e为最大内径与最小内径之差，Di为断面设计内直径。4、对于外压力容器在圆度的控制
17、上必须严格按照GB150中的相应规定来确定。5、纵焊缝对口错边量应按照要求严格进行控制，具体要求如3-5表所示：表3- 5 对口错边量标准对口处名义厚度过n 1012n5050 错边量n /52.5n /16且不大于106、对于要分段交货的筒体，其外圆周长允差要符合表3-6的标准，分段处端面平行度应1/1000Di，且 2mm。但是在具体操作时环缝组对时的对口错边量是不能忽视的，必须要得到保证。表3- 6 筒体外圆周长允差标准公称直径Di800800120013001600170024002600300032004000外周长允差5791113157、筒节的直线度公差的范围在不大于1/1000
18、H的同时要10mm，其中H为筒节高度。8、不锈钢筒体在卷制成功后要按规定立着放在专门的场地或架子上，放好后要确保工件没有与地面有直接接触。3.2.4 检验筒体卷制完成后，须进行检验，只有符合检验标准的筒体才能用于生产。具体的检验标准如下所示：1、卷制完成后，筒体应该呈现出光滑不粗糙的内外表面，同时不能出现刻痕、压伤、起皱、裂纹、重皮等状况，若出现则表示卷制不成功。2、卷制完成后，应按规定对筒体的各项参数进行检验，只有符合各项技术要求的筒体才算合格，才能用于生产。3.2.5坡口的制备锅炉的承压壳体的A类纵缝和B类环缝在焊接完成后必须进行无损检测，因为这两类焊缝都是属于全焊透类型的焊缝。坡口的制备
19、对于焊缝的质量起着重大的作用，坡口的形式通常是由焊接工艺来决定的，但是坡口的尺寸精度、表面粗糙度及清洁度却是取决于加工的方法7。坡口的形式和尺寸在选择时要充分考虑以下因素:1）.焊缝金属不能填充的过多；2）.避免产生缺陷；3）.减少残余焊接变形与应力；4）.有利于焊接防护；5）.方便焊工的操作；6）.复合钢板的坡口应对过渡层焊缝金属的稀释率减少有好处。综合考虑到汽包所选用材料的焊接性能和汽包自身壁厚的原因，最后决定B类环缝焊接选用V型坡口，A类纵缝焊接选用U型坡口，C、D类封头与筒体组焊选用J型坡口（坡口开在封头上）。几种常见的集中坡口形式如图3-1所示：图3- 1 坡口的几种形式第4章 汽包
20、的焊接工艺4.1 焊缝金属焊接时所用焊缝金属的强度应该跟20g钢材相当，与此同时还要到考虑锅炉汽包的使用条件、结构和板材厚度等一系列因素。选择的焊缝金属强度不应过高，过高的强度会使得接头的韧性、塑性及抗裂性等性能降低，导致接头的弯曲性能不满足焊接使用要求。综合考虑到焊缝金属的韧性、塑性和焊接接头的抗裂性，只要焊缝金属的强度在20g钢材标准抗拉强度相差不大就行。4.2 焊接方法与焊接材料的选择焊接作为汽包生产制造过程中的重要工艺方法，焊接方法选择的是否正确将对焊接质量产生很大的影响，并且还会影响到产品的使用安全。根据设计的要求，选择的焊接方法为手工电弧焊和埋弧焊。4.2.1手工电弧焊4.2.1.
21、1手工电弧焊慨念与原理手工电弧焊：又被称为手弧焊，其用待焊接的工件与用手工操作的焊条为电极，利用两者之间的电弧来产生热量而熔化金属来进行焊接，这就是手工电弧焊8。手工电弧焊的回路由焊接设备、焊条、焊件与电弧组成，其中焊接设备包括焊接电源、焊接电缆与焊钳。在其工作时，焊条与工件接触而发生引弧，然后将电极和焊条保持一定的距离，而电源的支持使电弧能够稳定的燃烧继而产生高温使焊条和工件加热而熔化形成熔池，熔融在一起的金属在冷却后就形成了焊缝，两个焊件就是通过这样的方法被焊接在了一起9。4.2.1.2 手工电弧焊焊接材料根据设计的要求，手工电弧焊焊接材料选择的是E4315焊条。E4315焊条作为低氢钠型
22、药皮的碳钢焊条，采用的是直流反接，它能够对焊件的所有位置进行焊接。值得注意的是在焊接过程中的电弧应为短弧，最好是窄焊道。为了获得更好的焊接质量，焊前焊条必须由350温度进行烘烤干燥，一共要持续1小时8。E4315焊条的化学成分和力学性能如表4-1,4-2所示：表4- 1 E4315焊条的化学成分（质量分数）/%试验项目CMnSiSPNiCrMoVAlCu其他保证值0.121.250.900.0350.040表4- 2 E4315焊条的力学性能实验项目Rm(MPa)ReL(MPa)A(%)-30时Akv(J)保证值4203302227一般值460540340253380180E4315焊条焊接时
23、的参考电流（DC+）见表4-3： 表4- 3 E4315焊条的参考电流（DC+）焊条直径（mm）2.53.24.05.05.8焊条长度（mm）300350400400400焊接电流(A)608090.1201401801702102202604.2.2 埋弧焊4.2.2.1 埋弧焊的原理与特点埋弧焊：是电弧在一层颗粒状的可熔化焊剂覆盖下燃烧且电弧光不泄露的一种焊接方法，埋弧焊的金属电极是连续不断的裸焊丝8。埋弧焊的工作原理：焊丝由送丝机通过导电嘴不间断进入焊接区域，电弧在由焊丝、焊剂及焊件因电弧热作用而被熔化形成的气泡中燃烧，气泡的下部是熔池，上部则为熔渣膜，而熔渣膜与没有完全融化的焊剂在焊接
24、时能够隔热、隔离空气，并且屏蔽掉对焊工有害的辐射。埋弧焊与其他焊接方式相比，它的生产效率与焊缝质量更高，劳动条件也要更好。4.2.2.2 埋弧焊焊接材料由于焊丝H08MnA、H08A、H10Mn2在锅炉、造船、压力容器等生产制造行业被广泛的使用，并且在中、厚板的焊接上非常适用，所以埋弧焊焊接材料选择H08MnA、H08A、H10Mn2这三种焊丝。又因为中锰中硅型焊丝与锰、硅类型的焊剂可以更好的提高焊接质量，所以选择HJ431焊剂。所选择的三种焊丝都采用的是单、双极，交、直流接法。表4-4,4-5,4-6是这三种焊丝的化学成分、机械性能和参考电流：表4- 4 H08MnA、H088A、H10Mn
25、2化学成分（质量分数）/%牌号成分MnCSiSPNiCuCrH08A0.30-0.550.100.030.0300.0300.300.200.20H08Mn0.80-1.100.100.070.0300.0300.300.200.20H10Mn21.50-1.900.120.070.0350.0350.300.200.20表4- 5 H08MnA、H08A、H10Mn2机械性能牌号成分屈服强度Mpa抗拉强度Mpa延伸率（%）冲击值J（）H08A3304102227H08MnA3304102227H10Mn233041022表4- 6 H08MnA、H08A、H10Mn2规格与参考电流直径（mm
26、）2.02.53.24.05.0电流（A）300400350450425525475575550650HJ431焊剂：粒度大小为8-40目（2.5-0.45mm）左右，外观为棕红色至浅黄色的玻璃状颗粒。HJ431焊剂有以下特点：1.焊接工艺性能良好；2.脱渣容易；3.成形美观。其主要成分如表4-7所示：表4- 7 HJ4531的化学成分（质量分数）/%焊剂SiO2MnOCaF2MgOCaOAl2O3FeOSPHJ431404434383758641.80.060.084.3焊接准备4.3.1 焊条的储存在储存焊条时须保持环境的干燥，相对湿度要求保持在60%以下。焊条在使用前应按照相关要求进行烘
27、干且烘干之后放在恒温箱中进行保存。通常保存的温度为100到150之间。保存好的药皮应外表正常，没有脱落和明显裂纹，否则无法用于焊接。焊条保存在保温筒内时间通常为4h,一旦超过时间就要重新烘干。4.3.2 焊接设备平常焊接所需的焊接电源，焊接小车，伸缩臂式焊接操作机及焊接轮滚架等设备也同样是锅炉汽包焊接生产时必不可少的。4.3.3 焊接环境焊接时的环境，如果有下列情形之一的，其焊点没有有效的保护措施，应立即停止焊接，以防止焊接产品的质量的影响。1）下雨和下雪；2）刮风且风速超过8m/s，；3）低温且温度在-5以下；4）潮湿天气，相对湿度在90%以上。4.3.4 焊接电源焊接电源选择的是弧焊机，弧
28、焊机有直流弧焊机和交流弧焊机两种。交流弧焊机在满足焊接需要的同时又能够保证施焊人的安全，主要是因为它能够将电源电压降到安全范围内的6080V。它的结构很简单使得在制造时方便便宜很节省材料，在维修方面因同样很方便，使用时不用担心出问题，非常可靠。但是它的电弧稳定性却低于直流弧焊机，对于某些特殊的电极无能为力。直流弧焊机根据不同的使用环境有直流弧焊发电机和弧焊整流器两种。它可以获得持续不变的直流电，于是，在焊接时引弧方便，得到的电弧也稳定，产品的焊接质量也较好。但是使用的成本太高，那是因为它的构造复杂，导致制造和维修困难。根据选择的焊接材料和焊接方法，最终选择直流焊弧机中的焊弧整流器最为焊接电源。
29、4.4 焊接工艺4.4.1 预热筒体板在焊前要进行预热，预热的目的只要包括以下几个方面：1.减慢焊接接头在加热时的温度的变化与延长冷却时的速度；2.改善材料的显微组织；3.减少和避免组织产生淬硬现象；4.使氢更快的逸出，进而防止产生冷裂纹。点状加热器与条状加热器分别用于定位焊、临时焊缝和筒体焊缝，并且在焊接时要放在焊缝小坡口的一侧。预热时可以使用液化石油气来加热，加热时不能局部燃烧，要保持均匀。温度要在距焊缝中心50mm处测量，测量的时候记得两边都要测，预热温度大致为120140，实际测得的温度要高于120。在整个焊接过程中温度要保持稳定，不能过高或过低。通常是在焊缝中心线两侧3倍板厚的范围内进行预热，也就是说预热的宽度为144150mm左右。而预热的
