工艺书 最终 定稿.docx
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工艺书最终定稿
目录
1绪论1
1.1钢的类型及化学成分1
1.2焊接性分析2
1.3焊接方法与填充材料的选择3
2工艺参数的选择4
2.1板厚的计算4
2.2工艺参数的确定5
2.2.1焊条、焊丝直径的选择5
2.2.2焊条电弧焊电流、电压的选择7
2.2.3埋弧焊焊接电流、电压的选择8
2.2.4焊接层数8
2.3焊缝的布置及焊接接头坡口选择9
2.3.1焊缝布置9
2.4焊接生产设备和下料12
2.4.1焊接设备的选择12
2.4.2下料13
3焊前准备、焊后热处理和焊接检验15
3.1焊前准备15
3.2焊后热处理15
3.3焊接检验16
4钢制立式储罐的装配、检验18
参考文献20
1绪论
钢制立式固定顶储罐的工艺设计部分包括材料的焊接性分析,焊接方法的选择,焊接材料的选择,焊接参数的选择,焊缝位置的布置、焊接坡口的选择,焊接耗材的计算,焊接设备以及其它使用设备的选择,装配工序的选择,以及焊后热处理,焊后检验等,根据以上部分制作焊接工艺卡以便实际生产使用。
1.1钢的类型及化学成分
焊接性是金属材料是否能适应焊接加工而形成完整的、具有一定使用性能的焊接接头的特性。
其主要依据两个方面来判别:
一是金属在进行焊接加工中是否容易产生缺陷;二是所形成的焊接接头在一定使用条件下的可靠运行的能力。
所以焊接性就分为了工艺焊接性和使用焊接性。
工艺焊接性就是在一定焊接工艺条件下,获得优质、无缺陷的焊接接头的能力;使用焊接性焊接接头满足某种使用性能的能力,通常包括常规的力学性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变、疲劳性能、持久强度以及抗腐蚀性和耐磨性等指标。
前者是关于材料能不能焊接的问题,后者是关于焊后能不能使用的问题。
本立式固定顶储罐选用的材料为16MnR为钢材属于低碳钢的碳素钢种类。
16MnR钢是细晶粒的铁素体型低温钢,细晶粒钢通过正火或调质处理后获得良好的综合性能,属低合金系统,温度等级为-40℃,热轧热处理状态,其中碳及其它合金元素含量较低,下表1.1给出了碳素钢的化学成分。
表1.116MnR的化学成分
牌号
化学成分(质量分数)∕﹪
C
Si
Mn
Ni
V
Nb
Als
P
S
不大于
16MnR
≤0.20
≤0.55
1.20~1.60
—
—
—
≥0.020
0.025
0.015
1.2焊接性分析
表1.216MnR的力学性能
钢号
板厚(mm)
试验温度(℃)
16MnR
≤16
+20
-40
345
470~630
21~22
_
34
>16~25
325
根据国际焊接学会(IIW)所采用的碳当量(CE)计算公式:
(%)
将16MnR所含化学成分的相应数值代入上式,计算其碳当量。
通过计算得出,16MnR的碳当量CE=0.40%~0.47%。
当CE=0.40%~0.60%,钢的淬硬倾向逐渐增加,所以16MnR属于有淬硬倾向的钢。
但是,当CE不超过0.5%时,淬硬倾向尚不严重,焊接性较好,但随板厚增加需要采取一定的预热措施。
16MnR钢碳当量不高,淬硬倾向小,室温下焊接一般不易产生冷裂纹。
钢在轧制中,硫、磷含量控制较低,所以也不易产生热裂纹。
16MnR钢在焊接时,是锅炉压力容器常用钢材,状态分:
热轧或者正火,属锅炉和压力容器用钢板。
性能与Q345的性能相近,抗拉强度为(510-640MPa)之间,伸长率大于21%,零度v形冲击功大于34j。
16MnR钢是屈服强度为340MPa级的压力容器专用板,它具有良好的综合力学性能和工艺性能。
磷、硫含量低于普通的16Mn钢,除抗拉强度、延伸率要求比普通16Mn钢高之外,还要求保证冲击韧性。
需要承受不同的压力和强度,一般常压为31.4MPa或更高;工作温度常于-20~450℃之间。
具有良好的冷弯和焊接性能;有良好的塑性和韧性;有高温短时强度或长期强度性能。
1.3焊接方法与填充材料的选择
16MnR的主要焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊和电渣焊,氩弧焊,气体保护焊。
对储罐焊接来说主要采用焊条电弧焊和埋弧焊。
焊条:
型号E5015-G(牌号示例J507)
。
表1.316MnR不同的焊接方法和焊接材料与母材的搭配关系
钢号
手工电弧焊埋弧焊
焊条型号
牌号示例
焊丝型号焊剂
16MnR
E5015-1J507
H08MnAHJ350
焊条电弧焊是手工操纵焊条进行焊接的一种电弧焊方法,俗称手工电弧焊,属于传统的焊接工艺方法。
其特点是电弧柱的温度高于3000℃,且热量集中,与气焊方法相比,热效率较高。
该方法有所需焊接设备简单、易于操作、灵活性好等优点。
J507是低氢钠型药皮的高韧性超低氢低合金钢焊条,采用直流反接。
具有良好的焊接工艺,电弧稳定,脱渣容易,焊缝金属有优良的塑性、韧性和抗裂性能。
可进行全位置焊接。
适用于E36、D36、A537等低合金钢的重要结构焊接。
如海洋平台、船舶、压力容器等。
2.埋弧焊埋弧焊是在焊剂下燃烧进行的熔焊方法,现在主要有自动焊和半自动焊两种。
主要优点是:
生产效率高,埋弧焊所采用的焊接电流大,相电流密度也大,由于焊剂和熔渣的保护,电弧的熔透能力和焊丝的熔敷速度都大大提高,所以埋弧焊焊接可以不开坡口一次熔深达到20mm;焊接质量高,由于熔渣焊剂的保护作用,是空气不与熔敷金属接触,焊缝金属含氮量降低,而且熔池金属凝固较慢,液体金属和融化焊剂的冶金反应更充分,减少焊缝中的气孔产生,裂纹的可能性;劳动条件好,埋弧焊弧光不外露,没有弧光辐射,机械化的操作方法减轻手工操作强度。
其缺点是焊接位置受限,适合大多数平焊、角焊、少数立焊、侧倒焊。
不适合焊接厚度小于1mm的薄板。
埋弧焊的电源种类有直流和交流电源,直流电源包括硅弧焊整流器、晶闸管弧焊整流器。
也即电驱动机械式弧焊机和内燃机驱动式弧焊机,可以提供平特性、缓降特性、陡降特性、垂降特性的输出。
交流电源是弧焊变压器,一般提供陡降特性的输出,埋弧焊通常是高负载持续率、大电流的焊接过程。
有100%负载持续率。
所以埋弧焊主要用于本储罐罐体的纵焊缝,罐底的边缘板对焊、中腹板的对焊以及筒壁和罐底T型焊缝的焊接,罐顶的扇形板对接焊缝。
本储罐设计埋弧焊的焊缝要求焊缝质量较高,所以采用可以提供更多特性曲线的直流电源。
埋弧焊适合对平焊位置的焊缝进行高效的生产,也是本论文选择的主要原因。
2工艺参数的选择
2.1板厚的计算
由于所给体积大于1000m3,所以按照不等壁厚计算,选择钢板宽度为2m。
所以
=2m,
=4m,
=6m
=8m
=10m
=12m根据公式3-1分别计算出每层的壁厚如下
(3.1)
式中:
—设计压力:
0.105(
);
—罐的内径:
32000(mm);
—设计温度下材料的许用应力170(
);
—焊缝系数:
查表得0.9
;
—钢板的负偏差0.3(mm);
—腐蚀裕度
.0;
所以罐壁厚度从上到下一次为14mm16mm18mm19mm21mm22mm。
2.2工艺参数的确定
2.2.1焊条、焊丝直径的选择
本次设计选择能够得到良好的焊缝的低氢焊条,焊条型号为E4313。
焊接工艺参数主要包括焊接电流,焊接电压,焊丝焊条直径,焊接速度,焊接层数等参数,其中焊接电流最为中要,其直接影响焊接热输入的,焊条焊丝直径影响焊接电流的密度,也影响焊接速度和焊接层数。
1手工电弧焊焊条直径焊条直径是根据焊件厚度.焊接位置,接头形式,焊接层数来定的。
不同的焊接位置,选用的焊条直径也不同,通常平焊时选用较粗的
(4.0~6)mm的焊条,立焊和仰焊时选用
(3.2~4.0)mm的焊条,横焊时选用
(3.2~5.0)。
表2.1焊条直径与焊件厚度的关系
焊件厚度/mm
2
3
4~5
6~12
13
焊条直径/mm
2
3.2
3.2~4
4~5
4~6
焊条焊丝直径的选择下表2.2给出了相应的选择方法。
表2.2焊条直径的选择方法
选择条件
参数
参数选择范围
焊件厚度选择
工件厚度
67~1819~22
焊条直径
2.5~3.23.2~44~5
焊接位置选择
位置
立焊
横焊
仰焊
焊条直径
4
3.2
3.2
焊接层数选择
层数
第一层焊缝
其他层焊缝
封底焊缝
焊条直径
4
4
4
从上表可以选择手工电弧焊的焊条直径为4mm。
2埋弧焊焊丝直径焊丝是气焊、气体保护焊和埋弧焊时使用的焊接材料,其选择参照表3.4所示。
表2.3焊丝直径的选择方法
工件厚度(mm)
焊丝直径(mm)
焊接电流
(A)
焊接电压
(V)
焊接速度(cm/min)
14
5
830~850
36~38
41.8
16
5
830~850
36~38
33.4
18
5
830~850
36~38
33.4
22
5
1050~1150
36~38
30.1
从上表可以选择埋弧焊的焊丝直径为5mm。
2.2.2焊条电弧焊电流、电压的选择
焊接电流选择时应随焊条直径的增大而增大,一般按公式进行计算选择。
I=dk式中I―焊接电流(A)
d―焊条直径(mm)
K―经验系数(A/cm)
表3.5给出了焊条直径d与经验系数K的关系。
表2.4焊条直径D与经验系数K的关系
焊条直径d
1.6
2~2.5
3.2
4~6
经验系数K
20~25
25~30
30~40
40~50
由上表可知电流的经验范围为160A~200A
焊接位置不同,则焊接电流也应该不同,进行相应的变化。
表3.6给出了不同焊接位置的焊接电流和焊接直径的关系。
表2.5焊条电弧焊不同焊接位置的焊接电流和焊接直径的关系
焊接位置
焊条直径
3.2
4.0
5.0
平焊电流
90~120
160~180
200~250
横焊电流
80~100
140~160
190~240
仰焊电流
80~100
110~120
―
立焊电流
90~120
120~160
160~200
从上表可以的出,手工电弧焊在平焊是电流选择:
160~180A;在横焊是焊接电流选择140~160A;在仰焊时焊接电流选择:
140~150A。
根据经验数据,使用碱性药皮焊条时,电弧电压应控制在20~22V之间,使用酸性药皮焊条时最合适的电弧电压范围在25~28V之间。
J507属于碱性焊条,所以电弧电压应选用20~22V之间。
2.2.3埋弧焊焊接电流、电压的选择
埋弧焊时主要采用平焊,因此其焊接电流影响的因素主要是焊丝直径,焊丝直径不变,电流变化也不大。
表2-6V形和双V形坡口对接双面埋弧焊焊接参数
板厚
/mm
破口
形式
焊丝
直径/mm
焊接电流/A
电弧
电压/V
焊接
速度/(m/h)
第一层
其余各层
14
带钝边V形坡口
5.0
650~700
750~800
36~38
25~30
16
5.0
650~700
750~800
36~38
25~30
18
5.0
650~700
800~850
38~40
25~30
22
5.0
900~1000
600~650
36~38
43~45
24
X形坡口
5.0
650~700
800~850
38~40
25~30
由上表知埋弧焊的焊接电流选用36~40V焊接电流650~850A
2.2.4焊接层数
焊接层数与坡口深度、焊条直径及焊接速度等因素有关,一般采用以下经验公式大致确定:
N=S
/(0.8~1.2)d
N为焊接层数,S
为坡口深度(mm),d为焊条直径(mm)
如果厚度超过16mm则可以进行多道焊,对于碳钢每道宽度约为焊条直径的两倍,而对热输入比较敏感的不锈钢,每道宽度为焊条直径。
综上所述,选择的焊接工艺参数有:
手工电弧焊平焊是电流选择:
160~180A;在横焊是焊接电流选择140~240A;电源电压20~25V;焊接速度50cm/min;负载持续率100%;焊条直径4mm。
埋弧焊焊接电流650~850A;电源电压36~40V;焊接速度25~45m/h;负载持续率100%;焊接层数1;焊丝直径5mm。
2.3焊缝的布置及焊接接头坡口选择
焊接方法、焊接参数的、焊接材料的选择,为得到良好焊缝组织形式做好了客观条件了,但是如果焊接的焊缝布置不合理,焊接坡口形式也选择不当,那么同样的不到良好的焊缝。
所以可以看到焊缝布置对储罐设计的重要。
2.3.1焊缝布置
压力容器在拼装时,其焊缝的形式按其受力情况和所处位置大致分为四类:
A类焊缝:
罐壁的拼接纵焊缝、封头瓣片拼接、筒节与半球封头的环缝。
B类焊缝:
筒节的环焊缝、筒体与各类封头间的环焊缝、。
C类焊缝:
法兰与壳体、接管连接的焊缝。
D类焊缝:
接管、人孔等与壳体连接的焊缝。
E类焊缝:
吊耳、支撑,支座及各种内件与筒体或封头内外表面相接的角接接头。
焊接结构中焊缝的布置是否合理,对焊接接头质量和生产效率都有很大的影响。
焊接布置一般原则是:
焊缝布置便于焊接操作,焊缝布置必须保证焊缝周围有供焊工操作和焊接装置设备的正常工作条件;埋弧焊时,要考虑存放焊剂,点焊与缝焊时,应考虑电极方便操作;应尽量减少结构或焊接接头部位的应力集中和变形。
在保证结构的承载能力的条件下,应尽量减少焊缝的数量和焊缝尺寸;焊缝应尽量避开最大应力和应力集中的位置;避免过分密集焊缝和交叉焊缝,一面造成金属过热,加大热影响区,使组织恶化,一般两条焊缝的间距要大于三倍的板厚且不小于100mm;焊缝布置应不影响机械切削加工表面,有些焊接构件的某些部位需先加工再焊接,则焊缝位置应尽量远离已加工表面,以避免或减少焊接应力与变形对已加工表面精度的影响;为了减少和避免大型构件的翻转使得焊接操作方便和保证焊接质量,焊缝应尽量放在平焊位置,应尽量避免仰焊焊缝,减少横焊缝。
根据上述焊缝的类型以及焊缝布置的原则,图2.1是本次储罐设计的主要焊缝的布置图,其中粗线表示焊缝的位置。
图2.1罐体焊缝布置的简图示意
2.3.2焊接接头坡口的选择
焊接接头的形式有对接接头、角接接头、T形接头和搭接接头等。
如下图2.2、2.3所示。
图2.2对接接头形式图2.3搭接接头形式
焊接接头的选择:
主要根据焊接结构形式、焊件厚度、焊缝强度要求及施工条件等情况来选择。
焊接接头的功能:
对接接头:
受力均匀,在静载和动载作用下都具有很高的强度,且外形平整美观,是应用最多的接头形式。
但对焊前准备和装配要求较高;搭接接头:
焊前准备简便,但受力时产生附加弯曲应力,降低了接头强度;角接接头:
通常只起连接作用,只能用来传递工作载荷;T形接头:
广泛采用在空间类焊件上,具有较高的强度,如船体结构中约70%的焊缝采用了T形接头。
根据设计和工艺需要,在焊件的待焊部位加工的一定几何形状和尺寸的斜面或沟槽,称为坡口。
开焊接坡口的目的就是为了能够使两个被焊件接头处焊透且熔合良好。
坡口的作用是使厚度较大的焊件能够焊透,常将金属材料边缘加工成一定形状的坡口,并且坡口能起到调节母材金属和填充金属比例即调整焊缝成分的作用。
焊接接头处有了坡口,就能使焊接材料(焊条或焊丝)到达应有的位置,在一定的焊接规范下将母材熔透,并能使两侧的母材良好地熔合在一起。
为了焊透和熔合良好,选择坡口时除应考虑被焊工件的厚度、焊接方法、焊接位置和焊接工艺的影响,保证焊材的可达性,还应考虑以下几项因素:
1)填充材料使用最少。
例如,当同厚度平板对接时,采用双面v形坡口比单面v形坡口要省材料,选用双U形坡l∶1更省材料。
2)坡口加工容易,成本低。
例如,V形、双V形坡口可用气割加工,U形坡口一般要经机械加工或碳弧气刨后打磨表面。
3)有利于控制焊接变形。
例如,采用单面v形坡口比双面v形坡口要小,单边U形坡口变形更小。
当然,这些因素要综合考虑,在保证焊透、熔合良好和变形最小的前提下,尽量方便焊接施工,提高效率,降低成本。
本储罐设计选择的焊接接头形式,在不同的焊接位置焊接接头不同。
罐底的中腹板与中腹板采用对接形式焊接,并有垫板且开坡口,焊接方法为焊条电弧焊;中腹板与边缘板之间采用对接形式焊接,有垫板也不开坡口,焊接方法为埋弧焊;罐壁底板与罐底边缘板采用T形焊缝焊接,开坡口,焊接方法为埋弧焊。
罐壁的纵焊缝采用对接形式焊接,开坡口,采用手工电弧焊;罐壁层与层之间的环焊缝,采用对接形式焊接,开单边Y形、K形坡口,采用手工电弧焊;罐壁人孔类接管焊接采用角焊形式,开K形坡口,采用手工电弧焊;罐壁顶层与罐顶焊接,采用角钢连接搭接形式焊接,不开坡口,采用手工电弧焊。
罐顶的扇形板与扇形板之间采用对接形式,开V形坡口,采用手工电弧焊;罐顶中心板与扇形板采用搭接形式焊接,不开坡口,采用手工电弧焊;罐顶人孔接管焊接采用角焊形式,也不开坡口,采用手工电弧焊。
2.4焊接生产设备和下料
2.4.1焊接设备的选择
生产设备主要包括下料的设备,加工的板材的设备,焊接设备等。
根据《焊接手册3焊接方法与设备》选用的焊接加工设备切割机、卷板机,手工电弧焊机和埋弧焊机。
本次设计选用的切割机为LASERTEX-4830型激光切割机。
激光切割机是利用大功率CO2连续激光器发出的激光束热能实现切割的设备,它可以切割金属材料和非金属材料,具有割缝窄、速度快、热影响区小、切割面光洁等优点,多用于精密切割的场合。
表3.10给出了LASERTEX—4830型激光切割机的技术参数。
表3.10LASERTEX—4830型激光切割机
输出功率/kW
切割板厚/mm
切割范围
/mm
切割速度
/(mm·min-1)
空程速度
/(mm·min-1)
外形尺寸(长×宽×高)
/mm
3.0
22.0
6250×3200
25~6000
24000
4750×6800×2850
板材的弯曲卷制,以及筒体的矫圆。
其传动形式有机电式、半液压式、全液压式三种。
本设计选用三辊对称式卷板机,型号为W11S-25×2000B三辊对称式卷板机,其具有高精度的端部预弯卷制制品工艺参数NC化,操作简单,效率大幅提高;上辊呈鼓形状,下辊的下部有托辊配合调节,连续弯曲,从薄板到厚板之一广泛的范围内能够卷制理想的制品;两辊固定,上辊上下,左右移动,工件不随工作辊移动,作业者安全;设备采用整体式底盘,无须地脚螺栓,基础简单,移动作业场所方便;具有卷制O型、U型、多段R型,辅助锥筒装置,可以卷制一定范围的锥筒。
其主要参数如下。
表3.11W11S-25×2000B三辊卷板机对称式
型号
最大卷板宽度/mm
最大卷板厚度/mm
最小卷筒直径/mm
主电动机功率/kW
卷板速度m/min
外形尺寸
(长×宽×高)/m
W11S-25×2000B
2000
25
850
30
5
5.72×1.83×1.81
埋弧焊的焊机选用MZJ-1000,属于变速送丝埋弧焊接,焊接的技术规格如表3.12所示。
表2.7埋弧焊机技术规格
配用焊接电源型号
焊机结构特点
电源电压(V)
焊接电流(A)
焊丝直径(mm)
送丝速度
(m·h-1)
焊接速度(m·h-1)
送丝方式
BX2-1000
焊车
380
1000
3.0~6.0
30~120
15~70
变速送丝
焊接用焊机选用硅整流焊机,动铁心式弧焊整流器ZXE1-300的参数如表3.13。
表2.7ZXE1-300的技术参数
额定焊接电流(A)
额定负载持续率(%)
电流调节范围(A)
空载电压(V)
工作电压(V)
相数
频率(Hz)
额定输入电流(A)
质量(Kg)
300
35
50~300
60~70
32
1
50
59
200
2.4.2下料
1钢板的矫正钢板在轧制、吊装、运输和存放过程中,由于自重、支撑不当、或装卸条件不良及其他原因,可能会产生弯曲、扭曲、波浪及表面凹凸不平等变形。
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,划线、下料前必须进行钢板的矫平。
钢板的矫正通常采用机械、火焰和手工矫正。
由于立式储油罐罐壁毛坯厚度最厚为22mm,宽度为2000mm,所以选用CDW43S-40×2500辊式板材矫平机进行矫平,其具体参数见表2.8。
表2.8CDW43S-40×2500辊式板材矫平机技术参数
产品
规格
最大矫平厚度/mm
最大矫平宽度/mm
最小矫平厚度/mm
板材屈服点/MPa
工作辊辊距/mm
工作辊直径/mm
工作辊辊数/n
矫平速度/(m·min-1)
主电动机功率/kW
40×2500
40
2500
10
360
400
340
7
7
132
2钢材的表面处理钢材表面的氧化物、铁锈和油污,对焊缝的质量会产生不利的影响,焊前必须将其清除,目前已成为焊接结构生产中不可缺少的重要工序之一。
钢材的表面处理采用喷砂进行表面除锈。
3放样、划线、下料按照储油罐壁板下料板幅的板长和板宽,同时考虑下料的切割余量、二次下料的坡口加工余量和焊缝收缩量,在放样平台上用1:
1的比例,划出板材的图形和平面展开尺寸,并以直线代替图形中的圆弧划线。
最后按放样的形状和尺寸制作样板。
表2.8储油罐各个部位下料尺寸表
项目
板材分类
顶板
壁板
中腹板
边缘板
瓜片
外形尺寸
D=2100mm
2000
5000mm
6
10
弧长AB=5m;CD=0.36m;
数量
1
114
—
—
20
3焊前准备、焊后热处理和焊接检验
3.1焊前准备
1焊条烘干烘干焊条可去除焊条因受潮而存留在药皮中的水分,减少熔池及焊缝中的氢,防止气孔和冷裂纹的产生。
烘干焊条要严格按照规定的工艺参数进行,预热温度350~400℃。
2工件焊件预处理用低氢型焊条焊接时,工件坡口及两侧各20cm范围内的锈、水、油污、油漆等必须清除干净,才能有效的防止气孔和冷裂纹的产生。
3组装组装工件时,除保证焊接结构的形状尺寸外,要按工艺规定在接缝处留下根部间隙和反变形量,将对接的两工件对平齐,使错边量在允许的范围内,然后按照规定的位置和尺寸对焊件进行点固。
4预热处理预热是焊接开始前对被焊工件的局部或全部进行适当加热的工艺措施一般只对刚性大或焊接
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