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提高煤气炉装配的效率,从而提高产品的生产效率。
关键词:
5000塔立式煤气炉;
制作工艺及流程;
焊接装配工艺;
焊后检验
1塔立式煤气炉的制作工艺
1.1产品结构分析
本塔立式煤气炉的主材料为Q235,该产品的部件主要由炉体、炉顶、接管法兰、支座、管板、弯管、斜管、蒙板等组成。
煤气炉内径Φ=2850mm,壁厚10mm,煤气炉筒体长度L=10700mm,煤气炉上端接有弯管与测温管相连。
结构简图见下图1,设计的技术参数见下表1。
表1球罐设计参数
设计压力Mpa
0.4
焊缝接头系数
0.85
净质量Kg
1135
使用温度℃
140~160
NDT比例
100%
充水质量Kg
22735
设计温度℃
0~200
腐蚀裕度mm
1.5
地震烈度
7(远震)
介质名称
氧气
水压试验压力MPa
0.5
基本雪压N/m2
550
全容积m3
13.6
受热面积
25.2
容器类别
II
图1塔立式煤气炉主视图
1.1.1筒体
筒体的作用是提供工艺所需的承压空间,是压力容器最主要的受压元件之一,其内直径和容积往往需要由工艺计算确定。
圆柱形筒体(即圆筒)和球形筒体是工程中最常用的筒体结构。
筒体直径较小(一般小于500mm)时,圆筒可用无缝钢管制作,此时筒体上没有纵焊缝;
直径较大时,可用钢板在卷板机上卷成圆筒或用钢板在水压机上压制成两个半圆筒,在用焊缝将两者焊接在一起,形成整圆筒。
由于该焊缝的方向和圆筒的纵向(即轴向)平行,因此称为纵向焊缝,简称纵焊缝。
若容器的直径不是很大,一般只有一条纵焊缝;
随着容器直径的增大,由于钢板幅面尺寸的限制,可能有两条或两条以上的纵焊缝。
另外,长度较短的容器可直接在一个圆筒的两端连接封头,构成一个封闭的压力空间,也就制成了一台压力容器外壳。
但当容器较长时,由于钢板幅面尺寸的限制,也就需要先用钢板卷焊成若干段筒体(某一段筒体称为一个筒节),再由两个或两个以上的筒节组焊成所需长度的筒体。
筒节与筒节之间、筒体与端部封头之间的连接焊缝,由于其方向与筒体轴向垂直,因此称为环向焊缝,简称环焊缝。
由于本设计的罐体直径较大,应采用钢板卷制后焊接。
除此之外,由于容器的长度较长,需要用钢板卷焊成若干个筒节,再组装焊接成所需要长度的筒体。
1.1.2封头
封头是容器的一个部件,是以焊接方式连接筒体。
根据几何形状的不同,可分为球形、椭圆形、碟形、球冠形、锥壳和平盖等几种,其中球形、椭圆形、碟形、球冠型封头又统称为凸形封头。
在焊接上分为对焊封头,承插焊封头。
用于各种容器设备,如储罐、换热器、反应釜、锅炉和分离设备等。
封头是压力容器上的端盖,是压力容器的一个主要承压部件。
所起的作用是密封作用封头焊好了之后是不可以再拆卸的。
与之配套的管件有压力容器、管道、法兰盘、弯头、三通、四通等产品。
本罐体的封头属于凸形封头中的椭圆形封头。
起到封闭和承压作用。
1.1.3法兰
法兰按其所连接的部分分为管法兰和容器法兰。
用于管道连接和密封的法兰叫管法兰,用于容器顶盖与筒体连接的法兰叫容器法兰。
法兰与法兰之间一般加密封元件,并用螺栓连接起来。
1.1.4支座
此产品的支座为鞍式支座,主要作用是支承容器
2母材性能分析
Q235是隶属热轧钢范畴,是我国于20世纪50年代研制生产和应用最广泛的热轧钢,屈服强度为235MPa的低合金钢大多属于热轧钢,是靠合金元素锰的固溶强化获得高强度。
热轧钢通常为铝镇静的细晶粒铁素体+珠光体组织的钢,一般在热轧状态下使用。
Q235钢的主要化学成分如表2示,Q235钢的力学性能如表3所示。
2.1母材化学成分及力学性能分析
表2Q235钢的主要化学成分
钢号
化学成分(%)
C
Si
Mn
S
P
Q235A
0.14~0.22
≤0.30
0.30~0.65
≤0.050
≤0.045
Q235B
0.12~0.20
0.30~0.670
Q235C
≤0.18
0.35~0.80
≤0.040
Q235D
≤0.17
≤0.35
≤0.035
表3Q235材料力学性能
板厚/mm
热处理状态
力学性能
冲击韧性
抗拉强度σb/MPa
屈服点
σs/MPa
伸长率δ5(%)
180°
弯曲试验
温度/℃
冲击功Aku/J
Q235
12-20
热轧
375-460
≥235
≥26
d=2a
+20
≥27(横向)
注:
d=弯心直径a=试样厚度
2.2母材的焊接性分析
由于低碳钢含碳量低,锰、硅含量也少,所以,通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。
低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好,焊接时,一般不需预热、控制层间温度和后热,焊后也不必采用热处理改善组织,整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施,焊接性优良。
1)裂纹问题
①热裂纹:
热轧钢一般含碳量较低,而含锰量较高,因此它们Mn/S比较大,具有良好的抗热裂性能。
正常情况下焊缝中不会出现热裂纹,但当材料成分不合格或有严重偏析,使碳、硫含量偏高,Mn/S比偏低,易出现热裂纹。
锰在钢种可与硫形成硫化锰,减少了硫的有害影响,增强了钢的抗热裂性能。
②冷裂纹:
钢材冷裂纹主要取决于钢材的淬硬倾向,而刚才的淬硬倾向又主要取决于它的化学成分。
热轧钢由于含有少量合金元素,其碳当量比低碳钢碳当量略高些,所以这种钢淬硬倾向比低碳钢要大些,而且随钢材强度级别的提高,合金元素的增加,它的淬硬倾向逐渐增大,应根据接头形式和钢材厚度来调整线能量、预热和后热温度,以控制热影响区的冷却速度,同时降低焊缝金属的含氢量等措施,防止冷裂纹的产生。
③再热裂纹:
从钢材的化学成分考虑,由于热轧钢中不含强碳化物形成元素,因此对再热裂纹不敏感,而且还可以通过提高预热温度和焊后立即后热等措施来防止再热裂纹的产生。
2)脆化问题
①过热区脆化:
热轧钢焊接时近缝区中被加热到100℃以上粗晶区,易产生晶粒长大现象,往往会承受不住应力的作用而破坏。
防止过热区脆化的措施是提高冷却速度,尤其是提高奥氏体最小稳定性范围内的冷却速度,缩短在这一温度区间停留时间,减少或防止奥氏体组织的出现,以提高钢的冲击韧度,而且为防止过热区粗晶脆化,也不宜采用过大线能量。
②热应变脆化:
热应变脆化是由于焊接过程中热应力产生塑性变形使位错增殖,同时诱发氮碳原子快速扩散聚集在位错区,出现热应变脆化。
3塔立式煤气炉制作工艺流程
塔立式煤气炉工艺流程如图2所示。
图2塔立式煤气炉制作工艺流程图
钢板复检是为了检验所用的钢材是否符合国家标准,材料相关的技术要求,质量标准和等级标准,罐体主要检验以下几个方面:
钢号、化学成分、力学性能、形状。
表面情况和内部缺陷等。
4零件的下料
4.1筒节下料
1)钢材的复检
按照GB1591-88,GB6654-86标准对原材料(钢板、钢带、钢管、型材和锻件等)尺寸偏差、表面质量、化学成分、材料性能、交货状态和其它实验结果等进行控制验收。
钢板表面不许有裂纹、气泡、折叠、夹杂、结疤和压入氧化铁皮、钢板不得有分层。
钢材必须附有质量证明书,质检部门应按质量证明书对钢材进行验证,必要时需进行复检。
当图样和工艺另有要求时,按图样和工艺要求进行复验。
材料复验取样的方法和数量按相应标准进行。
材料化学成分一般按炉号、力学性能按批号取样复验。
2)板材预处理
对于吊装、运输、堆放等造成变形的钢材,其偏差如大于允许偏差时,使用前首先进行矫正。
对于板材的局部不平度,使用长度为1m的平尺检查,在任意1㎡范围内,当钢板厚度>14mm时,间隙应≤1mm;
当钢板厚度≤14mm时,间隙≤1.5mm;
否则使用平板机矫正。
对于型钢,如角钢、工字钢等,采用拉线法、线坠、直尺测量,对其弯曲、翼缘倾斜、扭曲等进行控制,矫正方法可使用火焰矫正和压力机矫正。
10mm的板材的矫平,矫直可在5-11辊的辊式矫直机上进行。
钢板越薄,其不平整度往往越大,实际生产时进行校正所用的工作辊数也越多。
钢板表面有锈蚀,麻点,划痕时,其深度不得大于刚才厚度负允许值的1/2。
钢材表面的锈蚀等级可参考现行国标GB8923.表面清理可采用机械法:
喷砂、抛丸、平动风砂轮、钢丝刷等方法。
3)下料前尺寸计算
外筒体规格为:
DN1600,即筒体内径为2850mm,板厚为10mm。
由于考虑到筒体卷制中,内壁受到压缩、外壁受到拉伸,只有中间面线长保持不变,因而筒体下料按中径计算。
即中径为:
内径+单面壁厚。
下料展开图如图3所示
图3筒体下料展开图
考虑到下料过程中需要留取的机加工余量,长宽号料允差以及刨削余量的条件下,下料前筒体展开的长度计算公式,如下:
(1-1)
=3.14×
(2850+10)+10
=8990.4mm。
式中:
L----筒体毛坯展开长度,mm;
D----容器的公称直径,mm;
δ----容器壁厚,mm;
S----加工余量(包括切割余量,刨边余量和焊接收缩量等),mm;
说明:
由于所要求设计的煤气炉筒节总长度为2890mm,根据上面的计算得出下料尺寸2890mm×
8991mm,还要考虑刨边和余量。
(内筒体照此处理)
4)下料方式
由于所设计的反应罐筒体材料为Q235,采用数控或小车式氧-乙炔切割,但当钢板较薄、余量不多切割后易产生变形时也采用数控等离子切割机放水切割。
剪切、切割后相对于检查线偏差为±
1mm。
5)坡口切割与刨边
氧-乙炔切割坡口。
板切割后坡口表面不得有沟槽和缺肉,不得有氧化铁等杂物。
应均匀光滑,坡口钝边允差为±
1mm,角度允差为±
2.5°
。
切割的坡口必须磨去氧化层、渗碳层、淬硬层,直至露出金属光泽。
由于是低碳钢材料,坡口均采用刨边机。
需削薄处理的筒节钢板不得在钢板未圈圆的情况下采用刨边机削薄。
坡口钝边允差为±
需进行坡口探伤的板料其坡口探伤前,须进行表面打磨,直至露出金属光泽。
4.2封头的下料
钢材必须附有质量证明书,质检部门应按质量证明书对钢材进行验证,必要时尚需进行复检。
材料化学成分一般按炉号、力学性能按批号取。
10mm的板材的矫平,矫直可在5—11辊的辊式矫直机上进行。
钢板表面有锈蚀,麻点,划痕时,其深度不得大于刚才厚度负允许值的1/2.钢材表面的锈蚀等级可参考现行国标GB8923.表面清理可采用机械法:
所设计的煤气炉封头尺寸为:
EHA2828,即公称直径为d=2828mm,厚度为10mm,通过查阅《JB-T4746-2002钢制压力容器用封头》标准得直边高度为50mm,封头中性层厚度为408,封头展开后的直径,如
(1-2)
=1.2×
2828+2×
50+10
=3505mm。
D----封头展开后的直径,mm;
d----封头的公称直径,mm;
h----直边高度,mm;
所设计的封头材料为Q235,采用小车式氧-乙炔切割。
5)坡口加工
焊接坡口应根据工艺条件选用标准坡口。
采用X型坡口。
如图5所示。
边缘加工方法有机械切削、热切割坡口加工两大类。
产品采用氧乙炔切割方法制备坡口,对影响焊接质量的表面层,应用冷加工法去除。
焊接坡口应保持平整,不得有裂纹、分层、夹渣等缺陷。
坡口表面及两侧(焊条电弧焊10mm,埋弧焊、气体保护焊各20mm,电渣焊40mm)应将水、铁锈、油污、积渣和其它有害杂质清理干净。
切割下料后,再下一环节开始前要进行尺寸复查。
图4坡口加工方式
4.3其他部件
1)号料
按设计图纸和标准图选用材料,预焊件垫板材料应与壳体材料相同。
按设计图纸、标准图,根据展开尺寸,将预焊件垫板套裁到一张板上,一次号出并留出切割余量。
按设计图纸、标准图,根据展开尺寸,进行内外件的号料,划出相应部件的倒角、内外圆弧、圆角。
角钢、工字钢、槽钢型拼焊加强(保温)圈号料时,考虑焊接收缩,内外圆直径须同步放大10mm,以保证最终尺寸。
预留切割余量2-5mm。
2)下料
剪切、切割下料。
按设计图纸、标准图保证倒角、内外圆弧、圆角。
剪切面允许有深度≤1mm的磕痕和厚度≤0.5mm的毛刺。
切割后,材料表面均匀光滑,不得有氧化铁等杂物,不得有沟槽、缺肉等缺陷。
3)具体操作
a.法兰:
按图纸尺寸及排板要求划线,内外径预5-8mm机加余量;
分瓣拼焊时按4瓣划线。
按线下料按线下料;
同时下试板、引弧板、灭弧板。
b.管盖:
按图纸尺寸及排板要求划线,内外径预留8mm机加余量;
按线下料。
c.管板:
按图纸尺寸及排板要求划线,内外径预留10mm机加余量;
库管员作好材料标记移植,检验员检查确认后,按线下料。
5筒节的卷制及封头的压制成型
钢材的卷制是对已经按尺寸要求剪裁下料,并经边缘加工后的板材实施弯曲的工艺方法。
它是在卷板机上,利用工作辊相对位置变化和旋转运动,对坯料进行连续弯曲加工,是焊接结构生产中圆筒形、锥形等工件的主要加工方式。
钢材冷弯曲加工时,应符合下列规定:
其变形率ε<5%,钢板的最小弯曲半径R≥25S(σ为板厚);
对压力容器而言,ε=2.5%~3%。
否则,必须在加热状态下进行。
通常当D/σ>40时,可在冷态下进行,当D/σ<40时,必须热弯。
根据《压力容器安全技术监察规程》之规定:
当低碳钢和Q235B板厚σ≤0.03Dg、低合金钢板厚σ≤0.025Dg(Dg为工件的公称直径)时;
可采用冷弯方法,否则应进行热弯的方法。
当弯曲厚度较大,或曲率半径较小时,要想按要求的曲率进行弯曲加工,而又不致使材料受损,保证其弯曲质量,就必须采用热弯曲加工。
钢板热弯曲时,除特殊需要,经技术负责人批准外,同一部位的加热次数不得超过二次(可加热二次)。
主要工序步骤有:
钢板的预弯、对中、卷圆、矫圆。
5.1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。
钢板长度4992mm,宽度2512mm。
(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)卷裂由于冷卷硬化,粗晶组织,应力集中及各种脆性条件引起材料塑性变坏,导致卷裂,具体注意事项之前已写到,这里不再重复。
5.2影响封头成形质量的主要因素
影响封头壁厚变化的因素有:
1)材料强度越低,壁厚变薄量越大。
2)变形程度越大,封头底部越尖,壁厚变薄量越大。
3)上、下模间隙越小或下模圆角越小,壁厚变薄量越大。
4)压边力过大或过小,压制温度超高,都会导致壁厚减小。
5)润滑情况越好,则壁厚变薄的薄越小;
6)加热温度越高,则壁厚变薄量越大;
7)压边力越大,则壁厚变薄量越严重;
8)封头成形质量检查方法如图4所示。
图5封头成形质量检查方法
6装配、焊接工艺
在焊接结构制造中,装配是整个工艺的重要工序,它占全部加工时间的30%~40%,装配对焊接产品质量影响极大,因此在焊接结构生产中,正确地设计、选用各种工装夹具将工件准确定位并夹紧,用各种变位机械实现焊件、焊机或焊工位置改变的机械化、自动化,可大大缩短装配、焊接时间,保证产品的装配精度和焊接质量,充分发挥焊接设备能力,扩大其使用范围。
6.1工件的定位原理
任何空间的钢体未被定位时都具有六个自由度,即沿三个互相垂直的坐标轴的移动和绕这三个坐标轴的转动。
因此,要使零件(一般可视为刚体)在空间具有确定的位置,就必须约束其六个自由度。
为要限制零件在空间的六个自由度,至少要在空间设置六个定位点与零件接触。
以六个定位点来限制零件在空间的自由度,以求得完全确定零件的空间位置,称为“六点定位规则”。
6.2定位器
定位器是将待装配零件在装焊夹具中间固定在正确位置的器具。
在装焊工装夹具中常用的定位器主要有挡板、支撑钉、定位销、定位槽、V形铁和定位样板等。
定位器是保证待装配零件之间保持正确的相对位置的重要元件,因此定位器首先应按高精度加工,保证在夹具体上的安装精度。
装焊夹具在使用前,应按规定的程序校验定位器与基准面之间的形位公差,是否符合夹具设计图样的要求。
在安装基面上的定位器要承受焊件的重力,并与焊件表面接触。
因定位器工作面易磨损,应采用硬度较高的钢材制作。
6.3工件的定位方法
根据零件的具体情况,选取零件的定位方法。
根据定位方法的不同可分为如下几种:
划线定位、样板定位、定位元件定位、胎卡具定位。
本次设计选用胎卡具定位。
6.4定位焊
定位焊是用来固定各焊接零件之间的相对位置以保证焊件得到正确的几何形状和尺寸而进行的焊接。
装配定位焊要求:
装配间隙不能过大,尽量避免强力装配定位,为防止定位焊焊缝裂开,要求定位焊焊缝应有足够的长度,定位焊选用焊接时同类型的焊接材料,也可选用强度等级稍低的焊接材料。
定位焊应在-5℃度以上进行,当气温低于-5℃时,应稍加预热,温度在-5℃以上。
定位焊间距要小,采用较大的电流和较慢的焊速[7]因定位焊为断续焊,焊件温度比正常焊接时要低,热量不足容易产生未焊透,故定位焊电流应比焊接电流大10%~15%,特别注意定位焊后应尽快进行焊接避免中途停顿和间隔时间过长。
本设计定位焊工艺参数如表4所示。
表4定位焊工艺参数
板厚δ
(mm)
选用焊条直径
采用焊条
电流(A)
电源
设备
8
3.2
E4303
150
直流
ZXG-300
定位焊缝的参考尺寸如表5所示。
表5定位焊缝参考尺寸
焊件厚度
焊缝高度
焊缝长度
间距
2
30~50
300
6.5筒节的纵缝装配
筒节与筒节之间的装配采用卧式装配法,此筒体选择卧式装配法装置。
筒节的纵缝装配的制造过程中,至少有一条纵缝是在卷成形后组焊的,由于纵缝的组装没有积累误差,组装质量较易控制。
但是若弯卷过程控制不好,就会产生偏差,从而给组装带来麻烦。
筒节的板料预弯质量不佳还会造成纵缝棱角度超差,这时靠组装过程来控制是无能为力的,而只能在筒节纵缝焊后矫圆工序中予以修正。
筒节的纵向接头借助最简单的拉紧夹具用定位焊装配而成。
筒节的纵缝组对要在滚轮架上进行,先采用焊条电弧焊定位,然后借助伸缩臂式操作机进行埋弧自动焊。
纵焊缝的焊接为了能实现机械化,因此滚轮架装备有安置在小车上的卡规。
小车沿台架在轨道上移动,卡规在垂直平面用拉杆来调整。
被装配的筒节用吊车送到滚轮架上。
移动卡规,使液压缸的支座处于被装配接头的平面中,开启液压缸,把卡规固定在第一个筒节上。
端面液压缸把第二个筒节推向第一个,并在调节好接头的间隙后,用液压缸把边缘对齐,并施以定位焊缝。
为了把被装配的筒节转一个角度,以便在其它部位进行焊接,不仅要把液压缸去掉,还要把支座的压紧去掉。
后者通过卡规在液压缸活塞杆的作用下围绕轴稍许转动再实现。
活塞杆在向下移动,遇到固定的调节支座后,提升液压缸,同时转动卡规。
6.6环缝的组装
一般情况下压力容器的环缝组装与焊接是在筒节纵缝组装、焊接之后进行。
圆柱形焊接容器的筒体的组装有两种方式:
一种将各筒节组装成一体再组装两封头;
另一种则先将两封头分别与一组筒节组装后再进行总组装。
本产品选择前一种装配方式。
筒节与筒节之间的装配方法分为立式和卧式两种。
立式装配法在装配平台或车间地面上进行;
卧式装配法多在滚轮驾或V形铁上进行。
此筒体选择卧式装配法。
见图5所示。
图6筒节装配图
1、3-滚轮架,2-移动辅助夹具
环焊缝的组装比纵缝困难。
一方面由于制造误差,每个筒节和封头的圆周长度往往不同,即直径大小有偏差;
另一方面,筒节和封头往往有一定的圆度误差。
此外,组装时还必须控制环缝的间隙,以满足容器最终的总体尺寸要求。
将两圆筒置于滚轮架上紧靠在一起,校正两节圆筒的同轴度校正合格后施行定位焊,然后在滚轮架上进行埋弧自动焊装配筒节。
封头与筒体的装配如图6所示。
在滚轮支架上放置筒体,并在封头端部上焊一个吊环,供吊封头使用,将封头和筒体固定,调整好间隙和错边量后进行定位焊,即完成装配。
图7封头装配示意图
1封头2筒体3吊耳4吊钩5滚轮架
6.7纵缝装配焊接
根据所选板材Q235B钢,钢板厚度为8mm。
采用焊条电弧焊,开V形坡口,选用焊机型号ZXG-300。
1)焊前准备:
①焊接坡口
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