课程设计论文压力容器 焊接工艺doc.docx

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课程设计论文压力容器焊接工艺doc

摘要

再沸器（也称重沸器）是使液体再一次汽化。

它的结构与冷凝器差不多，不过一种是用来降温，而再沸器是用来升温汽化。

再沸器多与分馏塔合用：

再沸器是一个能够交换热量，同时有汽化空间的一种特殊换热器。

在再沸器中的物料液位和分馏塔液位在同一高度。

从塔底线提供液相进入到再沸器中。

通常在再沸器中有25-30%的液相被汽化。

被汽化的两相流被送回到分馏塔中，返回塔中的气相组分向上通过塔盘，而液相组分掉回到塔底。

物料在重沸器受热膨胀甚至汽化，密度变小，从而离开汽化空间，顺利返回到塔里，返回塔中的气液两相，气相向上通过塔盘，而液相会掉落到塔底。

由于静压差的作用，塔底将会不断补充被蒸发掉的那部分液位。

关键词：

氨水再沸器；封头冲压；焊接工艺

Abstract

Reboiler（alsoweighingreboiler）isthevaporizationofliquidagain.Itsstructureandthecondenserisalmost,butoneisusedforcooling,andheatingthereboilerisusedtovaporize.Reboilerandmorecombinedwiththedistillationcolumn:

reboileristoexchangeheatofvaporizationatthesametimethereisroomforaspecialheatexchanger.Inthereboilerofthedistillationtowerliquidmateriallevelandatthesameheight.Fromthetowerprovidesliquidaccesstothebottomreboiler.Usuallyinthereboilerin25-30%oftheliquidtobevaporized.Vaporizationofthetwo-phaseflowissentbacktodistillationcolumn,thereturntothetower,thegasspecies,upthroughthetrays,whiletheliquidcomponentoutbackbottomofthecolumn.Materialinthereboilerheatexpansionorvaporization,density,smaller,andthusleavethevaporizationspace,asmoothreturntothetower,returntothetower,thegas-liquidtwo-phase,gasupthroughthetrays,whiletheliquidwillfalltothebottomofthecolumn.Astheroleofstaticpressuredifference,bottomofthecolumnwillcontinuetoaddthatparttobeevaporatedliquid.

Keywords:

Ammoniareboiler;headstamping;weldingprocess

1产品介绍

1.1产品的基本介绍

氨水再沸器外筒属于

类压力容器。

内径为1200mm，总长为4326mm，氨水再沸器（也称重沸器）顾名思义是使液体再一次汽化。

它的结构与冷凝器差不多，不过一种是用来降温，而再沸器是用来升温汽化重要设备，利用氨水再沸器升温，获得我们需要的产品。

图1产品结构简图

1.2母材性能分析

选用的母材是Q235钢，，是低碳钢，强度等级为无。

Q235含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。

常轧制成盘条或圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、窗钢等型钢，中厚板钢，大量用建筑及工程结构，用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅、炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不太高的机械零件。

1.2.1母材的化学成分分析

Q235钢有良好的热加工性能，一般在热轧状态下使用，正火温度900℃-930℃，除应力回火温度为580℃-680℃，其韧性和塑性较好，合金元素含量较少，是焊接性良好的钢种。

表1Q235的化学成分（GB/T700-2006）

牌号

质量等级

化学质量分数（%）

C

Si

Mn

P

S

Q235

无

≤0.20

≤0.35

≤1.40

≤0.045

≤0.045

表2Q235的力学性能（GB/T700-2006）

牌号

质量等级

σb/MPa

σb/MPa

δ5/%

厚度（直径，边长）/mm

≤16

＞16~40

＞40~60

＞60~100

Q235

无

≥235

≥225

≥215

≥215

370-500

≥23

碳当量分析：

=0.433%

1.2.2焊接性分析

整个焊接过程不需要采取特殊的工艺措施，如不需要预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采取热处理改善接头热影响区和焊缝组织，采用通常的焊接方法焊接后，接头中不会产生淬硬组织或冷裂纹。

当母材成分中碳含量偏高或在低温下焊接大刚性结构时，可能产生冷裂纹，这是应采用预热或采用低氢型焊条等措施。

低碳钢电弧焊焊缝通常具有较高的抗热裂纹能力，但当母材含碳量接近上限（0.25%），在接头焊缝具有窄而深的形状时，焊缝最易产生热裂纹。

低碳钢因C、Mn、Si含量少，正常情况下焊接时，整个焊接过程不需要采取特殊的工艺措施，如不需要预热、控制层（道）见温度和后热，焊后也不采取热处理改善接头热影响区和焊缝组织，其焊接热影响区不会因焊接而引起严重的硬化组织或淬火组织。

此时，钢材的塑性和冲击韧度优良，焊接接头的塑性和冲击韧度也很好，接头产生裂纹的可能性小，其焊接性优良。

但在少数情况下，低碳钢焊接性也会变差，焊接时出现困难，例如：

低碳钢接头HAZ产生性能不合格集中情况：

低碳钢接头的性能不合格主要表现为接头的弯曲性能不合格，焊接热影响区或焊缝的冲击性能不合格，焊接接头的强度不足，疲劳或腐蚀等性能不合格。

焊缝冲击性能不合格，与焊接材料的选择密切相关。

一般情况下，酸性焊条所焊焊缝金属重接性能低。

若选用酸性焊条焊接的焊缝金属重接性能达不到要求，可改用同强度级别的碱性焊条。

碱性焊条所焊焊缝金属仍达不到要求，可改用其他焊接方法，如氩弧焊。

焊接接头的强度过低，与焊缝金属强度过低或焊接热影响区的软化有关。

焊缝金属强度过低，或因选择的熔敷金属的关系，或熔敷金属强度能达到要求，但熔敷金属的合金元素因参与熔滴、熔池的脱氧冶金过程，参与脱氧的合金元素越多，将减少最后焊缝金属中的合金元素的量，由可能造成焊缝金属的强度降低。

对于热轧或正火状态的低碳钢，一般不会因焊接造成热影响区强度下降。

但对于控轧、或调质处理的低碳钢板，应注意因焊接造成的热影响区的软化区。

反过来，若选用的焊接材料的熔敷金属强度过高，尽管强度过高，但会带来接头其他性能问题，如塑性低，疲劳寿命降低等。

对于低碳钢，钢板的厚度增加时，焊接性也会发生变化。

一方面，在钢厂生产厚板时，因连铸或模铸坯厚度规格有限，导致生产不同厚度钢板的压缩比差异过大。

在压缩比变化过大时，会造成钢板表面至心部性能差异过大，尤其是冲击性能和塑性。

由于钢板的性能检验时，通常在钢板厚度1/4处取样，而通常不检验钢板1/2处性能。

这样，对钢板性能合格的厚钢板，因焊接时，心部与其他部位的性能差别太大，而导致弯曲性能不合格。

严重时，因心部组织的致密度不够，在厚度方向上施加应力过大或产生的焊接应力作用下，甚至会形成因组织致密度不足，冲击吸收功低而产生撕裂现象。

这种撕裂现象与通常的不用偏析带存在硫化物或氧化物造成的层状撕裂不同。

因此对于低碳钢厚板，尤其是特厚板因关注其钢材心部性能及其与其他部位的性能差异。

焊缝中产生热裂纹的原因和情况。

从成分上看，低碳钢焊缝产生热裂纹原因主要是所用焊接材料的熔敷金属的S、P含量偏高，或熔敷金属S、P含量达到要求，但低碳钢母材的S、P含量平均偏高，或存在局部偏聚。

对于前者，应选用熔敷金属的S、P平均含量低的焊接材料，对于后者，应停止使用。

低碳钢焊接热影响区产生冷裂纹，应从焊接热影响区淬硬组织、接头拘束度和焊缝中的含氢量等角度分析，并采用相应的措施防护和解决。

低碳钢焊接热影响区出现热裂纹情况主要是与母材中局部存在S、P偏聚及其与氧化物形成低熔点的复合相有关。

2产制造工艺设计品

焊接结构零件的加工是为焊接结构制造的核心工序—装配-焊接做好必要的准备。

了解和掌握零件加工的内容、各种工艺方法、特点和要求，对保证零件的加工质量是十分重要的。

换热器选用的材料为Q235，根据材料的性能以及各部件的特殊要求制作工艺流程。

2.1产品b制作工艺流程图

工艺如图2-1所示

钢板复检→预处理→划线下料→边缘加工→钢板卷制

↓

复检尺寸←焊接检验←矫圆←焊接←纵缝装配

↓

钢板复检→预处理→划线下料→加热→封头的冲压→二次切割

↓

筒节间的装配焊接→筒节与法兰的装配焊接

↓

封头与法兰的装配焊接

↓

水压试验←焊接检验←消除应力热处理←附件装配焊接

↓

喷漆处理

图2-1总装配工艺流程图

2.2壳体制作工艺

2.2.1钢板复检

设计选用的金属材料是Q235钢板。

在使用前应对钢板进行必要的化学成分复检，还要进行力学性能复检，包括拉伸试验，弯曲试验，脆性试验，断裂试验等。

同时也要对材料的表面质量和材料的几何尺寸进行复检。

复检合格后，方能进行下一步的生产加工。

2.2.2钢板的矫正

1）钢材的矫正的原理与目的

钢材在搬运和贮存中难免会产生凹凸不平、弯曲、扭曲等变形现象。

这种变形如果不予矫正，就会妨碍到后续的划线、下料和切割工作的正常运行，也影响下料的几何尺寸精度和装配焊接的质量。

为此在焊接结构制造之前，必须对钢材进行矫正，卷筒钢板在开卷后必须经过矫平才能使用。

矫正的基本原理是钢板在外力作用下经过多次反复额变形，使短金属纤维拉长。

2）钢材矫正的方法及使用设备

具体的矫正方法按操作方法的不同可分为手工矫正、机械矫正和火焰矫正三种。

本设计选用国产4200mm×9辊式中厚板矫平机。

其工作原理如图2-4所示。

图2-2多辊矫平机工作原理图

其设备4200mm×9辊式中厚板矫平机的技术条件如表2-1所示。

表2-14200mmX9辊式中厚板矫平机技术条件

厚度/mm

8～40

矫直速度/m•s-1

0.3～0.8

宽度/mm

1500～4000

辊数/个×辊距/mm

9×360

长度/mm

4000～18000

辊径/mm×辊长/mm（有效长）

Ф320×4200

温度/℃

600～800

上横梁开口度/mm

240

屈服极限/MPa

18～147

支承辊列数/个×辊数/个

2×7=14

2.2.3钢材的预处理

由于钢材表面的油污、锈蚀和氧化皮等都会影响产品的质量。

因此，在进行材料划线、下料之前必须先进行表面预处理。

工业生产中常用的机械除锈法包括：

风动或电动砂轮、钢丝刷、喷丸、喷沙等。

其中喷丸是目前工厂应用较多的大面积净化方法之一。

本次设计选用的喷丸设备是GYX-2M型钢材预处理装置技术参数见表2-2，它既可以用于钢板的表面处理，也可用于结构部件的表面处理。

该装置进行钢材预处理的工艺过程为：

电磁吊上料→辊道输送→预热→喷丸→清理丸料→喷漆→烘干→轨道输送出料。

表2-2GYX-2M型钢材预处理装置技术参数

技术特性参数性

GYX-2M

预处理钢材规格（mm）

钢板宽1000～3000厚6～600长2400～12000

焊件输送速度v/m.min

V=2～3

处理质量

除锈等级

SIS055900Sn2（A，B）

涂膜等级

15～25

外形尺寸（长/mm×宽/mm×高/mm）

62000×25000×7230

设备总重/t

100

2.2.4毛坯尺寸计算及划线、下料

1）毛坯尺寸计算

在划线、下料之前应先选取制作壳体钢板的尺寸规格。

由于壳体为圆柱形回转体，划线前要进行展开，可采用计算展开法，考虑壁厚因素，一般按中径展开。

壳体的展开公式：

（2-1）

L、Dg—为壳体毛坯展开长度（mm）、为容器公称直径（mm）

δ、S1、S2—为容器壁厚（mm）、加工余量（mm）、修边余量（mm）

将数据带入公式2-1得：

L=3.14（1200+10）+10+60=4152mm

壳体的展开长度就是选用板材的长度，根据钢板规格及考虑加工余量，选用钢板长度为4200mm。

根据筒体的总长度选择板材数量和每块板材的宽度，筒体总长2826mm，选两块板材，2100mm。

由于轧制等原因，钢板边缘处厚度不均匀，影响焊接质量。

因此，下料时每边需预留出修边余量约30mm。

根据以上计算，选择制作筒节的板材为：

10mm×2100mm×2850mm两块

通过相应的计算可得各壳体展开毛坯尺寸如图2-3所示

图2-3壳体展开图

（注：

图中实线为选板尺寸，虚线为毛坯料尺寸。

）

2）划线、下料

钢板尺寸选定后，先在板材上进行划线，然后下料。

下料采用氧-乙炔火焰切割，火焰切割通常称为气割，它是利用可燃气体乙炔与氧气混合燃烧产生的火焰流（通常被称为预热火焰），将被切割的金属材料加热到其燃烧温度，然后喷射高速氧流（称为切割氧），使割缝处被加热到燃点的金属发生剧烈燃烧，并吹除掉燃烧后产生的氧化物，从而把金属分割开来。

气割的主要特点是：

设备简单、生产率高、成本低。

特别适用于切割厚度较大的或形状较复杂的零件的坯料。

采用的设备是WKQ型数控切割机，技术参数见表2-3。

表2-3WKQ型数控切割机技术参数

技术参数

型号WKQ

跨距/m

6m（有效跨距4．7m）

轨道长/m

20m

割炬

2只（可对称和同形切割）

切割厚度/mm（通过调整割嘴和火焰来实现）

6~100mm

切割速度/mm/min

50～l200mm／min

驱动方式

双边驱动（使切割机运行平稳）

控制系统

MTC—IM控制机并配备了自动高度控制系统

和喷水冷却系统

2.2.5边缘加工

所谓边缘加工是将工件的边缘或端面加工成符合工艺要求的形状和尺寸精度的加工工序。

对下料后的零件进行边缘加工，主要是为了消除前道工序加工所产生的加工硬化层和热影响区；消除装配、焊接工件边缘或自由边的各类缺陷，以提高结构的整体质量；提高结构的表面质量，也可为产品的后期制作创造条件。

常用边缘加工的方法为刨削、铣削和车削等切削加工工艺。

本设计选用B8160A/1型刨边机进行边缘加工，其技术参数见表2-4。

表2-4B8160A/1型刨边机技术参数

产品名称

刨边机

型号

B8160A/1

最大刨削尺寸长×宽（mm）

6000×80

最大牵引力（t）

6

刀架数及回转角调整范围

2个,±25º

工作精度-直线度（mm）

0.1

电机功率（kw）主电机功率（交流）

18.5

净重

30

外形尺寸：

长×宽×高（mm）

12275×3750×3690

2.2.6壳体的卷制

1）卷板机的工作原理

卷制成形是将钢板放在卷板机上进行滚卷成筒节，其优点为：

成形连续、操作简便、快速、均匀。

在焊接结构制造中，弯曲及成形加工占有相当大的比例。

利用金属材料的塑性变形、将毛坯弯曲成一定曲率、一定角度形成所需形状工件的加工工艺称为弯曲。

壳体的弯卷过程是钢板的弯曲塑性变形过程。

在卷板过程中，钢板产生的塑性变形沿钢板厚度方向是变化的。

其外圆周受拉应力伸长，内圆周受压应力缩短，中间层由于不受任何力保持不变。

本设计选用对称式三辊卷板机，其型号为Wn-16×3200。

其技术参数见下表2-5。

表2-5Wn-16×3200对称式三辊卷板机技术参数

产品名称

对称式三辊卷板机

型号

Wn—16×3200

卷板最大规格时最小弯曲直径（mm）

850

电机功率（KW）

44

重量（t）

16.8356

外形尺寸：

长×宽×高（mm）

6770×1735×1940

对称式三辊卷板机其原理如图2-4所示。

图2-4三辊卷板机卷制钢板

1-上辊；2-下辊；3-钢板

2）卷制工艺

①预弯

a预弯原理：

用对称式三辊卷板机弯卷钢板时，钢板两端各有一平直段长度，由于没有接触上辊不发生弯曲，称为剩余直边。

工艺上把平板开始弯曲的最小臂叫做理论剩余直边，其大小与设备及其弯曲形式有关。

为了避免板料从辊筒间脱出，实际剩余直边常比理论值大。

b预弯方法：

本产品钢板厚度为10mm，可采用卷板机预弯的方法进行预弯，利用卷板机预弯的工作原理如图2-5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（6-20）δ，通常为140～200mm，本设计取180mm。

图2-5胎板预弯工作原理图

②对中

板料预弯之后，放入卷板机上下辊之间进行滚卷前必须使板料的母线与辊的轴线平行，使板料的纵向中心线与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。

本设计用倾斜进料对中的方法进行对中，具体方法如图2-6所示。

图2-6倾斜进料对中方法示意图

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。

可依据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两个原则来确定上辊的调节次数和每次调节量的大小。

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

工件进行点装和纵缝焊接后，还要进行矫圆。

矫圆是在原卷板机上进行的，矫圆可按以下三步进行：

a工件放入卷板机上、下辊之间后，根据经验或计算将上辊调到所需的最大矫正曲率的位置，进行加载。

b使工件在矫正曲率下多次滚卷，并着重于焊缝区的滚卷，使曲率均匀一致。

经测量，至符合乎尺寸要求为止。

c逐渐卸除载荷，并使工件在逐渐卸除载荷的过程中多次滚卷，至此整个钢板的卷制过程结束。

3）卷板的质量控制

①筒体卷制质量要求筒体卷制公差见表2-6。

②卷制筒体常见缺陷及控制措施：

在卷制接近曲率要求时，要逐渐调整下压量使之逐步展开；当出现过卷时，可用大锤锤击筒身的一侧边缘使直径扩展，以消除过卷；当产生鼓腰时，增加下辊的刚性或在鼓腰处加垫块一起滚卷；检查坯料尺寸和形状、认真对中。

表2-6一般结构件筒体卷制公差

外径Dn

/mm

外径偏差ΔDw

/mm

圆度误差Dmax－Dmin/mm

棱角度Δc

/mm

错边量b

/mm

壁厚≤30

壁厚＞30

﹥2000～2500

±11

17

11

5

不大于壁厚的10%，且不超过2mm

2.3封头的制作工艺

封头制作的钢材复检、预处理、边缘加工工艺与筒节的钢材复检、预处理及边缘加工工艺相同。

下面介绍封头的制作工艺。

2.3.1封头坯料的计算

在划线下料前应先对封头的坯料进行计算。

因为封头在压制成形过程中，封头在曲率半径最小处变薄，为了保证其最薄处与容器壁厚相同，所选的毛坯料厚度比容器壁厚度厚约10%，即10mm厚的毛坯料板。

封头的展开公式：

（2-2）

K—为影响系数1.2

δ—为容器壁厚（mm）

Dg—为筒体内径（mm）

h—为封头直边高度（mm）

100—二次切割余量（mm）

将数据带入公式2-2得：

DP=1.2（1200+10）+2×495+100=2650mm。

根据以上计算，选择制作筒节的板材为：

10mm×1200mm×2650mm=两块.

坯料展开图如图2-7所示。

图2-7封头展开图

（注：

图中实线为选板尺寸，虚线为毛坯料尺寸。

）

2.3.2封头的冲压

1）坯料加热

在封头冲压过程中，板料的变形很大，若在冷态下冲压，不仅需要较大功率的压力机，而且会使成形后的封头产生严重的冷作硬化，甚至形成裂纹。

为保证封头的质量，提高材料的变形能力，多采用热冲压。

热冲压时钢板的加热温度在950～1100℃之间，这取决于坯料出炉装料过程的时间长短、压力机的能力大小、过高温度对材料性能的影响等因素。

2）压延力计算

（2-3）

其中：

e----压边力影响系数，有压边时e=1.2；

　K----封头形状影响系数，椭圆形封头K=1.2；

----坯料直径（mm）

----材料的高温抗拉强度（MPa）

　s----坯料板厚（mm）

-----公称直径（mm）

代入数据：

F=1.2×1.2×3.14×（2650-1200）×10×400＝26225280（t）

3）冲压设备

冲压设备可采用大型四立柱式水压机或油压机。

一般300t压力机可冲压直径为1m左右的封头；500~800t压力机可冲压直径为2m以上的封头；1000t压力机中、低压容器所需封头均可冲压。

根据冲压力，本设计选用300吨四柱式油压机来压制封头。

整体封头的压延过程，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。

尤其本次是椭圆形封头，它在曲率半径最小处变薄最大。

影响封头壁厚变化的因素有：

材料的性能、封头的形状；下冲模圆角半径越大，变薄量越小；上下冲模之间的间隙小，则变薄严重。

润滑情况好，则减薄小；加热温度高，变薄量大；压边力大，则变薄严重。

因此要控制热压封头的减薄量，必须全面考虑上述各因素。

4）压边圈的用途

从上述分析可知，压制时如果不用压力圈，而封头毛坯壁较薄，则材料在切向应力的作用下，会失去稳定，形成皱纹和鼓包，严重时会造成废品。

采用压边圈不仅增加了材料的稳定性，而且在由压边圈产生的摩擦力的作用下增加了径向应力，从而使材料有较好的变形材料。

压制时，影响封头皱褶、鼓包的因素很多，主要有以下几个方面：

毛坯直径的大小及其壁厚；加热温度的高低；封头材料在成形温度下的塑性；毛坯加热的均匀性；毛坯是否有拼焊错的大小；模具间隙的大小以及间隙的均匀性；下冲环圆角半径的大小及模具表面状况和润滑情况。

5）影响封头成形质量的主要因素

影响封头壁厚变化的因素很多，归纳起来，大致有下列几方面：

材料的性能；封头的形状；下冲模圆角半径越大，变薄量越小；上下冲模间的间隙小，则变薄严重；润滑情况好，则减薄小；加热温度越高，变薄量大；压边力大，则变薄严重。

2.3.3二次切割

封头在制作过程中为了防止因压偏而造成产品的报废，在下料的时候多留出一些余量，封头冲压完成之后需将多余部分切掉。

把冲压好的封头放在焊接回转台上，找出封头的中心，将封头定位进行二次划线，然后进行切割，并开出坡口。

2.4孔加工

制孔是焊接