高压氮气储罐的焊接工艺课程设计说明书.docx
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高压氮气储罐的焊接工艺课程设计说明书
高压氮气储罐的焊接工艺课程设计说明书
高压氮气储罐的焊接工艺
一设计背景
储罐作为储存设备主要是指用于储存或盛装气体液体液化气体等介质的设备在化工石油能源轻工环保制药及食品等行业得到广泛应用如本设计中的高压氮气储罐储罐的结构形式主要有卧式储罐立式储罐和球形储罐本设计中采用立式储罐
二材料选择
对受内压的筒体由于其工作介质为氮气考虑其腐蚀性小再综合其经济效益考虑选择16MnR作为材料
元素CSiMnSPCrNi质量分数016036153001500140003000616MnR材料性能分析
16Mn钢的基体组织为铁素体珠光体是低合金高强钢中应用最广泛的钢有比较成熟的经验屈服强度为294~343MPa基本属于热轧的低合金钢其综合性能焊接性及加工工艺性能均优于普通碳素钢且质量稳定其使用温度在-40~450℃范围内16Mn钢作为低温压力容器时为改善低温性能可以在正火处理后使用16Mn钢是在低碳钢的基础上加入了少量合金其加工性能与低碳钢相似具有较好的塑性和焊接性由于加入了少量合金元素其强度增加淬硬倾向比低碳钢大所以在较低温度下或刚性大壁厚结构的焊接时需要考虑采取预热措施预防冷裂纹的产生本设计中板厚62mm均预热100~150℃
由《过程设备设计》单层圆筒厚度计算公式得其厚度为54mm加上钢板负偏差以及腐蚀余量选择厚度为62mm可达到设计要求
三技术特性及要求
31技术特性
高压氮气储罐材料16MnR工作压力121MPa属于第三类压力容器设计压力13MPa工作温度-126~68℃设计温度70℃腐蚀裕度15mm焊接接头系数10液压试验压力1647MPa卧放全容积217m3充装系数10安全阀开启压力13MPa
32技术要求
设备的施工与验收应符合《工程建设标准强制性条文》中的相关规定
焊接采用电弧焊焊条型号低合金钢之间E5016碳钢间E4303
焊接接头的形式及尺寸按图要求角焊缝的焊脚高度为较薄件的厚度法兰的焊接按相应的法兰标准规定对接接头与角接接头需全焊透接管焊缝成形表面均应圆滑过渡不得有裂纹咬边及棱角
壳体钢板按GB6654-1996《压力容器钢板》及修改单中正火状态供货且逐张进行超声检测质量标准应不低于JBT47303-2005中规定的II级壳体的A类纵向焊接接头制备产品焊接试板按《容规》第25条进行材料复验坡口表面进行100%磁粉检测并符合JB47304-2005中规定的I级
塔体直线度允差25mm安装垂直度允差为25mm
裙座螺栓孔中心圆直径允差以及任意两孔弦长允差均为2mm
壳体用钢板轧制逐张进行-15℃夏比V型缺口冲击试验横向三个试样冲击平均值不得低于20J允许其中一个试样冲击功小于平均值但不得小于14J
钢管应逐根按JBT47303-2005中I级为合格
裙座筒体与底封头的焊接接头必须采用全焊透连续焊并进行磁粉检测符合JBT47304-2005中I级为合格
设备压力试验合格后对全部焊缝按JBT47304-2005进行磁粉检测符合I级为合格复验焊缝总长的20%
11热处理后设备本体不得再行施焊
四焊接工艺设计
41焊缝编号及示意图
42接管与壳体封头的焊接1D2D3D
由GB150-1998《钢制压力容器》规定接管人孔凸缘补强圈等与壳体连的接头为D类焊缝由此选择焊缝类型为D类焊缝
金属牌号及规格16MnR
421焊接方法的选择
手工电弧焊的优点
①焊接设备价格低
②可以焊接多种不同的金属包括最常用的金属和合金
③在狭窄空间焊接的场合采用手工电弧焊比较方便实用
④对于同样的焊接设备采用不同的电流设置获得满足使用要求的焊缝
⑤适合各种位置的焊接
⑥与气体保护焊相比不易受到风的影响
⑦对焊接金属的最大厚度没有限制
⑧在大多数天气情况下都可以进行焊接
手工电弧焊的缺点
①不适合焊接厚度小于15mm的薄板
②负载率和总的熔敷效率一般比送丝焊接方法低当焊条消耗完毕或需要更换焊条时焊接过程也暂时中断
③并非整根焊条都可以充分利用焊钳中被夹持的部分必须丢弃一般要浪费25~50mm长度的焊条
④频繁地更换焊条也增加了焊接缺陷的产生
埋弧自动焊的优点是
①生产效率高埋弧自动焊的生产率可比手工焊提高5~10倍因为埋弧自动焊时焊丝上无药皮焊丝可很长并能连续送进而无需更换焊条故可采用大电流焊接比手工焊大6~8倍电弧热量大焊丝熔化快熔深也大焊接速度比手工焊快的多板厚30毫米以下的自动焊可不开坡口而且焊接变形小
②焊剂层对焊缝金属的保护好所以焊缝质量好
③节约钢材和电能钢板厚度一般在30毫米以下时埋弧自动焊可不开坡口这就大大节省了钢材而且由于电弧被焊剂保护着使电弧的热得到充分利用从而节省了电能
④改善了劳动条件除减少劳动量之外由于自动焊时看不到弧光焊接过程中发出的气体量少这对保护焊工眼睛和身体健康是很有益
埋弧自动焊的缺点是适应能力差只能在水平位置焊接长直焊缝或大直径的环焊缝
综合考虑由于进行的是双面焊接手工电弧焊设备简单操作方便适合全位焊接的呢个特点因而内面采用手工电弧焊而外面为加大熔深提高生产率采用埋弧焊最终确定焊接方法为手工电弧焊埋弧焊
422坡口形式
由于焊接厚度为62mm因而需要开坡口由于厚度比较厚若开V型坡口的话产生叫大的开口一方面会浪费较多的焊条而且焊接费时间若开U型坡口的话可以减小开口而且U型坡口有利于焊剂的流入同时可以减小焊接应力减少裂纹的产生因而最终选择U型坡口具体的坡口形式如下图所示
423焊接姿势平焊
424焊接材料的选择
1焊条的选择焊条的选用主要考虑焊缝的使用性和施焊的工艺性焊条选择的主要原则有以下几点
1根据被焊金属材料的类型选择相应焊条种类的大类如焊接母材是普通低合金钢时选用结构钢类型的焊条
2根据被焊母材的性能选用与其性能相同的焊条或选用熔敷金属与母材化学成分类型相同的焊条以保证母材性能与焊缝相同
3选择焊条时还要考虑工艺方面主要是操作方便易获得优良的焊缝4从价格考虑在满足性能及施工要求的前提下尽量选用熔敷效率高价格低的焊条从而提高生产率降低成本
2焊丝的选择药芯焊丝国内应用尚不普遍活性焊丝主要用于气体保护焊故选择实芯焊丝常用的低合金埋弧焊实芯焊丝有以下三类
1低锰焊丝如H08A常配合高锰焊剂用于低碳钢和强度较低的低合金钢焊接
2中锰焊丝如H08MnAH10MnSi主要用于低合金钢焊接并可配低锰焊剂焊接低碳钢
3高锰焊丝如H10Mn2H08Mn2Si用于焊接低合金钢
3焊剂的选择
说明JQSJ101是氟碱型烧结焊剂碱度约为18灰色圆形颗粒粒度为20~028mm10~60目焊接时电弧燃烧稳定脱渣容易焊接成型美观熔敷金属具有较高的低温冲击韧性可交直流两用直流焊接时焊丝接正极
用途配合适当的焊丝如H08MnAH10Mn2H08MnMoAH08Mn2MoA等可焊接多种低合金结构钢如船体锅炉压力容器管道等可用于多层焊双面单道焊多丝焊及窄间隙埋弧焊
焊剂参考成分
S
P
SiO2TiO2
CaOMgO
Al2O3MnO
CaF2
≤0060
≤0080
1525
2535
2030
1525
熔敷金属力学性能按GBT5293-1999
项目
σb
σs
δ5
AKVJ
配合焊丝
Mpa
Mpa
室温
0
-20℃
-40℃
H08MnA
415-550
≥330
≥22
≥150
≥110
≥80
≥27
H10Mn2
480~650
≥400
≥22
≥150
≥110
≥80
≥27
H08MnMoA
550~650
≥420
≥20
≥90
≥70
≥34
H08Mn2MoA
620~750
≥500
≥20
≥90
≥70
≥34
焊条电弧焊
1确定焊条直径
由被焊工件的厚度选择焊条直径为5mm
2焊接电流的确定
根据焊条直径查《过程装备制造与检测》表5-15确定焊接电流为200-270A
3焊接电压的确定
手工电弧焊焊接电压选择为22-30V其电压主要由电弧长度决定电弧长则电弧电压高反之则电压低电弧过长则不稳定熔深浅熔宽增加易产生咬边等缺陷同时空气容易侵入易产生气孔飞溅严重浪费焊条电能效率低生产中尽量采用短弧焊接电弧长度一般为2-6mm
4焊接速度V的确定
由书本查得焊接线能量约为qv18KJcm
由焊接线能量公式qv07UIv得焊接速度为
v0720~30200~27018KJ·cm-115~20cmmin
选择焊接速度约为18cmmin
5电源种类以及极性的确定
由J507焊条对应国标为E5015即说明熔敷金属抗拉强度为50MPa焊条适应焊接位置为平焊药皮类型为低氢钠型焊接电源为直流反接
6焊接层数的确定
厚板焊接一般要开坡口同时采用多层多道焊每层焊接厚度步超过5mm手工电弧焊一次最大熔深约为6~8mm当每层厚度约为焊条直径的08~12倍时生产效率高由公式nDd此处厚度用D表示得焊接层数n62513层
7焊钳焊接电缆的确定
由《过程装备制造与检测》表5-9得选择G325可以满足焊接要求
焊工护目遮光镜片选用
由《过程装备制造与检测》表5-11以及焊接电流为200-270A选择电弧镜片号为11-12碳弧气爆镜片为12-14
外面焊接埋弧焊
选择焊丝直径为5mm以及焊接速度要求选择MZ-1000型焊机
根据手工电弧焊工艺参数的确定方法依次确定各参数如下表格
焊接牌号及焊丝焊剂焊丝直径
mm电源种类及极性焊接电流A焊接电压V焊接速度cmmin22接管与封头其中各种设计角度及尺寸来源于《过程设备设计》附表表B3中内容筒体的焊接详图如下
图二接管与壳体焊缝详图
图三接管与底封头焊接详图
43各筒节纵向焊缝焊接工艺分析
由GB150-1998《钢制压力容器》规定圆筒部分的纵向接头球形封头与圆筒连接的环向接头各类凸形封头中的所有焊接接头以及嵌入式接管与壳体对接连接的接头均属A类焊接接头因而确定为A类接头
431工艺要求1预热温度120℃
2坡口加工方法机加工坡口并清除油锈
3层间温度100-250℃
4后热温度及保温时间250-300℃2hr
5清根方法碳弧气刨并打磨
6焊接接头如图示
图四筒体纵向焊接接头详图
432工艺顺序1清理坡口并进行磁粉检测MT
2.预热并进行装配点焊
3.预热内部进行埋弧焊
4.预热外部清根并打磨进行MT检测
5.预热外部进行埋弧焊
6.焊后热处理
433焊接规范
焊接牌号及焊丝焊剂直径mm电源类型
及极性焊接电流
A焊接电压
V焊接速度
cmmin内面手工电弧焊J507
H10MnSi5直流反接200-27022-2618外面埋
弧焊J507
H10MnSi5直流反接400-100032-3622
44各筒节环向焊缝焊接工艺分析
由国标150-1998《钢制压力容器》规定壳体部分的环向焊接接头锥形封头与接管连接的接头等均属于B焊头已经规定的除外因而经确定筒节环向焊缝为B类焊缝
441工艺要求前面已经详细叙述过确定过程不再赘述
1预热温度120℃
2坡口加工方法机加工坡口并清除油锈
3层间温度100-250℃
4后热温度及保温时间250-300℃2hr
5清根方法碳弧气刨并打磨
6焊接接头如图所示
442工艺顺序
1清理坡口并进行磁粉检测MT
2.预热并进行装配点焊
3.预热内部进行埋弧焊
4.预热外部清根并打磨进行MT检测
5.预热外部进行埋弧焊
6.焊后热处理
443焊接规范
焊接牌号及焊丝焊剂直径mm电源类型
及极性焊接电流A焊接电压
V焊接速度
cmmin内面手工电弧焊J507
H10MnSi5直流反接200-27022-2618外面埋
弧焊J507
H10MnSi5直流反接400-100032-362245焊后热处理工艺参数
1热件入炉或出炉时的温度不得超过400但对厚度差较大结构复杂尺寸稳定性要求较高残余应力值要求较低的被加热件其入炉或出炉时的炉内温度一般不宜超过300
升温至400后加热区升温速度不得超过5000δsh且不得超过200h最小可为50h
温时加热区内任意5000mm长度内的温差不得大于120
温时加热区内最高与最低温度之差不宜超过65
温保温期间应控制加热区气氛防止焊件表面过度氧化6炉温高于400时加热区降温速度不得超过6500δsh且不得超过260h最小可为50h
7焊件按炉温度出炉后应在静止空气中继续冷却
参考资料
1化工出版社过程装备制造与检测邹广华刘强龙占云2007年8月
2化工出版社过程设备设计郑竟洋董其伍桑芝富2007年6月
3高等教育出版社工程材料2005年7月
4中国焊接资源网weldrcn
一制造背景2
12设计参数2
13技术要求3
14储气罐的结构分析4
141筒体结构分析4
二筒体材料5
三.筒体具体制造工艺5
1材料的进厂入库检测5
2放样划线与号料7
21筒节下料8
3简体的卷制成形9
4筒节坡口加工与焊接10
411简体纵焊缝坡口加工10
412简体环焊缝坡口11
413焊接11
5校圆12
6检测14
7组对14
8焊接15
9检测16
四心的体会16
一制造背景
11液化石油气英文名称Liquefiedpetroleumges主要成分乙烯乙烷丙烷丙烯丁烷丁烯等随着石油化学工业的发展液化石油气作为一种化工基本原料和新型燃料已愈来愈受到人们的重视在化工生产方面液化石油气经过分离得到乙烯丙烯丁烯丁二烯等用来生产合塑料合成橡胶合成纤维及生产医药炸药染料等产品用液化石油气作燃料由于其热值高无烟尘无炭渣操作使用方便已广泛地进入人们的生活领域此外液化石油气还用于切割金属用于农产品的烘烤和工业窑炉的焙烧等而液化石油气储罐是具有较大危险性的储存容器一旦出现问题将给人民的生命财产带来极大的损失吉林西安等地的液化气储罐事故给人们以深刻的教训为了保证液化石油气储罐的安全运行避免事故发生必须从个方面严格把关其中筒节的制作过程是关键中的关键
产品名称40M3液化石油气卧式储罐
产品类别三
按照《特种设备安全监察条例》的规定该台产品经制造单位监督检验安全性能符合《压力容器安全基数监察规程》《GB150-1998钢制压力容器标准》及设计图样的规定
12设计参数
技术特性表容器类别类三设计压力MPa186设计温度℃-19~50最高工作压力MPa186水压试验压力MPa233气密性试验压力MPa186焊接接头系数1腐蚀余量量mm2操作介质液化石油气充装系数09设备容积立方米4013技术要求
1本设备按照GB150-1998《钢制压力容器》进行制造检测与验收并接受《压力容器安全技术监察规程》的监督
2制造筒体封头人孔接管用16MnR钢板符合GB6654-1996及第二次改造通知单的规定人孔法兰盖用钢板正火状态供货帯颈对焊法兰接管用16MnR应符合JB4726-2000壳体用16MnR钢板应逐张进行冲击试验方法按照GBT229的规定三个试样的平均值大于等于54J
3设备焊接工艺规程按照JBT4709-2000焊接工艺评定按照JB4708-2000所有角接接头的焊接表面须打磨圆滑过渡
4设备中每条AB类焊接接头应进行100射线检测按照JBT47302-2005的规定二级合格所用D类焊剂接头DN250的接管与法兰的B类焊接接头及所有与承压件相焊接的角接接头应进行100表面磁粉检测按照JBT47304-2005的规定一级合格
5设备应进行整体焊后消除应力热处理热处理后不得在设备本体上进行施焊
6最终热处理后对设备中ABD类焊接接头进行硬度检测其硬度应小于等于200HB检测数量按照每条AD类焊接接头测一组每条B
类焊接接头每隔120度测一组每组包括母材热影响区和焊缝各一处
7未注明角接接头焊脚高度均等于两相焊件中之较薄件的厚度且须为连续焊
8设备制造完毕后进行水压试验水压试验应力见技术要求表水压试验合格后应将积水排净吹干
9水压试验合格后应进行气密性试验试验应力见技术特性表
10设备制造完毕后除锈涂铁红醇酸底漆一遍再涂银粉醇酸清漆一遍沿罐体水平中心线用红漆刷一道红色色带宽度为150mm在筒体两侧的重心处用红色油漆喷印重新标志应在重心标志上方喷印LPG字样重心标志的左侧喷应严禁烟火字样右侧喷应禁止施焊的字样标志字样高度不得小于200mm
11设备的油漆包装运输按照JBT4711-2003《压力容器涂覆与运输包装》的规定
12本储罐安装时其纵轴应向排污方向倾斜千分之三
13固定支座的连接采用一个螺母拧紧活动支座用两个螺母第一个螺母不拧紧与支座的距离为1至3毫米用第二个螺母锁紧
14本储罐必须在有遮阳和水喷淋装置的条件下适用
14储气罐的结构分析
储气罐的结构
储气罐是一个承受内压的钢制焊接压力容器在规定的使用温度和对应的工作压力下应保证安全可靠罐体的基本结构部件应包括人孔封头筒体法兰支座
141筒体结构分析
筒体材料为16MnR公称内径为2600mm长度的6500mm名义壁厚为18mm整个筒体是用3个筒节组对拼焊而成这时的简体有纵环焊缝纵焊缝采用埋弧焊方式焊接查相关标准焊缝形式采用Y形其筒节间环焊缝亦可采用U形焊缝应合理设计筒节坡口形式及尺寸设计焊缝的相对位置
二筒体材料
对受内压的筒体由于其工作介质为液化石油气考虑其腐蚀性以及易燃易爆选择16MnR作为材料
三.筒体具体制造工艺
1材料的进厂入库检测
筒体结构材料16MnR按技术要求符合GB6654-1996及第二次改造通知单的规定验收合格后应按企业标准入库存放
11结构材料预处理
钢材进入车间加工之前进行表面预处理是金属结构制造中最重要的首要工序可增强装备耐腐蚀能力延长其使用寿命
预处理工艺
1钢板表面净化
钢板的表面净化是钢板预处理一个步骤运用特定的方法或设备祛除表面的油污铁锈杂质氧化皮等表面净化的方法大体分两类机械法和化学法化学法主要有酸洗碱洗盐洗等机械法主要有砂轮打磨喷沙喷丸处理本钢板选用喷沙作为表面净化的处理方式除去铁锈和氧化皮用喷砂法做表面净化所得钢板质量好且效率高但是粉尘太大所以一般都是在密闭的喷砂室里进行操作需要注意的是近年来钢板出厂时大都会喷一层防护漆来避免它的腐蚀防护漆不影响以后的加工和焊接此时表面净化这一工序就可省略
矫形
钢材在轧制运输装卸和堆放过程中由于自重支承不当或装卸条件不良及其他原因可能会产生弯曲扭曲翘曲波浪变形及表面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后零件的尺寸和几何形状的精度从而又会影响到装配焊接和整个产品的质量所以在划线下料前应予以矫形钢材在加工过程中也会由于受力不均等工艺原因和其他原因而使工件产生变形为不影响下道工序的加工和确保加工质量也需进行矫形另外在装配一焊接之后工件也会因焊接等原因产生某些变形亦需矫形此为成品矫形矫形就是使钢材或工件在外力作用下产生与原来变形相反的塑性变形以消除弯曲扭曲皱折不平等现象从而获得正确形状的过程矫形的实质就是将被拉长的纤维缩短或将缩短的纤维拉长以恢复原状或是使其他部分的纤维也拉长或缩短产生与局部纤维相同的变形从而达到矫形的目的
矫形的方法按操作方法的不同可分为手工矫形机械矫形和火焰矫形三种本设计采用多辊矫平机进行机械矫形多辊矫板机矫平钢板是使板料通过矫板机的上下两列辊子之间在辊子压力的作用下受到多次反复弯曲整个钢板得到均匀的拉长使多种原始曲率逐步趋向一致变为单一并不断减小最终得到矫平
此处采用GYX-3M钢材预处理装置利用抛丸机械除锈的先进大型机械设备钢材经此处理并经喷保护底漆烘干处理等工序后即可保证钢材在生产和使用过程中不在生锈有不影响机械加工和焊接质量
2矫形
钢材在轧制运输装卸和堆放过程中由于自重支承不当或装卸条件不良及其他原因可能会产生弯曲扭曲翘曲波浪变形及表面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后零件的尺寸和几何形状的精度从而又会影响到装配焊接和整个产品的质量所以在划线下料前应予以矫形钢材在加工过程中也会由于受力不均等工艺原因和其他原因而使工件产生变形为不影响下道工序的加工和确保加工质量也需进行矫形另外在装配一焊接之后工件也会因焊接等原因产生某些变形亦需矫形此为成品矫形矫形就是使钢材或工仵在外力作用下产生与原来变形相反的塑性变形以消除弯曲扭曲皱折不平等现象从而获得正确形状的过程矫形的实质就是将被拉长的纤维缩短或将缩短的纤维拉长以恢复原状或是使其他部分的纤维也拉长或缩短产生与局部纤维相同的变形从而达到矫形的目的
矫形的方法按操作方法的不同可分为手工矫形机械矫形和火焰矫形三种本设计采用多辊矫平机进行机械矫形多辊矫板机矫平钢板是使板料通过矫板机的上下两列辊子之间在辊子压力的作用下受到多次反复弯曲整个钢板得到均匀的拉长使多种原始曲率逐步趋向一致变为单一并不断减小最终得到矫平下图为多辊式矫平机的工作原理图
本设计中钢材16MnR板厚为18mm选用九辊矫正机其参数情况见下表
矫正机参数表应注意的是不是所有的钢板都能一次矫平是否容易矫平除与矫平机有关外还与其本身的性质和厚度有关
21筒节下料
筒节的划线是在钢板上划出展开图筒节的展开计算比较简单即以筒节的平均直径为基准由于钢板在卷板机上弯卷是受辊子的碾压厚度会减薄长度会伸长因此下料尺寸应比计算出来的尺寸短一些
筒节展开长按下式计算
LπDm-ΔLπDiS-ΔL1ΔL2ΔL3
式中L筒节展开式mm
Dm筒节平均直径mm
Di筒节内径mm
S板厚mm
ΔL1钢板伸长量mm
ΔL2钢板加工余量mm
ΔL3焊缝横向收缩余量mm
通常
ΔL1-KπDm
K修正系数K09931-09960
综合考虑ΔL2取5mm
所以将数据带入公式可得
L8204m
由于整个筒体是用3个筒节组对拼焊而成因此筒节下料单个钢板的长度为
具体尺寸为长x宽×高8204x2170x18mm
筒节钢板的下料选择机械剪切下料常用的机械剪切下料多采用圆板剪和龙门剪板机而以龙门剪板机的应用最为广泛通常只能做直线剪切本次选择的剪板机的型号为Q11-50x3200型
Q11-50x3200型剪板机参数
最大
板厚最大
板宽板料
强度
喉口
深度剪切
角度可剪
次数行程
次数飞轮
转速刀片
长度50320049070054Min8Min82r4200
3简体的卷制成形
筒节的弯卷成型是用钢板在卷板机上弯卷而成的根据钢板的材质厚度弯曲半径卷板机的形式和能力在实际弯卷过程中分为冷卷和热卷
本设计中钢板为18mm厚的16MnR
根据εδ2Rm1-RmRo×100单向拉伸
式中ε弯卷变形率100
δ钢板名义厚度mm
Rm筒节中性层半径mm
Ro钢板弯曲前的中性层半径mm
代入数值计算的ε069316MnR单向拉伸是的临界变形率
故此处选择冷卷卷制成形通常在三辊筒
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- 高压 氮气 焊接 工艺 课程设计 说明书