闪蒸罐的焊接制造 设计说明书 学院：山西大同大学工学院专业： 材料成型及控制工程（焊接）班 级：09材料姓名：****导教 师：魏雷 目录 1、闪蒸罐的概况............................................................................3 1.1闪蒸罐的原理与用途..................................................................3 1.1.1闪蒸罐的原理.................................................................3 1.1.2闪蒸罐的作用.................................................................3 1.2主要技术参数..........................................................................3 1.3结构及形式............................................................................3 1.4选用材料............................................................................3 1.4.1化学成分和力学性能分析.........................................................4 1．4.2焊接性分析..................................................................4 1.5焊接方法与焊接材料..................................................................5 1.5.1焊接方法的选择....................................................5 1.5.2焊接材料的选择....................................................5 2、闪蒸罐的生产工艺流程......................................................................6 3、闪蒸罐的备料、下料工艺....................................................7 3.1备料...............................................................................7 3.2材料的入库、复验..........................................................7 3.3钢材的预处理..........................................................................7 3.3.1钢材的矫正工艺............................................................7 3.3.2钢板的表面清理............................................................8 3.4划线、放样工艺.....................................................................8 3.5下料工艺............................................................................9 3.5.1筒节的下料..................................................................10 3.5.2封头的下料......................................................11 3.5.3人孔与接管..................................................................11 3.6坡口加工............................................................................12 3.7弯曲及成形........................................................................12 4、闪蒸罐的焊接工艺......................................................................13 4.1焊前准备............................................................................13 4.2焊接工艺参数....................................................................13 4.3纵焊缝焊后圆筒的矫圆..............................................................13 4.4焊接工艺要点....................................................................14 4.5焊后质量外观检测...................................................................14 5、成品的质检与验收......................................................................14 6、焊后整体热处理.......................................................................... 14 7、焊接工艺卡 ............................................................................. 15 闪蒸罐的焊接工艺规程卡 ......................................................................16 设计总结 .................................................................................. 21 参考文献 .................................................................................. 21 焊接技术作为一种永久性连接的的工艺过程，被大范围的应用于航空航天、机械制造、 石油化学工业、桥梁船舶等工程设计中。 本次设计的主要对象为不锈钢能承受压力的容器（闪蒸罐） ，其主要由筒体、封头和接管 三 个结构组成。本文在介绍了其工作原理、其在生产中的主要应用的基础上选取合理 的工 艺。 本闪蒸罐选用奥氏体不锈钢 0Cr18Ni9 为主体材料。本文对奥氏体不锈钢 0Cr18Ni9 的焊接特性及材料特性加以分析，并制定了相应的焊接工艺。并选取了焊 条电弧焊作为 了主要的焊接方法。 根据生产经验制定了较为合理的焊接工艺流程，包括焊前预处理措施、焊接参数 与 材料的选择、焊后的热处理措施与焊后质量检验。 在此次设计中引用了前辈的文章及书籍，特在此表示感谢，同时感谢魏雷老师的 指 导。 1、闪蒸罐的概况 1.1 闪蒸罐的原理与用途 1.1.1 闪蒸罐的原理 物质的沸点是随压力增大而升高，反之，压力越低，沸点也就越低。 闪蒸的 原 理就是让高压高温流体经过减压，使其沸点降低，进入闪蒸罐。这时，高压下 临近沸 点的高温液体进入闪蒸罐经过减压降低沸点，液体吸取自身的能量后部分 汽化形成新 的汽液平衡，即流体温度高于该压力下的沸点， 流体在闪蒸罐中迅速 沸腾汽化，并进 行两相分离。 1.1.2 闪蒸罐的作用 闪蒸罐的作用是提供流体迅速气化和汽液分离的空间，也就是通过减压，是 流体 在闪蒸罐内沸腾，以此来实现汽液部分分离。 换句话说，闪蒸罐就是将溶液中溶解的原料气先闪蒸出去 , 一方面能够节约资 源提高热量利用，另一方面能减小再生塔的气相负荷 . 1.2 主要技术参数 表 1 闪蒸罐的主要技术参数 介质 蒸汽和凝液 容器类别 Ⅰ 设计压力 0.9MPa 最高工作所承受的压力 0.6MPa 试验压力 1.0MPa 设计温度 230℃ 工作时候的温度 165℃ 焊缝系数 1.0 腐蚀裕量 1.0mm 型号 4.6m3 1.3 结构及形式 图 1 闪蒸罐的结构形式 筒体采用两节制成，焊缝分布如图所示，共有两道纵焊缝和三道环焊缝。 1.4 选用材料 由于闪蒸罐的介质具有一定的弱酸性，在选取材料的时候根据经验和相关记 载， 选取不锈钢为闪蒸罐的主要材料。所谓不锈钢是指在钢中加入一定量的铬元 素后，使 钢处于钝化状态，具有不生锈的特性。为达到此目的，其铬含量必须在 12％以上。为 提高钢的钝化性，不锈钢中还往往需加入能使钢钝化的镍、钼等元 素。一般所指的不 锈钢其实就是不锈钢和耐酸钢的总称。不锈钢并不一定耐酸， 而耐酸钢一般均具有良 好的不锈性能。 不锈钢按其钢的组织不同可分为四类，即奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马 氏体 不锈钢、奥氏体一铁素体双相不锈钢。我们选取的是奥氏体不锈钢 0Cr18Ni9 1.4.1 化学成分和力学性能分析 首先计算厚度， 该容器需要 100%探伤，所以取焊接系数 φ=1.0 ，假设该能承受压力的容器的厚度范围在 2-60mm区间，则查 GB/T150-1998 中表 4-1 得： 100℃以下[ σ]t=137MPa，采用的闪蒸罐直径为 1200mm， 采用中径公 式： PD t i ，带入各项数据可得： δ=3.95mm 2 t P 查标准 HG20508-199《8 钢制化工容器设计基础规定》 表 7-1 得，钢板厚度负偏 差为 0.25mm，而由 GB/T150-1998 中 3.5.5.1 知，当钢板的负偏差不大于 0.25mm，且 不超过 名义厚度的 6%时，负偏差可忽略不计，故取 C1=0. 查标准 HG20580-199《8 钢制化工容器设计基础规定》 表 7-5 知，对于有轻微腐 蚀的 介质，腐蚀裕量 C2=1.5mm。 则容器的名义厚度 δn≥3.95+0+1.5=5.45mm。 圆整后取 δn=6mm。 0Cr18Ni9 的化学成分和力学性能见表 2 和表 3. 表 2 0Cr18Ni9 的化学成分（ %） 钢号 C Si Mn P S Ni Cr 0Cr18Ni9 ≤ 0.07 ≤ 1 ． 00 ≤ 2.00 ≤ 0.035 ≤0.030 8.0-11.0 17.00-19.00 表 3 0Cr18Ni9 的力学性能 钢号 固溶处理温度 ℃ 拉伸试验（≥） 硬度试验（≤） σ 0.2/MPa σ b/MPa δ 5（ %） HBS HRB HV 0Cr18Ni9 1010-1150 205 520 40 187 90 200 1． 4.2 焊接性分析 0Cr18Ni9 属于奥氏体不锈钢，其组织为奥氏体 （A） 加 3-5 ﹪铁素体 （F） 。他 具 有良好的塑性和高温、低温性能。它在焊接热循环的作用下，主要显示出以下基 本 要求： ① 焊接过程中采用小的线能量输入，减少热影响区范围，加快焊缝及热影响 区的 冷却速度对不锈钢的焊接是有益的。 ② 用 0Cr18Ni9 焊接时导热系数小，存在 过热区，也易引起热影响区的晶粒 长大。焊接高温停滞时间过长，在高温状态下 Cr 和 C 形成化合物，在高温区就形 成了贫铬层，也会导致焊缝的枝晶倾向加剧。因此要求尽可能地选择线能量输入较小 的焊 接方法。 ③ 由于导热系数小而线线胀系数大，自由焊接下焊接易产生较大的变形，选 用能 量集中，热影响区小的焊接方法能在某些特定的程度上减少焊接变形。 0Cr18Ni9 的含碳量很小，在加上它属于高合金钢，碳当量对它焊接性能的估 算是 不怎么准确的。因此我们不用碳当量对它的焊接性做多元化的分析。 0Cr18Ni9 属于奥氏体不锈钢，这类钢有具有较高的变形能力而且不可淬硬， 同时 它的碳当量又很低，所以总得来说焊接性还是可以的。但是由于热导率较低， 热膨胀 系数大，局部加热时温度分布不均匀，收缩量大等都将使接头在焊接过程 中产生较大 的内应力。在焊接的时候应注意这方面的问题，焊接时尽可能的避免或 减少这种受热不 均显现的发生，焊接的速度也应该适当的快点。 同时，此次设计中采用的钢板厚度为 6mm，在焊接时无需采用焊前预热，焊后 也不需要热处理措施。 1.5 焊接方法与焊接材料 1.5.1 焊接方法的选择 0Cr18Ni9 具备比较好的塑性和韧性，无淬硬倾向，易于采用各种熔焊方法焊接， 包 括手工电弧焊、埋弧焊、氩弧焊、等离子焊等焊接方法。焊接接头在焊后具有 较高的 力学性能。 鉴于此次的闪蒸罐为小批量生产，使用可操作性较强的手工焊条电弧焊。焊 条电 弧焊具有以下优点： 1、 设备简单，价格实惠公道，维护方便。 2、 不需要辅助气体保护，并且具有比较强的抗风能力。 3、 操作灵活，适应能力强，可达性强。 但是，焊条电弧焊对清渣要求高；易产生气孔、夹渣等缺陷；合金元素过渡 系数 小，和氧亲和力强的元素，如钛、硼、铝等易被烧损。此外，焊条电弧焊的 焊接环境 较差，应该对工人做好良好的保护措施，并注意焊接场所的通风。 1.5.2 焊接材料的选择 0Cr18Ni9 属于奥氏体不锈钢， 奥氏体不锈钢的焊条电弧焊具有热影响区小， 易 于保证质量，适应任何焊接位置及不同板厚工艺要求的优点。查表得，对于 0Cr18Ni9 选 用的焊条为 A107 或 A102T. 考虑各方面因素，我们选取 A107 焊条。其 主要力学性能 见表 4. 熔敷金属化学成分见表 5. 表 4 焊条 A107 的主要力学性能 焊条类型 焊条牌号 型号 药皮 类型 电源 种类 主要力学性能（≥） σ b/MPa δ5（ %） 奥氏体型不锈钢焊条 A107 E308-15 低氢型 直流 550 35 表 5 焊条 A107 的熔敷金属化学成分 （ 质量分数， %） 焊条牌 号 C Mn Si Cr Ni Mo Cu S P A107 ≤ 0.08 0.5-2.5 ≤ 0.90 18.0-21.0 9.0-11.0 ≤ 0.75 ≤ 0.75 ≤ 0.03 ≤ 0.04 2、闪蒸罐的生产工艺流程 闪蒸罐用于工业中，最大的作用是分离提纯和节省能量。我们在此次设计中 采用 钢板卷焊式容器结构。闪蒸罐作为一般能承受压力的容器，其生产的基本工艺流程与其他焊 接用压力 容器的工艺流程相同，包括生产前的准备，金属材料的加工，装配与焊接以 及焊后的 成品加工四大部分。在整个生产过程中，罐体的焊接与组装是尤其重要的，我 们也会 在此次设计中作为重点来介绍。 闪蒸罐的生产工艺流程见下图： 图 2 闪蒸罐的生产工艺流程 3、闪蒸罐的备料、下料工艺 3.1 备料 根据前述设计，我们选用的材料为 0Cr18Ni9 ，板厚为 6mm，属于不锈钢薄板 的 生产。在备料的时候要考虑以下几点：一要考虑产品试板和样品的数量要留够 足够的 原材料，二要对于生产的部件留足裕量和余量，三要写清技术参数包括供 货状态，尺 寸等，四要注意附件的备料要比使用的数量要多以方便替换。此外，选 取的焊接方法 为焊条电弧焊，焊接材料为 A107 焊条，要备足足够的焊条，焊接设备， 其焊接防护 设施。板材的毛坯规格见表 6。 表6 板材的毛坯规格 名称 材质 厚度 /mm 长度 /m 宽度/m 数量 供货状态 板材 0Cr18Ni9 6 3.8 1.4 2 固溶处理 板材 0Cr18Ni9 6 1.5 1.5 2 固溶处理 3.2 材料的入库、复验 无论是钢板， 外购件以及焊材等必须按图纸及相关技术标准进行原材料的复验或 外 购件的进厂检验，确保原材料的各项性能指标符合要求后方可使用。 对钢板的具体要求如下：钢板几何尺寸必须符合计划要求，每块板材均不得拼接， 材质为 0Cr18Ni9（必要时要进行化学成分测定和力学性能试验） ，并要求在固溶处理 状 态下供货，厚度保证 6mm，钢板减薄量不得大于 0.25mm，必须符合 GB6654－96 《压力容 器用钢板》中的规定， 并在交货状态下逐片进行超声波检测，按 JB4730－ 94 《能承受压力的容器 无损检测》规定不低于Ⅱ级为合格，并须在 20℃做 V 型缺口试验，冲击功 不小于 31J。 当材料经检验合格后， 存入仓库， 保证仓库的干燥及温度的变动范围， 并做好标 记， 谨慎保管。 3.3 钢材的预处理 各类焊接结构用钢一定要经过相应的预处理，以确保接头的焊接质量。钢材的预处 理 工艺通常包括矫正、清理和表面防护等。 3.3.1 钢材的矫正工艺 钢板在轧制、运输、装卸和堆放过程中，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，进而影响到装配、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。 由于 4.6m3 闪蒸罐制造所用的钢板较薄， 依据相关手册可查得选用正辊辊式矫正 机 来进行矫平。其矫正精度为 1.0-2.0mm。选用的矫正机型号为 CDW43S 1×0 2000， 其相 关参数见表 7.其矫平原理如图 3 所示，使板料通过矫平机上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，整个钢板得到均匀地伸长，使多重原始曲 率逐步 趋向一致变为单一，并不断减小，最终得到矫平。为了更好的提高矫平效果，可使辊 间距离前 后不等，前边辊间距离较小，使钢板产生较大的变形，以使弯曲均匀，而后面的辊间 距 离较大，使钢板的变形逐渐减小和平直，这样一次通过便能达到矫平目的。 表 7 CDW43S 10× 2000 矫正机的技术数据 型号 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 强度 /MPa 工作 辊间 距 /mm 工作 辊直 径 /mm 工 作 辊 棍 数 矫平速度 （ m/min ） 主电 动 机 功率 /Kw 外形尺 寸（ mm × mm× mm） CDW43 S 10× 2000 10 2000 1.5 360 150 140 13 5.3 33 5.84 × 2.78 × 3.47 需要说明的是：钢材经矫正后表面不应有明显的凹坑及损伤，划痕深度应小于 0.5mm，且不大于刚才厚度负偏差的 1/2 3 4 2 0 3 2 360 图 3 10×2000 辊式薄板矫平机原理图 3.3.2 钢板的表面清理 奥氏体不锈钢焊缝受到污染时， 其耐蚀性会变差。 焊前应彻底清除焊件表面的油 脂、 污渍、油漆等杂质，否则这些有机物在电弧高温作用下分解成气体，引起焊缝产 生气孔 和增碳，以此来降低耐蚀性。必须要格外注意的是，要慎重对待焊前的清理工作，任何 不必要的 随处任意引弧、锤击、打冲眼等，也是造成腐蚀的根源，应明令禁止。 钢板的表面除锈采用喷丸的方法。选用 GYX－3M型钢材预处理装置。其技术特 性参 数见表 8。该装置进行钢材预处理的具体工艺过程为：电磁吊上料→辊道输送→ 预热 （40～50℃）→喷丸除锈→清理丸料→自动喷漆→烘干（ 60～70℃）→轨道输 送出料。 表6 GYX-3M型钢材预处理装置技术数据 项目 数据 钢板预处理规格 / mm 宽 1000～3000，厚 6～ 600，长 2400～ 12000 轨道最大载荷 2t/ m 焊件输送速度 v/ m.min -1 v=0.8 ～ 4，无级调速 年处理量 / t 20000～40000 除锈等级 SISO5 5900Sa2 1/2（A,B ） 涂膜等级 / μm 15～25 3.4 划线、放样工艺 该工序用于检查设计图样的正确性，确定零件的毛坯下料尺寸，以及制样板等。 将设计结构按 1:1 比例绘制出来（放大样）即称为放样。放样是精确、细致、技艺 较高的工作， 对以后加工有很大影响。 一般放样在放样间进行， 为提高放样效率和质 量， 现代焊接生产中采用光学放样和计算机放样。我们此次设计将采用计算机放样。 将待加工零件或毛坯划在金属材料上，以便切割或装配，此工序成为划线，而用样 板划线则称为号料。划线和号料都在专用的平台上进行，划线平台应在起重机活动范 围 内。当采用仿形样板下料或是采用数控切割机下料时，可不预先进行划线和下料。 在制作样板时，应考虑焊接收缩变形量及零件的加工裕量。各种焊接接头时焊缝的 纵、横向收缩余量见表 7，表 8. 表 7 各种焊接接头在厚度为 6mm下的横向收缩量 接头形式 V 型坡口对 X型坡口对 单面坡口 单面坡口 不开坡口 单 面角焊 缝 双面断续 接接头 接接头 十字接头 角焊缝 角焊缝 横向收缩 量 /mm 1.3-1.4 - 1.6-1.8 0.8 0.9 0.3 表 8 各种焊接接头在厚度为 6mm的情况下的纵向焊缝收缩量 接头形式 对接接头 连续角焊缝 断续角焊缝 纵向收缩量 /mm 0.15-0.30 0.20-0.40 0-0.10 用样板号料时应注意留出切口间隙， 各种切割方法条件下的间隙尺寸见表 9.（板 厚 为 6mm） 表9 切口间隙尺寸（ mm） 板厚 火焰切割 等离子弧切割 手工 自动、半自动 手工 自动、半自动 6 3 2 9 6 号料时，将所制作的划线样板放在用于制作闪蒸罐筒体及封头的坯料上，在样板轮 廓线的基础上， 再向外四周分别扩展 150mm打, 上下料线。号料要求沿净尺寸向四周 内打 检查线 下料工艺 采用剪切切割，这类切割相对于大量的手工热切割来讲称为机械切割。需要 注意 的一点是，对于奥氏体不锈钢在进行了机械剪切方法下料时，剪切边缘应使 用机械加 工去除冷作硬化带。 3.5.1 筒节的下料 筒节的划线是在钢板上划出展开图。筒节的展开计算最简单，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： L=πDm-Δ L=π(Di+S)- ΔL1+Δ L2+ΔL3 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
