换热器的焊接性分析与工艺过程设计毕业设计说明书

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1、目录摘要.3Abstract.41 前言.51.1 压力容器用钢的发展.5 1.2 压力容器焊接工艺方法的新发展.6 1.2.1 厚壁壳体窄间隙埋弧焊技术.6 1.2.2 接管、法兰药芯焊丝气体保护堆焊技术.7 1.2.3 壳体内壁带极堆焊技术.7 1.3 焊接机械化与自动化的发展.7 1.3.1 厚壁压力容器对接接头的全自动焊接装备.82 产品结构及材料性能分析.8 2.1 产品介绍.8 2.2 母材性能分析.9 2.2.1 16MnR的焊接性分析.9 2.2.2 20g的焊接性分析.11 2.2.3 10MoWVNb的焊接性分析.113 产品结构应力分析.12 3.1 ANSYS软件模拟步

2、骤.12 3.2 产品强度校核.134 焊接工艺方案的选择.14 4.1 焊接方法的比较.14 4.1.1 埋弧焊的特点.14 4.1.2 CO2保护焊的特点.15 4.1.3 手工电弧焊的特点.15 4.2 焊接工艺方案的选择.16 4.2.1 环焊缝焊接工艺方案的选择.16 4.2.2 筒节纵焊缝焊接工艺方案的选择.17 4.2.3 浮头盖与斧头法兰环焊缝的焊接工艺方案的选择.17 4.2.4 管板堆焊的焊接工艺方案的选择.17 4.2.5 管板与换热管的焊接工艺方案的选择.185 焊接工艺评定.186 产品制造规程的设计.19 6.1 装焊工艺流程图的编制.19 6.2 产品零件加工工艺

3、过程设计.19 6.2.1 封头加工工艺过程设计.19 6.2.2 筒体加工工艺过程设计.22 6.3 装焊工艺过程设计.267 焊接工序卡的编制.26 7.1 焊工资格的确定.27 7.2 焊材用量的确定.27结语.27谢辞.28参考文献.29附录1-产品结构设计图.30附录2-焊接工艺评定一览表.31附录3-焊接工艺评定说明书.33附录4-装焊工艺流程图.37附录5-封头制造工序过程卡.38附录6-筒体制造工序过程卡.42附录7-总装工序过程卡.47附录8-焊接工序卡.51换热器的焊接性分析与工艺过程设计摘要：本文对三类压力容器浮头式换热器的制造工艺过程进行设计。首先使用计算机绘图软件（A

4、utoCAD）绘制出产品设计图和总装工艺流程图。运用ANSYS分析软件对主要受压元件封头和筒节的内壁施加工作应力载荷，分析元件中的应力高低及其内主要焊缝附近的应力分布规律。对换热器的制造工艺性能进行分析，重点对换热器主要接头的焊接工艺过程进行分析，在此基础上确定合理的焊接方法、焊条种类、坡口形式、预热温度、焊后热处理温度、焊后检测方法等焊接工艺方案。确定了焊接工艺评定项目，编制了部分项目的焊接工艺评定说明书。对产品制造过程中的主要工艺文件进行编制，包括所有结点的焊接工序卡、封头与筒节加工工艺过程卡、换热器的总装工序过程卡。本次设计符合JB/T 4708承压设备焊接工艺评定和JB/T 4709压

5、力容器焊接规程中的相关规定，并且符合图纸中的相关技术要求，可以用以相关产品的制造过程参考。关键词: 浮头式换热器 应力分析 焊接性 焊接方法 工艺过程Abstract:In this paper, three types of pressure vessels floating head heat exchanger manufacturing process design. First to use computer graphics software (AutoCAD) to map out the product design and assembly process flow diag

6、ram. The use of ANSYS software stress load on the main pressure parts head and the inner wall of the tube section is applied to analyze the components of the stress level of their weld near the stress distribution. Analyze the performance of the manufacturing process of the heat exchanger, focus on

7、the main joints of the heat exchanger welding process analysis, determined on the basis of a reasonable method of welding, electrode type, the form of a groove, preheating temperature, post weld heat treatment temperature detection methods such as welding after welding technology program. Identified

8、 the project of welding procedure qualification, welding procedure qualification manual compiled some of the projects. Prepared in the manufacturing process technology file, including all nodes in the welding process card, head tube section machining process card, heat exchangers, the assembly proce

9、ss process card. The design complies with the relevant provisions of the JB / T 4708 Pressure Equipment, Welding Procedure Qualification and JB / T 4 709 Pressure Vessel Welding Code and in line with the relevant technical requirements in the drawings, and related products can be used for the manufa

10、cturing process reference .Key words：floating head heat exchanger stress analysis weldability welding method technical process1 前言换热器是压力容器的一种，由于压力容器的工作条件、工作地点和它使用的广泛性等等因素导致了我们对其进行了深入的研究。近10年来，国内外压力容器的焊接技术取得了引人注目的新发展。随着压力容器工作参数的大幅度提高及应用领域的不断扩展，对焊接技术提出了越来越高的要求。所选用的焊接方法、焊接工艺、焊接材料和焊接设备相比以前都有大幅度的改变。鉴于压力容

11、器涉及到许多重要的工业部门，包括石油化工装置、煤液化装备、输油、输气管线、液化气储藏和运输设备等，同时压力容器的成型特点和技术要求决定了焊接技术的知识在此方面应用相当广泛。由于知识容量所限，本文仅从压力容器用钢、先进的焊接工艺方法以及焊接过程机械化和自动化三方面的新发展和产品的焊接工艺过程设计步骤做概括的介绍。1.1 压力容器用钢的发展近年来，压力容器用钢的发展与锅炉用钢不同，其主要的发展方向是提高钢的纯净度1，即采用各种先进的冶炼技术，最大限度地降低钢中的有害杂质元素，如硫、磷、氧、氢和氮等的含量。这些冶金技术的革新，不仅明显地提高了钢的冲击韧性，而且可大大改善其加工性能，包括焊接性和热加工

12、性能。下表对比了采用常规冶炼方法和现代熔炼方法轧制的Q345(16MnR)钢板的化学成分、不同温度下的缺口冲击韧度和应变时效后的冲击韧度。表中所示数据表明，超低级的硫、磷、氮含量显著地提高了普通低合金钢的低温冲击韧度和抗应变时效性。表1.1 不同条件下16MnR的冲击韧度2板厚及状态/mm化学成分（质量分数，%）不同温度下的冲击功CSiMnPSN200-20-40-6024正火0.170.441.340.0190.0100.0486235-3610-40正火0.140.431.410.0110.0030.0123253235236218224212171150145126近期的大量研究证明，铬

13、钼钢的回火脆性主要起因于钢中的P、Sn、Sb和As等微量杂质，合金元素Si和Mn也对钢的回火脆性起一定的促进作用。因此必须通过现代的冶金技术，把钢中的这些杂质降低到最低水平。目前，许多国外钢厂已提出严格控制钢中杂质含量的供货技术条件。下表列出了现代炼钢技术能够达到的最低杂质含量的上限，可大大降低225CrlMo和3CrlMo钢的回火脆性敏感性，其回火脆性指数，J低于lO0，而普通的225CrlMo钢的J指数高达300。表1.2 2.25Cr1Mo和3Cr1Mo钢杂质含量（质量分数）的控制要求SiNiCuSbAsSnSP0.100.300.200.0020.0080.0100.0080.010由

14、此可见，压力容器用钢的纯净化是一种必然的发展趋势。随着当今冶金技术的迅猛发展，许多先进技术如氧气吹炼、炉外精炼和电渣重熔的应用，使得钢中硫、磷、氢、氧等各种有害杂质元素的含量降低到最低水平，从而冶炼出高纯度的钢材。纯净的压力容器钢，不仅可改善压力容器的制造工艺性，如使焊接性良好，防止在钢的焊接过程中生成冷裂纹、热裂纹与层状撕裂的缺陷，更重要的是可显著改善压力容器钢的使用性能，从而大大提高压力容器的使用安全性。1.2 压力容器焊接工艺方法的新发展压力容器为全焊结构，焊接工作量相当大，质量要求十分高。为了能够提高焊件的质量，世界各国的研究者们总是在不断探索优质、高效、经济的焊接方法，并取得了引人注

15、目的进步。1.2.1 厚壁壳体窄间隙埋弧焊技术窄间隙埋弧自动焊4作为一种优质、高效、低消耗的焊接技术在厚板焊接方面日趋成熟，国内一些大型锅炉和压力容器制造厂率先进行使用。该方法的最大优点是：可移动立柱式焊接操作架，使用方便，适用性强，能进行各种直径筒体的纵、环缝的焊接操作，克服了固定式埋弧自动焊装置功能单一和占地面积大等缺点；最小焊缝金属填充量和自动分道（每层两道）焊技术，可获得性能优良、致密性高的焊缝接头；采用带有侧壁光电跟踪和自动防偏的焊接转胎，能提供最佳焊接操作和产品焊接质量的可重复性，因此该方法在大型锅炉和压力容器产品生产中越来越广泛地得以应用。1.2.2 接管、法兰药芯焊丝气体保护堆

16、焊技术药芯焊丝气体保护焊，由于芯部焊剂的作用，焊缝表面生成薄层渣壳，使焊缝光滑平整，成型不亚于埋弧焊。在富氩混合气体保护下，电弧能量高，熔深大，即使焊道搭接量50也能保证道间和层间熔合良好。药芯焊丝焊接时，电流通过药芯周围的薄层铁皮导电，电流密度大，熔敷效率比实芯焊丝高。此外药芯焊丝焊接可以连续送丝不断弧，无飞溅，无需特殊清理，适合多道、自动和半自动焊接作业，因此近年来已被广泛用于不锈钢堆焊，特别是接管内壁及法兰密封面不锈钢堆焊结构。1.2.3 壳体内壁带极堆焊技术在石化行业的一些临氢设备和核容器及尿素设备中，内壁往往要求堆焊奥氏体不锈钢。对于大面积堆焊而言，手工电弧焊和丝极自动堆焊不但效率低

17、、堆焊层内部和表面质量差，而且在堆焊层与基层母材结合处往往易产生缺陷，因此带极自动堆焊技术4应运而生，被广泛地用于容器内壁大面积堆焊之中。带极自动堆焊具有效率高、堆焊层内部质量均匀、堆焊表面平整光滑等特点，而且由于稀释率较低，堆焊金属与基体母材之间的结合面处不易产生焊接缺陷和发生质量问题。容器内壁堆焊层一般采用过渡层加表层的双层或多层堆焊，但对某些容器，根据需要，也已成功开发出单层浅熔深电渣堆焊技术。堆焊用的材料大多使用进口焊带和焊剂，现在国产焊带和焊剂的质量也在逐步提高，已接近进口堆焊焊材的质量水平，并在一些容器制造厂广泛应用。焊接是压力容器制造中的一种主要加工方法之一, 如平板拼接、筒节与

18、筒节、筒节与封头、人孔短节、接管与壳体及法兰的连接, 内件的组焊、以及支座与壳体的连接等等, 大多由焊接的方法完成。同时通过分析大量的质量事故使人们认识到压力容器的安全性与焊接工艺过程有很大的关系。通过不断改进焊接工艺，在实践中逐步应用新的焊接工艺，不仅可以提高焊接的效率，而且可以有效的改善焊接工作者的操作环境，更加重要的是可以使焊件的质量有着大幅度的提高。所以焊接工艺的发展有着非常重要的现实意义。1.3 焊接过程机械化和自动化焊接机械化是指焊接机头的运动和焊丝的给送由机械完成，焊接过程中焊头相对于接缝中心位置和焊丝离焊缝表面的距离仍须由焊接操作工监视和手工调整。焊接自动化是指焊接过程自启动至

19、结束全部由焊机的执行自动完成。无需操作工作任何调整，即焊接过程中焊头的位置的修正和各焊接参数的调整是通过焊机的自适应控制系统实现的。而自适应控制系统通常由高灵敏传感器，人工智能软件、信息处理器和快速反应的精密执行机构等组成。在我国压力容器制造行业中，各大中型企业的焊接机械化和自动化程度相对较高，但是相比国际上，我国的焊接自动化的还有许多地方需要改进。尤其是目前国际上对焊接机械化和自动化作了重新定义。按照此标准来衡量，我国压力容器焊接的自动化率是相当低的。极大多数仅实现了焊接生产的机械化。因此，为加速本行业焊接生产现代化的进程，增强企业的核心竞争力，应尽快提高焊接自动化的程度。下面将列举一个实例

20、来说明其基本结构和功能以及在焊接生产中所发挥的作用。1.3.1 厚壁压力容器对接接头的全自动焊接装备德国某压力容器制造公司与瑞典ESAB公司合作，于1997年开发了一台大型龙门式全自动自适应控制埋弧焊装备。专用于厚壁容器筒体纵缝和环缝的焊接。自1998年正式投运至今使用状况良好，为大型厚壁容器对接缝的埋弧焊开创了成功的先例。该装备配置了串列电弧双丝埋弧焊焊头、由计算机软件控制的ABW系统(Adaptive Butt Welding)和激光图像传感器。在焊接过程中，激光图像传感器连续测定接头的外形尺寸，并将测量数据通过计算机由智能软件快速处理，从而确定所要求的焊接参数和焊头的位置。也就是说，每一

21、焊道的尺寸和焊道的排列是由系统的软件以自适应的方式控制的。系统软件可调整每一填充焊道的4个焊接参数：焊接速度、焊接电流、焊道的排列和各填充层和盖面层的焊道数。因此，该系统可使实时焊接参数自动适应接头整个长度上横截面和几何尺寸的偏差。焊接速度是控制不同区域内的熔敷金属量，而焊接电流是控制焊道的高度和熔敷金属量。焊道的排列决定每层焊道间的搭接量，而每层的焊道数则取决于每层的坡口宽度。随着国民经济的快速发展，各企业越来越重视劳动者的工作环境水平，同时当前政府按提出了“以人为本”的理念，焊接自动化就具有更深刻的意义了。它不仅仅是提高了焊接生产率和稳定的焊接质量，而更重要的是使焊工远离了有害的工作环境，

22、减轻或消除了职业病的危害。2 产品结构及材料性能2.1 产品介绍该换热器属于类压力容器，总长为6275mm，内径为1400mm，工作温度292，工作压力为0.232MPa，工作原理是通过管程中的循环水将壳程中工艺介质的热量传输到压力容器之外。下图是该产品的设计结构图。产品的设计图纸见附录1。图2.1 产品设计图2.2 母材性能分析该换热器的主体材料是16MnR，法兰材料为16Mn，接管材料为20g，换热管材料为 SB622 N10276,这是一种镍基合金，管板的材料为10MoWVNb。在换热器的焊接过程中涉及到了同种材料的对接焊，包括筒体的纵焊缝和环焊缝；也涉及到了异种材料之间的焊接，包括筒体

23、和接管的焊接以及管板的焊接。2.2.1 16MnR的焊接性分析16MnR的化学成分见下表2.1。表2.1 16MnR的化学成分5牌号化学成分（质量分数%）CSiMnPSCrMoV16MnR0.12-0.200.20-0.601.20-1.600.0300.030-16MnR的机械性能参数见表2.2。表2.2 16MnR的机械性能参数牌号抗拉强度MPa屈服点MPa伸长率（%）冲击功J16MnR490-670320213116MnR的碳当量 CE(%)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 =0.15+1.4/6 =0.38%当CE(%)0.40%时，钢材淬硬倾向不大，焊接性

24、良好，不需预热；CE(%)=0.40%0.60%，特别当大于0.5%时，钢材易于淬硬，焊接前需预热，由此可知16MnR的焊接性较好，焊前不需要预热。我将通过以下几个方面来分析其的焊接性6。16MnR是普通低合金钢,是锅炉等压力容器的常用材料。它的强度较高、塑性韧性良好。常见交货状态为热轧或正火，属低合金结构钢。（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。可知16MnR的抗热裂性能较好，这是因为锰在钢中可与硫形成硫化锰，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，而钢材的淬硬倾向又主要取决于它的

25、化学成分。16MnR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，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（3）再热裂纹 从钢材的化学成分考虑，由于16MnR中不含强碳化物形成元素，因此对再热裂纹不敏感，而且还可以通过进行焊后立即热处理等措施来防止再热裂纹的产生。（4）过热区脆化 16MnR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，是焊接接头中塑性最差的部位，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

26、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。 （5）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。16MnR具有一定得热应变脆化倾向，焊接时消除热应变脆化的有效措施是焊后退火处理。2.2.2 20g的焊接性分析20g的化学成分和机械性能见表2.3。表2.3 20g的化学成分牌号化学成分（质量分数%）CSiMnPSCrMoV20g0.200.15-0.300.50-0.900.0350.035-表2.4 20g的机械性能牌

27、号抗拉强度MPa屈服点MPa伸长率（%）20g18538025碳钢的焊接性主要取决于含碳量，随着含碳量的增加，焊接性逐渐变差。20g钢材中碳、硅、锰含量少，所以，通常情况下不会因焊接而引起严重硬化组织和淬硬组织。这种钢的塑性和韧性优良，焊接接头的塑性和韧性也好。通常情况下，焊接时一般不需要预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，既整个焊接过程中不需要特殊的工艺措施。特殊情况下，进行预热和焊后热处理能提高其力学性能要求。2.2.3 10MoWVNb的焊接性分析10MoWVNb 是合金结构钢,其金相组织为铁素体+ 少量弥散碳化物,晶粒度小,碳当量为 CE = 0.3240.557

28、,其化学成分和机械性能如表2.5所示。表2.5 10MoWVNb的化学成分牌号化学成分（质量分数%）CSiMnPSWMoVNb10MoWVNb0.07-0.130.50-0.800.50-0.800.0400.0300.50-0.800.60-0.900.30-0.500.06-0.12表2.6 10MoWVNb的机械性能牌号抗拉强度MPa屈服点MPa伸长率%20g30048019由于钼、钨、钒、铌元素的存在,易引起氮化物的形成及可焊性降低;在焊缝及热影响区易出现淬硬组织;焊接过程有氢的扩散,附有较大的应力;特别是钒元素的存在,使其产生再热裂纹倾向。所以,为了得到焊缝合理的合金组织,以保证焊缝

29、在高温、高压条件下,及氮、氢、氨介质腐蚀条件下的使用性能,是确定焊接工艺及热处理工艺必须考虑的问题。3 产品结构应力分析3.1 ANSYS软件模拟步骤在ANSYS软件模拟时，我选取了产品中比较典型的零件-椭圆封头进行分析。首先使用UG造型软件对椭圆封头进行实体造型（见图3.1）。造型之后，将模型导入模拟软件进行网格划分（见图3.2），然后添加相应的约束条件，即在法兰端面施加Y方向位移约束，约束效果图见图3.3。最后在模型内壁施加工作应力载荷，进行工作应力分析。模拟出封头中的等效工作应力结果见图3.4。图3.2 网格划分图3.1 实体模型图3.4 等效应力图图3.3 位移约束从图3.4中可以看出

30、，在封头的弯曲部位应力发生了集中，由此可以得出的结论是在选择封头与筒体的环焊缝时要注意避开这个位置，以免发生更大的应力集中而导致产品使用寿命缩短。3.2 产品强度校核图3.5是通过模拟而得出的封头顶部的应力分布和应力值。由图可知，工作载荷作用下，在椭圆封头的顶部工作应力最高，故选取此处来进行产品的强度校核。图3.5 封头顶端应力分布图查表得16MnR在温度292时的屈服强度s为283MPa，抗拉强度为576MPa。所以根据结果进行强度评定：查表得在该温度下安全系数取2，则该温度下许用应力值为： Sm =【 s】/n = 283/2=141.5MPa局部薄膜应力值为： 1.5Sm = 212.3

31、MPa薄膜应力和弯曲应力和的限制值为： 3Sm = 424.5MPa评定结果如表3.1所示。表3.1 强度校核结果（应力单位全部为MPa）评定线局部薄膜应力弯曲应力薄膜+弯曲峰值应力总应力路径16.30.5716.50.01616.5限制值141.5212.3424.5结果通过通过通过 根据上表的结果可以判定16MnR完全能够作为此种换热器的制造材料。4 焊接工艺方案的选择4.1 焊接方法的比较下面将通过对埋弧焊等几种常用的焊接方法进行比较，从而确定该产品在焊接过程中所采用的焊接方法。4.1.1 埋弧焊的特点（1）生产效率高这是因为，一方面焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，因此电弧的溶深和

32、焊丝溶敷效率都大大提高。（一般不开坡口单面一次溶深可达20mm）另一方面由于焊剂和溶渣的隔热作用，电弧上基本没有热的辐射散失,飞溅 也少，虽然用于熔化焊剂的热量损耗有所增大，但总的热效率仍然大大增加。（2）焊缝质量高 熔渣隔绝空气的保护效果好，焊接参数可以通过自动调节保持稳定，对焊工技术水平要求不高,焊缝成分稳定，机械性能比较好。（3）劳动条件好 除了减轻手工焊操作的劳动强度外，它没有弧光辐射，这是埋弧焊的独特优点。4.1.2 CO2保护焊的特点 （1）焊接成本低 CO2气体是酿造厂和化工厂的副产品，来源广，价格低，其综合成本大概是手工电弧焊的1/2。（2）生产效率高 CO2气体保护焊使用较大

33、的电流密度（200A/mm2左右），比手工电弧焊（10-20A/mm2左右）高得多，因此熔深比手弧焊高2.2-3.8倍，对10mm以下的钢板可以不开坡口，对于厚板可以减少坡口加大钝边进行焊接，同时具有焊丝熔化快，不用清理熔渣等特点，效率可比手弧焊提高2.5-4倍。 （3）焊后变形小 CO2气体保护焊的电弧热量集中，加热面积小，CO2气流有冷却作用，因此焊件焊后变形小，特别是薄板的焊接更为突出。 （4）抗锈能力强 CO2气体保护焊和埋弧焊相比，具有较高的抗锈能力，所以焊前对焊件表面的清洁工作要求不高，可以节省生产中大量的辅助时间。CO2气体保护焊的缺点是本身具有较强的氧化性，因此在焊接过程中会引

34、起合金元素烧损，产生气孔和引起较强的飞溅，特别是飞溅问题，虽然从焊接电源、焊丝材料和焊接工艺上采取了一定的措施，但至今未能完全消除，这是CO2焊的明显不足之处。4.1.3 手工电弧焊的特点 （1）设备简单，可用成本较低的交流或直流焊接电源。（2）灵活方便，可用焊接各种位置、各种厚度和形状的焊件。（3）焊条品种齐全，可供焊接不同的钢材选用。（4）焊接质量主要取决于焊工的熟练程度和焊条的质量。焊接方法应根据焊接结构、制造要求以及对焊接接头质量的影响及所具有的焊接设备等条件进行灵活选择。通过综合考虑，采用手工电弧焊和埋弧焊这两种焊接方法来完成该产品的主体焊缝的焊接。4.2 焊接工艺方案的选择换热器中

35、的焊缝分布见图4.1。GB150将压力容器中的焊缝按照接头类型与工作载荷性质分为A、B、C、D四类，其中对A类焊缝的质量要求最为严格。下面对各个焊接处进行分析，以便确定合理的焊接方法和焊接工艺。由于焊缝较多，我只选取了几个典型的焊缝进行分析7。4.2.1 环焊缝焊接工艺方案选择A-1是椭圆封头与筒节的环焊缝，采用对接接头，选择Y形内坡口，内侧用手工电弧焊打底并焊满，外侧用埋弧焊焊接。在这里外侧不选用手工电弧焊来焊满主要图4.1 换热器的焊缝分布图是因为筒节的直径为1520mm，尺寸有点大，从提高生产效率出发，故选用埋弧焊。母材：16MnR(Fe-1-2)焊材：焊条型号E5015，焊条牌号J50

36、7（低氢型），焊剂型号F5A0-H10Mn2,焊剂牌号或焊丝牌号HJ350-H10Mn2（JB/T 4709）焊接参数：焊条直径为4.0mm，焊接电流为160-210A，焊接电压为21-22V。埋弧焊的焊丝直径为4mm，装配间隙为4mm，焊接电流为780-820A，焊接电压为38-40V，焊接速度为27.5m/h预热：虽然它的抗拉强度达到490MPa，但是由于它的碳当量较低，淬硬倾向小，而且壁厚较薄，故不需要预热。（JB/T 4709 P104）后热：由于16MnR是低合金钢，且淬硬倾向较小，故不需要后热。焊后热处理：由于使用埋弧焊焊满，焊接热输入较大，焊接区冷却速度较慢，而且接头壁厚为10m

37、m，故不需要进行焊后热处理。4.2.2 筒节纵焊缝焊接工艺方案选择A-2是筒节的一个纵焊缝，采用对接接头，Y形坡口，在焊缝外侧加一个衬垫，在内侧用埋弧焊焊满。将衬垫去掉，外侧用埋弧焊焊满。焊接顺序是先焊内焊缝，再焊外焊缝。母材：16MnR(Fe-1-2)焊材：焊剂型号F5A0-H10Mn2,焊剂牌号或焊丝牌号HJ350-H10Mn2（JB/T 4709）焊接参数：埋弧焊的焊丝直径为5mm，装配间隙为3-4mm，焊接电流为700-750A，焊接电压为34-36V，焊接速度为30m/h预热：虽然它的抗拉强度达到490MPa，但是由于它的碳当量较低，淬硬倾向小，而且壁厚较薄，故不需要预热。（JB/T

38、 4709 P104）后热：由于16MnR是低合金钢，且淬硬倾向较小，故不需要后热。焊后热处理：由于使用埋弧焊焊满，焊接热输入较大，焊接区冷却速度较慢，而且接头壁厚为10mm，故不需要进行焊后热处理。4.2.3 浮头盖与浮头法兰的环焊缝焊接工艺方案选择C-1焊缝是浮头盖和浮头法兰之间的焊缝，采用角接接头，使用手工电弧焊进行焊接。母材：16MnR与16MnR(Fe-1-2)焊材：焊条型号E5015，焊条牌号J507（低氢型）。焊接参数：第一层：焊条直径为4.0mm，焊接电流为160-210A，焊接电压为21-22V。以后各层：焊条直径为5.0mm，焊接电流为220-280A，焊接电压为24-26

39、V。预热：由于此处弯曲应力较大，同时为了防止淬硬倾向变大，所以要进行预热，预热温度为120-130。同时焊接时还要保持适合的层间温度，使焊缝在冷却过程中不至于出现大的应力，层间温度保持在150左右，但不能低于预热温度。后热：由于16MnR和16Mn是低合金钢，且淬硬倾向较小，故不需要后热。焊后热处理：由于这里是应力集中的部位，这将会导致各种焊接缺陷在这里产生，所以焊后一定要进行热处理，热处理温度为620，保温时间为2h。4.2.4 管板堆焊的焊接工艺方案的选择C-18是管板是的堆焊焊缝，采用手工电弧焊进行施焊母材：10MoWVNb（Fe-3-2）焊材：过渡层为A302，耐腐蚀层为A132。焊接

40、参数：过渡层焊2层，焊条直径为4mm,焊接电流为130-150A，焊接电压为22-24V，焊接速度为8-10cm/min。耐蚀层焊2-4层，焊条直径为4mm，焊接电流为140-170A，焊接电压为22-24V,焊接速度为10-12cm/min。预热：预热温度为100，层间温度为150。焊后热处理：堆焊到2-3mm时进行热处理，热处理温度为620，处理时间为3h。堆焊完之后不用进行热处理，主要是为了保持耐腐蚀层的耐蚀性。4.2.5 管板与换热管的焊接工艺方案的选择D-3是管板与换热管的角接焊缝，采用I形接头，并采用钨极氩弧焊进行焊接母材：镍基合金(Fe-3-3)与A-302（00Cr19Ni10

41、）（Fe-8-1）焊材：焊丝采用H12Cr26Ni21焊接参数：焊丝直径为2.5mm，焊接电流约160A，电弧电压约16V，焊接速度为1-2m/h，气体流量为1200L/h。预热：为了保证管子管板的焊缝质量，在焊前进行预热时一种好的方法，由于管壁较薄，此处无需预热。各个焊缝的焊接工艺方案的选择都是在查阅了许多相关的文献资料后确定的，并且符合JB/T4709-2000钢制压力容器焊接规程和GB151-1999管壳式换热器中的相关规定。5 焊接工艺评定焊接工艺评定是为验证所拟定的焊件焊接工艺方案的正确性而进行的试验过程及结果评价。焊接工艺评定有着重要的意义，焊接工艺是保证焊接质量的重要措施，它能确

42、认为各种焊接接头编制的焊接工艺指导书的正确性和合理性。通过焊接工艺评定，检验按拟订的焊接工艺指导书焊制的焊接接头的使用性能是否符合设计要求，并为正式制定焊接工艺指导书或焊接工艺卡提供可靠的依据。通过仔细分析，本文将所有的焊缝归纳为封头环焊缝、筒体纵焊缝、浮头盖环焊缝、管板焊接、接管法兰角焊缝、接管筒体角焊缝等八种类型。对于筒体纵焊缝来说，由于所有筒节的壁厚都是10mm，评定时选择20mm壁厚的试件，根据NB/T 47014-2011承压设备焊接工艺评定的相关规定,其覆盖焊件的厚度范围5-40mm。筒体对接用双面焊，评定时开X形坡口双面焊。A1、A2、A3、A4等接头在母材类别、组别，焊接工艺方

43、案等主要因素上均相同，坡口形式及尺寸等次要因素也相同，因此可以将这几个接头归为一类做一个评定，评定序号为1，焊接工艺参数则根据焊接工艺方案作相应选择。这样便完成了一个工艺评定。具体的评定内容见焊接工艺评定一览表（附录2）。工艺评定结束后编制了焊接工艺评定所明书（附录3）。本次评定符合NB/T 47014-2011承压设备焊接工艺评定中的相关规定，可以用以指导相关类型焊缝的焊接。6 产品制造规程的设计6.1 装焊工艺流程图的编制在进行设计各零件加工工艺方案之前，先编制了产品的装焊工艺流程图，作为指导整个产品生产的说明。具体内容详见附录4。6.2 产品零件加工工艺过程设计6.2.1 封头加工工艺过

44、程设计图6.1 椭圆封头尺寸下图是该产品椭圆封头的结构示意图：1、封头坯料尺寸计算： 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%，由于封头厚度为10mm，所以选取11mm厚的毛坯料板。根据经图6.2 坯料尺寸示意图验公式可知：封头的展开公式：K 为影响系数1.2 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）将数据带入公式可得：Dp=1.2（1500+11）+225+100=1963mm。通常下料的板材的标准宽度只有1500,200

45、0,2200mm等，所以根据以上计算，选择制作封头的板材为10mm1500mm2000mm。一块坯料展开图如图6.2所示。2、下料方式的选择下料是封头制作的首道工序，下料下的好不好是一个封头质量最后是否过关的前提。在下料的同时也要考虑到怎么样排列下料才会使用料最省，达到成本最低，并且在切割圆片的时候要考虑下料圆片公差-5+5mm。查找文献可知不锈钢切割的时候用的是等离子切割，而碳钢则是用乙炔气割，如果是比较薄的碳钢也是可以用等离子切割的。在此考虑到经济因素，我们选择乙炔气割的方式来进行下料。由于钢板材料是16MnR，所以不存在淬硬倾向过大的可能。3、封头的冲压（1）坯料加热在封头冲压过程中，板

46、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9501050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）压延力的计算压延力的计算公式为：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）将数据带入公式可得：F1.21.23.14（1963-1500）11200460.6(

47、t) (3)冲压设备的选择 冲压设备可采用大型四柱立式水压机或油压机。一般300t压力机可冲压直径为1m左右的封头；500800t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500吨四柱式油压机来压制封头。 （4）压边圈的选择 当所冲压的风头展开毛坯下料直径与厚度比值达到一定数值时，为确保所成形封头的质量，应该在冲压模具结构上采用压边装置。否则在封头冲压过程中在上口边就会产生褶皱，从而影响产品质量，甚至造成废品。根据经验公式，当DpDg18S时，冲压模具可不用压边装置。对于该封头，DpDg1963-1500463mm，而18S18111

48、98mm，所以要采用压边装置。 （5）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。5、开坡口将椭圆封头放在立式车床上进行环缝坡口加工，坡口型式如图6.3所示。图6.3 封头坡口型式开完坡口后，坡口段会出现氧化皮，折皱等缺陷，所以要使用研磨工序来加工坡口，使坡口更加光洁。研磨之后，就要进行酸洗，酸洗是为了能够将成型封头表面的油污、氧化皮等污物清洗干净。在分析封头加工工艺方案时，也通过查阅相关资料编制了封头制造工序过程卡，具体内

49、容详见附录5。6.2.2 筒体加工工艺过程设计（1）板材的复检设计选用的金属材料是16MnR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）毛坯尺寸计算在划线、下料之前应先选取制作筒节钢板的尺寸规格。由于筒节为圆柱形回转体，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为筒节毛坯展开长度（mm）、为容器公称直径（mm）、S1、S2为容器壁厚（mm）、加工余量(mm) 、修边余量

50、（mm）将数据带入公式2-1得：L=3.14（1400+10）+10+60=4497mm 筒节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4500mm。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4275mm，选两块板材。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：10mm2150mm4500mm两块通过相应的计算可得各筒节展开毛坯尺寸如图6.4所示图6.4 筒节坯料展开尺寸（3）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

51、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。（4）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

52、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。图6.5 筒节坡口型式（5）坡口加工将板材放在刨边机上进行开坡口工序，坡口如图6.5所示。这个坡口是筒节纵、环焊缝的坡口，开完坡口后进行适当的后处理，去除氧化皮和油污，便于下一步的操作。（6）筒节蒙皮卷圆卷板机的示意图如图6.6与6.7所示。图6.6 卷板机正面图图6.7 卷板机侧面图其工作过程是，首先将两块钢板用手工电弧焊通过点焊而连接在一起，然后通过起重行车将合起的钢板放在滚板机中，其次通过三个滚轮的轧制作用将钢板卷圆，最后再用电弧焊把两块钢板的接头焊上。在这整个过程中，最重要的就是在卷圆时一定要注意不要将两块钢

53、板卷错位，如果卷错位，将严重影响后续的生产流程。这种滚板机的优点就是操作方便，基本上可以满足任何尺寸的筒节的卷圆。缺点就是没有精确的测量工具，卷制过程完全靠工人的肉眼去观察筒节的成型情况，这就很容易造成筒节的错边，需要操作工人有丰富的操作经验。（7）焊接工序卷圆过后，直接在卷板机上进行纵焊缝的焊接，具体焊接参数见焊接工序卡。同时需要注意的是，在焊接时为了防止筒节的圆周度发生变化，需要在筒节内部加入胎具，对筒节进行撑圆。（8）热处理工序 焊接完成后，将筒节整体放入加热炉中进行去应力热处理。筒节在炉中加热到650，热处理时间为十五分钟。（9）开孔工序由于进料和出料的需要，要在筒节上开设孔。使用火焰切割方式将孔开设出来。孔的开设示意图如图所示：图6.8 开孔示意图（10）探伤工序 使用X射线探伤仪对筒节焊缝进行探伤，按探伤长度大于20%且不小于10mm长度进行探伤，级合格。在分析筒节加工工艺方案时，也通过查阅相关资料编制了筒节制造工序过程卡，具体内容详见附录6