毕业设计（论文）低压储罐的焊接工艺设计

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1、 1 毕业设计（论文） 题目 低压储罐的 焊接工艺设计 学生姓名 学号 专业 材料成型及控制工程 班级 20071062 指导教师 评阅教师 完成日期 年 月 日 2 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权

2、省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密 。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 3 目 录 摘要1 前言2 1 球罐概况3 1.1 主要技术参数3 1.1 主要技术参数3 1.2 结构形式图3 2 焊接初步分析4 2.1 焊接性分析4 2.2 焊接方法的选择4 2.3 焊接材料的选择4 2.4 施焊环境4 2.5 焊工资格5 2.6 应遵守的国标5 3 焊前准备5 3.1 焊条的干燥5

3、3.2 定位焊5 3.3 焊前预热7 3.4 焊机的选择7 4 焊接工艺7 4.1 焊接顺序7 4.2 焊接要点8 致谢27 参考文献28 附录30 1 低压储罐的焊接工艺设计 学 生： 指导老师： 三峡大学机械与材料学院 摘 要：本次设计中的低压储罐为容积为 400m3球罐，其用途为贮存氮气，壳体材料为 16MnR。 本文对其母材及其焊接性做了简要的分析， 并以此为基础选择了球罐焊前的预热温度、焊接方法、焊机型号和焊接材料。预热温度为 120140，焊接方法为手工电弧焊，焊机型号为 ZXG-400，焊条为 E5015。 本文根据球罐上每条焊缝的特点，结合所选用的焊接方法、设备及材料，制定了针

4、对各条焊缝的合理可行的焊接工艺。围绕着球罐的焊接过程，作者分析了可能出现的缺陷并提出了避免或减少这些缺陷产生的方法和措施。 在焊接完成之后，还需进行一系列的焊后处理，包括焊后热处理、无损检测等。 最后， 作者制作了焊接工艺卡， 用简单明了的方式展现了本设计的最主要的内容。 关键词：低压储罐；球罐；焊接；工艺 Abstract：The low-pressure storage-tank in this design is a 400m3 spherical-tank which is used for store nitrogen, its spherical shell is made by

5、16MnR.In this text, base metal and its weldability has been analyzed, and according to the analysis, preheating temperature, welding method, welder type and welding material have been selected. Preheating temperature is 120140, welding method is manual arc welding, welder type is ZXG-400 and welding

6、 material is E5015 weld rod. According to the characteristic of every welding line in the spherical-tank and the welding method, welding machine, welding material that have been selected, the reasonable welding procedure to every welding line has been given in this text. From the welding process of

7、the spherical-tank, the author has analyzed defects that could appear in welding and proposes a way or measure to avoid these defects. After the welding of the spherical-tank, there are some post-welding measures will been taken, such as post-welding heat treatment, NDT and so on. At last, the autho

8、r has made the welding procedure card to expound the uppermost content of the design by a simple and clear way. Keywords：low-pressure storage-tank; spherical-tank; welding; procedure. 2 前言前言 随着锅炉、压力容器和管道工作参数的大幅度提高及应用领域的不断扩展，对焊接技术提出了愈来愈高的要求1。就目前而言，焊接已广泛用于机械、石油、交通、航空航天、制造安装、核能等各个行业，几乎遍及工业生产的各个领域。有报道称，

9、发达国家全国全年钢产量的 40%45%的钢材是用于焊接结构件2，由此可见，焊接技术在工业生产中占据着极其重要的地位。 近几年中国经济发展很快，制造安装行业发展更是迅速，而焊接作为制造安装行业的支柱，在行业中就显现出不可替代的地位3。其中压力储罐的制造安装就是典型的代表。 由于我国经济的快速发展和人民生活水平的提高，能源消耗急剧增长，我国的石油制品需求量大量提升。现在，我国已经成为了石油进口大国，石油已经成为了国家发展的重要战略物资，它直接关系到我国的国民经济发展和社会的稳定，石油储备成为了国家任务的重中之重。因此储罐的建造业发展也极为迅速。其中，球罐增长的速度很快，1981 年我国大约拥有 1

10、100 台球罐，到 1985 年增加至约 1800 台，而到 1993年其数量为 3107 台，在这 12 年间平均每年增加约 150 台，至 1996 年全国已经有了近 5000 台球罐，这 4 年间平均每年建造约 400 台球罐，相比 1981 年，增长率达到了惊人的 400%。就目前的统计数据来看，我国现有各种球罐已逾万台。其中绝大部分的球罐是用于储存液化石油气、天然气。 球罐建造的增长速度之所以如此之快，是因为人们越来越认识到使用球罐的合理性。在相同容积的压力储罐之间相比，球罐的表面积最小，因此其消耗的材料最少，具有节省钢材、 降低成本的作用。 同时球罐的受力最均匀， 在相同直径和工作

11、压力下，其所受内应力最小。 然而， 任何事物都有它好的一面和不好的一面。 球罐虽然耗材最少、 受力最均匀，但是其制造工艺较复杂、加工费用较高。此外，球罐直径较大，不便于运输。如 100m3容积的球罐，直径就达到 11.28m，要运输一个直径 11.28m 的大球何其困难。因此球罐必须现场组装。而 100m3圆筒状储罐则可以在制造厂中预制，然后运输出厂。 目前，我国的球罐制造业发展虽快，但总体制造水平还是较低，某些加工手段及工艺措施还相对落后。因此，在原有的稳定制造工艺下，我们还是要寻求突破创新。 本次设计中的 400m3球罐用于贮存氮气，属于中小型容积的球罐，现在，400m3球罐在国内应用较为

12、广泛，主要用来贮存燃气或是液化石油气。本次 400m3球罐焊接工艺设计的目的是使我所学到的材料成型及控制工程的专业理论知识能够应用到实际生产当中去，并最终完成毕业设计工作。在设计工作过程中，采取“边设计，边学 3 习，边调研，边改进”的“四边”原则，真正做到理论与实际相结合，力求达到学以致用，并为自己日后参加工作，奠定理论知识基础，积累实际工作经验。 1 1 球罐概况球罐概况 1.11.1 主要主要技术参数技术参数 表 1 球罐的主要技术参数 设计压力 3MPa 设计温度 50 介质 氮气 壳体材料 16MnR 球罐内径 9200mm 容积 400m3 筒体壁厚 44mm 结构形式 混合式 1

13、.21.2 结构形式图结构形式图 球罐的典型结构图如图 1 所示 图 1 球罐的典型结构 本设计中的球罐采用的是混合式 3 带形式，分为上极，赤道带和下极，简图如图2 所示。 图 2 混合式 3 带球罐 4 1.31.3 壳体材料分析壳体材料分析 1.3.1 1.3.1 化学成分分析化学成分分析 壳体采用 16MnR 低合金钢，其化学成分如表 2 所示。 表 2 16MnR 的化学成分/Wt% 钢种 C Si Mn P S 16MnR 0.20 0.200.55 1.201.60 0.035 0.030 1.3.2 1.3.2 力学性能分析力学性能分析 16MnR 的力学性能如表 3 所示。

14、表 3 16MnR 的力学性能 钢种 板厚/mm SMPa bMPa s% 室温冲击功(AKVJ) 状态 16MnR 3660 305 470600 19 27（横向） 正火 2 2 焊接初步分析焊接初步分析 2.12.1 焊接性分析焊接性分析 根据国际焊接学会（IIW）所采用的碳当量（CE）计算公式： %5156VMoCrCuNiMnCCE 将 16MnR 所含化学成分代入上式，计算其碳当量。经由计算得出 16MnR 的碳当量为 CE0.45%。 当 CE0.45%，钢的淬硬倾向逐渐增加4，因此 16MnR 属于有淬硬倾向的钢。但是，当 CE低于 0.5%时，淬硬倾向尚不严重，焊接性仍属于较

15、好类型，但随钢板厚度的增加需要采取一定的预热措施。 本设计中球罐的球壳厚度为 44mm，因此在焊接前应对其进行预热以避免出现裂纹，选取的预热温度为 1201404。 2.22.2 焊接方法的选择焊接方法的选择 因为 400m3球罐的体积较大，需要焊接的区域较广，因此在本设计中采用灵活性大的手工电弧焊。 2.32.3 焊接材料的选择焊接材料的选择 16MnR 属于低合金高强度钢， 国内外普遍都采用碱性低氢型焊条， 因为这种焊条 5 韧性高，抗裂性能好。因此选用 E5015（结 507）焊条。 2.42.4 施焊环境施焊环境 当施焊环境出现下列任一情况，且无有效防护措施时，严禁施焊。 雨天及雪天；

16、 风速超过 8m/s，相当于级风； 环境温度在-5以下； 相对湿度在 90%以上。 尤须指出，焊接环境温度和相对湿度在距球罐表面 5001000mm 处测得。 2.52.5 焊工资格焊工资格 从事球罐焊接的焊工，须按有关规定进行培训考核，取得焊工资格证后，才能在有效期间担任处于资格范围内的工作。 对停止焊接工作 6 个月以上的焊工，在参加施焊前，应对其重新进行技能考试。对每一个持证焊工，颁发识别钢印。根据产品施焊记录中的焊工姓名和钢印，每月统计一次，以证实其资格的连续性。 2.62.6 应遵守的国标应遵守的国标 GB1501998钢制压力容器 3 3 焊前准备焊前准备 3.13.1 焊条的干燥

17、焊条的干燥 焊条应该存放在通风良好、干燥的的位置，温度应控制在 1025。相对湿度应小于 60%以防止焊条受潮变质。焊条使用前要进行烘干，用以降低扩散氢含量，防止产生裂纹及气孔等缺陷。 对于 E5015 焊条，烘干温度达到 350400，保温时间 2h4。烘干后的焊条应放置在温度为 100150的恒温筒中保存。 焊条在保温筒中超过 4h 后应 重新烘干，焊条不宜重复烘干两次5。 3.23.2 定位焊定位焊 定位焊的目的是为了在装配时固定焊接结构各各零部件间的相对位置，定位焊的质量往往直接影响到焊缝的质量，因此必须认真对待。定位焊采用不对称 X 型坡口， 6 焊 3 层。定位焊的焊接接头如图 3

18、 所示。 定位焊前，须在定位焊焊接处至少 150mm 范围内进行预热，选择与球罐焊接相同的预热温度，即 120140。在一般情况下，层间温度等于预热温度，因此选取层间温度为 130。 焊条直径的选择由表 4 所示。 表 4 焊条直径的选择 焊件厚度（毫米） 2 3 47 812 13 焊条直径（毫米） 1.62.0 2.53.2 3.24.0 4.05.0 4.05.8 因为本设计中球罐的壁厚为 44mm，因此选用 4mm 的焊条。 图 3 定位焊焊接接头简图 焊接电流的大小可以由焊条厚度来决定，根据经验公式 I=Kd 进行试选，其中 K的值如表 5 所示。 表 5 不同焊条直径时的 K 值

19、d（毫米） 1.6 22.5 3.2 46 K 1525 2030 3040 4050 因为本设计中采用的焊条的直径为 5mm， 所以 K 的值选用 4050， 由此可得电流值 I=160200A。 而对于电弧电压也可根据经验公式 U=20+0.04I 试选，由此可得电弧电压为U=26.428.0V。 7 焊接速度选用适中的 v=7cm/min。 由焊接线能量计算公式： q= IU/v， 带入电流值、 电压值和焊接速度计算可以得到，定位焊的焊接线能量为 q=36.248.0KJ/cm。 综上所述，定位焊的焊接工艺参数如表 6 所示。 表 6 定位焊焊接工艺参数 焊接 层数 填充材料 焊接电流

20、电弧电压 （V） 焊接速度 （cm/min） 线能量 （KJ/cm） 型号 直径 电流 （A） 极性 13 E5015 4 160200 反接 26.428.0 7 36.248.0 3.33.3 焊前预热焊前预热 适当的预热温度降低了焊缝冷却速度，可使氢更易从焊缝熔池向大气中扩散，减少了焊缝中扩散氢含量，并且可以降低焊接区的温度梯度和焊缝的冷却速度，尽量减少马氏体的含量，减小温差应力6。预热范围一般为坡口两侧三倍于球壳板厚度并且不小于100mm，当环境温度低时应该增大预热温度和预热范围。对纵缝应整条焊缝同时预热，不能分段预热7。 3.43.4 焊机选择焊机选择 在本设计中，我们选用弧焊整流器

21、，它具有噪音小、空载损耗小、效率高、成本低和制造维护简单等优点。具体型号为常用的ZXG-400弧焊整流器。 4 4 焊接工艺焊接工艺 4.14.1 焊接顺序焊接顺序 选用合理的焊接顺序，可以减少焊接应力，控制焊接变形，是焊接工艺中重要的一部分8。 焊接时，应按先纵缝后环缝、先焊大坡口后焊小坡口的原则安排焊接顺序6。在焊接环缝时，焊工应对称布置，且缘同一旋转方向焊接。在焊接纵缝时，焊工要布置均匀且同步焊接。 通过上述对焊接顺序的说明， 拟定具体焊接顺序如下： 赤道带纵缝的焊接 （外部）赤道带纵缝的焊接（内部）上、下极带小纵缝的焊接（外部）上、下极带小纵缝的焊接（内部）上大环缝的焊接（外部）上大环

22、缝的焊接（内部）下大环缝的焊接（外部）下大环缝的焊接（内部）上极带方环缝的焊接（外部）上极带方环缝的焊接（内部）下极带方环缝的焊接（外部）下极带方环缝的焊接（内部） 8 上极带极带中间板焊缝的焊接（外部）上极带极带中间板焊缝的焊接（内部）下极带极带中间板焊缝的焊接（外部）下极带极带中间板焊缝的焊接（内部） 。 球罐焊缝如图 4 所示。 图 4 球罐焊缝示意图 4.24.2 焊接要点焊接要点 在对球罐任意部位焊缝进行焊接时，都应该注意以下几点： A.明确焊接方法：在本设计中，对于球罐任意焊缝均使用相同的焊接方法手工电弧焊。 B.坡口处理：焊前要将坡口表面及两侧 20mm 范围内清理干净，不得有油

23、污、水分及其他对焊接有影响的杂物。所有焊缝施焊前，均要对坡口进行预热，预热温度如前所述，为 120140。 C.层间温度：为了保持预热的效果，需要控制层间温度。一般层间温度等于预热温度，为 120140。 D.焊工布置：在对不同焊缝进行焊接时，焊工应按要求对称或者均匀布置。 E.角变形控制：球形储罐焊接角变形的主要形式为内角变形，产生这种内角变形的原因是：焊缝横向收缩在板厚方向上分布不均匀产生的角变形；焊缝环向收缩所导致的径向收缩变形而导致角变形。当这两种变形叠加后不能相互抵消，就产生了内角变形。控制角变形的方法主要：本设计中的板厚为 44mm，因此采用内小外大的不对称 X 型坡口可有效控制角

24、变形；先焊大坡口 2/3 厚度，然后在内侧清根和焊接，这样内侧清根和焊接所产生的向外角变形基本上能够抵消外侧2/3厚度的焊缝所产生的内角变形。当再焊接外侧的剩余部分时，因先已焊焊缝金属具有一定的刚性拘束作 9 用，引起的内角变形较小9。 F.焊接线能量的控制：16MnR 的碳当量为 CE0.45%，属于低淬硬倾向的钢，焊接时对线能量应加以适当的控制4。线能量过大，晶界低熔相的熔化越严重，晶界处于液态的时间越长，液化裂纹的倾向就越大；同时热影响区过热，使晶粒粗大，会降低焊缝的抗裂性能。而线能量过小，会增加焊缝金属的应变率，从而增加结晶裂纹的倾向；同时会减少冷却时间，使热影响区淬硬，不利于氢的溢出

25、，故而增加产生裂纹的倾向10。 G.碳弧气刨：球罐焊缝焊接和返修时，焊缝背面的清根和缺陷的清除采用碳弧气刨的方法。对于碳弧气刨，下文将做更具体的阐述。 H.消氢处理：在焊后冷却过程中，有些裂纹是在冷却到 200至室温这一段时间内产生的，而有些裂纹是在冷却过程中并不立即产生，而是经过一个短时间以后，通常在数小时甚至更长的时间后才会出现，由于这种裂纹是由氢导致并在冷却以后延迟产生，故名“氢致延迟裂纹” 。因此须在焊后对焊缝进行加热一小时，温度为 300，经过这一处理，基本上可以将焊缝中的氢除去，故名“消氢处理” ，这是目前排除聚积在焊缝中的氢的最有效的方法11。 致致 谢谢（单独使用一个页码） （

26、空一行） 毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面考核，也是对我们进行科学研究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文和工作打下良好的基础。本次设计能够顺利完成，首先要感谢我的母校三峡大学，是她为我提供了学习知识的土壤，使我们在这里茁壮成长；其次我要感谢机械与材料学院的老师们，他们不仅教会我专业方面的知识，而且教会我做人做事的道理；然后我要感谢中国核工业二三建设有限公司台山项目部技术部焊接管理室的所有成员，感谢他们在我实习期间为我提供了毕业设计的帮助；最重要的是，我要感谢在本次毕业设计中我的指导老师吴敏老师，每有问题，老师总是耐心的解答，使我能

27、够充满热情的投入到毕业设计中去；我还要感谢我的同学们，在我外出实习期间，使他们在学校为我查找在校外查找不到的图书馆资源；最后我要感谢相关资料的编写者和给与我支持的社会各界人士，感谢你们为我提供了一个良好的环境，能使本次毕业设计圆满完成。 参参 考考 文文 献献（单独使用一个页码） （空一行） 10 参考和引用文献的著录，按著录/题名/出版事项顺序排列： 期刊著者.题名.期刊名称，出版年，卷号（期号）:起始页码. 书籍著者.书名.版次（第一版不标注） ，出版地:出版者，出版年，起始页码. 1刘国钧，陈绍业，王凤翥. 图书馆目录M. 北京：高等教育出版社，1957.15-18. 2金显贺，王昌长，

28、王忠东，等. 一种用于在线检测局部放电的数字滤波技术J. 清华大学学报(自然科学版)，1993，33(4)：62-67. 3姜锡洲. 一种温热外敷药制备方案P. 中国专利：881056073，1989-07-26. 4王明亮. 关于中国学术期刊标准化数据库系统工程的进展EB/OL. http:/www. 1998-08-16/1998-10-04. （宋体 5 号） 15 （必须多于 15 条） （单独使用一个页码） 附附录：录：( (与设计（论文）有关的支撑材料- -黑体黑体 3 3 号加粗号加粗) ) （空一行） 1. 图表 2. 计算机程序 3. 注：与设计（论文）有关的支撑材料（如调查报告、图表、计算机程序、运行结果，主要设备、仪器仪表的性能指标和测试精度等） 。 （宋体小 4 号） 其它： 1、学院毕业设计（论文）工作领导小组，根据规范化要求负责组织本单位毕业设计（论文）的形式审查工作。 2、毕业设计（论文）的形式审查应在毕业答辩前完成，形式审查合格者由审查小组组长签字后方能参加答辩。 3、凡形式审查不合格者，应令其返工，直至达到要求为止。 4、对于在校外进行毕业设计（论文）的学生，其设计（论文）的形式审查一律回校后进行。 5、通过形式审查的毕业设计（论文） ，分别由学生本人将毕业设计（论文）成果资料按规范化顺序进行整理。 1