层板包扎换热器壳体制造工艺设计.doc

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1、层板包扎换热器壳体制造工艺设计层板包扎换热器壳体制造工艺设计专 业：焊接技术与工程班 级：07焊接1姓 名：矫运赟学 号：A0752128指导教师：张文明 时 间：2010年10月29日目 录摘 要- 2 -引 言- 3 -1 层板包扎换热器壳体制作工艺设计- 5 -1.1 产品结构分析- 5 -1.2 材料焊接性分析- 6 -1.3 层板包扎换热器壳体制造工艺流程- 10 -2. 总装备焊接工艺- 18 -2.1 筒节与筒节环缝装配焊接- 18 -2.2 筒节与封头间环缝装配焊接- 19 -2.3 壳体的质量检验- 19 -参考文献- 21 -摘 要本设计编制的是层板包扎换热器壳体的制造工艺

2、，按照在承压等级的基础上，综合压力容器工作介质的危害性（易燃、致毒等程度）进行分类，此容器属于III类容器。此容器材料主要为16MnR，故在讨论16MnR焊接性的基础上对该容器进行制造工艺编制。本产品制造、试验和验收按GB1502005钢制压力容器中的多层高压容器技术条件规定。本次设计的换热器筒体由20mm厚的内筒，外层包扎七层6mm厚瓦片状层板构成，内筒材质为16MnR，层板材质为16MnRC。封头由铸造方法获得。本设计首先介绍了此层板包扎换热器的结构，并分析了制造本产品的材料如16MnR钢的化学成分、力学性能及焊接性，然后分析了该容器焊接制作工艺流程。文中详细论述了换热器加工、装配、焊接工

3、艺。同时对换热器制作中容易出现的质量问题进行了分析说明，提出了相应的解决措施。文中重点阐述了装配焊接工艺，包括筒节的纵缝装配焊接、筒节与封头的环缝装配焊接、筒节与筒节的环缝焊接等。如装配方法、焊条、焊剂与焊丝及焊接方法的选择、焊接参数的选取等。并对容器的焊后试验、气密性试验等进行了必要的说明。关键词：层板包扎换热器、装配、焊接引 言世界现代焊接技术以高效、节能、优质及其工艺过程自动化、数字化、智能化控制为显著特征。在国内，无论是从目前焊接设备和材料构成比的发展趋势，还是从焊接设备和材料的制造技术和发展方向上来看，我国现代化焊接技术已经有了很大的发展，部分产品技术已经达到或接近国外先进水平。随着

4、我国焊接技术的迅猛发展，压力容器的应用也日益广泛。在化工领域，盛装各种介质的压力容器成了工业生产中不可或缺的一部分。压力容器大都在一定的温度和压力下工作，且相当一部分结构的工作介质或内部充装物为易燃易爆，或具有强烈腐蚀性，或有毒的物质，一旦发生泄露或者断裂破坏，就可能产生灾难性后果，造成人们生命财产的严重损失。因此，因此必须保证该类结构在工作和运行中的安全可靠性，必须按照产品设计的技术要求中专门的技术规范来进行制造生产，严格控制产品质量，并业要由专设机构来进行监督和检查。多层厚壁高压容器壳体是由卷焊而成的圆柱形筒体和两个铸造或锻造制成的封头（也称端盖）组成的。其筒体是由内筒和包扎在其上的数层瓦

5、片状的薄层板所构成，如图0-1。内筒体直接接触工作介质，必须适应工作条件的要求，如强度高、塑性和韧性好及耐腐蚀等。但其制造中也存在工序多，生产周期长的缺点。常用的内筒材料由16MnR、15MnVR、14MnMoVR、16Mng和15MnVg等，板厚一般为12mm20mm。层板作为受力件，也要求具有良好的塑性和韧性。常用层板有16MnRC和15MnVRC等，板厚多为6mm10mm。层板可以为单一材料；也可以采用不同材料，达到沿壁厚等强度的混合包扎，以充分利用材料的承载能力。多层包扎高压容器是较早使用的组合容器之一。它是利用各层层板间的2（或3）条纵向焊缝的焊接收缩作用和包扎箍紧力作用，使筒体在投

6、入运行前就在其内侧保留着预压缩应力，而外侧保留预拉伸应力。当承受内压后，既提高了内壁的屈服安全性，又改变了应力沿壁厚的分布状况，使壁厚材料合理地得到利用。图0-1 多层包扎换热器筒体构成示意图1 层板包扎换热器壳体制作工艺设计1.1 产品结构分析1. 产品概述此层板包扎换热器壳体由筒体与两个封头组成。封头通过锻造方法制成，与筒体组焊到一起，材料为20MnMo。筒体由两个筒节组焊获得。筒节由20mm厚的内筒，外层包扎七层6mm厚瓦片状层板构成，内筒材质为16MnR，层板材质为16MnRC。内筒直接与工作介质接触，具有较好的强度、塑性和韧性及较好的耐腐蚀等，层板作为受力件，也具有良好的塑性和韧性。

7、层板包扎换热器利用各层层板间的纵向焊缝的焊接收缩作用和包扎箍紧力作用，使筒体在投入运行前就在其内侧保留着预压缩应力，而外侧保留预拉伸应力。当承受内压后，既提高了内壁的屈服安全性，又改变了应力沿壁厚的分布状况，使壁厚材料合理地得到利用。本设计中封头材料为20MnMo钢；内筒材料为16MnR，板厚为20mm；层板材料为16MnRC，每层板厚为6mm，共计7层。此层板包扎换热器壳体主体结构见图1-1.图1-1 层板包扎换热器壳体主体结构2. 换热器技术特性此层板包扎换热器主要技术特性数据如表1-1所示。表1-1 层板包扎换热器技术特性序号名称指标1操作压力（kg/cm2）320kg/ cm22操作温

8、度（）30403操作介质H2 N2 CH4 气氨 液氨1.2 材料焊接性分析1. 16MnR焊接性分析(1) 16MnR钢的化学成分和力学性能16MnR钢是我国球罐和压力容器的基础钢种，它发展最早，最成熟稳定，产量也最大，属345MPa（屈服点）级的低合金结构钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性。16MnR钢的化学成分见表1-2。表1-2 16MnR钢化学成分钢种C（%）Mn（%）Si（%）S（%）P（%）16MnR0.120.180.801.200.200.600.0450.05016MnR钢的力学性能见表1-3。表1-3 16MnR力学性能钢号交货状态钢板厚度/mm

9、拉伸试验冲击试验冷弯试验抗拉强度b/Mpa屈服点a/Mpa伸长率/%温度V形冲击功Akv（横向，1/4板厚）/Jb2a180不小于不小于16MnR正火1016510640345212047d2a16364906203253660470600305-2031d3a16MnR钢一般在热轧状态下使用。对于中厚板材，为了改善钢的综合力学性能，特别是冲击性能，可进行900920正火处理。正火后钢的强度略有降低，但塑性、韧性、低温冲击韧性显著提高，并降低脆性转变温度。(2) 焊接裂纹1) 焊缝中的热裂纹从热轧正火钢的成分看,一般含碳量都较低,而含量Mn都较高。因此,它们的Mn/S比都能达到要求,具有良好的

10、抗热裂性能,正常情况下不会出现热裂纹。但当材料成分不合格,或因严重偏析使局部C、S含量偏高时, Mn/S就可能低于要求而出现热裂纹。如果16MnR钢板,碳有严重偏析,钢板各部分的含碳量相差很大，从0.160.245,因此在焊角焊缝时出现在大量的热裂纹.在这种情况下,就要从工艺上设法减少熔合化,在焊接材料上采用低碳焊丝H03MnTi和含SiO2,较低的焊剂（含SiO2 30.28, MnO33.43）,以此降低焊缝中的含碳量提高焊缝中的含锰量,解决了热裂纹的问题。2) 冷裂纹 16MnR钢的含碳量虽然并不高，但含有少量的合金元素，因此，16MnR钢的淬硬倾向必然比低碳钢的大一些。16MnR钢在连

11、续冷却时，珠光体转变区间变窄，使快冷过程中铁素体析出后剩下富碳奥氏体来不及转变为珠光体，最后转变为含碳量较高的贝氏体和马氏体，并且得到全部马氏体的临界冷却速度比低碳钢时要小。显然16MnR钢的淬硬倾向要比低碳钢大。冷裂纹是焊接16MnR钢时的一个主要问题。从材料本身考虑,淬硬组织是引起冷裂纹的决定性因素。因此,焊接时能否形成对氢致裂纹敏感的淬硬组织是评定材料焊接性的重要指标。16MnR钢在连续冷却时,珠光体转变右移较多,使快冷过程中,铁素体析出后剩下的富碳奥氏体来不及转变为珠光体,最后转变为含碳较高的贝氏体和马氏体,并得到全部马氏体的临界冷却速度较低碳钢时要小,显然16MnR钢的淬硬倾向比低碳

12、钢的大。焊条电弧焊16MnR钢时,过热区会出现少量铁素体、贝氏体和大量马氏体。3) 再热裂纹16MnR钢在焊后消除应力处理时不会产生再热裂纹。从钢的化学成分考虑，在C-Mn的热轧钢中由于不含碳化物形成元素，对再热裂纹不敏感，因此16MnR钢在焊后消除应力处理时不会产生再热裂纹。2. 20MnMo焊接性分析封头材料为20MnMo钢，20MnMo常用为低合金压力容器用锻钢件材料，用于制造-40470摄氏度的压力容器构建、重要锻件等。其要求需符合锻件用结构钢牌号和力学性能（GB/T171071997）标准。20MnMo化学成分见表1-4。表1-4 20MnMo钢化学成分钢种C（%）Mn（%）Si（%

13、）Mo（%） S（%）P（%）20MnMo0.170.231.101.400.170.370.200.350.0150.02520MnMo力学性能见表1-5。表1-5 20MnMo钢力学性能钢种热处理状态截面尺寸(直径或厚度)mm试样方向力学性能抗拉强度b（MPa）屈服强度s (MPa)伸长率/%U形冲击功Aku/J20MnMo调质300纵向5003051439300500纵向4702751439300切向5003051431300500切向4702751331根据国际焊接学会（IIW）的碳当量公式：可计算得20MnMo钢的碳当量为0.47%，合金元素含量达2.18%，从计算结果可以看出，20

14、MnMo钢在焊接时淬硬倾向较大，且淬硬倾向随冷却速度增加而增大，焊接接头在拘束应力较大时会产生冷裂纹，故焊前必须预热。随着预热温度的提高，热影响区硬度下降，热影响区裂纹敏感性下降，但是过高的预热温度会产生附加热应力，反而增加冷裂纹产生的可能性，同时也增加了操作者的劳动强度。所以单纯提高预热温度对焊接是不利的。因此在焊接20MnMo钢时需要采取焊前预热，后热和焊后热处理等工艺措施。1.3 层板包扎换热器壳体制造工艺流程层板包扎换热器制造工艺流程见图1-2。图1-2 层板包扎换热器制作工艺流程图 1. 内筒制作工艺(1) 钢板复检内筒制作之前，需要先对钢板进行复检，复检内容包括化学成分、各种力学性

15、能、表面缺陷及外形尺寸（主要为厚度）的检验，以确保容器质量。(2) 钢材预处理1) 表面预处理复检合格后，由于钢材表面的油污、锈蚀和氧化皮等会对产品的制造质量造成不利影响，故需对钢材进行表面预处理。钢材表面预处理是钢材进入划线、号料或下料之前的一道必经工序。钢材的表面预处理对于提高产品质量、延长产品寿命、减少环境污染有重要意义。此设计采用喷丸除锈法进行表面预处理。2) 钢材的矫正矫正就是使钢板或工件在外力的作用下产生与原来变形相反的塑形变形，以消除弯曲、扭曲、波浪及表面不平等变形，从而获得正确形状的过程。本设计用辊式机矫正法对板材进行矫正，矫正后要求挠度不大于1mm。3) 划线、号料与下料 划

16、线 壳板毛料应根据材料规格进行下料、排版，其尺寸应比理论计算的壳板尺寸每边再多加30mm。号料时，应认真填写压力容器钢板下料卡。 标记移植 在划好线的壳板上作标记移植，并填好标记移植检查记录。 下料 采用数控切割机下料，长度与宽度误差不应大于0.1mm。4) 边缘加工先用气割去除加工余量（即二次下料），同时进行坡口加工，坡口加工后必须仔细检查表面质量和曲率。坡口表面不得有分层、裂纹或影响焊接质量的其他缺陷。经着色和超声波检验合格后，在坡口上涂上防锈漆，焊接时不必除去。(3) 内筒制作 复检、矫平后开始进行内筒的制作加工。高压容器对筒体不圆度的要求比一般中、低压容器要严格的多，这一方面是因为由内

17、压产生的二次应力较高，另一方面还由于内筒的不圆度直接影响层板包扎的松紧程度和间隙的大小。为此，多层高压容器的内筒应满足以下规定： 同一断面上的最大直径和最小直径之差不应大于0.5%Dg，且不大于6mm； 纵缝的对口错边量不大于1.5mm； 对接纵缝形成的棱角应不大于2mm； 内筒材料的伸长率大于层板材料的伸长率。内筒卷制时可选用三辊或四辊卷板机，对已加工好的筒节毛坯料进行卷制加工。本设计用对称式三辊卷板机来完成此工作，但要对毛坯料两端事先进行预弯。预弯方法有两种:一是借助模具用压力机压制完成，二是借助厚度超过毛坯料厚度一倍的胎板由对称式三辊卷板机滚卷完成。预弯的长度至少为对称式三辊卷板机两下辊

18、中心距的一半。要保证筒节的卷制质量，不可以产生错口、鼓形、锥形及椭圆等缺陷。内筒卷制后进行纵缝焊接，本设计选用焊条电弧焊打底，焊条选用E5015（3.2mm），焊接电流I为128130A。打底焊完成后用埋弧焊盖面，选用H08MnA（4mm）焊丝与HJ431焊接配合，焊接电压U选择3032V，焊接电流I选择600620A，焊接速度v选择30cm/min。坡口形式见图1-3。图1-6 内筒纵缝焊接由于包扎后无法进行热处理，故在内筒卷焊后要先进行消除应力热处理。之后还应对焊缝进行探伤，以达到要求。2. 层板加工工艺此设计层板材料为7成6mm厚的16MnRC钢板。复检、矫平后划线下料。由于层板为半圆筒

19、形瓦片，故不需要预弯，滚卷后两边各切掉200mm长的直边，同时每边开出2030的坡口；另外，层板的两条纵缝装配时各需留出6mm14mm的间隙，这样焊后由于焊接收缩应力的作用，可使层板包扎的更紧。所以，每块层板毛坯料在展开直径方向的尺寸L应由下式所决定：式中 Dn第n层层板的内径（mm）；层板厚度（mm）。用三辊卷板机卷制成形后，切除直边，层板加工即告结束。值得注意的是： 前三层层板要开信号孔，信号孔的作用是便于焊接中气体的排除； 为了包扎更紧密，层板实际曲率可比要求大些，根据经验，层板内径小于所包扎里层筒体外径的6mm10mm。3. 筒节制作工艺筒节的制作包括层板包扎和环缝坡口的加工。层板包扎

20、是多层厚壁高压容器制造的重要工艺内容之一。包扎前，层板表面要除锈，并应复查层板曲率是否符合要求。为使层板间纵缝相互错开，要以前一层层板的焊缝为基准给出各层板纵缝在筒体端面所处位置，如图1-7所示，7层层板依次错开50。为了防止层板在包扎过程中内筒发生变形，包扎前先在内筒中放入内支撑胎具，如图1-8所示。为便于内支撑胎具的装拆，每组胎具大多由三片或四片以上的爿片组成。然后按规定的纵缝位置将层板放置于内筒体上，在拉紧装置上用钢丝绳或钢带扎紧。此设计采用可移动的龙门式扎紧装置来进行层板的包扎，如图1-9所示。包扎时，先将内筒通过两端固定在一个可移动的支架5上，接着按规定纵缝的位置把层板扣放在内筒上，

21、套上钢丝绳3，略微拉紧后，对两条焊缝的间隙进行调整，其坡口间隙一般为6mm14mm。 图1-7 层板纵焊缝位置分布图图1-8 内筒体支撑胎1爿片支撑环 2内筒体 3组合式肋板 4螺栓图1-9 门式拉紧装置1拉紧油泵 2移动门架 3钢丝绳 4导轨 5转动支架开启拉紧油泵1逐级升压，每升压一次将筒节滚动一次，并用铜锤在层板上稍加敲击，使钢丝绳各处拉紧。在该拉紧装置中，油泵安装在一个可升降的横梁上，以适应不同直径筒体的包扎要求。开始拉紧时，层板处于自由延伸状态，能够沿着圆周方向伸缩，随着拉紧力的增加，层板在内筒体上越贴越紧，并产生一定变形。当拉紧力达到规定值后，用塞尺检查筒体两端间隙，合格后可将层板

22、通过定位焊固定在内筒上。定位焊由层板一端向另一端依次进行，在整个纵焊缝长度方向上点焊若干处，每个焊点不可过短，以免被焊接应力拉裂。将包扎好的筒节从拉紧装置中取出后放在焊接平台上，可采用电焊条电弧焊或埋弧自动焊进行纵焊缝的焊接。若采用电焊条电弧焊则需多层焊，一般厚度6mm的层板，要焊三层。焊接时，先将同层的各条焊缝都焊一道，以免定位焊缝崩开，再依次焊接其他几层，层与层之间的焊接方向应相反，以减少焊接变形。注意盖面焊缝不要太高。若采用埋弧自动焊，其坡口形式不变。但由于埋弧自动焊功率较大，6mm厚的层板只需焊两层。对层板的自动焊要特别注意焊接规范参数的选择，熔深要适当，不能大于层板的厚度。典型规范如

23、下：焊丝直径3mm；焊接电流280A300A；电弧电压34V38V；焊接速度28m/h30m/h，盖面焊缝的焊接速度要慢些，取20m/h25m/h。本设计采用焊条电弧焊焊接。待焊缝全部冷却后，铣去加强高（最外层焊缝除外），再用砂轮修磨使之与筒体弧度相同。凭借小铜锤敲击的音响来检查包扎质量即层板贴紧程度。依上述程序和方法，诸层包扎至所要求的厚度。筒体组装前，必须加工好环缝的焊接坡口（即进行筒节端口的边缘加工）和信号孔，如图1-10所示。因壁厚较大，多采用窄间隙坡口进行埋弧自动焊。焊接时，由于焊机固定在容器的上方依靠筒体的转动来完成焊接，这样焊接方向与层板扎紧方向平行，易于造成咬边和夹渣等焊接缺陷

24、，如图1-11所示。因此，在埋弧焊前，常常对筒节边端坡口进行预堆焊，堆焊时可将加工好边缘的筒节立起来，采用焊条电弧焊预堆焊。预堆焊后需经再次坡口切削加工并探伤合格后，方可进行环缝埋弧自动焊。图1-10 环缝坡口及信号孔图1-11 环缝埋弧自动焊缺陷1焊丝 2层板 3熔敷金属2. 总装备焊接工艺2.1 筒节与筒节环缝装配焊接高压包扎容器直径不是很大，本设计为内径600mm的产品，此时内环缝只能进行焊条电弧焊焊接，且操作极不方便，需要焊工钻进内筒中焊接，因此要求焊工的操作水平较高。又由于壁厚较大，外环缝要进行多层甚至多道埋弧自动焊。具体焊接工艺见表2-1。值得注意的是，由于壁厚较大，因此在焊到壁厚

25、的一半时，就应及时进行射线探伤。表2-1 筒节与筒节间环缝焊接工艺焊接方法焊接材料工艺参数焊接位置焊条电弧焊焊条型号E5015焊接电流I（A）126130内环缝焊条直径（mm）3.2埋弧焊焊丝牌号H08MnA焊接电流I（A）900950外环缝焊丝直径（mm）5焊接电压U（V）3235焊剂牌号HJ431焊接速度v（cm/min）332.2 筒节与封头间环缝装配焊接 筒节与封头间环缝焊接工艺与筒节间环缝焊接相同，但由于封头是由20MnMo钢锻造而成，筒节与封头间属于异种钢焊接。20MnMo钢的碳当量为0.47%，合金元素含量达2.18%，从结果可以看出，20MnMo钢在焊接时淬硬倾向较大，焊接接头

26、在拘束应力较大时会产生冷裂纹，故焊前必须预热。但是过高的预热温度会产生附加热应力，反而增加冷裂纹产生的可能性，同时也增加了操作者的劳动强度。所以单纯提高预热温度对焊接是不利的。因此在焊接20MnMo钢时需要采取焊前预热，后热和焊后热处理等工艺措施。2.3 壳体的质量检验壳体制造完成后，按规定都有要进行无损探伤和压力试验，以检测容器的制造质量。1. 无损探伤射线的种类很多，其中易于穿透物质的有X射线、射线、中子射线三种。这三种射线都被用于无损检测，其中X射线和射线广泛用于锅炉压力容器焊缝和其他工业产品、结构材料的缺陷检测8。本设计采用X射线探伤方法进行焊缝质量检验。容器上的A、B类焊缝应进行20

27、%射线检测，按JB4730-94级合格。X射线是从X射线管中产生的，X射线管是一种两极电子管。如果两极之间加几十千伏以至几百千伏的电压（叫做管电压）时，电子就从阴极向阳极方向加速飞行、获得很大的动能，当这些高速电子撞击阳极时。与阳极金属原子的核外库仑场作用，放出X射线。电子的动能部分转变为X射线能，其中大部分都转变为热能。电子是从阴极移向阳极的，而电流则相反，是从阳极向阴极流动的，这个电流叫做管电流，要调节管电流，只要调节灯丝加热电流即可，管电压的调节是靠调整X射线装置主变压器的初级电压来实现的。利用射线透过物体时，会发生吸收和散射这一特性，通过测量材料中因缺陷存在影响射线的吸收来探测缺陷。但

28、应注意X射线对人体的危害，当一定量的电离辐射作用于机体后，受照机体会引起病理反应，所以在探伤过程中和结束时均应做好防护措施。2. 水压试验水压试验的主要目的是检验容器受压部件的结构强度9，验证其是否具有在设计压力下安全运行所需的承压能力，在耐压试验时，对于高压或小容器还可进行残余变形测定，以判明材料是否出现整体屈服。考虑稳定因素，本产品的试验压力为1.15MPa。对16MnR钢制容器液压试验，液体温度不得低于5，而水压试验的温度上限一般限制在40以下。在试压过程中，如发现有渗漏现象时即卸压，待彻底消除缺陷焊补后再试压。 参考文献1 田锡唐. 中国机械工程学会焊接学会焊接手册（第三卷）M. 北京

29、：机械工业出版社，2007.2 周振丰. 焊接冶金学（金属焊接性）M. 北京：机械工业出版社，2003.3 闵庆凯. 焊接结构制造技术与装备M. 北京：机械工业出版社，2007.4 GB 1501998钢制压力容器M. 北京：中国标准出版社， 1998. 5 GB/T 171071997锻件用结构钢牌号和力学性能M. 北京：中国标准出版社，1997.6 赵熹华. 焊接检验M. 北京：机械工业出版社，2000.7 13MnNiMo54与20MnMo钢焊接接头组织性能研究. 电焊机第12期，2007.10 王国凡. 钢结构焊接制造M. 北京：化学工业出版社，2004.11 张建容. 压力容器制造质量控制手册M. 北京：中国建材工业出版社，1997.- 21 -沈阳大学课程设计