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1、焊 接 专 业 技 能 训 练 姓名： 陈春光学号： 20081937班级： 材0802-2指导教师：朱浩压力锅炉的锅筒制造工艺与焊接工艺设计1.前言我国锅炉发展至今,已经历了半个多世纪,由最初的直接进口锅炉,逐步转向自行设计、制造,这期间经历了10多年的历程。中国地域辽阔、人口众多,占据世界五分之一的人口,经济发展经过了多次高潮,特别是进入20世纪80年代以后,中国的经济发生了突飞猛进的变化,锅炉行业更加突出,全国锅炉制造企业增加近二分之一,并形成了独立开发研制一代又一代新产品的能力,产品的技术性能已接近发达国家水平。锅炉是经济发展时代不可缺少的商品,未来将如何发展,是非常值得研究的。同时，
2、随着国际焊接技术的高速发展，目前国内的焊接技术已经取得引人瞩目的成就，这就为锅炉的发展提供了有力的发展基础，满足了当代高效、低耗、低污染的发展要求，确实提高了锅炉的质量，使锅炉应用更加广泛，尤其是一些极端的工作条件。本次设计的课题是综合应用以前学过的焊接理论相关知识及机械设计相关知识，设计压力锅炉的锅筒制造工艺与焊接工艺设计，按照实习实施计划表，我首先查阅了相关资料，了解压力容器锅炉锅筒的制造与设计工艺流程，然后对指定锅炉的工作压强大小选择合适的材料及板材的厚度，并运用强度理论对该材料进行强度校核，设计及计算流程下文详细列出；采用埋弧焊对所选材料进行焊接，确定合理的焊接工艺，制定详细的焊接工艺
3、卡，对焊缝外观进行评定，明确焊缝外观评定的主要项目，并写出焊缝外观评定结果，对焊接接头不同区域进行微观组织观察及显微硬度测试，对焊接接头力学性能进行评定。参照国家标准对焊接接头进行取样，画出式样图。由于锅炉的工作条件，要求其各方面的能力比较高，尤其是承受压力的能力和耐腐蚀性，我比较了各种国标中提及的材料及焊接技术，综合本题中的工作条件，择优选取了锅炉材料及焊接工艺。2.锅炉锅筒简介锅筒是锅炉受热面中最主要的部件，也是最重要的部件，锅筒安装是其他受热面安装的基础，锅筒安装质量直接影响整个工程的进度和机组运行的安全性与经济性。安装中应注意的安全事项1）严禁在锅筒壁上和吊挂装置上引弧，加热和施焊。2
4、）锅筒起吊统一指挥，严禁起吊过程中两台起吊设备不同步，保持锅筒与钢架间距离，防止锅筒和钢架发生碰撞。3）高空作业必须系好安装带，戴安全帽，身体合格。4）因上下交叉作业较多，施工人员带到高空的小型工机具要放置稳妥，防止高空坠物伤人。5）下雨和刮大风时不得吊装。6）锅筒人孔封闭以前，应由有关人员全面检查认可，进出锅筒人员必须进行登记，并有专人监护。7）锅筒安装平台要搭设牢固，四周要设安全栏杆。3.选材及下料3.1 选材20g属优质碳素结构钢，是锅炉用材质，其含碳量为0.16-0.24%，抗拉强度为410Mpa，屈服点230-250Mpa。而Q235材质的钢材属普通碳素结构钢，含碳量含硅量都要比20
5、g的低，抗拉强度与屈服点也要相对低。显然，Q235与20g材质的钢板虽在用途上许多时候可以相互替换，但因为20g材质的力学性能更好，市场价格也相对要高一些，许多对抗拉抗冲击要求比较高的场合，应当选用20g材质钢板。故在本题中选用20g3.2 锅炉锅筒的尺寸已知条件：设计压力：p=1.5MPa；设计温度：t=200；容积：2立方米；工作介质：压缩空气选定条件： 筒体内径：Di=1000mm；腐蚀余量：C2=2.5mm；筒体材料：20g ；焊缝系数=0.9 (单面焊对接接头 100%无损检测)20g b=410Mpa s=245Mpa 200时当壁厚小于16mm时许用应力=123Mpa查 JBT4
6、746-2002压力钢制容器用封头-表B.1得：DN=1000mm H=275mm V1=0.1505立方米故有筒体容积v2=2-0.15052=1.699立方米则有从而得L=2.16m 宽 3.14m取计算压力为Pc=1.25P理论厚度： 附加厚度：按GB709去钢板厚度负偏差C1=0.8mm S=C1+C2=3.3mm设计厚度: C=S+=11.84mm 3.3 校核3.3.1安全校核锅炉的抗拉强度安全系数为nb = 2.7查GB 150-1998钢制压力容器-表4-3得：b = 410MPa此时，b/nb = 151.85MPa ，故所选钢板满足安全条件3.3.2 强度校核锅筒内直径10
7、00mm，厚度t = 12mm，故锅筒可按薄壁圆筒进行校核： 纵截面应力： 1 = PcDi/2t = 78.125 MPa 横截面应力： 2 = PcDi/4t = 39.063 MPa不计气体对筒壁的直接压力，即认为：3 = 0按第三强度理论： r3 =1-3 = 78.125MPa 0.15%Di = 1.50mm故满足稳定要求。3.5 开孔设计压力 P=p*1.4=1.875MPa， 设计温度 t= 200摄氏度， 圆筒内经 Di=1000mm ， 名义厚度n =1mm, 接管规格 892 根据8.3条： P=1.875MPa2.5MPa, 两相邻开孔中心的间距不小于两孔直径之和的两倍
8、 接管规格892 ，满足不另行补强的要求，故本孔可不另行补强4.成型4.1锅筒成型1）利用切割机将厚度为12mm的20g钢板截成所需的规格（长2.16m，宽3.14m），打磨环边缝缘棱角。2）对其进行加热（950-1050），保温10.5-14min，终冲温度800，为下一步的卷制做好准备。3）锅筒的卷制采用三辊卷板机，将板料输送到卷板机上，对板料进行连续三点滚弯的过程，板料通过辊子的旋转带动板料运动，由于辊子与板料表面的摩擦力和压力，使板料产生弯曲变形，最终卷制成筒体。卷制圆筒体时要求各个辊子必须是平行的，并注意调整上辊的垂直距离，通过多次卷制最终获得所需的曲率。4.2封头成型设计封头为椭圆
9、形封头，采用旋压成形，利用卧式无胎旋压机（冷加工）对其进行加工，最终获得所需封头。5.焊接锅炉的焊接主要有三处焊缝（一条纵焊缝，两条环焊缝），根据GB150-1998可将这两种焊缝分为A类（纵焊缝）和B类（环焊缝）。其次是两处开孔部位有一段接出的锅炉管，用焊接的方法将其与锅筒连接，其焊缝属于D类焊缝。按照执行要求，采用埋弧焊：5.1焊前准备 采用刨边机制作接头坡口(根据GBT985.2-2008埋弧焊的推荐坡口-表1与表2，纵焊缝采用带钝边V形焊缝/封底，环焊缝采用V形焊缝)，并对坡口及其两侧各2030mm范围内的铁锈、油污等杂质进行清理，使其露出金属光泽。在焊剂垫上进行定位焊，与此同时，在筒
10、体纵缝两侧装配引弧板和熄弧板。5.2焊接材料焊剂采用HJ431，焊丝采用4mm的H08MnA；定位焊的焊条采用4mm的E4303（牌号为J422）。焊前，焊剂在250烘干2h。经过烘干的焊剂、焊条放在100左右的封闭保温筒里，随用随取。5.3 焊接参数由于锅炉的纵焊缝和环焊缝的钢板厚度一致，材质相同，坡口尺寸一致，因此焊接时选用相同的焊接参数。具体的焊接参数参照附录焊接工艺卡。5.4操作技术 采用悬臂式焊接操作机、滚轮架、焊剂垫等辅助设备进行焊接。施焊内纵缝、内环缝的第一道焊缝时，在背面（之锅炉的外面）加平带张紧式焊剂垫。要求纵缝的焊剂垫在焊缝整个长度上与焊件紧密贴合，且压力均匀，以防止液态金
11、属下淌。焊完内环缝以后，焊接外环缝。层间温度均控制低于250度。环缝焊接时，无论是内环缝，还是外环缝，焊丝均与筒体中心线偏离3545mm的距离。其中，内环缝为上坡焊，外环缝为下坡焊。6.焊缝外观评定6.1 焊接缺陷：6.1.1咬边：由于焊接参数选择不当，或操作工艺不正确，沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷。6.1.2焊缝表面气孔：焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来形成的空穴叫气孔。表面气孔指露在表面的气孔。6.1.3未熔合：熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间，未完全熔化结合的部分；点焊时母材与母材之间未完全熔化结合的部分。6.1.4未焊透：焊接时接头根部未完全熔透的现象。6.1.
12、5裂纹：在焊接应力及其它致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面而产生的缝隙，它具有尖锐的缺口和大的长宽比的特征。6.1.6未焊满：由于填充金属不足，在焊缝表面形成的连续或断续的沟槽。6.1.7焊瘤：焊接过程中，熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤。6.1.8烧穿：焊接过程中，熔化金属自坡口背面流出，形成穿孔的缺陷。6.2焊缝形状缺陷：6.2.1焊缝成形差：熔焊时，液态焊缝金属冷凝后形成的焊缝外形叫焊缝成形，焊缝成形差是指焊缝外观上，焊缝高低、宽窄不一，焊缝波纹不整齐甚至没有等。6.2.2焊脚尺寸：在角焊缝横截面中画出最大等腰三角形中，直角边的
13、长度。缺陷表现在焊脚尺寸小于设计要求和焊脚尺寸不等（单边）等。6.2.3余高超差：余高高于要求或低于母材。6.2.4错边：对接焊缝时两母材不在一平面上。6.2.5漏焊：要求焊接的焊缝未焊接。表现在整条焊缝未焊接、整条焊缝部分未焊接、未填满弧坑、焊缝未填满未焊完等。6.2.6 漏装：结构件中某一个或一个以上的零件未组焊上去。6.2.7飞溅。6.2.8电弧擦伤。6.3 复合缺陷：同一条焊缝或同一条焊缝同一处同时存在两种或两种以上的缺陷。6.4 焊缝打磨：打磨后焊缝符合本检验标准，焊缝圆滑过渡或焊缝与母材圆滑过渡，不允许破坏母材。7.无损检测7.1 X射线无损检测7.1.1 工作原理在X-Ray检测
14、的过程中， X-Ray穿过待检样品，然后在图像探测器(现在大多使用X-Ray图像增强器)上形成一个放大的X光图。该图像的质量主要由分辨率及对比度决定。成像系统的分辨率(清晰度) 决定于X射线源焦斑的大小、X光路的几何放大率和探测器像素大小。微焦点X光管的焦斑可小到几个微米。X光路的几何放大率可达到102500倍，探测器像素可小到几十微米。成像系统的对比度决定于图像探测器的探测效率、电子学系统的信噪比和合适的X射线能量。目前一般的X射线成像技术可以获得好于1的对比度。7.1.2 适用范围适用于2-250mm板厚的碳素钢、低合金钢、不锈钢制压力容器对焊缝的x射线和射线透照和缺陷等级评定。7.1.3
15、 步骤1）探伤前工艺准备工件焊缝及热影响区表面质量应经焊接检验员外观检查合格，表面的不规则状态在底片上的图象不掩盖焊缝中缺陷或与之相混淆；按照射线检测工艺卡在规定的检测部位划线。采用单壁透照时需在工件两侧（射源侧和胶片侧）同时划线，并要求所划的线段尽可能对准。采用双壁单影透照时，只需在工件胶片侧划线。划线顺序由小号指向大号，纵焊缝按从左至右顺序，环向焊缝采用顺时钟方向划线编号。（工件表面应作出永久性标记以作为对每张底片重新定位的依据，工件不适合打印标记时，应采用详细的透照部位草图和其它的有效方法标注）。2）设置透照参数将射源安放在适当位置，使射线束中心对准被检区中心，选定焦距“F”。由ug=d
16、fL2/（F=L2）可知，焦距F愈大，ug值越小，底片上的影像越清晰（df焦点尺寸，L2工件表面至胶片的距离）。为保证射线照相的清晰度，规定透照距离L1与焦点尺寸df和透照厚度L2应满足以下关系： F=L1+L2 AB级： L110dfL22/3或L12L3。ug1/10L21/3 L3一次透照长度。几何不清晰度ug0.2,焦距F700mm在允许的能量范围内，为提高显示缺陷底片对比度和清晰度，尽可能选用较低的电压；为达到规定的底片黑度，曝光量选用不低于15mA.min，以防止用短焦距和高管电压所引起的不良影响；曝光参数（指管电压，管电流，曝光时间等）的选取择要根据曝光曲线加以修正。3）胶片布置
17、胶片不可接近有害气体，否则会产生灰雾；装片和取片时，胶片与增感屏应避免摩擦，否则会擦伤。显影后底片上会产生黑线。操作时还应避免胶片受压受曲受折，否则会在底片上出现新月形影像的折痕；胶片保存温度：100C150C；湿度：55%65%；胶片应远离热源和射线的影响，在暗室红灯下操作不宜距离过近，暴露时间过长；胶片应竖放，避免受压；用可磁铁、绳带等方法将胶片（暗盒）固定在被检位置上，胶片（暗盒）应与工件表面紧密贴合，尽可能不留间隙。4）透照成像采用纵缝透照法、环缝内透法对不同焊缝进行透射成像5）焊接质量的等级评定按照GB3323-87标准，正确运用并严格执行规定，对缺陷影像的性质，等级，位置做出正确的
18、判定和定位。7.2 超声波探伤7.2.1工作原理一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。7.2.2 适用范围适用于板厚6-250mm的钢制压力容器用板材的超声检测和缺陷等级评定，奥氏体钢板材的超声检测也可参照本条例。7.2.3步骤1）探伤方法选择：根据工件情况（焊缝）采用斜探头斜射探伤法。2) 探伤面修整：表面粗糙度Ra6.3m。3) 耦合剂的选择：使探头发射
19、的超声波传入试件。常用机油、水、甘油和化学浆糊。4) 确定探伤灵敏度：用适当的标准试块的人工缺陷或试件无缺陷底面调节到一定的波高，以此来确定探伤灵敏度。5) 进行粗探伤和精探伤。粗探伤-大概了解缺陷的有无和分布状态，以较高的灵敏度进行全面扫查。精探伤-对粗探伤发现的缺陷进行定性、 定量、定位。 7.3 磁粉探伤7.3.1 工作原理铁磁性材料被磁化后，其内部将产生很强的磁感应强度，如果材料中存在不连续性（包括缺陷造成的不连续性等），磁力线会发生畸变，部分磁力线有可能逸出材料表面，从空间穿过，形成漏磁场。如果这时在工件上撒上磁粉，漏磁场就会吸附磁粉，形成与缺陷形状相近的磁粉堆积，我们称其为磁痕，从
20、而显示缺陷。 7.3.2 适用范围适用于铁磁材料制成的压力容器及其零部件表面、近表面缺陷的额、检测和缺陷等级评定。7.3.3 步骤1) 预处理：去除试件表面的油脂、涂料及铁锈等。2) 磁化：选定适当的磁化方法，对试件进行磁化操作。3) 施加磁粉：采用连续法或剩磁法方式施加磁粉。4) 磁痕的观察与判断：在光线明亮的地方，用自然光和灯光进行观察，肉眼见到的磁粉堆积，即为磁痕。5) 后处理：探伤完成后，一般应对工件进行退磁、除去磁粉和防锈处理。 7.4 渗透探伤7.4.1 工作原理零件表面施涂含有荧光染料或着色染料的渗透液后，在毛细管作用下，渗透液渗进表面开口的缺陷中；去除零件表面多余的渗透液；再在
21、零件表面施涂显象剂，在毛细管作用下，显象剂将吸引缺陷中保留的渗透液，渗透液回渗到显象剂中；在一定的光源下（紫外线光或白光），缺陷处的渗透液痕迹被显示（黄绿色荧光或鲜艳红色），从而检测出缺陷的形貌及分布状态。 7.4.2 适用范围适用于金属材料制成的压力容器及其零部件表面开口缺陷的检测方法和缺陷等级评定。7.4.3 步骤1）预处理：去除铁锈、氧化皮、飞溅物、焊渣及涂料等表面附着物。2）渗透：常用喷雾器或刷子把渗透液涂在试件表面，使渗透液渗入缺陷中。 3）清洗：待渗透液充分地渗透到缺陷内后，用水或清洗剂把试件表面的渗透液洗掉。4）显象：把显象剂喷撒在试件表面上，使残留在缺陷中的渗透液吸出。 5）观
22、察：荧光渗透液的显示痕迹在紫外线照射下呈黄绿色，着色渗透液的显示痕迹在自然光下呈红色。用肉眼观察就可以发现很细小的缺陷。8.力学实验依据国标标准需要进行拉伸实验、弯曲试验、冲击试验，但由于弯曲试验过于复杂，鉴于实验条件的限制，本次实习仅进行拉伸实验和冲击试验。8.1 拉伸实验8.1.1 试样的制备试样尺寸：如右图所示：8.1.2试样的拉伸因试验条件有限，试验时采用如上图所示的尺寸，在不同位置取两块试样，利用万能液压试验机对试样进行拉伸实验，并记录试验结果：试样编号破坏荷载（KN）110521048.2冲击试验根据试验条件，本次试验采用夏比u形缺口。8.2.1试样的制备a试样的切取分为三个部位：
23、母材、焊缝、热影响区。试样的制备应避免由于加工硬化或过热而影响金属的冲击性能。b试样尺寸：如右图所示：8.2.2试样的冲击a冲击试验在室温下进行，采用冲击试验机进行，且应在摆锤最大能量的10%-90%范围内使用。b试验前应检查摆锤空打时被动指针的回零差；回零差不应超过最小分度值的四分之一。c将试样放在对应位置，进行试验，不记录试验数据：缺口位置冲击功（J）冲击韧性(J/)母材33.752.813焊缝35.882.990热影响区40.243.3539.金相观察观察区图像组织形成原因母材铁素体、珠光体钢材室温下的稳定组织焊缝铁素体、珠光体、马氏体熔池中心的温度高，两边的温度低，结晶过程一般是从熔池
24、边界开始，非自发晶核依附在半融化的母材晶粒表面，以柱状晶的形式由半融化的母材晶粒向焊缝中心生长，在焊接热循环的作用下，焊缝柱状晶会发生粗化。热影响区铁素体、珠光体、少量魏氏组织升温速度快、高温停留时间短即冷却速度快，使得与扩散有关的过程都难于进行，从而影响到组织转变的过程及进行的程度，奥氏体均质化程度降低，部分晶粒严重长大，尤其在1300以上，奥氏体晶粒急剧粗化，焊后空冷条件下呈粗大的魏氏组织，塑性、韧性降低，使接头处易出现裂纹。熔合线铁素体、珠光体温度处在固相线附近与液相线之间，金属处于局部熔化状肪，晶粒十分粗大，化学成分和组织极不均匀，冷却后的组织为过热组织，呈典型的魏氏组织。这段区域很窄
25、（0.1-1mm）,金相观察实际上很难明显的区分出来，但该区对于焊接接头的强度、塑性都有很大影响，往往熔合线附近是裂纹和脆断的发源地。细晶区铁素体、珠光体加热温度范围AC3- Tks之间，约为900-1100，全部为奥氏体，空冷后得到均匀细小的铁素体+珠光体组织，相当于热处理中的正火组织10硬度试验测量区图像载荷实验结果（维氏硬度）平均值焊缝0.1kgf238.229234.096228.979235.080熔合线0.1kgf233.539255.729262.120271.529粗晶区0.1kgf287.680285.170296.300271.529细晶区0.1kgf285.589270.560263.970262.120