防胶剂配制罐加工工艺设计

专业课程设计(论文)

题 目： 防胶剂配制罐加工工艺设计 学生姓名：

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目录

1.压力容器..................................................................................................................... 3 1.1 压力容器综述......................................................................................................... 3 1.2 压力容器定义......................................................................................................... 3 1.3 压力容器分类......................................................................................................... 3 1.3.1 按容器外形分类.................................................................................................. 4 1.3.2 按制造方法分类.................................................................................................. 4 1.3.3 按承压方式分类.................................................................................................. 4 1.3.4 按工作压力分类.................................................................................................. 4 1.3.5 按容器的设计温度分类...................................................................................... 4 1.3.6 按容器的用途分类.............................................................................................. 4 1.3.7 按质量等级分类.................................................................................................. 4 1.4 压力容器的组成与结构......................................................................................... 6 1.4.1 筒体...................................................................................................................... 6 1.4.2 封头...................................................................................................................... 6 1.4.3 密封装置.............................................................................................................. 6 1.4.4 按制造方法分类.................................................................................................. 7 1.4.5 按制造方法分类.................................................................................................. 7 1.4.6 按制造方法分类.................................................................................................. 7 1.5 压力容器焊接接头的分类..................................................................................... 7 1.5.1 A类焊缝................................................................................................................ 8 1.5.2 B类焊缝................................................................................................................ 8 1.5.3 C类焊缝................................................................................................................ 8 1.5.4 D类焊缝................................................................................................................ 8 1.5.5 E类焊缝................................................................................................................ 8 1.6 压力容器常用的焊接方法..................................................................................... 9 1.6.1 手工电弧焊.......................................................................................................... 9 1.6.2 埋弧焊................................................................................................................ 10 1.6.3 TIG焊.................................................................................................................. 11 1.6.4 二氧化碳气体保护焊........................................................................................ 11 1.7 焊缝结构的分类及设计与选用........................................................................... 12 1.7.1 焊缝结构的分类................................................................................................ 12 1.7.2 焊缝结构的设计与选用.................................................................................... 12 1.8 焊条的选取原则................................................................................................... 13 1.8.1 等强度匹配的原则............................................................................................ 13 1.8.2 等韧性匹配原则................................................................................................ 13 1.8.3 等成分匹配原则................................................................................................ 13 1.8.4 根据特殊要求选用的原则................................................................................ 13 1.8.5 根据工作性能.................................................................................................... 13

2.焊接工艺说明........................................................................................................... 13

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2.1焊接方法的选择.................................................................................................... 13 2.2焊接材料的选择.................................................................................................... 17 2.3 焊接工艺参数的选择........................................................................................... 18 2.3.1 焊条、焊丝直径的选择.................................................................................... 18 2.3.2 焊接电流的选择................................................................................................ 19 2.3.3 焊接电压的选择................................................................................................ 19 2.3.4 焊接速度的选择................................................................................................ 19 2.3.5 焊接线能量........................................................................................................ 20 2.4 坡口的设计、加工及清根方法........................................................................... 20 2.4.1 坡口的设计........................................................................................................ 20 2.4.2 坡口加工............................................................................................................ 21 2.4.3 坡口的清根........................................................................................................ 21 2.5 焊接层数及焊接顺序的设计............................................................................... 21 2.6热处理的选择........................................................................................................ 21 2.7 焊接质量检验....................................................................................................... 22 3. 总结......................................................................................................................... 23 附录一.......................................................................................................................... 24 附录二.......................................................................................................................... 25 附录三.......................................................................................................................... 26 附录四.......................................................................................................................... 27 参考文献...................................................................................................................... 28 致谢.............................................................................................................................. 29 焊接工艺卡一.............................................................................................................. 30 焊接工艺卡二.............................................................................................................. 31

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防胶剂配制罐加工工艺设计

1.压力容器

1.1 压力容器综述

压力容器广泛地用于化工、炼油、机械、动力、轻工、纺织、冶金、核能及运输等工业部门，是

生产过程中必不可少的重要设备。如化工生产中的反应装置、换热装置、分离装置的外壳，流体贮罐，核压力反应堆的压力壳，电厂锅炉系统中的汽包等，都是压力容器。本课题所涉及防胶剂配制罐就属于压力容器的一种。不仅如此，在人们的家庭中，也要用压力容器，如民用液化石油气瓶等。因此，压力容器和工业生产和人民生活有着十分密切的关系。设计好、制造好、使用好、管理好压力容器就显得十分重要。 随着科学技术的发展和工业生产规模的扩大，压力容器的尺寸越来越大，操作压力越来越高，操作温度也越来越高（或低），结构形式也越来越复杂。同时，生产中压力容器所处理的介质往往是易燃易爆或有毒的，这些条件很自然地对压力容器的安全可靠性提出了更严格的要求。可以想象，当压力容器一旦发生破坏事故，将对国家财产和人民的生命带来不可估量的损失。因此，要求压力容器的监察管理、设计、制造、和检验人员，必须十分重视压力容器的质量和安全问题，确保容器安全运行。

1.2 压力容器定义

广义地讲，凡承装压力介质、承受压力载荷的密闭容器统称为压力容器，压力容器广泛应用于国民经济工农业生产和人民生活的各个领域。

据原国家技术监督局1999年颁发的《压力容器安全技术监察规程》的规定：“为了与一般容器(常压容器)相区别，只有同时满足下列三个条件的容器，才称之为压力容器。” （1）最高工作压力大于或者等于0.1MPa(工作压力是指压力容器在正常工作情况下，其顶部可能达到的最高压力（不含液体静压力）)；

（2）内直径（非圆形截面指断面最大尺寸）大于等于0.15m且容积大于等于0.025立方米； （3）介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。

1.3 压力容器的分类

据原国家技术监督局1999年颁发的《压力容器安全技术监察规程》的规定，设计、制造和运行必须加以监督管理的压力容器，是指最高工作压力大于或者等于0.1Mpa，内直径大于等于0.15m且容积大于等于0.025立方米，工作介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的容器。

1.3.1按容器外形分类

压力容器按外形可分为：圆筒形容器、圆柱形容器、球形容器、矩形容器、

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组合式容器。

1.3.2 按制造方法分类

压力容器按制造方法可分为：焊接容器、铸造容器、热套容器、多层包扎容器、绕带容器。

1.3.3 按承压方式分类

压力容器按承压方式可分为内压容器和外压容器。

1.3.4按工作压力分类

压力容器按工作压力一般可分为低压、中压、高压和超高压四类。压力容器的等级原则可按以下规定划分：

1) 低压0.1MPAP<1.6MPa

2）中压1.6MPAP<10MPa

3）高压10MPAP<100MPa 4）超高压P≥100MPa

1.3.5按容器的设计温度分类

按照容器的设计温度，压力容器可分为低温容器、常温容器和高温容器。 1）低温容器：设计温度低于或等于-20°C 2）常温容器：-20°C设计温度<350°C 3）高温容器：设计温度等于或高于350°C

1.3.6按容器的用途分类

按压力容器在生产工艺过程中所起的作用，即其用途，可将压力容器分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器和储运压力容器等四类。每一类所属各种压力容器的名称见表1

1.3.7按质量等级分类

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为了合理控制压力容器的设计和制造质量、便于安全技术的监督和管理。压力容器又可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类。具体规定见表2

表1 压力容器按用途的分类

类类别名主别 称 1 要用途 容器名称 反应压完成介质的物理力容器 化学反应 如反应器、反应釜、分压锅、分压塔硫化罐、反解塔、聚合釜、高压釜、合成塔、蒸球、蒸压釜和煤气发生炉等 如管壳式余热锅炉、热交换器、冷却器、蒸发器、消毒锅、预热器、电热蒸汽发生器和煤气发生器水夹套等 如分离器、过滤器、集油器、缓冲器、洗涤器、吸收塔、铜洗塔、干燥塔、汽提塔、分气缸和除氧器等 2 换热压力完成介质的热量容器 交换 3 分离压力介质的流体压力容器 平衡缓冲和气体的净化分离等 4 储运压力盛装生产用原料如各种形式的储罐和气瓶等 容器 或成品气体、液体和液化气体等 表2 压力容器按质量等级分类

Ⅰ类容器 低压容器 Ⅱ类容器 1）中压容器 Ⅲ类容器 1）毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器和PV≥0.2MPa·㎡的低压容器 2）易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低2）易燃或介质毒性程度为中毒危害且压反应容器和储存容器 PV≥0.5MPa·㎡的中压反应容器及易燃或介质毒性程度为中毒危害且3）毒性程度为极度和PV≥10MPa·㎡的中压储存容器 高度危害介质的低压容器 3）中压搪玻璃压力容器 4）低压管壳式余热锅4）中、高压管壳式余热锅炉 炉 5）高压容器 5）低压搪玻璃压力容6）使用抗拉强度规定值下限≥570MPa材器 料制造的压力容器 7）移动式压力容器 5

1.4 压力容器的组成和结构

焊接压力容器的结构形式有多种多样的，其中以单层锻焊式和钢板卷焊式常见，其基本组成如下：筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。

1-法兰；2-支座；3-封头拼接焊缝；4-封头；5-环焊缝；6-补强圈；7-人孔；8-纵焊缝； 9-筒 体；10-压力表；11-安全阀；12-液面计

1.4.1 筒体

筒体是储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。它的主要形式：圆柱筒体、球形筒体。

圆筒体制造方法：（1）直径较小的无缝钢管（无纵焊缝）（2）直径较大的采用卷焊（有纵环焊缝）（3）高压容器采用整体锻造（可能有环焊缝）（4）高压容器采用整体铸造（无纵环焊缝）

圆筒体的结构有单层式、组合式（多层式、缠绕式）。

1.4.2封头

封头是压力容器的重要组成部分，与筒体等部件形成封闭空间。

封头形式有：凸形封头（球形、椭圆形、蝶形和球冠形封头）锥壳、平盖。 封头与筒体的连接方式有：不可拆式（焊接）、可拆式（螺栓连接）。

1.4.3密封装置

密封装置的可靠性关系到压力容器能否正常、安全地运行。最常见的密封装置：螺栓法兰连接（简称法兰连接）

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法兰是通过螺栓连接筒体和外接的各种管道，并通过拧紧螺栓是垫片压紧而保证容器密封。

法兰连接的分类：

（1）容器法兰：用于筒体与封头或两筒体间的连接； （2）管道法兰：用于管道连接；

（3）筒体端部：高压容器中，用于顶盖和筒体连接并与筒体焊接在一起的容器法兰。

1.4.4开孔与接管

开孔与接管是由于工艺要求和检修需要，常在筒体或封头上开孔或安装接管，如物料进出接管等。

开孔分为：人孔、手孔、视镜孔、物料进出口接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪表等接管开孔。

开孔大小：手孔≥150 mm、人孔≥400 mm （椭圆人孔一般350x450）、物料进出口（根据工艺计算确定）仪表接口（根据仪表确定）

开孔对壳体的影响：开孔部位的强度被削弱，故应少开孔并考虑作开孔补强设计。

1.4.5支座

支座是支承并固定压力容器，有立式和卧式两种形式。

圆筒形容器支座类型：卧式容器支座（鞍座）、立式容器支座（腿式支座、支承式支座、耳式支座、裙式支座）。

球形容器支座类型：柱式支座、裙式支座。

1.4.6 安全附件

安全附件主要包括：安全阀、爆破片装置、紧急切断阀、安全联锁装置。压力表、液面计、测温仪表等

1.5 压力容器焊接接头的分类

在压力容器中，焊接接头的主要形式有对接接头、角接接头和搭接接头。在不锈钢衬里容器中还有塞接接头。筒体与封头等重要受压部件的连接，均采用对接接头。这种接头的强度可以达到与母材相等，受力也比较均匀。角接接头多用于管接头与壳体的连接，搭接接头主要用于非受压部件与受压壳体的连接，如支座、附件与壳体的连接。

根据国标GB150—1998《钢制压力容器》，压力容器的焊接接头分成A、B、C、D、E五类，目的是在设计、制造、维修、管理时可以分别对待，从而保证质量。见图1。

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1.5.1 A类焊缝

A类焊缝的结构形式可以是对接焊缝或搭接焊缝，具体包括： 1）圆柱形壳体筒节和卷制成形的大直径接管的纵缝对接接头； 2）球形容器和凸形封头瓜片之间的对接接头； 3）球形容器的环向对接接头；

4）镶嵌式锻制接管与筒体或封头间的对接接头； 5）大直径焊接三通支管与母管相连接的对接接头。

1.5.2 B类焊缝

B类焊缝的结构形式可以是对接或搭接焊缝，但不包括角接焊缝。具体包括： 1)圆柱形、锥形筒节间的环向对接接头； 2)接管与筒节间及其法兰相接的环向对接接头；

3)除球形封头外的各种凸形封头与筒体相接的环向对接接头。

1.5.3 C类焊缝

C类焊缝结构形式可以是对对接焊缝、搭接焊缝或角接焊缝。具体包括： 1）法兰环、翻边搭环、管板、平封头与圆筒或圆锥壳、管子或各类成型封头（此处包括半球形封头）相连接的焊缝；

2）矩形截面容器各侧板之间相连接的焊缝。

1.5.4 D类焊缝

D类焊缝的结构形式可以是角接焊缝或对接焊缝。具体包括：

1）接管或各种受压室与圆筒、球壳、圆锥壳或各类成型封头相连接的焊缝；

2)接头或各种受压室与矩形截面容器各侧板相连接的焊缝； 3)补强圈、凸缘等与壳体、封头之间的连接焊。

1.5.5 E类焊缝

包括吊耳、支撑、支座及各种内件与筒体或封头内外表面相接的角接接头。 注：（1）对接接头通常为：A、B类，角接接头通常为：C、D类。

（2）A类：各类接头中要求最高，也是应力条件最苛刻的接头； （3）B类：较A类的应力水平低，工作应力为A类的一半，包括圆筒，圆锥壳体或管子上的环形焊缝。

（4）C类：这类接头受力较小，通常采用角焊缝连接；矩形截面容器各侧板之间的接头。

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（5）D类：接管与壳体的交接接头，存在较高的应力集中，受力条件苛刻。

图1 压力容器典型焊接接头的类别

1.6 压力容器常用的焊接方法

防胶剂配制罐在焊接过程中，可选择的焊接方法有：手工电弧焊、埋弧焊、TIG焊、CO2气体保护焊。

1.6.1 手工电弧焊

用手工操纵焊接器具和焊条进行焊接的电弧焊方法，称为手工电弧焊。手工电弧焊是利用电弧的热能作热源，在电弧的热作用下，焊条与母材金属局部熔化，使被焊处达到原子结合的目的。它具有以下优点：

（1）操作方便，使用灵活，适应性强。适用于各种钢种、各种厚度、各种位置和各种结构的焊接。特别是对不规则的焊缝、短弧缝、仰焊缝、高空和位置狭窄的焊缝，均能灵活运用，操作自如。

（2）焊接质量好。因电弧温度高，焊接速度较快，热影响区小，焊接接头的机械性能较为理想。另外，由于焊条和电焊机的不断改进，在常用的低碳钢和低合金钢的焊接结构中，焊缝的机械性能能够有效地控制，达到与母材等强的要

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求。对于焊缝缺陷，在一定范围内可以通过提高焊工水平、改进工艺措施得到克服。

（3）手工电弧焊易于分散应力和控制变形。所有焊接结构中，因受热应力的作用，都存在着焊接残余应力和变形，外形复杂的焊缝、长焊缝和大工件上的焊缝，共残余应力和变形问题更为突出。采用手工电弧焊，可以通过工艺调整，如跳焊、逆向分段焊、对称焊等方法，来减少变形和改善应力分布。

（4）设备简单，使用维护方便。无论交流电焊机还是直流电焊机，焊工都容易掌握，使用可靠，维护方便。不像埋弧焊、电渣焊设备那样复杂。 应用时的局限：

（1）由于手工操作，生产效率低，焊工的劳动强度也比较大。

（2）焊接质量不稳定。手工电弧焊的焊接质量，与焊工的技能有关，培训焊工技能的难度较大，也由于手工操作的随意性比较大，使焊接质量不稳定，这是手工电弧焊的最大缺点。

1.6.2 埋弧焊

埋弧焊是以颗粒状焊剂作为保护介质，用焊丝作为熔化极送入焊接区形成电弧，电弧在焊剂下燃烧，熔化被焊金属，填充金属和焊剂形成永久性接头的焊接方法。如果将焊接过程中的引弧、送丝、移丝和灭弧四个动作全部由机械来完成，通常称为自动埋弧焊。如果将四个动作中的移丝由手工来完成，则称为半自动埋弧焊。具有以下优点：

（1）埋弧焊的生产效率高，一方面因为焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，因此电弧的熔深能力和熔敷效率都大大提高；另一方面由于焊剂和熔渣隔热作用，电弧是基本没有热的辐射散失，飞溅也小，因而使埋弧焊的焊接速度大大提高

（2）埋弧焊焊出的焊缝质量好

（3）劳动条件好，冶金反应比较充实，组织稳定 埋弧焊应用时的局限性：

（1）焊接位置的局限 由于焊剂保持的原因，如果不采取特殊措施，埋弧焊主要应用于水平俯位置焊缝焊接，而不能用于横焊、立焊、仰焊

（2）焊接材料的局限 由于埋弧焊焊剂及电弧气氛的氧化性，此法难以用

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于铝、钛等氧化性强的金属及其合金的焊接。

1.6.3 TIG焊

TIG焊是以难熔金属钨或其合金棒作为电源一级，采用惰性气体氩气作为保护气体，利用钨极与工件之间产生的电弧热作为热源，加热并熔化工件和填充金属的一种电弧焊方法。

焊接时，电极和电弧区及熔化金属都处在氩气保护之中，使之与空气隔绝。 钨极氩弧焊有以下一些优点：

（1）由于采用了惰性气体氩气保护，可以用来焊接各类合金钢，易氧化的有色金属及稀有金属，焊接质量好；

（2）电弧在气流压缩下燃烧，热力集中，容池较小，故焊接速度较快，热影响区较窄，焊件焊后变形小；

（3）氩弧焊电弧稳定，飞溅小，焊缝致密，表面无熔渣，故成形美观； （4）电弧和熔池区用气流保护，明弧可见，便于操作，容易实现全位置自动化焊接；

（5）电弧气氛中的含氢量较容易控制，可减少焊缝的冷裂纹倾向； （6）采用交流电源氩弧焊使产生的“阴极破碎作用”可以清除铝，镁板材表面的氧化膜。

TIG焊的应用局限：

（1）焊缝厚度浅，熔敷速度小，生产率较低。

（2）钨极承载电流的能力较差，过大的电流会引起钨极熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池，造成污染（夹钨）。

（3）惰性气体（氩气、氦气）较贵，和其它电弧焊方法（如手弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊等）相比，生产成本较高。

1.6.4 二氧化碳气体保护焊

二氧化碳气体保护焊是焊接方法中的一种，是以二氧化碳气为保护气体，进行焊接的方法。利用CO2气体在高温下分解为CO和O2，氧分子继续分解为氧原子，原子氧有强烈的氧化作用，氧化熔池中的Fe、Si、Mn、C等元素，形成相应的氧化物FeO、 SiO2、MnO、CO等。产生的SiO2、MnO以熔渣的形式浮出，CO逸出到气相中。具有以下特点：

（1）在焊接电弧高温作用下的CO2气体会发生吸热分解反应，对电弧具有较强热压缩作用，从而导致了该方法的电弧形态具有弧柱直径小，弧根面积小且往往难于覆盖焊丝端部全部熔滴的特点，因此熔滴受到的过渡阻力较大而使熔滴粗化，过渡路径轴向性变差，飞溅率大。

（2）对焊接区保护效果良好，因CO2气体的密度是常用焊接保护气体中最

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大的，加上CO2气体受热分解后，体积增打了0.5倍，因此，CO2气体能有效地排除焊接区的空气，并把焊接区与空气气氛有效地隔离开来，从而起到良好的保护作用。

（3）CO2电弧的能量相对集中，熔透能力较大；焊丝许用电流密度大，而焊丝熔化系数大；其无需层间清渣，使其焊接生产率提高。

（4）焊接生产成本低，节约电能。

（5）在工艺和技术方面还具有焊接区可见度好，便于观察、操作；焊接热影响区和焊接变形较小；熔池体积较小结晶速度较快，全位置焊接性能良好；对锈污敏感性低等优点。

CO2电弧焊由于有氧化性，合金元素易烧损。主要用于低碳钢和低合金钢等有色金属的焊接，对于不锈钢，由于对焊缝金属有增碳现象，影响耐晶间腐蚀性能，因此只能用于对焊缝性能要求不高的不锈钢焊件。与埋弧焊、焊条电弧焊和药芯焊丝电弧焊相比，CO2焊接方法有焊缝外观欠美观；焊接飞溅较大；抗风能力较差等缺点。

1.7 焊缝结构的分类及设计与选用

1.7.1 焊缝结构的分类

（1）对接焊缝：将两块钢板或一块钢板的两端面弯转后（如筒体纵焊缝）对在一起进行焊接的焊缝。

（2）角接焊缝：将互成直角的两块钢板焊接形成的焊缝，常出现容器封头与接管的连接，法兰的连接，夹套与筒体的连接等处。

（3）搭接焊缝：指一块搭板在另一块板上进行焊接形成的焊缝，常用于压力容器中的加强圈与筒体，坐垫板与器壁上视孔凸缘与容器本体的连接焊缝。

1.7.2 焊缝结构的设计与选用

在焊接结构的设计与选用时，为保证焊缝的质量、减少应力集中，应注意： （1）为保证焊缝的内在质量，作为压力容器的焊接应尽量采用对接焊缝，不仅可以提高焊接质量，而且便于对焊缝内部进行无损检测。对于接管的焊缝，一般是角接焊缝应尽量采用全焊透的坡口结构。这样既保证了焊缝质量 又可以减少应力集中。

（2）采用的焊缝结构，应减小焊缝的应力集中。焊缝处的应力集中，是由焊缝内部和外部两方面引起的。内部主要是由于焊缝未焊透，使焊缝的内部造成几何不连续，从而形成很高的焊缝应力，这往往是导致容器脆性破坏的始裂点。从结构上考虑，对于对接焊缝，当采用X型，双V型，双U型以及U型和V型组合坡口，由于是双面焊，一般不会发生未焊透。而焊缝应力集中的外部原因，

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主要是焊缝的外部缺陷，如焊缝的咬边，焊缝角变形，焊缝错边等。

1.8 焊条的选取原则 1.8.1 等强度匹配的原则

即所选用焊条，熔敷金属的抗拉强度相等或相近于被焊母材金属的抗拉强度，此法主要适用于对结构钢焊条的选用，理论上认为：焊缝强度不宜过高于母材的强度，否则往往由于焊缝抗裂性差或应力集中等原因而使焊接接头质量下降。

1.8.2 等韧性匹配原则

即所选用焊条熔敷金属的韧性相等或相近于被焊母材金属的韧性，此法主要适用于对低合金高强度钢焊条的选用。这样，当母材结构刚性大，受力复杂时，不致于因接头的塑性或韧性不足而引起接头受力破坏。

1.8.3 等成分匹配的原则

即所选用焊条熔敷金属的化学成分符合或接近被焊母材。此法主要适用对不锈钢，耐候钢，耐热钢焊条的选用，这样就能保证焊缝金属具有同母材一样的抗腐蚀性，热强性等性能以及与母材有良好的熔合与匹配。

1.8.4 根据特殊要求选用的原则

（1）选用堆焊焊条应根据堆焊层要求是抗一般磨损还是冲击磨损；是金属间磨损还是磨粒磨损或者腐蚀介质磨损；是高温磨损还是常温磨损；是单一磨损还是综合性磨损等不同情况来选用堆焊焊条。

（2）根据焊缝金属是否需要再进行机械加工或进行热处理以及对焊条的经济接受能力来选用焊条。此法主要适用于对铸铁焊条、堆焊焊条、耐热钢焊条、不锈钢焊条的选用。

（3）凡要求焊缝金属具有高塑性，高韧性，并有相应强度指标时，宜优先选用碱性低氢型焊条。

1.8.5 根据工作性能

（1）承受压力或动载的结构，应保证焊缝有良好的塑性和韧性，一般选用低氢焊条。

（2）对于形状复杂，刚性大，焊后残余应力大的工件，也应选用抗裂性好的低氢焊条。

2.焊接工艺说明 2.1 焊接方法的选择

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16MnR是普通低合金钢,是压力容器的专用钢。它的强度较高、塑性韧性良好。常见状态为热轧或正火，属于低合金高强钢，含Mn量较低。性能与20G（412-540）近似，抗拉强度为（450-655）稍强，伸长率为19-21%。标准来源于GB6654，2010年该钢号逐渐被Q345R所取代。它的屈服强度为340MPa，它具有良好的综合力学性能和工艺性能。磷、硫含量略低于普16Mn钢，除抗拉强度、延伸率要求比普通16Mn钢有所提高外，还要求保证冲击韧性。它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。

20钢强度比15号钢稍高，很少淬火，无回火脆性。冷变形塑性高、一般供弯曲、压延、弯边和锤拱等加工，电弧焊和接触焊的焊接性能好，气焊时厚度小，外形要求严格或形状复杂的制件上易发生裂纹。切削加工性冷拔或正火状态较退火状态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高的。

防胶剂配置罐用16MnR为低合金高强度钢，法兰材料用20钢，接管材料用20钢。

表3 16MnR低合金高强度钢的化学成分 钢号 C 16MnR 0.20 Si 0.22-0.55 化学成分(%) Mn P 1.20-1.60

表4 16MnR低合金高强度钢的力学性能

钢种 板厚（mm） 机械性能 抗拉强度抗拉强度（бb）MPa （бb）MPa 16MnR 6-16 510~640

表5 20g钢的化学成分

钢种 C Si 0.17～0.37 Mn 0.35～0.65 化学成分（%） S P Cr ≤0.25 Ni ≤0.25 Cu ≤0.25 S 0.035 0.030 伸长率 δs（%） ≥21 冲击韧性 akv(J/c㎡) ≥31 ≥345 20钢 0.17～0.24 ≤0.035 ≤0.035

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表6 20g钢力学性能

钢种 抗拉强度σb(MPa） 屈服强度σs(MPa) ≥245 ≥25 机械性能 伸长率δs(%) 断面收缩率ψ(%） ≥55 未热处理：≤156HB

硬度 20钢 400~540

表7 16MnDR低合金结构钢化学成分

钢种 C Si 0.15～0.50 Mn 1.20～1.60 化学成分（%） S P Al ≥0.02 Ni ___ V ___ 20钢 ≤0.20 ≤0.012 ≤0.025

表8 16MnDR低合金结构钢的力学性能

钢种 板厚（mm） 抗拉强度Rm/Mpa(N/mm2) 16MnR

表9 焊条的化学成分

牌号 C J427

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机械性能 屈服强度Rm/Mpa(N/mm2) ≥315 ≥21 伸长率 A（%） 冲击吸收能量 KV2/J ≥34 6-16 490~620 焊条金属的化学成分（%） Si 45 Mn 0.7~1.1 S 025 P 25 Cr ------ Ni ------ 不规定 0.35~0.0.012~0.0.02~0.0 表10 焊条的机械性能

牌号 屈服点σs(MPa) J427 500 机械性能 延伸率δ 28% 抗拉强度(Mpa) 480 在这次的课程设计中，我的任务是设计26号、38号共两条焊缝。其中26号焊缝为接管与法兰对接，属于对接焊缝，厚3毫米，属于A类焊缝，定位为C6。38号焊缝是接管与封头与加强圈角接焊缝，接管厚14毫米，属于D类焊缝，定位为D11。

压力容器的A类接头均应采用单面或双面全焊透对接接头，为提高生产效率，保证焊缝质量，选用埋弧自动焊为宜，并用TIG焊打底，保证单面焊背面成形。

压力容器的B类接头均应采用单面或双面全焊透对接接头，对于不等厚B类接头，应将较厚壳壁边缘采用机械加工方法以一定斜度削薄。

在中低压焊缝中，C类接头的受力较小，通常采用角焊缝连接。对于高压容器，盛有剧毒介质的容器和低温容器应采用全焊透的接头。

D类焊缝是接管与容器的交叉焊缝。受力条件较差，且存在较高的应力集中。在厚壁容器中这种焊缝的拘束度相当大，残余应力也较大，容易产生裂纹等缺陷。因此在这种容器中D类焊缝应采取全焊透的焊接接头。

E类焊缝中支架等承载部位与壳体的连接应采用双面开坡口全焊透角焊缝，且单侧角焊缝的厚度应为承载件连接处厚度的0.7倍，但不得小于6mm。

防胶剂配置罐在焊接过程中，可选择的方法有：手工电弧焊、埋弧焊、TIG焊、CO2气体保护焊。

手工电弧焊灵便性好，可全位置焊接，宜于长短及曲线形状的焊接，适用于低碳钢、低合金钢、耐蚀耐热钢、铝铜及其合金、异类金属的焊接，可焊厚度范围1.0～38mm，但飞溅大，效率低。

埋弧自动焊焊缝质量好，劳动条件好，飞溅小，易于长而规则焊缝的焊接，适用于低碳钢、低合金钢，可焊厚度范围4ｍｍ以上，但只能在平焊位置焊接。

钨极氩弧焊焊缝质量高，可全位置焊接，宜于曲线形状焊缝的焊接，适应于低合金钢、有色金属的焊接，但投资大。对于低合金钢来说，常用于4mm以下焊材的打底焊。

26号焊缝是接管与法兰对接焊缝，为对接焊缝，属于A类焊缝。筒体内壁承受压力，需满足设计的压力要求。为提高生产效率，保证焊缝质量，选用钨极氩弧焊为宜，保证单面焊背面成形。

38号焊缝是接管与封头与加强圈角接焊缝，属于D类焊缝。根据上述理论，

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选用TIG焊打底，并用手工电弧焊焊接，保证单面焊背面成形。

2.2焊接材料的选择

焊接材料包括焊条、焊丝、焊剂、气体、电极、衬垫等。焊接材料选择时应根据母材的化学成分、力学性能、焊接性能，并结合压力容器的特点、适用条件及焊接方法综合考虑选用焊接材料。

表11 常用钢号分类分组

类别号 Ⅰ Ⅱ 组别号 Ⅰ-1 Ⅱ-1

表12 焊接材料的选用表 焊条电弧焊 被焊钢材类别 组别号 碳素钢与强度型低合金钢焊接 Ⅰ) E4315 (GB/T5117) J427 Ⅰ+(Ⅱ﹣接头母材类别号或焊条 型号 牌号焊丝钢号 （标准号） H08A H08MnA (GB/T14957) 焊剂 型号（标准号） HJ401-H08A (GB/T5923) HJ401-H0E5015 强度型低合金钢焊接 E5515 (GB/T5118) J557 Ⅱ+Ⅱ (GB/T5117) J507 8A H08MnA H10Mnsi (GB/T14957) (GB/T5293) HJ402-H 08 A (GB/T5293)

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钢号 20g 16MnR 埋弧焊 氩弧焊 焊丝钢号 牌号示例 （标准号） （标准号） 示例 E4303 (GB/T5117) J422 HJ431 H08MnSi (GB/T14957) HJ431 H08MnSi (GB/T1495HJ350 7) 20g为低碳钢，属于I类钢，16MnR为低合金钢，属于II类钢，焊接性能均较好。对于焊条、焊丝、焊剂的选择，应从工艺性能、焊接质量方面来选择焊接材料。酸性焊条工艺性能好，焊缝外表成型美观，波纹细密；碱性焊条焊接焊缝含氢量低于酸性焊条，质量较高。在焊接过程中，26号焊缝采用TIG焊，38号应采用TIG焊和手工电弧焊。根据表得TIG焊选用的焊丝钢号为H08MnSi；手工电弧焊选用的焊条型号为E4315、牌号为J427，为低氢型焊条。埋弧焊选用的焊丝为H08MnA，焊剂为HJ431。

2.3.焊接工艺参数的选择

焊接工艺参数又称焊接规范，是保证焊接质量的物理量。其包括焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接线能量等。

2.3.1 焊条、焊丝直径的选择

焊接直径的选择不但要根据焊件的厚度，还要根据焊缝位置、焊接接头形式和焊接层数等因素。焊件厚度越厚，焊条直径应越粗；平焊位置选用的焊条直径可大于立焊和仰焊；搭接和T形接头焊缝的焊条直径应大于对接；打的焊的焊条直径可小于盖面焊条的直径等等。

表13 焊件厚度与焊条直径的关系

焊件厚度/mm 焊条直径/mm ≤1.5 1.6 2 2 3 3.2

表14 钨极氩弧焊工艺参数 焊件厚度(mm) 3 4 钨极直径 焊丝直径(mm) 2.0～2.5 2.4 (mm) 3.2～4 3.2～4 焊接电流(A) 110～160 150～200

表15 手工电弧焊工艺参数

焊接厚度/mm ≥9

4～5 3.2～4 6～12 4～5 ≥12 4～6 焊接电压（V） 11～15 10～11 焊接速度(mm/min) 80～120 80～120 气体流量(L/min) 6～7 6～10 第一层焊缝 焊条直径/mm 3.2 焊接电流/A 90～120 18

第二层焊缝 焊条直径/ mm 4 焊接电流/A 140～160 第三层焊缝 焊条直径/ 焊接电流mm 4 /A 140～160 表16 埋弧焊工艺参数

焊缝厚度/ｍｍ 14 焊缝次序 正 焊丝直径/ｍｍ 4.0 焊接电流/A 600～640 焊接电压焊接速度//V 34～36 ｍ﹒h-1 20~30 焊丝牌号 H08MnA 26号焊缝选用TIG打底，焊丝直径为Φ3.2mm，TIG焊接第二层时，根据表14，选用的焊丝直径为Φ4mm。38号焊缝选用钨极氩弧焊打底，焊丝直径为Φ3.2mm，手工电弧焊焊接时，第一层焊时，选用的焊条直径3.2mm，第二层焊时，选用的焊条直径4mm，第三层焊时，选用的焊条直径4mm。

2.3.2 焊接电流的选择

焊接电流的选择主要依据焊条直径和焊件厚度，其次还要考虑接头形式和焊接位置等因素。一般情况下，增加电流，可以增加熔深，提高生产效率，但是电流过大会造成咬边、烧穿和严重飞溅，焊条药皮发红脱落等；而电流过小焊接电弧不稳，焊件不易焊透，焊条黏钢板，焊缝成形差，易产生焊接缺陷等。

表17 焊条直径与焊接电流的关系

焊条直径/mm 焊接电流/A 1.6 2 2.5 3.2 4 5 6 20~45 40～70 70～90 90～130 140~210 220~270 270~320 26号焊缝钨极氩弧焊焊接，电流大小为90～130A。38号焊缝手工电弧焊焊接，根据表17，焊接第一层时，电流大小为90～120A；焊接第二、三层时，电流大小为140～160A。

2.3.3 焊接电压的选择

焊接电压的大小主要取决于电弧的长短。电弧长时电压高，反之则低。电弧过长，电弧燃烧不稳定，飞溅增加，易产生未焊透、咬边，焊缝成形差，容易产生气孔。经验证明，电弧长度在1～4 mm范围，电弧电压控制在16～25v之间，焊接时产生缺陷的倾向大大降低。缩短电弧长度可提高焊接电流，拉长电弧会减小电弧的挺度，增大电弧热量的散失，降低熔敷速度，出现未焊透等缺陷。因此焊接时，应在保证不短路时，力求采用短弧。一般立焊、仰焊的电弧要比平焊短，碱性焊条电弧长度必须小于焊条直径，而酸性焊条电弧长度等于焊条直径，采用短弧的目的是防止空气中有害气体的倾入，同时保证电弧的稳定性。

26号焊缝焊接时，根据表17钨极氩弧焊时，焊接电压为11～15V。38号焊缝焊接时，焊接第一层时，电压大小为16～25V.后几层焊视情况而定。

2.3.4 焊接速度的选择

焊接速度由操作者在焊接中根据具体情况灵活掌握。高质量的焊缝要求焊接

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速度均匀，既保证焊缝厚度适当，又保证打底焊焊透和不烧穿。手工电弧焊接的速度通常都不超过10m/h，工件越薄，焊接速度越大。

26号焊缝焊接时，钨极氩弧焊的焊接速度需要控制在10～20m/h. 38号焊缝焊接时，手工电弧焊的焊接速度需要控制在10～16米/小时。

2.3.5 焊接线能量

焊接线能量是焊接能源署给单位长度焊缝的能量。

ｑ=ｎIU/v

式中：ｑ－焊接线能量 I－焊接电流 U－焊接电压 V－焊接速度 ｎ－热效系数

根据公式,焊接线能量由I、U、V、ｎ等参数决定，改变I、U、V参数，可以改变线能量。I、U一定时，V增大，ｑ减小，V减小，ｑ增大；V一定时，I、U增大，ｑ减小，I、U增大，ｑ增大。

2.4 坡口的设计、加工及清根方法 2.4.1 坡口的设计

坡口是用来使电弧沿板厚熔入一定的深度，保证焊接接头的焊透，坡口形式应根据母材的结构形状、板材厚度及对焊接质量要求来设计，条件不同其接头及坡口形式也不同。

在选择坡口形式时主要考虑以下因素：

(1)是否能够保证工件焊透（手弧焊熔深一般为2～4mm）和便于操作。 (2)坡口的形状应容易加工。

(3)尽可能提高焊接生产率和节省焊条。 (4)焊后工件的变形量应尽可能小。 (5)调整焊缝金属的化学成分。

表18 常见坡口比较

Ｙ型坡口 坡口面加工简单，可单面焊接,焊件不用翻身，焊接坡口空间面积大,填充料多,焊件厚度大时,生产率底，焊接变形大 带钝边Ｕ型坡口 可单面焊接,焊件不用翻双Y形坡口 双面焊,因此焊接焊件须翻身，焊接坡口大,填充料身,变形小，坡口面加工比Y少,焊件厚度较大时生产型复杂,但比带钝边的U型坡率比Y型高，变形较大，口简单，坡口面积介于Y与U坡口面根部加工困难,因此限制了坡口的推广应用 20

型之间,因此生产率高于Y型,填料比Y型少

26号焊缝是接管与法兰的对接接头，工件厚度δ＝3mm，择的焊接方法为TIG焊,所以设计坡口形式为Y形坡口，坡口角度β＝60°。

38号焊缝是接管与封头与加强圈角接焊缝，接管与封头的坡口应采用单面开坡口全焊透角焊缝，坡口角度β＝50°；接管与加强圈的坡口应采用单面开坡口全焊透角焊缝，坡口角度β＝20°。

2.4.2坡口加工

采取的方法，根据焊件的尺寸、形状及加工条件确定。有以下方法： (1)剪边：以剪板机剪切加工，常用于I形坡口。 (2)刨边：用刨床或刨边机加工，常用于板件加工。 (3)车削：用车床或车管机加工，适用于管子加工。

(4)切割：用氧一乙快火焰手工切割或自动切割机切割加工成I形、V形、X形和K形坡口。

(5)碳弧气刨：主要用于清理焊根时的开槽，效率较高、劳动条件较差。

(6)铲削或磨削：用手工或风动、电动工具铲削或使用砂轮机(或角向磨光机) 由上可知：26、38号焊缝都采用气割加机械打磨的办法。

2.4.3坡口的清根

26、38号焊缝采用坡口碳弧气刨砂轮打磨来清根，且坡口应仔细清除余碳，坡口表面及两侧（以离坡口边缘的距离计焊条电弧焊各10mm，埋弧焊40mm）应将水、铁锈、油污、积渣和其它有害杂质清理干净。

2.5 焊接层数及焊接顺序的设计

在焊件厚度较大时，需要采用多层焊，对于低碳钢、低合金钢，每层焊缝厚度对焊缝质量有一定影响，经验认为：每层焊缝厚度等于焊条直径的0.8～1.2倍，最好不大于4～5mm。

n=δ/d

式中：

n—层数 δ—工件厚度 d—焊条直径

26号焊缝选用一层钨极氩弧焊，并采用焊缝次序为正的TIG焊接。 38号焊缝选用一层钨极氩弧焊打底，焊接厚度大概为3mm,并采用手工电弧焊焊接，焊条直径为4mm，n=11/4≈3,即焊接层数为三层，都采用手工电弧焊。

2.6 热处理的选择

压力容器板材在焊接前应进行预热，在焊接后应进行后热和热处理，预热是为了减少焊接裂纹的发生，后热和热处理可以减少残余应力。预热温度根据板材厚度选择，后热应在焊后立即进行，焊后热处理则不做后热。

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表19 常用钢号推荐的预热温度

钢号 20g 16MnR 厚度/mm ＞30 ＞30 预热温度/℃ ≥50 ≥100 表20 常用钢号焊后热处理规范 钢号 焊后热处理温度/℃ 最短保温时间 电弧焊 20g 600～640 焊后热处理厚度δ≤50mm时,最短时间不低于1h. 16MnR 600～640 表21 焊后热处理温度低于规定值的保温时间 比规定温度范围下限值降低温度数降低温度后最短保温时间（h） 值℃ 25 2 55 4 80 10 110 20 1)最短保温时间适用于焊后热处理厚度δ不大于25mm焊件，当焊后热处理厚度δ大于25mm时，厚度每增加25mm，最短保温时间则应增加15min。2)仅适用于碳素钢和16MnR钢。 焊条、焊剂在焊接前需保温，J427在150摄氏度保温1小时。

配制罐的设计厚度δ＝14mm，小于30mm，根据表16焊前不需要进行预热。 配制罐的设计厚度δ＝14mm，主体材质为16MnR（低合金钢）,由于低合金钢有较大冷裂纹敏感性和拘束度，根据表17，配制罐在焊后立即进行回火，回火温度为600～640℃，保温时间为1小时。焊条、焊剂在焊接前需保温，J427在150℃保温1小时。

2.7焊接质量检验

焊接检验过程，基本上由焊前检验、焊接过程检验、焊后检验、安装调试质量检验和产品服役质量检验等五个环节。

焊前检验主要是对焊前准备的检查，包括检验母材、焊接材料、焊接坡口及清理，焊条、焊剂按规定烘干和保温，焊丝需去除油锈，保护气体应干燥等，是以预防为主，最大限度避免和减少焊接缺陷的产生。焊接过程检验，不仅包括按焊接参数、焊接工艺进行焊接，还包括后热和焊接热处理过程。焊后焊接接头缺陷，通过无损检测、压力试验和致密性试验等方法来检测。安装调试质量检验主要包括对现场组装的焊接质量进行检验和对产品制造时的焊接质量进行现场复查。产品服役质量检验主要包括产品运行期间的质量监控和产品检修质量的复查等。

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无损探伤：压力容器的对焊接头无损检测比例，一般分为全部（100%）和局部（20%）两种。对A类焊缝接头，进行百分之百的射线或超声检测。对有无损检测要求的角接接头，T形接头，不能进行射线或超声波检测时，应做100%的表面检测。无损检测应在其外观质量检验合格后进行。无损检测的常用方法有：射线（RT）、超声（UT）、磁粉（MT）、渗透（PT）和涡流（ET）。

焊缝外观形状检验：焊缝外观形状尺寸检验是用肉眼或者借助样板，或用低倍放大镜观察焊件的外形尺寸的检验方法。在测量焊缝外形尺寸时，可采用标准样板和量规。

焊接成品的密闭性检验：载水试验，适用于不受压的容器或敞口焊接的密封性试验。试验时，仔细清理容器焊缝表面，并用压缩空气吹净，吹干。在气温不低于0度的条件下，在容器内灌入温度不低于5度的净水，然后观察焊缝，其待续时间不得少于1小时。在试验时间内，焊缝不出现水流，水滴状况渗出，焊缝及热影响区表面无“出汗”现象，即为合格。致密性试验是利用惰性气体对盛装有毒或易燃介质的压力容器整体密封性能所进行的试验方法。

防胶剂配制罐在焊接完成后，应检验其气密性和对焊接接头进行探伤。对26号焊缝进行100%射线探伤，38号焊缝进行20％的射线（RT）探伤，并对配制罐进行致密性试验

3.总结

这次课程设计的题目是防胶剂配置罐工艺流程及焊接工艺设计。流程及焊接，我所设计的焊缝是接管与法兰对接纵缝，封头与加强圈与接管的角接。第一周，老师安排我们借阅资料,大家都很积极，准备了充分的资料，为后两周的设计奠定了基础。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，在这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。这次的设计加深了我对专业知识的掌握，对我今后的学习指明了方向。

焊接的出现迎合了金属艺术发展对新工艺手段的需要。另一方面，金属在焊接热量作用下所产生的独特美妙的变化也满足了金属艺术对新的艺术表现语言的需求。在今天的金属艺术创作中，焊接可以而且正在被作为一种独特的艺术表现语言而着力加以表现。焊接技术广泛应用于石油化工、电力、航空航天、微电子技术等工业部门。可以看出焊接技术对我们的生活相当重要。

在整个设计之中，不仅让我对压力容器的生产流程和生产方法有了全面的了解，还更深入得学习了各个焊接方法的优缺点，更重要的是使我对工业设计有了系统的认识，这次设计对我今后的学习和工作有着重要的意义。

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附录一

材料检验 筒体下料 坡口加工 温卷 纵缝组装 纵缝焊接 纵缝探伤 组装各筒体节 环缝焊接 环缝探伤 筒体分封头组装 材料检验 封头下料 冲压成型 划开口线 开孔 封头装加强圈 坡口加工 接管外购 接管检验 鞍座材料检验 法兰外购 法兰检验 冲压成型 接管切割 坡口加工 坡口加工 坡口加工 入库 环缝组装 环缝焊接 环缝探伤 划筒体开孔 开孔 配件组装 配件焊接 油漆工装 审核竣工图 审核产品质量证书 签发合格证 致密性实验 水压实验

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附录二

防胶剂配制罐接头名称

焊缝编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 接头名称 封头与筒体对接环缝 接管与筒体角接 接管与法兰对接 筒体与加强圈角接 接管与加强圈角接 接管与法兰对接 筒体纵缝 接管与筒体角接 接管与筒体角接 接管与法兰对接 人孔接管与筒体与加强圈角接 人孔接管与筒体与加强圈角接 人孔接管纵缝 接管与法兰对接 接管与筒体角接 接管与法兰对接 筒体与封头对接环缝 接管与法兰对接 接管与封头与加强圈角接 筒体纵缝 定位 B1 D1 C1 D2-1 D2-2 B6 A2-1 D0 D3 C2 D4-1 D4-2 A4 B5 D5 C3 B4 C4 D6 A3 焊缝编号 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 接头名称 接管与筒体角接 接管与法兰对接 接管与法兰对接 接管与筒体角接 鞍座与筒体角接 接管与法兰对接 接管与筒体角接 筒体环缝 筒体纵缝 筒体环缝 筒体纵缝 鞍座与筒体角接 接管与法兰对接 接管与筒体角接 接管与法兰对接 接管与法兰角接 接管与法兰对接 接管与封头与加强圈角接 定位 D7 C5 C7 D9 E1 C6 D8 B3 A2-2 B2 A1 E2 C8 D10 C10 D12 C9 D11

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