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1、毕 业 设 计专 业： 焊接技术及其自动化 班级学号： 学生姓名： 马 玉 鑫 指导教师： 二一四 年 三 月甘肃有色冶金职业技术学院毕业设计锅炉的焊接结构工艺设计Kjele prosessdesign sveiset strukturer 专业班级：焊接技术及其自动化学生姓名：马玉鑫指导教师：系 别：机电工程系2013 年 3 月摘 要本次毕业设计是围绕工作压力为20bar，工作最高温度为200，汽水混合的锅炉汽包进行设计和制造过程。介绍了锅炉以及汽包的相关知识，锅炉外径为2000mm，筒身长为4000mm。筒身，封头，人孔和加强板材料为20g，接管材料10#（国标）。设计过程中严格按照国家
2、相关规定和行业准则进行设计。设计包括锅炉壁厚的计算和筒体成形，以及筒体焊接的相关事宜。焊接后对筒体的焊缝进行了全面的检测，且规定了焊后热处理的一些内容。本课题的研究使我在理论知识上对锅炉有了全面且详尽的了解，在实际应用上也锻炼了我综合运用所学专业基础知识解决实际问题的能力，同时还提高了我查阅文献资料以及办公软件操作等方面的专业能力水平。关键字：锅炉汽包设计 材料成形 焊接目 录摘 要31 简 介61.1 锅炉61.2 汽包62 汽包材料的介绍72.1 锅炉材料的选择72.2 20g钢材和10#钢管的主要化学成分及力学性能72.3 20g钢材的焊接性能分析82.4 设计图样及焊缝位置的确定93
3、汽包的设计计算103.1主要技术参数103.2 压力计算壁厚104 锅炉筒体的成形114.1备料114.2 钢材的预处理114.2.1钢板的矫平114.2.2钢板的表面除锈114.3 成形114.4 矫形124.5汽包成形后的检验134.6 坡口制备135 锅炉汽包的焊接155.1焊材的选择155.2 焊接设备165.3 焊接环境175.4焊接方法175.5 焊前准备175.6 焊接的工艺参数185.7焊接注意事项195.8焊接时具体要求216 无损检测226.1射线检测226.2超声波检测237 焊后整体热处理25参 考 文 献26甘肃有色冶金职业技术学院2014届毕业设计（论文）1 简 介
4、1.1 锅炉锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。锅的原义指在火上加热的盛水容器，炉指燃烧燃料的场所，锅炉包括锅和炉两大部分。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。1.2 汽包汽包的概念是指气压通过水循环导致气压下降或上升，也可以理解为汽包是气体和水分
5、融合后形成的气压变化，极限压力中的空气与水分子会提高气体的压力上升，导致高压达到一定数值后产生的压力集分子。工业中汽包罐是能够承受汽包产生的空气压力和水位压力的一种工业设备。汽包亦称锅筒是自然循环锅炉中最重要的受压元件，它是工质加热、蒸发、过热三过程的连接枢纽，保证锅炉正常的水循环，并且内部有汽水分离装置和连续排污装置，保证锅炉蒸汽品质，由于有一定水量，具有一定蓄热能力，缓和汽压的变化速度，汽包上有压力表、水位计、事故放水、安全阀等设备，保证锅炉安全运行。焊接是一种高效、可靠的连接工艺方法，是压力容器制造中的一种主要加工方法之一, 如平板拼接、筒节与筒节、筒节与封头、人孔、接管与壳体及法兰的连
6、接, 内件的组焊以及支座与壳体的连接等等,都是通过焊接完成。通过分析大量的质量事故使人们认识到材料选择、焊接工艺过程、焊接质量管理对压力容器的安全性有很大影响。焊接工艺设计最终产生的焊接工艺文件具有法令性, 将成为生产制造活动中所必须循的规范和依据。2 汽包材料的介绍2.1 锅炉材料的选择锅炉压力容器对钢材的性能有特殊的要求：较高的室温强度，通常以屈服强度极限s和强度极限b为设计依据，较大的s和b；有良好的韧性性能，材料需具有足够的韧性，防止脆性断裂，在考虑强度的同时不能忽略韧性；较低的缺口敏感性，制造过程中，开孔和焊接会产生局部应力集中，要求材料有较低的缺口敏感性，以防止产生裂纹，良好的加工
7、性能和焊接性能。选用的材料除了考虑到它的加工工艺性能，还必须考虑它的经济性。本次蒸气锅炉汽包的设计要求，工作压力为20bar，工作最高温度为200，所以要求使用材料具有一定的强度、塑形、韧性、硬度和较高的韧脆转变温度；由于工作介质为汽水混合物，所以不需要材料具有很高的抗腐蚀能力，综合考虑其焊接性，冷、热加工性、经济性，锅筒、封头、人孔选用20g钢材，接管材料选用10#钢管。2.2 20g钢材和10#钢管的主要化学成分及力学性能（1）20g化学成分与力学性能表2-1 20g的化学成分%钢号CSiMnPS20g0.200.10.300.50.900.0350.035表2-2 20g的力学性能钢号状
8、态断面收缩率/%SMPabMPa伸长率5%冲击韧度(AKJ)硬度HBS20g正火551853802527J热轧钢156（2）10#钢管的化学成分与力学性能表2-3 10#的化学成分%钢号CSiMnPSCrNiCu10#0.070.140.170.370.350.650.350.040.150.250.25表2-4 10#的力学性能钢号状态断面收缩率/%SMPabMPa伸长率5%硬度HBS10#正火524541025未热处理，1562.3 20g钢材的焊接性能分析碳钢的焊接性主要取决于碳当量，随着碳当量的增加，焊接性逐渐变差。根据国际焊接学会（IIW）所采用的碳当量（CE）计算公式： （%） 将
9、20g所含化学成分的相应数值代入上式，计算其碳当量。通过计算得出，20g的碳当量CE=0.23%0.25%。20g钢材中碳当量低，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，进行预热后热和热处理能更高的力学性能要求。2.4 设计图样及焊缝位置的确定图2-1 焊接工艺草图3 汽包的设计计算3.1主要技术参数（1）计算压力 P=20bar；（2）最高允许运行温度=200；（3）工质：汽-水混合物；（4）外
10、径Da=2000mm；（5）筒身长度L=4000mm；（6）筒身，封头，人孔和加强板材料20g；接管材料10#（国标）。3.2 压力计算壁厚筒身壁厚是根据ADB1计算：Da（外径）=2000mm；P（计算压力）=20 bar；K（强度值）=205 N/mm；S（安全系数）=1.5；V（减弱系数）=0.85；C1（壁厚负差补偿）=0.8；C2（磨损补偿）=1.0；S=14.2；S取15。强度特性值按DIN17155（EN10028）确定。计算中预期壁厚S30mm；安全系数根据ADB0表2对轧制和锻制钢取1.5；说明焊缝中许用的计算应力的使用程度的减弱系数根据HP0表1考虑无损检测的范围取v=0.
11、85；壁厚的负差补偿对于铁素钢为板的允许负公差；适用的尺寸标准为AD-B1，根据这一标准可以确定C1=0.8mm；对于壁厚30mm的铁素体钢磨损补偿系数C2取1.0mm。4 锅炉筒体的成形4.1备料根据设计图纸，对每块筒体板用计算机放大样，根据放样后的实样，提出筒体板的备料计划，要求备料筒体板的同时，要考虑到筒体焊接产品的试板用量，需复验的材质要求和安装用胎具用量以及筒体板所需的工艺余量和加工余量等，并且应尽量节省材料。筒体板的备料除外形尺寸必须准确无误外，同时要求各项技术参数必须写清楚，以便购料。对于筒体附件的备料，要求各项技术参数，参照技术标准，相关图纸号以及数量等必须明确、清晰。对于筒体
12、的一些标准附件，如开口销、垫圈等，在选购时，要求购买的数量要多于图纸上的规定数量，以便互换使用和方便维修。此外，筒体的焊接主要采用焊条电弧焊，所以要求准备足够的焊条，并按要求做好焊前准备及处理。4.2 钢材的预处理钢材的预处理包括钢板的矫平和钢板的表面除锈两个方面。4.2.1钢板的矫平钢板在轧制、运输、装卸和堆放过程中，由于自重、支撑不当、或装卸条件不良及其他原因，可能会产生弯曲、扭曲、波浪及表面不平等变形。当这些变形超过一定程度时，会给尺寸的度量、划线、剪裁及其他加工带来困难，而且会影响到成形零件的尺寸和几何形状的精度，从而影响到装配、焊接和整个产品的质量。所以，划线、下料前必须进行钢板的矫
13、平。4.2.2钢板的表面除锈钢板的表面除锈采用喷丸的方法。喷丸是用高速喷出的压缩空气流带出来的高速运动砂粒冲击工件表面，打落铁锈，使金属表面形成均匀而较光洁的表面，并进一步释放在钢板中的残余应力。钢材经此清理，并经喷涂保护底漆，烘干处理等工序后，既可保护钢材在生产或使用过程中不再生锈，又不影响机械加工和焊接质量。4.3 成形（1）卷制前钢板两端应进行预弯，一般预弯宽度应大于选定的卷板机两下辊中心距之半（一般取两下辊中心距之半加50100mm）。预弯可在压边机或预弯模上进行。（2）卷圆时钢板在上下辊之间必须放正，板材边缘与辊筒轴线应严格保持平行。应采用将板上的标记与辊轴线上的划线标记对正的方法来
14、保证。（3）卷制大直径薄壁筒节时，必须采用卷板机托架和吊车密切配合的方式避免已弯制的筒节回直或压扁失形。（4）卷制筒节时，应逐次减少筒体的曲率半径，严禁一次卷板成型。每一次卷圆的变形量不得超过总变形时的30%。要利用卷板机上的标尺来估计上辊的下压量。（5）卷制圆筒过程中，应使用经检验合格的样板来检查筒体的曲率半径。（6）圆筒卷制成型后，由合格的持证焊工对筒体纵缝进行点焊，点焊要求按焊接工艺。（7）采用卷板机校圆，在辊筒调至所需矫正曲率半径时进行，要求圆周曲率均。（8）采用校形机（纵缝矫形机）消除筒体焊缝局部棱角度和局部变形时，应采用逐步变形、校正的方法，并用样板逐次检查。（9）卷制和成形过程中，应及时清除铁锈杂质和剥落的氧化皮，以防压损设备和筒体。4.4 矫形（1）筒节端面错口量不得大于1mm。（2）纵缝棱角度控制采用弦长等于1/6设计内径Di，且不小于300mm的内或外样板检查，其棱角度不得大于0.1n+2m
