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1、辽宁石油化工大学实习设计本专业班级： 姓名： 学号：实习、设计名称： 耐热钢压力容器（换热器）的焊接生产实习、设计地点： 辽宁石油化工大学实习、设计时间： 指导教师： 成绩：评阅人： 前言 为强化所学专业知识，使之能融会贯通，学以致用，所以进行了此次课程设计，用以提升学生专业能力，为不久的就业工作做准备。本次课程设计是对压力容器的焊接结构生产进行分析设计，以15CrMoR珠光体耐热钢作为母材，对换热器（加热器）的筒体环焊缝的焊接生产进行分析研究。此次设计涉及多种焊接相关知识，如焊接结构、焊接材料、焊接方法、焊接工艺制定及焊接工艺卡的编制等各方面内容，较为全面的概括了所学的知识，使之与生产实践相
2、接轨，所以做好此次设计能为以后的工作打下良好的基础。 在设计过程中，本人在图书馆参阅了相关的许多资料与书籍，并得到了郭淑娟老师、严伟老师的指导与帮助，对此，作者表示深切的谢意。鉴于编者水平有限，本次设计中难免会出现一些错误和需要改进的地方，恳请指导老师批评指正。 2011年10月目录 1、课程设计目的与要求51.1 设计目的5 1.2 设计要求52、换热器（加热器）的简介61.1换热器的分类61.2 填料函式换热器（加热器）的结构原理63、母材的焊接性分析8 3.1 15CrMoR钢的化学成分及分析8 3.2 15CrMoR钢的焊接性分析8 3.2.1 淬硬性9 3.2.2 再热裂纹倾向9 3
3、.2.3 回火脆化104、焊接工艺 12 4.1 焊接方法的选择12 4.2 焊接材料的选择12 4.3 焊接参数的选择13 4.4 坡口的选择与制备13 4.5 焊前准备14 4.6 焊前预热14 4.7 焊后热处理15 4.8 焊后检测15结论16课程设计总结 17附录19附录A 焊接工艺规程19附录B 焊接工艺卡22参考文献241、课程的设计目的与要求1.1 设计目的分析设计以珠光体耐热钢15CrMoR为母材的填料函式换热器（加热器）筒体环焊缝的焊接生产。1.2 设计要求（1）结构名称：加热器（2）壳程壁厚：30mm；管程壁厚：16mm（3）筒体直径：500mm （4）壳体材质：15Cr
4、MoR图1-1加热器简图2、换热器（加热器）的简介1.1换热器的分类 列管式换热器种类很多，根据结构特点的不同可分为固定管板式、浮头式、U型管换式和填料函式等。1.2 填料函式换热器（加热器）的结构原理填料函式换热器属于列管式换热器，它的组成主要有筒体、封头及接管、法兰、管束，管板，耳座等组成，其中筒体、封头，接管是换热器压力容器制造的关键部分。管板式是列管式的基本形式，故以固定管板式为例来说明填料函式换热器（加热器）的结构原理。 工作原理和结构 图1 固定管板式换热器为固定管板式换热器的构造。A流体从接管1流入壳体内，通过管间从接管2流出。B流体从接管3流入,通过管内从接管4流出。如果A流体
5、的温度高于B流体,热量便通过管壁由A流体传递给B流体；反之，则通过管壁由B流体传递给A流体。壳体以内、管子和管箱以外的区域称为壳程，通过壳程的流体称为壳程流体 (A流体)。管子和管箱以内的区域称为管程,通过管程的流体称为管程流体(B流体)。管壳式换热器主要由管箱、管板、管子、壳体和折流板等构成。通常壳体为圆筒形;管子为直管或U形管。为提高换热器的传热效能，也可采用螺纹管、翅片管等。管子的布置有等边三角形、正方形、正方形斜转45和同心圆形等多种形式，前3 种最为常见。按三角形布置时，在相同直径的壳体内可排列较多的管子，以增加传热面积，但管间难以用机械方法清洗，流体阻力也较大。管板和管子的总体称为
6、管束。管子端部与管板的连接有焊接和胀接两种。在管束中横向设置一些折流板，引导壳程流体多次改变流动方向，有效地冲刷管子，以提高传热效能，同时对管子起支承作用。折流板的形状有弓形、圆形和矩形等。为减小壳程和管程流体的流通截面、加快流速，以提高传热效能，可在管箱和壳体内纵向设置分程隔板，将壳程分为2程和将管程分为2程、4程、6程和8程等。管壳式换热器的传热系数，在水-水换热时为14002850瓦每平方米每摄氏度W/(m();用水冷却气体时,为10280W/(m()；用水冷凝水蒸汽时,为5704000W/(m()。 填函式换热器 图5 填函式换热器为填函式换热器的结构。管束一端与壳体之间用填料密封。管
7、束的另一端管板与浮头式换热器同样夹持在管箱法兰与壳体法兰之间，用螺栓连接。拆下管箱、填料压盖等有关零件后,可将管束抽出壳体外,便于清洗管间。管束可自由伸缩，具有与浮头式换热器相同的优点。由于减少了壳体大盖，它的结构较浮头式换热器简单，造价也较低；但填料处容易渗漏，工作压力和温度受一定限制，直径也不宜过大。3、母材的焊接性分析3.1 15CrMoR钢的化学成分及分析依据GB7132008可查得15CrMoR钢板化学成分如下：表31 15CrMoR钢板化学成分( 质量分数) (%)牌号化学成分( 质量分数) (%)CSiMnMoCrPS15CrMoR0.120.180.150.400.400.70
8、0.450.600.801.200.0250.010由表31中可以看出15CrMoR钢的化学成分，根据国际焊接学会(IIW)推荐的反映低合金钢淬硬和冷裂倾向的公式：CE（IIW）=( C + Mn6+ (Cr+ Mo+ V)5 +(Ni+ Cu)15 计算出15CrMoR钢碳当量值Pcm 在0.437 0.657 之间。根据有关资料得知：当Pcm04 时焊接时基本无淬硬顺向，焊接性良好不须采用预热和严格控制焊接线能量等措施；但是当0.4 Pcm05 时，淬硬顺向还很不明显焊接性尚可，随着板厚的增加，焊接往往需要预热；当Pcm05 时，淬硬颇向显著冷裂倾向随之增加 为避免冷裂纹应严格控制焊接工艺
9、。根据JB/T4709-2000钢制压力容器焊接规程常用钢号推荐的预热温度、层间温度和施焊环境等因素综合考虑，15CrMoR 的焊接预热温度设定为150，选择200，层间温度保持在250350之间。3.2 15CrMoR钢的焊接性分析 15CrMoR珠光体耐热钢的焊接具有以下特点：首先它具有很大的淬硬倾向。在焊接热循环决定的冷却速度下，焊缝金属和热影响区内可能形成对冷裂纹敏感的显微组织：其次，15CrMoR珠光体耐热钢中含有Cr、Mo等强碳化物形成元素从而使接头的过热区具有一定程度的再热裂纹敏感性。最后，某些耐热钢焊接接头，当有害的残余元素总含量超过容许极限时会出现回火脆性或长时脆变。3.2.
10、1 淬硬性15CrMoR钢中的主要合金元素Cr和Mo显著提高了钢的淬硬性, Mo的作用比Cr约大50倍。这些合金元素推迟了冷却过程中的转变, 提高了过冷奥氏体的稳定性。在焊接过程中, 热输入过小时, 易出现过硬组织; 热输入过大时, 焊缝金属及热影响区晶粒显著变粗。两者明显降低了焊缝金属及热影响区的塑韧性。为了解决这一问题，通常采用较小的焊接线能量，同时又采取适当的预热、后热措施。因此，根据现场实际情况决定采用火焰加热进行焊前预热纵缝用乙炔焰直接加热环缝采用钢管钻眼喷焰的方法。3.2.2 再热裂纹倾向再热裂纹倾向主要取决于钢中碳化物形成元素的特性及其含量以及焊接热规范。如下图所示：图31Cr、
11、Mo、V合金元素对钢材再热裂纹敏感性性的影响图32热处理温度对再热裂纹敏感性的影响(钢的基本成分（质量分数）:C0.16%,Cr0.99%,Mo0.46%,Mn0.60%)为防止再热裂纹的产生, 应采取如下措施:( 1) 严格控制母材和焊材的合金成分, 特别是要将V, Ti,Nb等合金元素的含量严格控制到最低程度。( 2) 选用高温塑性优于母材的焊接材料。( 3) 采取焊前预热, 焊后保温缓冷( 后热) 的措施。( 4) 采用较小热输入的焊接工艺和方法, 减小焊接过热区宽度, 细化晶粒。( 5) 选择合理的热处理制度, 避免在敏化温度区间停留较长时间。3.2.3 回火脆性Cr-Mo钢及其焊接接
12、头在370 565温度区间长期运行过程中发生渐进的脆变现象称为回火脆性或长时脆变。15CrMoR钢的回火脆化与其杂质含量有着密切关系,如P,As,Sb和Sn沿晶界的扩散偏析，其综合影响可以以脆性指数来表征。对于焊缝金属，可按下式计算： =（10P+5Sb+4Sn+As）/10()指数不应超过20 对于母材还应考虑Si、Mn等元素的影响，并引用J指数评定钢材的回火脆性J=（Mn+（Si）（P+Zn）% 如果J指数超过150，则说明该种钢具有明显的回火脆性应严格控制钢中的P, As, Sb, Sn等杂质, 同时降低焊缝金属中的Si, Mn等元素的含量, 是解决回火脆性的有效措施。4、焊接工艺4.1
13、焊接方法的选择 由于壳程筒体直径较小，焊工无法钻入筒体内焊接，故壳程筒体纵、环缝只能从外侧施焊。在筒节对接焊中，打底层焊缝的质量，要求焊缝背面熔透、平齐，即单面焊双面成形，还要求焊缝背面的熔渣冲洗干净，否则会危及容器的安全运行。为此，采用直流正接手工乌极氩弧焊（简称TIG焊）打底的工艺。其特点是：焊接底层时，一般无需预热；焊接速度快，热应力小；坡口内壁平齐无焊瘤；坡口内干净无渣；焊缝含氢量低，抗裂性好。填充焊和盖面焊可采用传统的手弧焊，其所需焊接设备简单、易于操作、灵活性好、工艺性强。4.2 焊接材料的选择与成分 焊接材料选择原则应是焊缝金属的合金成分与强度性能基本上与母材相应指标一致。由15
14、CrMoR钢的焊接性分析和JB/T47092000 钢制压力容器焊接规程选用与之相匹配的国产焊丝H13CrMoA ( 符合GB/T 149571994) 和国产焊条R307(GB/T 51181995) , 其化学成分见表3。表41 焊材化学成分( 质量分数) (%)CMnSiMoCrSPR3073.2 mm0.050.120.900.600.0350.0351.001.500.400.65R3074.0mm0.050.120.900.600.0350.0351.001.500.400.65H13CrMoA0.110.160.400.700.150.350.0300.0300.801.100.
15、400.604.3 焊接参数的选择依据顾钰熹编特种工程材料焊接所选焊接参数如下表42 钨极氩弧焊封底规范参数焊道数钨极填充丝直径（mm）焊接电流（A）电弧电压（V）氩气流量（L/min）喷嘴到焊件距离（mm）焊速(mm/min)牌号直径（mm）1WTh153.02.55512510121015810100160表43 手工电弧焊填充、盖面工艺参数焊道数焊条直径/mm焊接电流/A焊接电压/V焊接速度mm/min全位置（筒节水平固定）23.285105212490110344.01051252225120140其余4.012515022251201404.4 坡口的选择与制备 由所提供母材可知可知
16、筒体的厚度是30mm，环缝对接，由焊接手册 第三卷可设计出坡口的形状及尺寸。 如下图所示图3-1：壁厚30mm所选择的坡口是VY形坡口，角度与竖直方向分别成6070、810钝边高度为2mm，根部间隙选择2mm，圆角半径5mm。图4-1环缝坡口加工采用刨边机进行刨削， 刨削进刀量不能太大，以保证坡口表面无撕裂小裂纹。刨削过程中要及时清理铁屑， 防止划伤钢板。刨削完毕，采用磨光机打磨坡口表面，并进行着色检测，无任何缺陷为合格。焊前坡口用磁粉探伤方法检查表面是否有裂纹。应将坡口表面及其两侧各宽20mm范围内的水、铁锈、油污、积渣和其它杂质清除。用履带式电加热器进行预热, 温度达到150 时, 用岩棉
17、包扎恒温15 min立即用履带式电加热器升温到( 3005) , 用岩棉包扎恒温2h后, 缓慢冷却到室温。4.5 焊前准备(1) 焊前对焊条应进行350400烘焙，并保温12h，然后放在保温筒内保存温度为127150，随用随取；焊丝要用砂纸进行除锈，表面用丙酮除油，使用时要尽量保持干燥、无杂物。(2) 焊前在接头坡口边缘两侧各20mm范围内除净油、锈等杂物。(3) 定位施焊前要进行预热，预热范围在坡口两侧150200mm，预热温度用数字式测量仪测量，定位焊采用钟点式定位焊顺序。4.6 焊前预热由于珠光体耐热钢中除了含有碳元素以外，还含有一定数量的铬、钼、钒、钨、硅、钛、硼等元素，在焊接热循环的
18、作用下热影响区和焊缝中都可能产生淬硬组织和冷裂纹。为了减慢焊接冷却速度，珠光体耐热钢焊接时一般均采用预热。预热能降低冷却速度，避免减少淬硬的马氏体组织，从而减少因马氏体转变而产生的组织应力等。因此，预热是防止冷裂纹的一种有效的工艺措施。预热和层间，温度已趋于规范化，在JB1613-81锅炉受压元件焊接技术条件中规定了锅筒和管子接头等的预热温度。15CrMoR耐热钢的预热温度在200250，层间温度应控制在150350之间。4.7 焊后热处理 对于低合金耐热钢来说,焊后热处理的目的不仅是消除焊接应力, 而且更重要的是改善金属组织,降低焊缝及热影响区硬度, 提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性,达到
19、提高接头的综合力学性能的目的。由于低合金耐热钢在370565温度区间长期运行过程具有回火脆性，因此在选择热处理工艺时一定要避免在此温度区间长时间停留。 焊后要进行消除应力整体热处理，由于热处理的温度与Cr-Mo钢的力学性能有关，接头塑性随回火时间的延长而增加，强度相应下降，故在热处理过程中，升温速度要保持u100/h,保温时间不小于1.5h，保温热处理温度在65025（JB/T4709-2000推荐600）。 4.8 焊后检测试样冷却到室温24 h之后, 对试样焊缝表面进行形状尺寸和外观质量检查, 结果表面无裂纹、气孔、弧坑等缺陷为合格; 进行100%的X射线检测, 应不低于JB 473019
20、94 压力容器无损检测中级要求为合格结论（1）严格控制母材和焊材中V、Ti、Nb、P、As、Sb和Sn的含量，对防止焊接接头出现再热裂纹和回火脆性有利。（2）合理的预热、消氢措施是保证焊接接头质量的关键。（3）在650温度下进行焊后热处理，并适当控制设备在370565下的停留时间，可获得综合性良好的焊接接头。课程设计总结三周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程
21、设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础通过这次对压力容器焊接生产的设计，本人在多方面都有所提高。通过这次对压力容器焊接生产的设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次压力容器筒体环焊缝生产设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了焊接方法与设备、熔焊金属、化工设备等课程所学的内容，掌握焊接生产设计的方法和步骤，懂得了怎样分析焊接的工艺性，怎
22、样确定工艺方案，了解了压力容器的基本结构，提高了组织材料能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。在这次设计过程中，体现出自己单独设计焊接生产的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢我们的郭老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模焊接结构设计的每个数据与细节，都离不开老师您的细心指导。而您严谨的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。同时感谢对我帮助过
23、的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。 由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。附录附录A 15CrMoR加热器筒体环焊缝焊接工艺规程 焊接工艺规程制造单位名称编号： 焊接工艺评定报告编号：产品零部件名称：加热器筒体环焊缝 所按标准名称及编号：GB 150-1998焊接方法：焊条电弧焊钨极氩弧焊 自动化等级：手工接头坡口形状及尺寸焊件母材1. 母材类别号、组别号及钢号：类别号 - 组别号 - 与类别号 - 组别号 - 相焊钢号 15CrMoR 与钢号 15CrMoR 相焊2. 焊件壁厚适用范围 2
24、060mm3. 管件直径适用范围 焊接材料1. 钨极牌号及规格 WTh15，2.5mm2. 焊条牌号及规格 R307，3.2，4.0mm3. 实心焊丝牌号及规格 H13CrMoA，2.54. 焊剂牌号 - 5. 药芯焊丝牌号及规格 - 6. 焊带牌号及规格 - 7. 其他 - 保护气体1.保护气体种类及配比 w(Ar)=100%2.保护气体流量 1015L/min3.背面成形气体种类及配比 - 4.拖罩保护气体种类及配比 - 焊前准备1. 坡口加工方法及要求2. 坡口及焊缝两侧清理方法及要求 坡口面及两侧母材各20mm用丙酮擦净3. 焊材清理、烘干方法及要求 焊条经350400烘干，2h；焊丝
25、表面用丙酮去油4. 焊接衬垫材料牌号及规格 - 5. 其他 - 焊接温度参数1.最低预热温度 200 2.最高层间温度 350 3.后热温度及保温时间 - 4.消氢处理温度和保温时间 - 焊后热处理参数1. 热处理种类 消除应力2. 加热温度范围 650253. 加热速度 u100/h 4. 加热温度容许偏差5. 保温时间 1.5h 6. 冷却速度 90/h7. 出炉温度 - 8. 其他要求 - 焊接电参数1. 焊接电流3.2mm,85105A; 4.0mm,105150A 2. 焊接电压 2125V 3. 焊接速度3.2mm,90110mm/min; 4.0mm,120140mm/min4.
26、 送丝速度 100160mm/min5. 脉冲峰值 - 6. 脉冲宽度 - 7. 脉冲频率 - 8. 引弧电流 - 9. 収弧电流 - 10. 其他 手工TIG焊，直流，正接，I=55125A，U=1012V 焊接时间参数1. 预送气时间 25s 2. 电流递增时间 - 3. 焊接时间 - 4. 电流衰减时间 - 5. 填补弧坑时间 - 6. 延迟断气时间 5.0s 操作技术1.焊接位置 平焊 - 立焊 - 横焊 - 仰焊 - 全位置焊 2.横摆参数 横摆幅度 - 摆动速度 - 两侧停留时间 - 3.填丝方式 自熔 - 填丝 丝径 2.5mm 4.焊缝层数 多层多道焊 5.焊接顺序 先手工TI
27、G焊封底，单面焊双面成形，焊条电弧焊填充、盖面 6.清根方式 - 7.锤击方式 - 8.其他 - 焊后检测1. 目视检测 2. 射线检测 抽查率 100% 3. 超声波检测 - 抽查率 - 4. 磁粉检测 - 检测部位 - 5. 渗透检测 - 检测部位 - 备注编制校对审核日期日期日期附录B 15CrMoR加热器筒体环焊缝焊接工艺卡单位名称：工艺卡编号：所依据的工艺评定报告编号：批准日期：修改文件编号：/日 期：/评定项目：1.外观检查 2.无损探伤焊接方法：GTAW、SMAW产品名称：15CrMoR筒体环焊缝自动化程度：手工施焊接头：接头型式 对接 衬 垫 / 衬垫材料 / 其 他 / 母材
28、：类号 / 级号 / 与类号 / 级号 / 钢号 15CrMoR 与钢号 15CrMoR 相焊接母材厚度范围：对接接头 2931mm 角接接头 / 焊缝金属厚度范围： 2931mm 筒体直径范围：对接接头 500mm 角接接头 / 其他： /填充金属根部填充盖面焊条型号/R307R307规格（mm）/4.0、3.24.0焊丝牌号H13CrMoA/规格（mm）2.5/焊剂型号/其他/焊接位置： 对接接头焊接位置：-焊 接 方 向：由下至上角接接头焊接位置：/ 预热：预热温度：200230 层间温度：250350 预热保持方式：/后热、焊后热处理： 温度范围：625675 时间范围：1.5h 其他：/参考文献1. 中国机械工程学会焊接学会编：焊接手册（第2版），第2卷，北京，机械工业出版社，2001。2. 中国机械工程学会焊接学会编：焊接手册（第2版），第3卷，北京，机械工业出版社，2001。3. 顾钰熹编：特种工程材料焊接，沈阳，辽宁科学技术出版社，1998。4. 李亚江编：特殊及难焊材料的焊接，北京，化学工业出版社，2003。5. 陈裕川编：焊接工艺设计与实例分析，北京，机械工业出版社，2010.6. 葛兆祥编：焊接工艺及原理，北京，中国电力出版社，1997.27