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材料科学工程学院专业技能训练压力锅炉的锅筒制造工艺与焊接工艺设计报告团队成员:....................................................................专业班级:.......................指导教师:........................材料科学工程学院专业技能训练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,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)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选材及下料压力容器锅炉锅筒(一)设计要求压强P=2.5MPa;工作温度T=300℃;介质:压缩空气;容积V=10m³材料科学工程学院专业技能训练(二)材料及板厚的选择由于Pe=2.5MPa可知1.6MPa≤Pe<10MPa,是中压锅炉。所以根据GB713-1008,中压锅炉选用20g:C(≤0.20%),Si(0.15~0.30%),Mn(0.50~0.90%),P(≤0.035%),S(≤0.035%)锅炉的尺寸计算(如下表)名称符号单位计算公式或来源取值设计规范额定工作压力PeMPa给定2.5公称直径Dnmm给定2000计算压力额定压力PeMPa给定=2.52.5ΔPaMPaΔPa=0.05Pe0.125计算压力PMPaP=Pe+ΔPe2.625临界饱和温度T°C给定300锅筒壁厚及长度基本许用应力[σ]JMPa由GB150-1998知20g钢在板厚16~36mm,T=300℃时[σ]J=102MPa102许用应力[σ]MPa《工业锅炉原理与设计》[σ]=η*[σ]J取锅筒受热温度300°C,η=0.95则[σ]=96.9MPa96.9减弱系数Ψmin参考焊缝的减弱系数取0.90.9理论壁厚SlmmSl=PD/(2[σ]Ψ–P)30.56附加壁厚CmmC=C1+C2+C3=0.5+0.5+0=1《工业锅炉原理与设计》P130冷轧冷校状态C3=0,P128C1=C2=0.5C1:腐蚀减薄的附加壁厚C2:钢板或钢管的壁厚负偏差,C3:卷板的工艺减薄值1取用壁厚SmmS=Sl+C=29.08+1=30.08工业取S=3232锅筒长度Lmπ(D/2)^2*L+4/3πD^2*h=V可得L=2.522.52封头壁厚形状系数Y[2+()2]/6(nnhD2长轴比短轴=2)1封头减弱系数ψ由于无孔无拼接焊缝,选择ψ=11理论壁厚SlmmSl=PDY/(2[σ]Ψ–0.5P)27.28附加壁厚CmmC=C1+C2=0+0=00取用壁厚SmmS=Sl-C=27.28-0=27.28工业用取S=32mm32材料科学工程学院专业技能训练4.校核1)安全校核锅炉的抗拉强度安全系数nb=2.7查GB150-1998可知:σb=400MPaσb∕nb=148.15Mpa[σ]J锅炉的屈服强度安全系数ns=1.5查GB150-1998可知:σs=235MPaσs∕ns=156.7Mpa[σ]J故满足安全条件。2)强度校核(1)锅筒强度校核:纵截面:FN1=PDn/2;σ1=FN1/S=PDn/2S=(2.625×2000)/(2×32)=82.03MPa横截面:FN2=PDn/4;σ2=FN2/S=PDn/4S=(2.625×2000)/(4×32)=41.02MPa不计气体对筒壁的直接压力:σ3=0按第三强度理论:σ=σ1-σ3=82.03MPa[σ]按第四强度理论:σ==71.04MPa[σ]综上所述,满足强度要求。(2)封头校核:最高允许应力:Pw=2[σ]ψS/(YD+0.5S)=(2×96.9×1×28)/(1×2000+0.5×28)=2.694MPa2.625Mpa最大应力校核:σ=P(YD+0.5S)/2Sψ=2.625×(1×2000+0.5×28)/(2×28×1)=94.41MPa96.9MPa故强度符合要求。5.成型1).锅筒成型1利用切割机将厚度为32mm的20g钢板截成所需规格,留出起弧与收弧余量。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与压力,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。材料科学工程学院专业技能训练2)封头成型设计封头为椭圆形封头,采用旋压成型,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。6.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。为了保证焊接质量和提高生产率,纵缝和环缝均采用直流埋弧焊方法焊接,定位焊采用焊条电弧焊。现代工业生产中,多采用多丝埋弧焊,生产效率高,焊接质量好。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,且纵缝和环缝的钢板厚度大致相同,材质相同,所以坡口尺寸一致),均加工成X型坡口。并对坡口及其两侧各20~30mm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,在筒体纵缝两侧装配引弧板和熄弧板。坡口形式及尺寸2)焊接材料焊剂采用HJ431,焊丝采用φ5mm的H08MnA;定位焊的焊条采用φ4mm的E4303(牌号为J422)。焊前,焊剂在250℃烘干2h。焊条在150℃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。材料科学工程学院专业技能训练3)参数对接接头双面焊的焊接工艺产品零部件名称锅炉筒体纵向焊缝与环焊缝设备类型MZ-1-1000预热温度无母材20g焊接位置对接焊坡口形式X形坡口规格厚32mm无损检测100%—RT、面层100%PT焊后处理正火处理焊工资格无合格等级I级合格焊前准备坡口设计及加工焊前清理焊接工艺参数焊接层次焊接方法焊材排号规格电源极性焊接电流(A)焊接电压(V)焊接速度焊丝伸出长度正1SAWφ5mmH08MnA/HJ431直流反接7003824m/h40mm正2650正3550背1650背2650背3650背4550坡口尺寸、焊道分布焊接要求及证明1.由于锅筒的纵焊缝与环焊缝的钢板厚度一致,材质相同,坡口尺寸一致,因此焊接时采用相同的焊接参数,均采用较小的热输入进行多层焊。2.施焊前在钢板坡口两侧各150mm内涂白垩粉防止飞溅。3.基层自动焊,背面垫焊剂垫,碳弧气刨清根,打磨干净后焊满基层。再焊过渡层,最后焊面层,过渡层施焊前及焊完后均须由检验人员认可后方可焊接面层。4.自动焊基层时,特别注意不能将基层金属沉积在复层上。如基材焊材熔入复层,则应用角向砂轮彻底打磨干净后,方可焊接复层。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35~45mm的距离。其中,内环缝为上坡焊,外环缝为下坡焊。5)焊缝外观评定1焊接缺陷:(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。材料科学工程学院专业技能训练(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。(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。(4)未焊透:焊接时接头根部未完全熔透的现象。(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)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。(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。(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。2焊缝形状缺陷:(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。(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。(3)余高超差:余高高于要求或低于母材。(4)错边:对接焊缝时两母材不在一平面上。(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)漏装:结构件中某一个或一个以上的零件未组焊上去。(7)飞溅。(8)电弧擦伤。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。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.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。1)拉伸实验(1)试样的制备试样尺寸:如下图所示:材料科学工程学院专业技能训练(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
本文标题:压力锅炉的锅筒制造工艺与焊接工艺
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