鍋爐焊接結(jié)構(gòu)

焊接結(jié)構(gòu)學(xué)課程設(shè)計專業(yè)：材料成型及控制工程學(xué)號：姓名：指導(dǎo)老師：二零一六年六月鍋爐的焊接結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計Kjeleprosessdesignsveisetstrukturer（立式常橫水管鍋爐）學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)院班級：焊接（3）班學(xué)號：姓名：指導(dǎo)老師：2016年6月目錄TOC\o"1-3"\h\u6604目錄 114256摘要 231818關(guān)鍵字： 212185一、簡介 3160051.1鍋爐 3211611.2立式橫水管鍋爐 324886二、材料介紹 3275402.1鍋爐材料選擇 396252.2Q245R鋼材和10#鋼管的主要化學(xué)成分及力學(xué)性能 4150012.3設(shè)計圖樣及焊縫位置的確定 61826三、設(shè)計計算 7166063.1主要技術(shù)參數(shù) 7122393.2壓力計算壁厚 724571四、鍋爐筒體的成形 892574.1備料 8139444.2鋼材的預(yù)處理 831224.2.1鋼板的矯平 8106264.2.2鋼板的表面除銹 8268284.3成形 9197614.4矯形 9167404.5汽包成形后的檢驗 11102584.6坡口制備 1129668五、焊接 12296425.1焊材的選擇 12248855.2焊接設(shè)備 13194715.4焊接方法 14171155.5焊前準(zhǔn)備 1416235.6焊接的工藝參數(shù) 146772六、無損檢測 1632731七、焊后整體熱處理 1629212課程設(shè)計總結(jié) 1623784參考文獻(xiàn) 17摘要焊接結(jié)構(gòu)，是指常見的最適宜于用焊接方法制造的金屬結(jié)構(gòu)。由于焊接結(jié)構(gòu)的種類繁多，其分類方法也不盡相同。例如，按半成品的制造方法可分為板焊結(jié)構(gòu)、沖焊結(jié)構(gòu)等；按照結(jié)構(gòu)的用途則可分為車輛結(jié)構(gòu)、船體結(jié)構(gòu)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)等等；根據(jù)焊件的材料厚度則可分為薄壁結(jié)構(gòu)和后壁結(jié)構(gòu)；根據(jù)焊件的材料種類則可分為鋼制結(jié)構(gòu)、鋁制結(jié)構(gòu)、鈦制結(jié)構(gòu)等等。本次課程設(shè)計是圍繞工作壓力0.4MPa,飽和蒸汽150℃，汽水混合的鍋爐進(jìn)行設(shè)計和制造過程。介紹了鍋爐的相關(guān)知識，鍋爐外徑為10000mm，筒身長為3300mm;受熱面積12.2m2，爐排面積0.5m2，筒身，封頭和加強(qiáng)板材料為Q245R(GB713-2014)。設(shè)計過程中嚴(yán)格按照國家相關(guān)規(guī)定和行業(yè)準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計包括鍋爐壁厚的計算和筒體成形，以及筒體焊接的相關(guān)事宜。焊接后對筒體的焊縫進(jìn)行了全面的檢測。本課題的研究使我在理論知識上對鍋爐有了全面且詳盡的了解，在實際應(yīng)用上也鍛煉了我綜合運用所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識解決實際問題的能力，同時還提高了我查閱文獻(xiàn)資料以及辦公軟件操作等方面的專業(yè)能力水平。關(guān)鍵字：焊接結(jié)構(gòu)焊接手工電弧焊一、簡介1.1鍋爐鍋爐是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，向鍋爐輸入的能量有燃料中的化學(xué)能、電能、高溫?zé)煔獾臒崮艿刃问剑?jīng)過鍋爐轉(zhuǎn)換，向外輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機(jī)熱載體。鍋的原義指在火上加熱的盛水容器，爐指燃燒燃料的場所，鍋爐包括鍋和爐兩大部分。鍋爐中產(chǎn)生的熱水或蒸汽可直接為工業(yè)生產(chǎn)和人民生活提供所需熱能，也可通過蒸汽動力裝置轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或再通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。提供熱水的鍋爐稱為熱水鍋爐，主要用于生活，工業(yè)生產(chǎn)中也有少量應(yīng)用。產(chǎn)生蒸汽的鍋爐稱為蒸汽鍋爐，常簡稱為鍋爐，多用于火電站、船舶、機(jī)車和工礦企業(yè)。1.2立式橫水管鍋爐

立式橫水管燃煤蒸汽鍋爐采用傳統(tǒng)的燃燒技術(shù)，煤從爐門投入在爐排上燃燒,煙氣在爐膽內(nèi)經(jīng)橫水管交錯沖刷.含在煙氣中的細(xì)小碳黑及灰塵，被多層管束切割落在爐排上重新燃燒,經(jīng)煙囪排入大氣。二、材料介紹2.1鍋爐材料選擇鍋爐壓力容器對鋼材的性能有特殊的要求：較高的室溫強(qiáng)度，通常以屈服強(qiáng)度極限δs和強(qiáng)度極限δb為設(shè)計依據(jù)，較大的δs和δb；有良好的韌性性能，材料需具有足夠的韌性，防止脆性斷裂，在考慮強(qiáng)度的同時不能忽略韌性；較低的缺口敏感性，制造過程中，開孔和焊接會產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，要求材料有較低的缺口敏感性，以防止產(chǎn)生裂紋，良好的加工性能和焊接性能。選用的材料除了考慮到它的加工工藝性能，還必須考慮它的經(jīng)濟(jì)性。本次蒸氣鍋爐汽包的設(shè)計要求，工作壓力為0.4MPa，飽和蒸汽溫度150℃，所以要求使用材料具有一定的強(qiáng)度、塑形、韌性、硬度和較高的韌脆轉(zhuǎn)變溫度；由于工作介質(zhì)為汽—水混合物，所以不需要材料具有很高的抗腐蝕能力，綜合考慮其焊接性，冷、熱加工性、經(jīng)濟(jì)性，鍋筒、封頭、人孔選用Q245R(GB713-2014)鋼材，接管材料選用10#鋼管。2.2Q245R鋼材和10#鋼管的主要化學(xué)成分及力學(xué)性能（1）Q245R化學(xué)成分與力學(xué)性能分析表2-1Q245R的化學(xué)成分/%牌號CSiMnPSQ245R≤0.20≤0.350.5～0.90≤0.025≤0.015表2-2Q245R的力學(xué)性質(zhì)牌號斷面收縮率ψ/%σS∕MPaσb∕MPa伸長率δ5∕%沖擊韌度∕(AK∕J)硬度HBSQ245R≥55≥245≥400≥25≥27J熱軋鋼156（2）10#鋼管的化學(xué)成分與力學(xué)性能表2-310#的化學(xué)成分∕%鋼號CSiMnPSCrNiCu10#0.07～0.140.17～0.370.35～0.65≤0.35≤0.04≤0.15≤0.25≤0.25表2-410#的力學(xué)性能鋼號狀態(tài)斷面收縮率ψ/%σS∕MPaσb∕MPa伸長率δ5∕%硬度HBS10#正火≥5≥245≥410≥25未熱處理，≤1562.3設(shè)計圖樣及焊縫位置的確定圖2-1，焊接工藝草圖A類接頭、B類接頭、C類接頭、D類接頭、E類接頭、A類接頭全焊透對接焊縫、雙面焊縫或單面開坡口B類接頭全焊透對接焊縫、雙面焊縫或單面開坡口C類接頭局部焊透T型接頭D類接頭插入式接管全焊透T型接頭E類接頭雙面開坡口全焊透角焊縫F類接頭雙面開坡口全焊透角焊縫三、設(shè)計計算3.1主要技術(shù)參數(shù)（1）計算壓力P=0.4MPa；（2）最高允許運行溫度=150℃；（3）工質(zhì)：汽--水混合物；（4）外徑Da=1000mm；（5）筒身長度L=3300mm；（6）筒身，封頭，人孔和加強(qiáng)板材料Q245R；接管材料10#（國標(biāo)）。3.2壓力計算壁厚筒身壁厚是根據(jù)ADB1計算：Da（外徑）=500*2=1000mm；P（計算壓力）=0.4mpa；S（安全系數(shù)）=1.5；V（減弱系數(shù)）=0.85；C1（壁厚負(fù)差補(bǔ)償）=0.8；C2（磨損補(bǔ)償）=1.0；S=14.2；S取15。強(qiáng)度特性值按DIN17155（EN10028）確定。計算中預(yù)期壁厚S<30mm；安全系數(shù)根據(jù)ADB0表2對軋制和鍛制鋼取1.5；說明焊縫中許用的計算應(yīng)力的使用程度的減弱系數(shù)根據(jù)HP0表1考慮無損檢測的范圍取v=0.85；壁厚的負(fù)差補(bǔ)償對于鐵素鋼為板的允許負(fù)公差。四、鍋爐筒體的成形4.1備料根據(jù)設(shè)計圖紙，對每塊筒體板用計算機(jī)放大樣，根據(jù)放樣后的實樣，提出筒體板的備料計劃，要求備料筒體板的同時，要考慮到筒體焊接產(chǎn)品的試板用量，需復(fù)驗的材質(zhì)要求和安裝用胎具用量以及筒體板所需的工藝余量和加工余量等，并且應(yīng)盡量節(jié)省材料。筒體板的備料除外形尺寸必須準(zhǔn)確無誤外，同時要求各項技術(shù)參數(shù)必須寫清楚，以便購料。對于筒體附件的備料，要求各項技術(shù)參數(shù)，參照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)圖紙?zhí)栆约皵?shù)量等必須明確、清晰。對于筒體的一些標(biāo)準(zhǔn)附件，如開口銷、墊圈等，在選購時，要求購買的數(shù)量要多于圖紙上的規(guī)定數(shù)量，以便互換使用和方便維修。此外，筒體的焊接主要采用焊條電弧焊，所以要求準(zhǔn)備足夠的焊條，并按要求做好焊前準(zhǔn)備及處理。4.2鋼材的預(yù)處理鋼材的預(yù)處理包括鋼板的矯平和鋼板的表面除銹兩個方面。4.2.1鋼板的矯平鋼板在軋制、運輸、裝卸和堆放過程中，由于自重、支撐不當(dāng)、或裝卸條件不良及其他原因，可能會產(chǎn)生彎曲、扭曲、波浪及表面不平等變形。當(dāng)這些變形超過一定程度時，會給尺寸的度量、劃線、剪裁及其他加工帶來困難，而且會影響到成形零件的尺寸和幾何形狀的精度，從而影響到裝配、焊接和整個產(chǎn)品的質(zhì)量。所以，劃線、下料前必須進(jìn)行鋼板的矯平。4.2.2鋼板的表面除銹鋼板的表面除銹采用噴丸的方法。噴丸是用高速噴出的壓縮空氣流帶出來的高速運動砂粒沖擊工件表面，打落鐵銹，使金屬表面形成均勻而較光潔的表面，并進(jìn)一步釋放在鋼板中的殘余應(yīng)力。鋼材經(jīng)此清理，并經(jīng)噴涂保護(hù)底漆，烘干處理等工序后，既可保護(hù)鋼材在生產(chǎn)或使用過程中不再生銹，又不影響機(jī)械加工和焊接質(zhì)量。4.3成形（1）卷制前鋼板兩端應(yīng)進(jìn)行預(yù)彎，一般預(yù)彎寬度應(yīng)大于選定的卷板機(jī)兩下輥中心距之半（一般取兩下輥中心距之半加50~100mm）。預(yù)彎可在壓邊機(jī)或預(yù)彎模上進(jìn)行。（2）卷圓時鋼板在上下輥之間必須放正，板材邊緣與輥筒軸線應(yīng)嚴(yán)格保持平行。應(yīng)采用將板上的標(biāo)記與輥軸線上的劃線標(biāo)記對正的方法來保證。（3）卷制大直徑薄壁筒節(jié)時，必須采用卷板機(jī)托架和吊車密切配合的方式避免已彎制的筒節(jié)回直或壓扁失形。（4）卷制筒節(jié)時，應(yīng)逐次減少筒體的曲率半徑，嚴(yán)禁一次卷板成型。每一次卷圓的變形量不得超過總變形時的30%。要利用卷板機(jī)上的標(biāo)尺來估計上輥的下壓量。（5）卷制圓筒過程中，應(yīng)使用經(jīng)檢驗合格的樣板來檢查筒體的曲率半徑。（6）圓筒卷制成型后，由合格的持證焊工對筒體縱縫進(jìn)行點焊，點焊要求按焊接工藝。（7）采用卷板機(jī)校圓，在輥筒調(diào)至所需矯正曲率半徑時進(jìn)行，要求圓周曲率均。（8）采用校形機(jī)（縱縫矯形機(jī)）消除筒體焊縫局部棱角度和局部變形時，應(yīng)采用逐步變形、校正的方法，并用樣板逐次檢查。（9）卷制和成形過程中，應(yīng)及時清除鐵銹雜質(zhì)和剝落的氧化皮，以防壓損設(shè)備和筒體。4.4矯形（1）筒節(jié)端面錯口量不得大于1mm。（2）縱縫棱角度控制采用弦長等于1/6設(shè)計內(nèi)徑Di，且不小于300mm的內(nèi)或外樣板檢查，其棱角度不得大于0.1δn+2mm，且不大于5mm。（3）筒節(jié)圓度控制，對于筒節(jié)同一斷面，最大內(nèi)徑與最小內(nèi)徑之差e，應(yīng)不大于該斷面設(shè)計內(nèi)直徑Di的1%，且不大于25mm。（4）對外壓容器，圓度的控制應(yīng)嚴(yán)格滿足GB150的相應(yīng)要求或符合下述規(guī)定：檢查采用內(nèi)弓形或外弓形樣板，樣板圓弧半徑等于設(shè)計內(nèi)半徑或外半徑（依測量的部位而定），其弦長按工藝卡的規(guī)定。測量點應(yīng)避開焊縫或其它凸起部位。采用樣板沿殼體外徑或內(nèi)徑徑向測量的最大正負(fù)偏差e應(yīng)滿足工藝卡的要求。（5）縱焊縫對口錯邊量控制應(yīng)符合下表：表4-1縱焊縫對口錯變量對口處名義厚度過δn≤1012≤δn≤50＞50錯邊量δn/5≤2.5δn/16且不大于10對于分段交貨的筒體，其外圓周長允差照下表，但具體數(shù)值須保證環(huán)縫組對時的對口錯邊量。此外，分段處端面平行度應(yīng)≤1/1000Di，且不大于2mm。表4-2外圓長允差公稱直徑Di＜800800~12001300~16001700~24002600~30003200~4000外周長允差±5±7±9±11±13±15（7）筒節(jié)的直線度公差應(yīng)≤H/1000,且≤10mm（H：筒節(jié)高度）。（8）卷制成型后的不銹鋼筒體必須立式放置在專用場地或架子上，應(yīng)確保工件不與地面直接接觸。4.5汽包成形后的檢驗（1）筒體卷制完成后，內(nèi)外表面應(yīng)光滑，無刻痕、壓傷、起皺、裂紋、重皮等缺陷。（2）筒體卷制完成后，按技術(shù)條件檢驗各項參數(shù)，并符合技術(shù)文件上的各項技術(shù)要求。4.6坡口制備根據(jù)設(shè)計或工藝需要，在焊件的待焊部位加工并裝配成的一定幾何形狀的溝槽，就叫坡口。坡口是主要為了焊接工件，保證焊接度,普通情況下用機(jī)加工方法加工出的型面，要求不高時也可以氣割（如果是一類焊縫，需超聲波探傷的，則只能用機(jī)加工方法），但需清除氧化渣，根據(jù)需要，有K型坡口，V型坡口，U型坡口等，但大多要求保留一定的鈍邊。鍋爐承壓殼體上的所有A、B類焊縫均為全焊透焊縫。都要進(jìn)行無損檢測。為保證焊縫質(zhì)量，坡口的制備顯得十分重要。坡口形式由焊接工藝確定，而坡口的尺寸精度、表面粗糙度及清潔度取決于加工方法。筒體縱縫通?？刹扇∨龠?、銑邊、車削加工、火焰切割等工藝手段來制備。殼壁開孔可以采用氣割、車削、鏜、鉆等方法。選擇坡口形式和尺寸應(yīng)考慮下列因素：（1）焊縫填充金屬盡量少；（2）避免產(chǎn)生缺陷；（3）減少殘余焊接變形與應(yīng)力；（4）有利于焊接防護(hù)；（5）焊工操作方便；（6）復(fù)合鋼板的坡口應(yīng)有利于減少過渡層焊縫金屬的稀釋率。常見的集中坡口形式:圖4-1坡口形式圖綜合考慮鍋爐選用材料的焊接性，壁厚的因素，環(huán)縫焊接采用V型坡口，縱縫焊接采用U型坡口，封頭與筒體的焊接采用J型坡口（坡口開在封頭上）。五、焊接焊接是一種高效、可靠的連接工藝方法，是壓力容器制造中的一種主要加工方法之一,如平板拼接、筒節(jié)與筒節(jié)、筒節(jié)與封頭、人孔、接管與殼體及法蘭的連接,內(nèi)件的組焊以及支座與殼體的連接等等,都是通過焊接完成。通過分析大量的質(zhì)量事故使人們認(rèn)識到材料選擇、焊接工藝過程、焊接質(zhì)量管理對壓力容器的安全性有很大影響。焊接工藝設(shè)計最終產(chǎn)生的焊接工藝文件具有法令性,將成為生產(chǎn)制造活動中所必須遵循的規(guī)范和依據(jù)。5.1焊材的選擇根據(jù)鋼材不同的強(qiáng)度級別選擇與母材強(qiáng)度相當(dāng)?shù)暮缚p金屬是這類鋼焊材選用的基本原則，當(dāng)然，與此同時還要根據(jù)產(chǎn)品的使用條件、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和板材厚度等因素，綜合考慮焊縫金屬的韌性、塑性和焊接接頭的抗裂性。只要焊縫強(qiáng)度不低于或略高于母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度的下限值即可。若選擇的焊材焊縫金屬強(qiáng)度過高，將會導(dǎo)致接頭的韌性、塑性及抗裂性降低，接頭的彎曲性能不易合格。由于這類鋼都具有不同程度的冷裂紋傾向，所以，在等強(qiáng)度原則的前提下，嚴(yán)格控制焊材中的氫含量是非常重要的，應(yīng)盡量選用低氫型的焊材。對于強(qiáng)度較高的低碳調(diào)質(zhì)鋼焊接時，更是如此，甚至要選擇超低氫型的焊材，并嚴(yán)格控制焊材的存放和使用?？紤]焊后加工工藝的影響。對焊后需經(jīng)熱處理、熱卷（熱彎）的焊件，應(yīng)考慮焊縫金屬經(jīng)受高溫處理作用對其力學(xué)性能的影響，應(yīng)保證焊縫金屬經(jīng)熱處理后仍具有要求的強(qiáng)度、塑性和韌性等。E4315（J427）焊條是低氫鈉型藥皮的碳鋼焊條。采用直流反接，可進(jìn)行全位置焊接。焊接操作須用短弧，以窄焊道為宜。焊前須經(jīng)350℃烘干1小時，隨烘隨用。X射線探傷合格級別Ⅰ級。具有優(yōu)良的塑性、沖擊性能及抗裂性能，擴(kuò)散氫含量≤8ml/100g。表5-1J427焊條熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%實驗項目CMnSiSPNiCrMoVAlCu其他保證值≤0.12≤1.25≤0.90≤0.035≤0.040表5-2J427焊條熔敷金屬力學(xué)性能實驗項目Rm(PMa)ReL(MPa)A(%)‐30℃時AKV（J）保證值≥420≥330≥22≥27一般值460～540≥34025～3380～180表5-3參考電流（DC+）焊條直徑（mm）5.05.8焊條長度(mm)300350400400400焊接電流(A)60～8090～120140～180170～210220～2605.2焊接設(shè)備鍋爐焊接生產(chǎn)中涉及的焊接設(shè)備主要包括焊接電源、焊接小車、伸縮臂式焊接操作機(jī)及焊接輪滾架。弧焊機(jī)按產(chǎn)生電流種類不同，可分為直流弧焊機(jī)和交流弧焊機(jī)兩大類。交流弧焊機(jī)實際上是符合焊接要求的降壓變壓器。它將220V或380V的電源電壓降到60-80V(即焊機(jī)的空載電壓)，從而既能滿足引弧的需要，又能保證人身安全。焊接時，電壓會自動下降到電弧正常工作時所需的工作電壓20-30V，滿足了電弧穩(wěn)定燃燒的要求。輸出電流是交流電，可根據(jù)焊接的需要，將電流從幾十安培調(diào)到幾百安培。它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低、節(jié)省材料，使用可靠和維修容易等優(yōu)點，缺點是電弧穩(wěn)定性不如直流弧焊機(jī)，對有些種類的焊條不適用。直流弧焊機(jī)又可分為兩類：直流弧焊發(fā)電機(jī)和弧焊整流器。直流弧焊發(fā)電機(jī)是由交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成，電動機(jī)通過帶動發(fā)電機(jī)運轉(zhuǎn)，從而發(fā)出滿足焊接要求的直流電。其特點是能得到穩(wěn)定的直流電，因此，引弧容易，電弧穩(wěn)定，焊接質(zhì)量好，但是構(gòu)造復(fù)雜，制造和維修較困難，成本高，使用時噪音大。因此，一般只用在對電流有特殊要求的場合。5.4焊接方法焊接要解決的問題：（1）要防止裂紋；（2）在保證滿足高強(qiáng)度要求的同時，提高焊縫金屬及熱影響區(qū)的韌性。選用手工電弧焊。5.5焊前準(zhǔn)備（1）焊條的干燥（2）預(yù)熱（3）點固焊5.6焊接的工藝參數(shù)總的焊接順序是：先焊縱縫，后焊環(huán)縫；先焊大坡口面焊縫，后焊小坡口面焊縫。焊接工藝參數(shù)見下表：表5-4焊接工藝參數(shù)焊縫坡口形式焊接方法焊材規(guī)格預(yù)熱后熱熱處理檢驗A1、A2（筒體縱縫接頭）埋弧焊（SAW)H08MnAφ4HJ431預(yù)熱≥120℃后熱200-250℃/2h900-980℃/70min580-650℃/2.3h100%RT+20%UTB1、B2、B3（筒體環(huán)縫接頭）手工電弧焊（SMAW）+埋弧焊（SAW)E4315