石油液化气储气罐焊焊接结构设计

洛阳理工学院

课程设计说明书

课程名称：焊接结构学

设计课题：液化石油气储气罐焊接结构设计专业：材料成型及控制工程

指导教师：安俊超

班级：B100306

姓名：李鹏辉

2013年06月16 日

课程设计任务书

机电工程系材料成型及控制工程专业

学生姓名李鹏辉

班级B100306

学号B10030618

课程名称：焊接结构学

设计题目：液化石油气储气罐焊接结构设计

课程设计内容与要求：

1、选择不同的梁柱桁架类或压力容器类结构，并完成整体装备图；

2、将梁柱桁架类结构或压力容器结构划分成几个不同部分，按

照课题设计相应的焊接工艺流程；

3、编写课程设计说明书

指导教师安俊超

设计（论文）开始日期2013.06.10

设计（论文）完成日期2013.06.16

课程设计评语第1 页

机电工程系材料成型及控制工程专业

学生姓名李鹏辉班级B100306 学号B10030618

课程名称：焊接结构学

设计题目：液化石油气储气罐焊接结构设计

课程设计篇幅：

图纸 1 张

说明书28 页指导教师评语：

2013年06月16日指导教师安俊超

洛阳理工学院

目录

前言 (2)

第一章石油液化气罐的分析 (3)

1.1、石油液化气罐的使用背景 (3)

1.2、石油液化气罐的结构及尺寸参数 (3)

1.3、石油液化气罐材料的选择 (4)

第二章石油液化气罐工艺分析 (9)

2.1、石油液化气罐的成形工艺 (9)

2.2、确定焊缝位置 (9)

2.3、焊接接头形式以及坡口的设计 (10)

2.4、石油液化气罐的焊接方法的选择 (13)

第三章石油液化气罐焊接参数的选择及工艺 (16)

3.1、焊条的选择 (16)

3.2、焊丝的选择 (16)

3.3、焊剂的选择 (16)

3.4、焊接电流、电压和焊接速度的选择 (17)

3.5、工艺参数的确定 (20)

3.6、焊接设备的选择 (21)

3.7、结构设计的工艺过程 (22)

第四章液化石油气储罐检验方案 (24)

4.1、设备概况及其基本参数 (24)

4.2、检验依据 (24)

4.3、检验准备 (24)

4.4、检验项目 (25)

4.5、出具检验报告 (26)

4.6、检验报告的审核签发 (26)

总结 (27)

参考文献 (28)

前言

焊接也是一种制造技术，它是适应工业发展的需要，以现代工业为基础发展起来的，并且直接服务于机械制造工业。焊接技术的发展与制造工业的需要紧密相关，许多设备中的大型结构，几乎都是焊接结构。现在，随着科学技术的进步，生产规模的日益扩大，焊接结构正朝着大型、高容量、高参数、耐磨、耐蚀、耐低温、耐动载的方向发展，这就是不仅需要为焊接生产提供质量更高、性能更好的各种焊机、焊接材料和焊接工艺，而且要求提供各种性能优异的焊接工装设备，使焊接生产实现机械化和自动化，减少人为因素干扰，达到保证和稳定焊接质量、改善焊工劳动条件、提高生产率、促进文明生产的目的。

本次"石油液化储气罐焊接结构设计"涉及多种焊接相关知识,包括焊

接结构、焊接材料,焊接方法及焊接工艺制定等各方面内容.其中还附有设计的结构图和总装图.本次设计理论和实践结合极为紧密。对专业的学习和以后的工作打下了良好的基础。在设计过程中参阅有关同类资料、书籍和网络资料，并得到老师的指导和帮助，在此致以深深的谢意！

第一章石油液化气罐的分析

1.1、石油液化气罐的使用背景

此次设计内容为一结构形式为单层的第三类储存压力容器，是用来盛装生产用的液化石油气的容器。设计压力为1.86Mpa，温度在-19~50摄氏度范围内，设备空重约为11000Kg，体积为100立方米，属于中压容器。石油液化气为易燃易爆介质，且有毒，且本液化石油气储罐必须在有遮阳和水喷淋情况下使用。此液化石油气卧式储罐是典型的重要焊接结构，焊接接头是其最重要的连接结构，焊接接头的性能会直接影响储存液化石油气的质量和安全。因此合理地制定焊接工艺规程非常必要。

1.2、石油液化气罐的结构及尺寸参数

图1.1 石油液化气罐的结构

1、组成

主要有筒体、封头、法兰和接管、密封元件等组成，其中筒体、封头是石油液化气罐制造的关键部分。

制造关键点:

1）封头圆形封头的材料为整块钢板，当封头厚度较大时，均采用热压成形法，即将封头坯料加热至900℃—1000℃。对于直径大且厚度薄的封头，采用旋压成形法制造是最经济最合理的选择。

2）筒体本次筒体有三个大型筒节拼接而成，筒节采用半自动切

割下料，下料前先划线。筒体在卷板机上成型，筒节的坡口加工见

下面的坡口设计部分。

2、容器的简介及设计要求

（1）结构名称：石油液化气罐

（2）内径：3000mm

（3）长度：13200mm

（4）壁厚：19mm

（5）设计压力：1.86Mpa

（6）生产类型：单个生产

1.3、石油液化气罐材料的选择

石油液化气罐是一种全焊结构，且运行条件苛刻，制造工艺复杂。液化气罐一旦开裂，后果极其严重，不但造成巨大的经济损失，而且可能遭受人身伤亡灾难。因此液化气罐的运行必须安全可靠。毋庸置疑，液化气罐的工作的可靠性首先以选用的钢材有着密切的关系。我国和世界各工业国的压力容器设计制造法规，以及相应的材料标准都对压力容器用钢的性能做出了严格而明确的规定。

石油液化气罐压力容器材料作为一种受压部件的结构材料，应具有足够优异的力学性能，包括抗拉强度、塑性和韧性。其次，压力容器在制造过程中，必须经过各种成形加工。因此，所用材料应具有良好的冷成形加工和热成形性能。此外，压力容器用钢还应具有良好的焊接性、耐蚀性、抗氢能力以及适应各种热处理的特性。

由此可见，为确保压力容器长期安全可靠的运行，必须从材料着手，选用优质的符合法规和规程要求的钢材制造液化气罐压力容器。

根据设计任务要求：液化气瓶承载压力为1.86MPa，厚度为19mm。

1、焊接性要求石油液化气罐在生产制造过程中涉及大量的焊接工作，因此对于材料的焊接性能要求较高。材料中的碳、硫、磷等元素都是严重影响材料焊接性的成分，尤其是硫磷元素是十分有害的，在焊缝中容易诱发裂纹。因此，在保证材料强度的情况下，尽量减少碳、硫、磷的含量。

2、强度要求钢材的强度一般是采用拉伸试验测定的，故又称抗拉强度。随着工业化发展，石油液化气罐的工作压力越来越高，对某些大型

高压和超高压容器，壳壁厚度可能增加到无法生产和加工的程度。因此采用屈强比较高的低合金高强钢已成为当今容器制造中的必然趋势，目前，我国现行钢制压力容器标准已容许采用抗拉强度达610Mpa的低合金高强钢。

3、塑性要求压力容器的主要部件，如封头，筒体等，都采用冷热冲压，卷制和弯曲加工成形，要求刚才具有较好的塑性。按现行压力容器用钢标准的规定，用于压力容器的碳钢和低合金高强钢，其最低伸长率不得小于17%，而20R优质压力容器钢的最低断后伸长率为25%。

4、冲击韧度要求从材料角度来讲，钢材的缺口冲击韧度愈高，焊接结构抗脆断的能力愈高。为确保压力容器的安全运行，对压力容器用钢的缺口冲击韧度提出了较高的要求。按现行GB 6654---1996《压力容器用钢板》标准，20R和16MnR钢的常温V形缺口试样冲击吸收功应不小于31J，15MnVNR和18MnMoNbR等低合金高强钢常温V形缺口冲击吸收功不得小于34J。

5、对变形性能的要求

压力容器各部件在制造过程中需经过较复杂的加工工艺，如冷弯、冷卷、冷校、冷冲、热冲压和热卷成形等，这就要求压力容器用钢具有良好的变形性能。按GB6654---1996《压力容器用钢板》标准的规定，压力容器用钢的合格标准是冷弯角为180度，弯芯轴的直径按钢板的厚度和强度等级可分为d=2a和d=3a（a为钢板的厚度）。压力容器部件如冷变形度超过5%，则应在进行下道工序之前作一次回火处理。如压力容器的工作温度高于350度或冷加工变形后作600~650度的回火处理，则可全部或部分消除应变时效倾向。

压力容器用钢的常温力学性能如表1.1：

表1.1压力容器用钢的常温力学性能 钢号

标准号 使用状态 厚度范围 抗拉强度b σ/MPa 屈服强度s σ/MPa Q235A

GB912-1989 热轧 4.5~20 375 235 16MnR GB6654-1996 热轧或正火 6~20 510 345 石油液化气罐属于一种常温下的压力容器，其主体材料应按照

GB150-1998《钢制压力容器》进行制造，检测与验收。由于石油液化气罐是一种受压容器，对钢材的机械性能和化学成份有较高的要求，石油液化气罐的制造过程中封头要进行冲压成型，封头与筒体之间用焊接方式进行连接，因此，对于石油液化气罐的主体（指封头等受压元件）材料，必须采用平炉、电炉或吹氧转炉冶炼的镇静钢，要求具有良好的冲压和焊接性能。制造筒体、封头、入孔接管、用16MnR 钢板符合GB6654-1996及第二次改造通知单的规定，入孔法兰盖用钢板正火状态供货。带颈对焊法兰、接管用16MnR 应符合JB4726-2000，壳体用16MnR 钢板应逐张进行冲击试验，方法按照GB/T229的规定，三个试样的平均值大于等于54J 。由于16MnR 钢比Q235具有良好的抗拉强度和屈服强度，同16MnR 钢在热轧或正火的热处理下，其厚度在6mm~25mm 之间的最低冲击试验温度为-20℃，16MnR 的材料性能符合家庭常用液化气瓶的使用环境，故石油液化气罐的材料选用16MnR 。

16MnR 钢的化学成分如表1.2

表1.2 16MnR 钢的化学成分

钢号 化学成分（%）

C Si Mn

S P 16MnR ＜0．20

0．20~0．55

1．2~1。60

0．030 0．035

16MnR钢的机械性能如表1.3

表1.3 16MnR钢的机械性能

机械性能

钢号

Sb(10Mpa) Ss(10Mpa) Ss(10Mpa)% Akv(20摄氏度)

16MnR 510~640 345 21 31

16MnR的焊接性分析

16MnR属于低合金结构钢中的热轧钢，这类钢价格便宜，而且具有满意的综合力学性能和加工工艺性能，首先来分析一下这类钢的焊接性，焊接性通常变为两方面的问题：一是焊接引起的各种缺陷，对这类钢来说主要是各类裂纹问题：二是焊接时材料性能的变化，对这类钢来说主要是脆化问题。

⑴裂纹问题

①热裂纹：热轧钢一般含碳量较低，而含锰量较高，因此它们Mn/S 比较大，具有良好的抗热裂性能。正常情况下焊缝中不会出现热裂纹，但当材料成分不和格或有严重偏析，使碳，硫含量偏高，Mn/S比较低，易出现热裂纹。锰在钢中可与硫形成硫化锰，减少了硫的有害影响，增强了钢的抗热裂性能。增大焊缝成形系数，减小母材在焊缝中的融合比都防止热裂纹的产生。

②冷裂纹：钢材冷裂纹主要取决于钢材的淬硬倾向，而钢材的淬硬倾向又主要取决于它的化学成分。热轧钢由于含有少量合金元素，其碳当量比低碳钢碳当量略高些，所以这种钢淬硬倾向比低碳钢要大些，而且随钢

材强度级别的提高，合金元素的增大，它的淬硬倾向逐渐增大，应根据接头形式和钢材厚度来调整线能量，预热和后热温度，以控制热影响区的冷却速度，同时降低焊缝金属的含氢量等措施，防止冷裂纹的产生。

③再热裂纹：从钢材的化学成分考虑，由于热轧钢中不含强碳化物形成元素，因此对再热裂纹不敏感，而且还可以通过提高预热温度和焊后立即后热等措施来防止再热裂纹的产生。

⑵脆化问题

①过热区脆化：热轧钢焊接时近缝区中被加热到100℃以上粗晶区，易产生晶粒长大现象，是焊接接头中塑性最差的部位，往往会承受不住应力的作用而破环。防止过热区脆化的措施是提高冷却速度，尤其是提高奥氏体最小稳定性范围内的冷却速度，缩短在这一温度区间停留时间，减少或防止奥氏体组织的出现，以提高钢的冲击韧度，而且为防止过热区粗晶脆化，也不宜采用过大线能量。

②热应变脆化：热应变脆化是由于焊接过程中热应力产生塑性变形使位错增殖，同时诱发氮碳原子快速扩散聚集在位错区，出现热应变脆化。16MnR和15MnV这两类钢具有一定的热应变脆化倾向，焊接时消除热应变脆化的有效措施是焊后退火处理。

第二章石油液化气罐工艺分析

2.1、石油液化气罐的成形工艺

石油液化气罐的材料是19mm的中厚板经过卷制，冲压形成的筒体和封头两部分组成，两部分罐体通过对接后，采用焊接完成了整个罐体的制造。

石油液化气罐的封头可根据不同的直径、厚度与材料，将预先割好的圆形钢板坯料，在液压机或旋压机上以冷成形或热成形方法制成所需形状的封头。

其中石油液化气罐两个封头与三部分筒体对接形成的环焊缝是整个制造过程中最重要的环节，也是整个石油液化气罐焊接自动化生产所要解决的重要问题。

罐体左右封头拉伸成形后，由于开口端变形大，冷变形强化严重，加上板材纤维组织的影响，在残余应力作用下很容易发生裂纹。为防止裂纹的产生，拉伸后应立即进行再结晶退火工艺。

同时，为减少焊缝气孔和夹渣等焊接缺陷，焊接接缝附近必须严格清除氧化皮，铁锈及油污等，尤其对承受内压力为1.6~10Mpa的中压容器要求更为严格。为去除焊接残余应力，并改善焊接接头的组织与性能，这类瓶体焊后应立即进行热处理，至少要进行去应力退火。

2.2、确定焊缝位置

石油液化气罐的焊缝位置：

如图2.1

图2-1

焊缝Ⅰ、Ⅶ为封头与筒体的焊缝；焊缝Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ为筒体的焊缝。焊缝1、2、3、4、5、6、7、8为附件与筒体的焊缝。

2.3、焊接接头形式以及坡口的设计

（1）焊接的接头选择

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。上下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。由于焊接厚度为

19mm，因而需要开坡口，同时采用多层多道焊，每层焊接厚度步

超过5mm，手工电弧焊一次最大熔深约为6～8mm当每层厚度约

为焊条直径的0.8～1.2倍时，生产效率高。由公式n=D/d（此处

厚度用D表示）得焊接层数n=19/5=4层。石油液化气罐是一种密

闭整体性容器，因此筒体与封头之间应满足等强度原则，故筒体

与封头，各筒节之间的焊接接头；法兰、接管与罐体的焊接接头

都采用对接接头。底座与罐体的接头采用角接接头。

坡口形式的选择

罐体与附件坡口形式如图2-2a和2-2b：

图2-2a

图2-2b

罐体焊缝坡口形式：

（a）各筒节纵向焊接的接头其坡口形式如图2-3：

图2-3

（b）筒体环向焊接接头坡口形式如图2-4

如图2-4

2.4、石油液化气罐的焊接方法的选择

目前在生产中常用的焊接方法有焊条电弧焊、埋弧焊、电渣焊、CO2气体保护焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊等。焊接方法的选择主要是依据焊件材料、焊件厚度、焊缝厚度及坡口形式等因素来确定，此外还要考虑生产效率及经济性。

由于此焊接结构为大型焊接结构，在焊接生产中焊缝总长度很长，因此对效率的要求较高，埋弧自动焊至今仍然是工业生产中最常用的一种焊接方法。适于批量较大，较厚较长的直线及较大直径的环形焊缝的焊接。根据所选选的接口形式，可以采用埋弧自动焊进行焊接。

埋弧自动焊的主要优点是：

（1）生产率高埋弧焊的焊丝伸出长度（从导电嘴末端到电弧端部的焊丝长度）远较手工电弧焊的焊条短，一般在50mm左右，而且是光焊丝，不会因提高电流而造成焊条药皮发红问题，即可使用较大的电流（比手工焊大5－10倍），因此，熔深大，生产率较高。对于20mm以下的对

接焊可以不开坡口，不留间隙，这就减少了填充金属的数量。

（2）焊缝质量高对焊接熔池保护较完善，焊缝金属中杂质较少，只要焊接工艺选择恰当，较易获得稳定高质量的焊缝。

（3）劳动条件好除了减轻手工操作的劳动强度外，电弧弧光埋在焊剂层下，没有弧光辐射，劳动条件较好。

埋弧自动焊的目的是为了保证焊缝质量的稳定，因为液化气瓶是一种批量生产的产品，只有埋弧自动焊才能保持焊缝质量的持续稳定。

手工电弧焊的优点

①焊接设备价格低.简单。

②焊条品种齐全，可以焊接多种不同的金属，包括最常用的金属和合金。

③在狭窄空问焊接的场合，采用手工电弧焊比较方便、实用。

④对于同样的焊接设备，采用不同的电流设置，获得满足使用要求的焊缝。

⑤适合各种位置的焊接。

⑥与气体保护焊相比，不易受到风的影响。

⑦对焊接金属的最大厚度没有限制

⑧在大多数天气情况下都可以进行焊接。

手工电弧焊的缺点

①不适合焊接厚度小于1. 5mm的薄板。

②负载率和总的熔敷效率一般比送丝焊接方法低，当焊条消耗完毕或需要更换焊条时，焊接过程也暂时中断。

③并非整根焊条都可以充分利用，焊钳中被夹持的部分必须丢弃，一般要浪费25～50mm长度的焊条。

④频繁地更换焊条也增加了焊接缺陷的产生

综合考虑由于进行的是双面焊缝，手工电弧焊设备简单，操作方便适合全位焊接的特点，因而内面采用手工电弧焊而外面采用加入熔深，提高生产率，采用埋弧焊。最终采用焊接方法为：手工电弧焊+埋弧焊。

第三章石油液化气罐焊接参数的选择及工艺

3.1、焊条的选择

焊条的选择：焊条的选用主要考虑焊缝的使用性和施焊的工艺性，焊条选择的主要原则有以下几点。

(l)根据被焊金属材料的类型，选择相应焊条种类的大类。如焊接母材是普通低合金钢时，选用结构钢类型的焊条。

(2)根据被焊母材的性能，选用与其性能相同的焊条，或选用熔敷金属与母材化学成分类型相同的焊条，以保证母材性能与焊缝相同。

(3)选择焊条时还要考虑工艺方面，主要是操作方便，易获得优良的焊缝。

(4)从价格考虑，在满足性能及施工要求的前提下，尽量选用熔敷效率高、

价格低的焊条，从而提高生产率，降低成本。根据焊接手册可选取焊条J507，直径为5mm。

3.2、焊丝的选择

药芯焊丝国内应用尚不普遍，活性焊丝主要用于气体保护焊，故选择实芯焊丝。常用的低合金埋弧焊实芯焊丝有以下三类：

(l)低锰焊丝（如H08A）：常配合高锰焊剂，用于低碳钢和强度较低的低合金钢焊接

(2)中锰焊丝（如H08MnA，H1OMnSi）：主要用于低合金钢焊接，并可配低

锰焊剂焊接低碳钢

(3)高锰焊丝（如H1OMn2，H08Mn2Si）：用于焊接低合金钢。

3.3、焊剂的选择

说明：JQ.SJl01是氟碱型烧结焊剂，碱度约为1.8，灰色圆形颗粒，粒度为2.0～0.28mm（10～60日）。焊接时电弧燃烧稳定，脱渣容易，焊接成型美观，熔敷金属具有较高的低温冲击韧惟，可交直流两用，直流焊接时焊丝接正极。

用途：配合适当的焊丝（如H08MnA、H1OMn2、H08MnMoA、

H08Mn2MoA等），可焊接多种低合金结构钢，如船体、锅炉水力容器、管道等。可用于多层焊、双面单道焊、多丝焊及窄问隙埋弧焊。

焊剂参考成分(%)如表3-1:

表3-1焊剂成分

S P SiO2+TiO2CaO+MgO Al2O3+MnO GaF2 ≦0.060 ≦0.080 15~25 25~35 20~30 15~25

融敷金属力学性能（按GB/T5293-1999），如表3-2:

表3-2融敷金属力学性能

AKV(J)

项目配合焊丝

σb(Mpa) σs(Mpa) σ5(%)

室温0℃-20℃-40℃H08MnA 415~550 ≧330≧22≧150≧110≧80≧27 H10Mn2 480~650 ≧400≧22≧150≧110≧80≧27 H08MnMoA 550~650 ≧420≧20≧90≧70≧34_

H08Mn2MoA 620~750≧500≧20≧90≧70≧34_ 配合H1OMnSi等焊丝可焊接低碳钢和某些低合金钢(16Mn)结构。故选择焊剂SJl01。根据焊接工艺要求，选用焊条J507，并查常用焊丝焊剂表，选用焊丝H1OMnSi，焊剂SJIOI。

3.4、焊接电流、电压和焊接速度的选择

焊接电流是决定熔深的主要参数，一般情况下，电流越大，熔深越深。随着电流的增加，由于电弧潜入熔池的深度增加，使电弧缩短，电弧摆动能力减弱，因此，这时熔宽增加不明显，若继续增加电流，电弧产生的热量大，焊丝熔化量增加，这时，熔深反倒不再增加。当焊接电流较高时，由于熔深增大，熔宽变化不大，这时焊缝截面的形状系数变小，这样的焊缝结晶方向不利于气体和杂质上浮逸出，容易产生气孔、夹渣和裂纹，为了改善这一情况，在增加焊接电流的同时，还必须相应的提高电弧电压，以利于得到较为合适的焊缝形状。