急冷塔制作工艺设计

急冷塔制作工艺设计

专业：焊接技术与工程

班级：11焊接一班

姓名：张桄递

摘要

本文介绍压力容器的制造过程，并且简述了各主要部件（包括筒体、封头、接管、支座等）的制造过程。由于急冷塔的内直径较大，筒壁厚较薄，需要采用现场制造。根据急冷塔的结构特点，该产品主要由Q235A材质制造而成，本文将在介绍Q235A压力容器用钢材料的焊接性的基础上，简述压力容器（急冷塔）的制作工艺。介绍急冷塔的焊接质量保证措施以及焊接变形的防止措施，对同类设备的制造有着很重要的借鉴意义。

本设计首先介绍了压力容器（急冷塔）的结构设计，并且分析了制造本产品所用材料Q235A压力容器用钢的化学成分、力学性能以及焊接性。然后根据压力容器（急冷塔）的结构，制定该压力容器的焊接工艺和工装流程。采取合理的制造工艺才能保证设备顺利的完工，并且优化焊接工艺，可以提高焊接质量。

关键词：

压力容器（急冷塔）、Q235A、焊接性、结构、焊接、检验、组装。

Abstract

This article describes the manufacturing process of the pressure vessel, and outlined the major components (including cylinder, head, over, mount, etc.) manufacturing process. Due to the large inner diameter of the quench tower, the wall thickness of thin, need on-site fabrication. According to the characteristics of the quench tower, the products are mainly made of Q235A material from, this article will introduce the weldability of base material Q235A pressure vessel steel, the brief pressure vessel (quench tower) of the production process. Introduction quench tower welding quality assurance measures and measures to prevent welding deformation, similar equipment manufacturing has a very important reference.

This design introduces the pressure vessel (quench tower) structural design and analysis of the manufacturing of the products used by the chemical composition, mechanical properties and the welding material Q235A steel pressure vessel. Then according to the pressure vessel (quench tower) structure, the development process of the welding process and tooling pressure vessel. Take reasonable manufacturing process to ensure the successful completion equipment, and optimize the welding process, welding quality can be improved.

Key words:

Pressure vessel (quench tower), Q235A, weldability, structure, welding, inspection, assembly.

引言

压力容器是容器中其中的一种，为了与一般容器(常压容器)相区别，只有同时满足下列三个条件的容器，才称之为压力容器：

（1）工作压力大于或者等于0.1Mpa(工作压力是指压力容器在正常工作情况下，其顶部可能达到的最高压力（表压力）); （不含液体静压力）

（2）内直径（非圆形截面指其最大尺寸）大于等于0.15m。且容积（V）大于等于0.025立方米，工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa-L(容积，是指压力容器的几何容积）;

（3）盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或者等于其标准沸点的液体.

压力容器产业的发展离不开机械、冶金、石油化工、电脑信息、经济管理和安全防护等诸多工程技术的改革创新，或者说它是在多项新材料、新技术、新工艺综合开发的基础上发展的工业产品。在科学技术不断提高的今天，压力容器行业的发展当然也离不开先进技术的使用。随着全球经济一体化的发展，承压设备法规和标准的国际化趋势也已经越来越明显。10年来，国内外锅炉、压力容器和管道的焊接技术取得了引人注目的新发展。随着锅炉、压力容器和管道工作参数的大幅度提高及应用领域的不断扩展，对焊接技术提出了愈来愈高的要求。所选用的焊接方法、焊接工艺、焊接材料和焊接设备首先应保证焊接接头的高质量，同时必须满足高效、低耗、低污染的要求。因此，在这一领域内，焊接工作者始终面临复杂而艰巨的技术难题，要

求不断寻求最佳的解决方案。通过不懈的努力已在许多关键技术上取得重大突破，并在实际生产中得到成功的应用，取得了可观的经济效益，使锅炉、压力容器和管道的焊接技术达到了新的发展水平。

通过对急冷塔焊接工艺的设计，有着非常重要的理论和应用价值。首先，在写开题报告时，对设计急冷塔的结构、材料的选取以及母材的分析等有概括性的认知。其次，在板材的焊接工艺评定中，我们拟定焊接方法，进行实际的生产前试验，根据试验结果及试验数据，进而编写焊接工艺规程。最后，根据编写的焊接工艺规程，指导生产，并将焊接工艺规程作为生产过程中的指导性文件。

1 压力容器的制作工艺设计

1.1 压力容器简介

本次设计的为总长6720mm、筒体直径1500mm、筒体厚度为12mm、设计压力为0.3MPa的压力容器。本次设计的压力容器主要用于急冷塔的使用，急冷塔广泛应用于各种化工、电工电子、铜锌冶炼、工业生产等多种领域的降温、除尘、气体吸收、净化工艺，采用专利雾化器进行液体雾化，使汽液完全饱和接触。此种塔处理的主要有害气体为窑炉高温烟气以及其它高温腐蚀气体，我国急冷塔发展行业在未来一段时期内将保持稳定增长，该行业直接关系到我国工业化发展的规模和速度，在经济建设中起到了举足轻重的作用。目前我国普遍采用常温压力容器一般有两种形式: 球形贮罐和圆筒形贮罐。球形贮罐和圆筒形贮罐相比: 前者具有投资少, 金属耗量少, 占地面积少等优点, 但加工制造及安装复杂, 焊接工作量大, 故安装费用较高。一般贮存总量大于5003m或单罐容积大于2003m时选用球形贮罐比较经济; 而圆筒形贮罐具有加工制造安装简单, 安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在总贮量小于5003m, 单罐容积小于1003m

时选用卧式贮罐比较经济。圆筒形贮罐按安装方式可分为卧式和立式两种。

1.1.1 结构形式

压力容器的结构见图1-1

压力容器的主要组成部分是筒体，主要组成材料为Q235A，由于本

次设计的罐体直径为1500mm，容器长度达到了6720mm，因此需要用钢板卷制后再焊接形成。

图1-1 结构示意图

⑴封头根据图纸以及封头的分类（凸形封头、锥形封头、和平盖封头），该罐体的封头属于凸形封头中的椭圆形封头。

⑵法兰根据法兰的分类（管法兰和容器法兰）得知该结构的法兰结构属于容器法兰。法兰与法兰之间一般加密封元件，并且用螺栓连接起来。

⑶开孔为了工艺要求和检修时的需要，用来检查容器内部并用来装拆和洗涤容器内部装置常需要开人孔或是手孔。该处的强度被消弱，应该给予补偿。

⑷接管同人孔一样，接管也是压力容器不可缺少的结构，

便于物料的进出，以及安装压力表、液位计、流量计和安全阀等接管的开孔。

⑸支座压力容器依靠支座并固定在基础上。该容器采用的是立式容器支座和卧式容器支座中的卧式容器支座。

1.1.2主要参数

压力容器（急冷塔）主要参数见表1-1，

表1-1压力容器（急冷塔）主要参数

1.2产品制作相关标准

1.2.1 相关标准

GB150-2011《钢制压力容器》

JB/T4708-2008 《钢制压力容器焊接工艺评定》

JB4730-2005 《压力容器无损检测》

JB4700 《钢制压力容器焊接工艺评定》

1.3 母材性能分析

本设计产品选用的母材是Q235A，它是一种专门制造压力容器的低碳钢，在国内应用相当广泛。它有良好的综合力学性能、焊接性能和加工性能，是一种十分成熟的钢种。

Q235-A的含碳量(≤0.25%)低，其它合金元素含量也较少，在通常情况下不会因焊接而引起严重的硬化组织或淬火组织，因而适用于各种焊接方法进行焊接，一般而言不需要采用特殊的焊接工艺措施即可得到优质的焊接接头。这种钢材的塑性和冲击性优良,焊接接头的塑性也很好，在焊接时一般不需要预热，控制层间温度和后热，焊后也可不用热处理改善组织。在焊接Q235-A钢时，应着重注意防止结构拘束应力和不均衡的热应力所引起的裂纹。

用电弧焊焊接低碳钢时，为了焊缝金属的塑性、韧性和抗裂性能，通常都是使焊缝金属的碳含量低于母材，依靠提高焊缝中的硅、锰含量和电弧焊所具有较高的冷却速度来达到与母材等强度。因此，焊缝金属会随着冷却速度的增加，其强度会提高，而塑性和韧性会下降。为了防止过快的冷却速度，当厚板单层角焊缝时，其焊角尺寸不宜过小；多层焊时，应尽量连续施焊；焊补表面缺陷时，焊缝应具有一定的尺寸，焊缝长度不得过短，必要时应采用100～150℃的局部预热。

某些焊接方法热源不集中或线能量过大，如气焊和电渣焊等，引起焊接热影响区的晶粒区晶粒更加粗大，从而降低接头的冲击韧性，因此，重要结构焊后往往要进行正火处理。

Q235A是低碳钢。Q235A含碳适中，综合性能较好，强度、塑性

和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。常轧制成盘条或圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、窗钢等型钢，中厚板钢，大量用建筑及工程结构，用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不太高的机械零件。

Q235A钢有良好的热加工性能，一般在热轧状态下使用，正火温度900℃～930℃，除应力回火温度为580℃～680℃，其韧性和塑性较好，合金元素含量较少，是焊接性良好的钢种。

1.4 焊接性分析：

整个焊接过程不需要采取特殊的工艺措施，如不需要预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采取热处理改善接头热影响区和焊缝组织，采用通常的焊接方法焊接后，接头中不会产生淬硬组织或冷裂纹。当母材成分中碳含量偏高或在低温下焊接大刚性结构时，可能产生冷裂纹，这是应采用预热或采用低氢型焊条等措施。低碳钢电弧焊焊缝通常具有较高的抗热裂纹能力，但当母材含碳量接近上限（0.25%），在接头焊缝具有窄而深的形状时，焊缝最易产生热裂纹。

低碳钢因C 、Mn 、Si 含量少，正常情况下焊接时，整个焊接过程不需要采取特殊的工艺措施，如不需要预热、控制层（道）间温度和后热，焊后也不采取热处理改善接头热影响区和焊缝组织，其焊接热影响区不会因焊接而引起严重的硬化组织或淬火组织。此时，钢材的塑性和冲击韧度优良，焊接接头的塑性和冲击韧度也很好，接头产生裂纹的可能性小，其焊接性优良。

碳当量分析：

(%)15

56Ni Cu V Mo Cr Mn C CE ++++++==0.433% 碳当量小于0.4%时，焊接性良好；在0.4~0.6%时，焊接性差，焊接时需要预热并采取其他措施防止裂纹；大于0.6的话，焊接时需要较高的预热温度和严格的工艺措施了。

焊缝冲击性能与焊接材料的选择密切相关。一般情况下，酸性焊条所焊焊缝金属的焊接性能低。若选用酸性焊条焊接的焊缝金属的焊接性能达不到要求，可改用同强度级别的碱性焊条。碱性焊条所焊焊缝金属仍达不到要求，可改用其他焊接方法，如氩弧焊。

焊接接头的强度过低，与焊缝金属强度过低或焊接热影响区的软化有关。焊缝金属强度过低，或因选择的熔敷金属的关系，或熔敷金属强度能达到要求，但熔敷金属的合金元素因参与熔滴、熔池的脱氧冶金过程，参与脱氧的合金元素越多，将减少最后焊缝金属中的合金元素的量，由可能造成焊缝金属的强度降低。对于热轧或正火状态的低碳钢，一般不会因焊接造成热影响区强度下降。反过来，若选用的焊接材料的熔敷金属强度过高，尽管强度过高，但会带来接头其他性

能问题，如塑性低，疲劳寿命降低等。

对于低碳钢，钢板的厚度增加时，焊接性也会发生变化。一方面，在钢厂生产厚板时，因连铸或模铸坯厚度规格有限，导致生产不同厚度钢板的压缩比差异过大。在压缩比变化过大时，会造成钢板表面至心部性能差异过大，尤其是冲击性能和塑性。由于钢板的性能检验时，通常在钢板厚度1/4处取样，而通常不检验钢板1/2处性能。这样，对钢板性能合格的厚钢板，因焊接时，心部与其他部位的性能差别太大，而导致弯曲性能不合格。严重时，因心部组织的致密度不够，在厚度方向上施加应力过大或产生的焊接应力作用下，甚至会形成因组织致密度不足，冲击吸收功低而产生撕裂现象。这种撕裂现象与通常的不用偏析带存在硫化物或氧化物造成的层状撕裂不同。因此对于低碳钢厚板，尤其是特厚板因关注其钢材心部性能及其与其他部位的性能差异。

焊缝中产生热裂纹的原因和情况。从成分上看，低碳钢焊缝产生热裂纹原因主要是所用焊接材料的熔敷金属的S、P含量偏高，或熔敷金属S、P含量达到要求，但低碳钢母材的S、P含量平均偏高，或存在局部偏聚。对于前者，应选用熔敷金属的S、P平均含量低的焊接材料，对于后者，应停止使用。

低碳钢焊接热影响区产生冷裂纹，应从焊接热影响区淬硬组织、接头拘束度和焊缝中的含氢量等角度分析，并采用相应的措施防护和解决。低碳钢焊接热影响区出现热裂纹情况主要是与母材中局部存在S、P偏聚及其与氧化物形成低熔点的复合相有关。

2.1产品制作工艺流程图

2.1.1内筒筒节制作工艺流程图

图2 内筒筒节制作工艺流程图

2.1.2夹套筒节制作工艺流程图

夹套部分分为上夹套、下夹套和夹套封头，其中上、下夹套的工艺相同如图3所示。

图3 夹套筒节制作工艺流程图

2.1.3封头制作工艺流程图

本设计中有两个封头，内筒封头和夹套封头，它们的制作工艺是相同的，如图4所示。

图4 封头制作工艺流程图

2.1.4上下封头的组对焊接

封头根据外协厂家提供的下料图进行下料，顶盖在拼缝焊接完毕之后与瓜瓣一起运到外协厂家进行成型。

由于上下封头的直径较大，封头的拼接和组队结构形式如图5所示。

图5 上下封头的拼接和组装示意图

这种封头组对是多靠支持钢结构来支撑，通过调整支撑钢结构的调节支撑块位置调整封头瓣片的位置，

在多次调整后可以使封头满

足设计要求。封头顶盖在拼接完成后再进行成型，因此即使拼接成型后有一定的变形，在压制过程中也能满足要求。下端采用瓜瓣成型之后进行组对焊接。由于焊接时不再清根，为了减少焊接变形，封头所有拼接焊缝坡口如图6所示。

图6 封头拼缝坡口示意图

2.2筒体制作工艺

2.2.1钢板复检

钢板在进行加工之前要对其进行复检，所谓的复检就是对钢板进行必要的化学成分、各种力学性能、内部和表面缺陷及外观尺寸的检查。

钢板进厂后，要对其附带的料单进行验收。需要查验料单上列出的钢板的化学成分和力学性能。

在此基础上还要对钢板进行抽样来做化学成分和力学性能的检验（如拉伸试验、冲击试验等等）。

待复检合格后，才能对其进行加工。对于试验所得出的结论与料单不符的钢板，要进行返货。

2.2.2钢材预处理

(1)钢材矫正的原理与目的

钢材在搬运和贮存中难免会产生凹凸不平、弯曲、扭曲等变形现象。这种变形如果不予矫正，就会妨碍到后续的划线、下料和切割工作的正常运行，也影响下料的几何尺寸精度和装配焊接的质量。为此在焊接结构制造之前，必须对钢材进行矫正，卷筒钢板在开卷后必须经过矫平才能使用。矫正的基本原理是钢板在外力作用下经过多次反复额变形，使短金属纤维拉长。

(2)钢材矫正的方法及使用设备

具体的矫正方法按操作方法的不同可分为手工矫正、机械矫正和火焰矫正三种。本设计选用国产4200mm×9辊式中厚板矫平机。其工作原理如图7所示。

图7多辊矫平机工作原理图

其设备4200mm×9辊式中厚板矫平机的技术条件如表4所示

表 4 4200mm X9辊式中厚板矫平机技术条件

2.2.3钢材的预处理

由于钢材表面的油污、锈蚀和氧化皮等都会影响产品的质量。因此，在进行材料划线、下料之前必须先进行表面预处理。工业生产中常用的机械除锈法包括：风动或电动砂轮、钢丝刷、喷丸、喷沙等。其中喷丸是目前工厂应用较多的大面积净化方法之一。

本次设计选用的喷丸设备是GYX-2M型钢材预处理装置技术参数见表5，它既可以用于钢板的表面处理，也可用于结构部件的表面处理。该装置进行钢材预处理的工艺过程为：电磁吊上料→辊道输送→预热→喷丸→清理丸料→喷漆→烘干→轨道输送出料。

表5 GYX-2M 型钢材预处理装置技术参数