氮气贮罐罐体设计说明书

目录摘要.................................................. 1引言.................................................. 31.焊接工艺设计........................................... 6 1.1 母材分析 (6)
1.2 产品制作工艺流程图................................ 8 1.3 焊缝位置分布...................................... 9 1.4 筒节制作工艺...................................... 9 1.5 封头的制作工艺................................... 18 1.6 装配............................................. 22 1.7 焊接............................................. 25 1.8 附件装配焊接..................................... 29 1.9 焊后热处理....................................... 29 1.10 强度试验........................................ 29
2.焊接工装设计.......................................... 32 2.1 封头冲压模具设计要求.............................. 32 2.2 上模设计参数...................................... 33 2.3 下模设计参数..................................... 34 2.4 下模座设计参数................................... 35结论................................................ 36致谢................................................ 37 摘要本设计的主要内容为氮气贮罐罐体的制作工艺及工装设计。

罐体主要由筒节和封头组成，封头选用的材料为24mm厚的Q345D钢板；筒节选用的材料为22mm 厚的Q345D 钢板。

筒体的公称直径是2800mm。

根据压力容器的分类标准，此贮罐属于Ⅲ类容器，其制造、检验和验收符合GB150－2005之规定。

本文在讨论Q345D焊接性的基础上，详细制定了氮气贮罐容器的制作工艺和封头冲压模具的设计。

产品制作工艺说明书中，简要分析了氮气贮罐的构成、各部分的材料及力学性能和制作使用要求；详细论述了该容器的装配焊接工艺，其中包括封头筒节的加工工艺及装配焊接工艺、填写零件加工工艺过程卡、焊接工艺卡等。

在制作封头时，根据封头尺寸计算出封头冲压模具凸模及凹模的具体尺寸。

对产品易出质量问题的环节进行了分析说明，并提出了一定的解决方案。

关键词：氮气贮罐；焊接工艺；冲压模具；筒节卷制沈阳大学毕业设计（论文）1 Abstract This dissertation mainly introduces the manufacturing technology and the toolingdesign of the nitrogen tank body. The head is made from the steel plate of Q345Dwith the thickness of 24mmThe cylinder joint steel plate of Q345D 22mm. Thenominal diameter of the cylinder is 2800mm. According to the standard forclassification of the pressure vessel the tank is called the class III type and theprocess of manufacture test and acceptance all agree with the regulation ofGB150-98.This paper formulates the manufacturing technology of the nitrogen tankbody and the design of stamping die of the head in detail on the basis of a maturediscussion of the weldability of Q345D. In the introduction of the manufacture craft it not only analyzes the constitutionthe request of making and employing of the nitrogen tank but also the material andthe mechanical properties of each part the thesis describes the assembly weldingprocedure of the tank detailedly including the processing of the cylinder joint of headthe general assembly welding procedure filling the processing card of partsmachining and welding technique etc. When making the head plate it is necessary tocalculate the specific dimension of the male mould and the female mould according tothe size of the head plate. In this paper the trouble-spot in links are analyzed andsome advisable solutions are proposed.Keywords:nitrogen tank welding procedure stamping die section rolling tube 沈阳大学毕业设计（论文）2 引言压力容器是一个涉及多行业、多学科的综合性产品，其建造技术涉及到冶金、机械加工、腐蚀与防腐、无损检测、安全防护等众多行业。

随着冶金、机械加工、焊接和无损检测等技术的不断进步，特别是以计算机技术为代表的信息技术的飞速发展，带动了相关产业的发展，在世界各国投入了大量人力物力进行深入的研究的基础上，压力容器
技术领域也取得了相应的进展。

为了生产和使用更安全、更具有经济性的压力容器产品，传统的设计、制造、焊接和检验方法已经不同程度地被新技术、新产品所代替，而冶金、机械加工、焊接和无损检测等压力容器相关行业的技术进步，是压力容器行业整体技术水平提高的前提条件。

压力容器钢在国民经济中广泛使用，范围适用于机械、石油、石化、航天、核能等近20 个行业。

压力容器钢的分三大系列。

一是低合金高强度钢板。

该钢是压力容器应用范围最广、使用量最大的一个钢种，2005 年使用量超过80 万吨。

目前，国家提出石油储罐用钢板国产化的目标，石化企业、储油站已大量选用国产钢板建造10 万立方米大型石油储罐。

近期我国大型石油储罐用钢板将可全面实现国产化。

二是低温用钢板。

它是低温压力容器中使用量最大的一个钢种，广泛应用于制造单层卷焊容器、球形容器等。

在近阶段，低温压力容器钢板的重点工作是提高部分钢板的低温冲击功指标。

三是中温抗氢用钢板。

此钢在我国的钢板生产与钢锻件生产方面与先进国家存在着较大差距，中温抗氢用钢板的国产化工作任重道远。

沈阳大学毕业设计（论文）3 在压力容器建造的初期，产品建造的目的是为满足本国相应工业的需求，压力容器的生产技术也是以本国的基本生产条件为基础。

生产技术的总结和统一安全质量的要求，使得国家依据自己的生产技术和管理要求制订出了适合于本国国情的相应安全法规和技术标准体系。

安全法规和技术标准水平的先进性如何，应体现在安全法规和技术标准是否能有效地保证压力容器产品的安全性和经济合理性，是否体现了代表时代的技术手段的应用，是否能推动行业的技术进步。

随着全球经济一体化的逐步发展，承压设备法规和标准的国际化趋势已经越来越明显。

欧洲标准化委员会（CEN）现正在采取积极行动，试图将现有的欧洲标准上升为国际标准。

美国和日本等一些国家为了争夺国际市场，也在采取积极的措施加速国际标准的制订。

本届秘书处设在美国的ISO/TC11 已多次召开会议，并已经提出了ISO15386 国际锅炉压力容器标准草案。

其目的是建立一个承压设备的通则，用以保证承压设备的安全使用，消除各国标准中可能出现的技术壁垒，在相互标准认可的基础上，实现承压设备产品的全球自由贸易。

随着我国加入世贸组织，我国的压力容器行业已经不可避免地面临国际市场的激烈竞争。

在新形势下，压力容器生产厂家应充分认识自身的优势与不足，改变观念，实行国际压力容器生产的通行做法，使产品早日走出国门。

近年来，压力容器制造业在装备投资中，焊接设备的比例占了40以上。

正由于这些先进高效焊接设备和工艺的采用，使压力容器制造?际跤辛撕艽蟮奶岣吆头⒄埂＞途咛宓难沽θ萜骱附佣 裕 柑?沈阳大学毕业设计（论文）4电弧焊的比例已逐步缩小，埋弧自动焊、氩弧焊、CO2 气体保护焊、混合气体保护焊、等离子焊、真空电子束焊等先进的工艺技术已大量或逐步得到采用。

这对于稳定地提高压力容器焊接质量，提高压力容器制造工艺水平，无疑将起到很大推动作用。

在厚板成形方面，一些大型制造厂都添置了大型卷板机和压弯机，使厚壁板焊结构的压力容器生产得到了实现。

对于特大厚度的压力容器采用锻制筒节进行组焊的技术日趋成熟。

封头成形已具有整体冲压成形，分瓣成形和旋压成形各种工艺能力，特别是一大批封头专业制造厂的出现，为压力容器制造的社会分工和专业化生产奠定了良好的基础。

在无损检测方面，除去常规的X 光射线检测设备外，不少厂为生产厚壁压力容器都购置了直线加速器。

连续成像的X 光射线检测设备已应用于生产，智能化和可记录的超声检测仪已研制出并得到应用。

这都为压力容器的制作奠定了良好的基础据不完全统计，我国以
焊接为主要加工技术（或焊接对其产品质量具有关键影响的）的企业数量达7000 多家。

这部分企业广泛分布在锅炉、压力容器、发电设备、核设施、石油化工和管道等行业中。

这些企业在我国工业经济建设中影响深、涉及面广、具有举足轻重的影响和作用。

本论文将焊接技术和氮气贮罐罐体制造相结合，根据罐体特点制定了全套的、合理的氮气贮罐罐体制造工艺。

沈阳大学毕业设计（论文）5 1.焊接工艺设计 1.1 母材分析本设计产品选用的母材是Q345D 钢，它是一种专门制造压力容器的低合金高强钢。

它具有良好的综合力学性能、焊接性能、加工工艺性能及低温冲击韧性。

中温（450℃以下）及低温力学性能优于Q235，15，20 等碳素钢，是一种十分成熟的钢种，质量稳定，可在-40400℃场合使用。

在石油化工设备、锅炉、压力容器中Q345D 钢的板材、钢管及锻件均有广泛应用，并分别纳入多种材料标准。

1.1.1 母材的化学性能分析Q345D钢是一种较常用的低碳低合金压力容器用钢。

常规化学成分如表1所示，以Mn为主要合金元素，以热轧状态交货，某些厚板需经正火热处理。

Q345D钢在热轧状态下具有较高的强度和韧性及良好的焊接性。

表1 Q345D钢的化学成分（）钢种技术标准C Si Mn P SQ345D GB6654-96 0.20 0.20-0.55 1.20-1.60 0.035 0.030 1.1.2 母材的力学性能分析Q345D 钢的屈服强度为340MPa。

它为压力容器的专用钢板，具有良好的综合力学性能。

其主要力学性能如表 2 所示。

沈阳大学毕业设计（论文）6 表 2 Q345D 钢力学性能冷弯拉伸试验冲击试验试验技术规格钢种抗拉强度屈服强度伸长温标准/mm Akv（横向）σｂ/MPａσｓ/MPａ率度180 /J δ5/ /℃6～16 510～640 ≥345 ｄ2ａQ345D GB6654 ≥21 0 ≥31 ＞16～36 490～620 ≥325 ｄ3ａ 1.1.3 母材的焊接性分析Q345D特点是焊接热影响区具有不同程度的淬硬倾向，焊缝和热影响区对冷裂纹都比较敏感。

电弧焊时，各种冷却速度下都可能在热影响区形成马氏体组织，钢中碳和合金元素的含量越高，热影响区的淬硬倾向就越大，同时金相组织中的马氏体组织的比例就越高。

因此，在拟定其焊接工艺时，应以防止接头各区马氏体组织和冷裂纹形成及防止热影响区淬硬变脆为基本出发点。

1）焊接缺陷①热裂纹：Q345D 钢的碳当量较低而锰含量较高，因此，这种钢的ωMn/ωS 能达到要求，具有较好的抗裂性能，焊接过程中的热裂纹倾向较小，正常情况下焊缝中不会出现热裂纹。

但个别情况下也会在焊缝中出现热裂纹，这主要与钢中碳、硫、磷等元素含量偏高或严重偏析有关。

如果焊缝中的碳含量过高，为了防止硫的有害作用就需要有较高的锰含量，随着碳含量的增加，要求ωMn/ωS 也提高，当ωC0.12时，ωMn/ωS 不应低于10，而当ωC0.16时，ωMn/ωS 就应大于40 才不能出现热裂纹。

硅的有害作用也与促使硫的偏析有关，因此硅含量高时沈阳大学毕业设计（论文）7热裂纹倾向也增加。

②冷裂纹：Q345D 只有在较快冷却速度下，才可能形成富碳的贝氏体和马氏体，以至诱发冷裂纹。

冷裂纹的影响因素：a 碳当量Ceq。

淬硬倾向主要取决于钢的化学成分，其中以碳的作用最明显。

通常碳当量越高，冷裂敏感性越大。

b 热轧钢的淬硬倾向。

随着合金元素和强度级别的提高而增大。

c 热影响区最高硬度。

热影响区最高硬度是评定钢材淬硬倾向和冷裂纹敏感性的一个简便的办法。

最高硬度允许值就是一个刚好不出现冷裂纹的临界硬度值。

碳当量增大时，热影响区淬硬倾向随之提高，但并非始终保持线性关系。

当碳当量减小且降低冷却速度时，热影响区淬硬和冷裂纹倾向随之降低。

2）脆化：Q345D 钢产生脆化的主要原因是热输入量过大导致晶粒粗大，以及因冷却速度过快而在过热区形成
粗大马氏体和贝氏体混合组织。

Q345D 钢主要靠合金元素的固溶强化来保证其具有良好的力学性能，因为在热轧状态下使用，所以脆化问题不是很严重，Q345D 焊后经600℃、保温 1 小时的高温回火处理后，韧性有了很大恢复，因此消除应力回火处理可防止脆化。

1.2 产品制作工艺流程图工艺流程图主要是为了让设计和生产者能够直观的熟悉整个工艺流程，理清思路，提高工作效率。

并且让人们能够简单了解工艺流程的步骤和主要环节。

其流程如图1 所示。

沈阳大学毕业设计（论文）8 图 1 筒体制作工艺流程图1.3 焊缝位置分布本设计的氮气贮罐罐体的体积较大、焊缝较多，有纵焊缝、环焊缝等。

为了防止焊缝交叉。

1.4 筒节制作工艺1.4.1 钢板的复检本设计选用的金属材料是Q345D 钢板，材料要有材质证明书，有符合规定的材料标记符号，要对材料的表面质量和材料的几何尺寸进行复检。

在使用前应对钢板进行必要的化学成分复检，还要进行力学性能复检，包括拉伸试验，弯曲试验，断裂试验等。

1.4.2 钢材的矫正1）钢材矫正的基本原理和方法矫正是使钢材或工件在外力作用下产生与原来变形相反的塑性，以消除原来工件弯曲、扭曲和皱折、不平等变变形（即永久变形）形。

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2。

本设计选择机械矫正，其原理如图 2 所示。

沈阳大学毕业设计（论文）9 图 2 9 辊矫直机工作原理图1-导向辊2-上支承辊3-上工作辊4-下支承辊5-下工作辊2）钢板矫正设备钢板的矫正，一般情况下都是采用多辊板料矫正机进行机械矫正，但特殊情况，如对于厚板、小块板料的矫正，也可以用对称式三辊卷板机和各种压力机来代替多辊板材矫平机进行矫正，少数情况下也可进行手工矫正。

本设计选用国产4200mm 9辊中厚板矫直机，其技术条件如表3所示。

表3 4200mm9辊中厚板矫直机技术条件厚度（mm）宽度mm 长度mm 温度℃辊数×辊距mm 8～40 1500～4000 4000～18000 600～800 9×360 上横梁开口度矫直速度主电动机辊径×辊长mm 传动比（i）mm m/s kw Ф320mm×4200 240 22 0.3～0.8 1251.4.3 钢板表面的预处理为了避免钢材表面的油污、锈蚀和氧化皮等影响产品的制造质量，应该在进行材料划线、下料之前进行表面预处理。

钢材表面的预处理对于提高产品质量、延长产品的寿命、减少环境污染具有重要的沈阳大学毕业设计（论文）10意义。

钢材的表面预处理方法主要有机械法和化学法两种4。

本设计选用机械法中的喷丸处理。

选用的喷丸设备是GYX-NM型钢材预处理装置，它既可以用于钢板、型钢的表面处理，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（40-50℃）→喷丸→清理丸料→喷漆→烘干（60-70℃）→辊道输送出料。

1.4.4 划线、下料在划线、下料之前应先选取制作筒节钢板的尺寸规格。

钢板卷圆时，板材纤维沿厚度方向的变形是不同的，弯曲后内层的纤维受压缩而缩短，而外层的纤维受拉伸而伸长，在内层与外层之间必然存在弯曲时既不伸长也不缩短的一层纤维，该层称为中性层3。

中性层的长度在弯曲过程中保持不变，因此可作为展开尺寸的依据。

筒节的尺寸计算筒节的展开长度：L Dg S1 S 2 （2-1）其中L----筒节毛坯展开长度（mm）；Dg----筒节内径（mm）----筒节壁厚（mm）S1----加工余量mm S2----修边余量（mm）。

代入数据L3.1428002210608931.08（mm）沈阳大学毕业设计（论文）11 筒节的展开长度即为选用板材的长度，根据钢板规格及考虑加工余量，选用钢板长度为9000mm。

再根据筒体的总长选择板材数量以及每块板材的宽度，筒体总长
14988mm，选取六块板材，宽度分别为2894mm 和2300mm。

由于轧制等原因，
钢板边缘处厚度不均匀，影响焊接质量。

因此，下料时每边需预留出修边余量约30mm。

根据以上计算，把筒节分为六节，选择制作筒节的板材为：22×3000×9000 二块22×2400×9000 四块各筒节展开毛坯尺寸如图4 所示。

1.4.5 切割下料采用CM—350型数控气体火焰切割，火焰切割通常称为气割，它是利用可燃气体乙炔与氧气混合燃烧产生的火焰流（通常被称为预，将被切割的金属材料加热到其燃烧温度，然后喷射高速氧热火焰）流（称为切割氧），使割缝处被加热到燃点的金属发生剧烈燃烧，并吹除掉燃烧后产生的氧化物，从而把金属分割开来。

可燃气体乙炔与氧气的混合以及切割的喷射都是依靠割炬来实现的。

气割的主要特点是：设备简单、生产率高、成本低。

特别适用于切割厚度较大的或形状较复杂的零件的坯料。

沈阳大学毕业设计（论文）12 注：图中虚线为选板尺寸，实线为毛坯料尺寸。

图 4 筒节展开图1.4.6 边缘加工边缘加工是将工件的边缘或端面加工成符合工艺要求的形状和尺寸精度的加工工序。

对下料后的零件进行边缘加工，主要是为了：①消除前道工序加工所产生的加工硬化层和热影响区；②消除装配、焊接工件边缘或自由边的各类缺陷，以提高结构的整体质量；③提高结构的表面质量，也可为产品的后期制作创造条件5。

常用边缘加工的方法为刨削、铣削和车削等切削加工工艺。

本设计选用B81050A型刨边机进行边缘加工。

1.4.7 筒节的卷制卷制成形是将钢板放在卷板机上进行滚卷成筒节，其优点为：成形连续、操作简便、快速、.。