甲烷化炉设计说明书

甲烷化炉的焊接

设计说明书

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班级：10级材料一班

专业：材料成型及控制工程

院系：煤炭工程学院机械系

指导老师：

目录

前言 (3)

第一章甲烷化炉的工作原理 (4)

1.1反应原理 (4)

第二章甲烷化炉的筒体技术参数 (4)

2.1选用 (4)

2.1.1化学分析和力学性能分析 (4)

2.2筒体主要技术参数的选取与计算 (4)

第三章甲烷化炉的焊接方法与焊接材料的选择 (5)

3.1甲烷化炉的结构 (5)

3.2珠光体耐热钢的焊接性分析 (5)

3.3焊接方法的选择 (6)

3.4焊接材料的选择 (6)

3.5焊接材料的验收、保管与使用 (7)

3.6焊接材料的使用 (7)

第四章甲烷化炉的焊接工艺流程图 (8)

第五章甲烷化炉的备料、下料工艺 (8)

5.1 备料 (8)

5.2 材料复检、入库 (9)

5.3 钢材的预处理以及钢板的矫正 (9)

5.4板材的划线、放样工艺 (9)

5.5下料工艺 (10)

5.5.1筒节的下料 (10)

5.6卷制成形 (10)

第六章其他部件的选择 (11)

6.1封头的选择 (11)

6.2人孔与接管 (12)

6.3补强管的选择 (13)

6.4容器的支座 (14)

第7章甲烷化炉的焊接工艺 (15)

7.1焊接要求 (15)

7.2坡口加工 (15)

7.3焊接注意事项 (16)

7.4施焊环境 (17)

7.5焊接工艺参数 (17)

7.6纵焊缝焊后圆筒的矫圆 (17)

7.7焊接接头的外观质量和力学性能要求以及焊缝的校核 (18)

7.8焊后修补 (19)

第八章焊接接头的质量检测及结果分析 (19)

8.1X射线探伤检验及结果分析 (19)

8.2水压压力的选取及结果分析 (19)

第九章结论 (22)

设计心得 (22)

前言

2003年，我国钢产量突破2.3亿吨，其中焊接结构用钢量超过1.0亿吨，跃居世界首位，由此推动了我国焊接结构制造业向规模化发展。焊接技术也已从一种传统的加工工艺和材料连接方法演变成为当今世界先进的制造技术之一。

本设计中的甲烷化炉属于重型中压容器，是生产化肥中合成氨工业的容器。筒体及椭圆封头材质为15CrMoR珠光体耐热钢，加厚接管材质为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢。筒体之间、筒体及椭圆封头之间属于同种材料焊接，筒体与加厚接管之间属于异种材料焊接。产品结构较复杂，直径和体积较大，在安排焊接顺序和保证坡口形状尺寸及装配间隙的难度较大，且工作温度较高，工作压力大，工作介质及工作环境具有一定的腐蚀性。因此，对焊接工艺设计要求较高【1】。

本文对其焊接性进行了分析，并制定了相应的材料处理措施，各接口形式通过查阅相关资料确定。焊接方法采用传统的埋弧自动焊工艺。

在这次设计中引用和参考了许多专家、学者和单位的有关资料、论著，在此向他们感谢！同时感谢魏雷老师的指导，使得这次设计顺利的完成！

第一章甲烷化炉的工作原理

1.1反应原理

甲烷化反应在催化剂存在下，用氢气还原一氧化碳和二氧化碳生成甲烷和水的反应。甲烷化反应原理CO和CO2,在一定的温度和甲烷化催化剂作用下，与H2发生反应，生成CH4和水蒸气，通过后部冷却，使水蒸气冷凝分离，最后得到只含有CH4杂质的合格氢。甲烷化反应就是体积缩小、强放热过程。【1】

第二章甲烷化炉的筒体技术参数

2.1选用

该压力容器在焊接时选用珠光体耐热钢，即15CrMoR为主要材料。

2.1.1化学分析和力学性能分析

本次设计选用材料为15CrMoR，根据《压力容器设计手册》中表1-1-4和表1-1-5得知其化学分析和力学性能分析如表1和表2。

表1 15CrMoR化学分析

C Mn Si Cr Mo S P

0.1～0.18 0.40～0.70 0.15～0.40 0.80～1.20 0.45～0.60 ≤0.02 ≤0.030

表2 15CrMoR力学性能分析

厚度δ抗拉强度MPa 屈服强度MPa 伸长率ξ冲击功J 供货状态

6～60 450～590 295 19 31 正火+回火

2.2筒体主要技术参数的选取与计算

本次设计的甲烷化炉的筒体和封头的直径根据GB/T9019-2001《压力容器公称直径》选用DN=1200mm为公称直径。

选取工作压力Pw=3.1MPa，设计压力P=(1.05～1.1)Pw=1.1×3.1=3.41，取P=3.4。

工作温度为350℃，设计工作温度为450℃。

容器筒体的纵向焊接接头和封头的拼接接头基本上采用的是双面焊或相当于双面焊的全焊透的焊接接头，取φ＝1mm。

查GB/T150-1998中表4-1得，抗拉极限强度为450MPa，屈服极限强度为295MPa，450℃下需用应力为112MPa。内压圆筒的理论计算厚度：则采用公式为

P PD t i

-][=σϕδ2

带入各数据得δ=18.49mm 。查标准HG20508-1998《钢制化工容器设计基础

规定》表7-1得，钢板厚度负偏差为0.18，而由GB/T150-1998中3.5.5.1知，

当钢板的负偏差不大于0.25mm ，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不

计，故取C1=0.

查标准HG20580-1998《钢制化工容器设计基础规定》表7-5知，对于有轻

微腐蚀的介质，腐蚀裕量C2=1.5mm 。则容器的名义厚度δn ≥

18.49+1.5=19.99mm ，圆整后取δn=20mm 。

圆柱形筒体的容积内表面积和质量：根据表2-1-12得出1m 高的容积为

1.131m 3，1m 高的内表面积为3.77m 2，厚度为20mm 的1m 高筒节钢板的质量为602kg

具体参数如表3。

表 3 甲烷化炉的主要技术参数

第三章甲烷化炉的焊接方法与焊接材料的选择

3.1甲烷化炉的结构

甲烷化炉的结构由一节筒节构成，焊接时，需要进行一道纵焊缝和两条环焊

缝。筒体与封头采用容器双头螺栓连接，有利于减少环焊缝数量。纵焊缝交错分

布，避免了十字交叉，有利于减少焊接应力及变形；封头与接管均采用标准件；

主要加工手段为焊接，此外还采用冲压、卷弯、机加工等辅助工艺。焊接方法采

用埋弧自动焊，手工电弧焊，接头形式为对接，角接，焊缝质量易于保证，焊缝

位置分布合理，有利于焊后检查。

3.2珠光体耐热钢的焊接性分析

根据国际焊接学会（IIW ）所采用的碳当量（CE ）计算公式： 介质

氢气 容器类型 Ⅲ 设计压力

3.4MPa 设计工作温度 450℃ 工作压力

3.1MPa 腐蚀裕度 1mm 试验压力

5.7MPa 焊缝系数 1 筒体的容积

4.524m 3 筒体的质量 2408kg 工作温度 350℃ 型号 φ1200×4000