卧式储罐焊接结构和工艺规划设计

卧式储罐焊接结构和工艺规划设计

1 产品介绍

工业生产中具有特定的工艺功能并承受一定压力的设备，称压力容器。贮运容器、反应容器、换热容器和分离容器均属压力容器。压力容器的用途十分广泛。它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器一般由筒体、封头、法兰、密封元件、开孔和接管、支座等六大部分构成容器本体。此外，还配有安全装置、表计及完成不同生产工艺作用的内件。压力容器由于密封、承压及介质等原因，容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全及污染环境的事故。目前，世界各国均将其列为重要的监检产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。

为保证压力容器的安全使用，在制造时就必须按照有关标准、规范，对压力容器的原材料和加工制造过程进行严格的质量检验，因此，对投入运行的压力容器也需要进行定期检验。压力容器的检验内容主要有：对材料的化学成分和力学性能的常规理化检验；对焊接接头的各种性能检验；对压力容器各部分存在的各类缺陷的无损检测；用高于操作压力的液体对容器进行耐压试验等。质量检验在压力容器制造过程中占重要的地位。在有些反应堆压力容器的生产周期中，有一半的时间都是用于质量检验。

筒体是圆筒形压力容器的主要承压元件，它构成了完成化学反应或储存物所需的最大空间。筒体一般是由钢板卷制或压制成型后组装焊接而成。当筒体直径较小是，可采用无缝钢管制作。对于即轴向尺寸较大的筒体，采用环焊缝将几个筒节拼焊制成。根据筒体的承载要求和钢板厚度，其纵焊缝和环向焊缝可采用开坡口或不坡口的对接接头。对于承受高压的厚壁容器筒体，除了采用单层厚钢板制作外，也可以采用层板包扎、热套、绕带或绕板等工艺制作多层筒体结构。

封头即是容器的端盖。根据形状的不同，分为球形封头、椭圆形封头、蝶形封头和平板封头等结构形式。

2 结构计算

本次设计的容器为卧式压力容器，其容积为310m 。结构设计为筒体和椭圆封头。

2.1筒体长度的计算

设筒体直径为D ， 筒体长度为H=2D ， 选用标准椭圆封头， 则其体积可表示为:

102224

223

321=+?+?=++=i h R D R D

V V V V πππ

由此可求得mm D 1800=。

由以上尺寸将筒体分为三段式，其中每一段的长度为m 2.1，筒体为两瓣组焊而成。

2.2容器壁厚的计算

筒体壁厚计算公式为：

=

1δ[]mm P D P c

t

i

c 2053

.285.07.13628

.153.22=-???=

-Φσ

式中：c P 为设计压力，根据压力容器设计标准在本试验中其值为MPa 53.2 []t

σ为材料的许用应力

本次所用材料为1Cr17其屈服极限为205=s σMPa ，抗拉强度极限为450=b σMPa

[]7.1365.1205==s σMPa []1503

450==b

σMPa 在式中选用[]s

σ作为本材料的许用应力。 双面含或相当于双面焊的全焊透对接焊缝 100%无损检测 φ=1.0 局部无损检测 φ=0.85 不做无损检测 φ=0.70

单面焊的对接焊缝，沿焊缝根部有紧贴的垫板 100%无损检测 φ=0.9

局部无损检测 φ=0.8 单面焊的环向对接焊缝（无垫板） 局部无损检测 φ=0.7 不做无损检测 φ=0.6

此容器选择焊接方法为双面全焊透，局部无损检测，因此焊缝系数选择为0.85。 实际厚度公式为:c +=1δδ

c 为附加壁厚其值为:21c c c +=

1c 为板材厚度偏差取为mm 1，2c 为材料腐蚀裕量，本结构为微腐蚀其取值为mm 2。

因此筒体实际厚度为：mm 232120=++=δ

2.3封头厚度计算

椭圆封头壁厚计算公式为：

[]mm p D Kp s c

t

i

c 2053

.25.085.07.13628

.153.215.021=?-????=

-=

φσ

式中K=1；

实际厚度为：mm c c s S 23211=++=

2.4标准件的选择

2.4.1椭圆封头的选取

以内径为公称直径选取封头，由计算得到的封头的设计内径为D=1800mm ，根据JB/T 4737—95椭圆封头标准选取椭圆封头如下图：

封头结构示意图（图1）

其参数见下表：

直径Di 厚度δ高度h1 高度h2 质量m

1800 23 450 50 900

表（一）

2.4.2支座的选择：

卧式容器用支座支撑。其中主要有鞍式支座、圈式支座和腿式支座三种。

按座的结构和尺寸，除特殊情况需要另设计外，一般可根据设备的工程直径选用标准形式支座，目前常用的鞍式支座标准为JB/T4712——92。因为卧式贮运罐对于卧式贮运罐，除了考虑容器重量在壳体上引起的弯曲应力，所以，即使选用标准鞍座后，也要对容器进行强度和稳定习性的校核。一般卧式容器最好采用双支座。

根据容器的公称直径DN=1800和鞍式支座标准（JB/T 4712——92）选取支座结构如下图所示：

支座结构示意图（图2）

其具体数据为：

鞍座高度250 底板总长L1:1280 筋板厚度 8

包角角度 120 垫板厚度8 底板厚度12

垫板弧长2100 腹板厚度10 螺栓间距1120

2.4.3视镜的选择：

视镜的标准结构采用带颈和不带颈两种。不带颈视镜结构简单，便于窥视，但缺乏制造经验，容易引起视镜焊后密封面变形，另外在不宜把视镜直接焊在设备上时，也有

带颈视镜供选用。本容器上为带颈视镜(HGJ 502-86).其结构简图如下所示：

视镜结构示意图(图3)

3焊接结构制造工艺

3.1材料的进厂入库检验

结构材料和焊接材料验收合格后，应按企业标准，分别存放在金属材料库和焊接材料库。金属材料主要存放各种钢材、有色金属和外购铸、锻件等，不允许露天堆放。不锈钢板、钢管和有色金属材料，应分别单独存放并妥善保管。

3.1.1 结构材料预处理

钢材进入车间加工之前进行表面预处理是金属结构制造中最重要的首道工序。一搬钢材经过预处理比手工或风动钢丝刷清理钢材耐腐蚀寿命要长5倍多。

钢材的预处理有机械除锈和化学除锈方法两种。

本容器选用GYX-3M钢材预处理装置。利用抛丸机械除锈的先进大型设备，钢材经此处理，并经喷保护底漆，烘干处理等工序后，既可保护钢材在生产和使用过程中不再生锈，又不影响机械加工和焊接质量。

矫正是利用材料的塑性变形能力，在力的作用下，使工件得到正确形状的过程。

钢材的的矫正分手工、机械、火焰等三种矫正方法。本容器结构所选用钢板厚度为23mm，属于厚板。选用矫正方法为机械矫正，选用矫正机型号为：CDW43S（25x2500）；其具体参数见下表：

最大矫平厚度最大

矫平

宽度

最小

矫平

厚度

板材屈

服点

工作辊

辊距

工作辊

直径

工作辊

辊数

矫平速度

主电动机

功率

25 2500 6 360 250 230 9 7 90

CDW43S板材矫平机数据（表二）

3.2 放样、划线与号料

放样、划线与号料是决定焊接坯料形状与尺寸公差的重要工艺，亦是焊接结构过程主要质量控制点之一。

放样是在制造金属结构之前，按照设计图样，在放样平台上用1：1的比例尺寸，划出结构或者零件的图形和平面展开尺寸。号料和划线采用划针或者磨尖的石笔、粉线作线。

3.2.1 筒节下料

筒节的划线是在钢板上划出展开图。筒节的展开计算比较简单，即以筒节的平均直径为基准。由于钢板在卷板机上弯卷是受辊子的碾压，厚度会减薄，长度会伸长。因此，下料尺寸应比计算出来的尺寸短一些。筒节展开长按下式计算：

()L D L D L i m ?+=?-=-S ππ

式中 -L 筒节展开式，mm -m D 筒节平均直径，mm -i D 筒节内径，mm -S 板厚，mm -?L 钢板伸长量，mm 通常()i

m

D S

D L π12.0~10.0=? 所以将数据带入公式可得：

()()mm L D L D L i m 57141023180014.3-S =-+?=?+=?-=ππ

由于单个筒节是由两个半圆筒焊接而成的，因此筒节下料单个钢板的长度为：

mm 2857 其实具体尺寸为（长x 宽x 高）:mm 2312002857??

筒节钢板的下料选择机械剪切下料。常用的机械剪切下料多采用圆板剪和龙门剪板机，而以龙门剪板机的应用最为广泛，通常只能做直线剪切。 本次选择的剪板机的型号为：Q11—50 x3200型。其具体参数见下表：

最大板厚 最大板宽 板料强度 喉口深度 剪切角度 可剪次数

行程次数

飞轮转速

刀片

长度

50

3200

490

700

5

4/min 8/min 82r 4080

Q11-50x3200型剪板机（表三）

3.2.2 封头的下料

封头的展开较筒节复杂，有些封头如椭圆封头、球形封头和折边锥形封头，属于不可展开的零件，它们从坯料制成零件后中性层尺寸发生变化，因此这类零件的坯料计算较为复杂。

本结构选择的封头为椭圆形标准封头，其毛坯展开尺寸计算公式为：

0102223.1hK d D +=

式中-0K 封头冲压成形拉伸系数，通常取0.75；

mm hK d D 227675.05021800223.12223.1010=??+?=+=

封头由于其尺寸较大，且其形状为圆形，不能使用龙门剪板机。所以对封头的切割选择火焰切割。气割机型号为：FG-4000

切割最大厚度 切割最大直径 切割速度 升降速度 升降最大距离 进给速度 回转速度 回转角 100

4000

50～780

2800

1500

50～780

1200

45

封头气割机参数（表四）

3.3 成形和弯曲加工

大多数焊接结构，如锅炉、压力容器、船舶、车辆、桥梁及起重机的许多构件，为了达到产品设计图样形状的要求，在焊接之前都经过成形加工。成形工艺包括冲压、卷

制、弯曲和旋压等。

3.3.1 筒体的卷制成形

圆筒形和圆锥形构件，都是采用不同厚度的钢板卷制而成。卷制成形通常在三辊筒或四辊筒卷板机上进行的，实际上是一种弯曲工艺。卷筒可以分为热卷和冷卷。通常对厚度小于60mm的钢板可采用冷卷；本次设计的容器筒体钢板厚度为23mm，因此选择冷卷。卷板机型号为：CDW11-(数控制上调式)25x4000。其具体参数为：

最大卷板宽度最大卷板厚度最小卷筒直径电机功率外形尺寸4000 25 275 45 9x1.6x1.79

对称式三辊卷板机参数（表五）

钢板在卷板机上卷制时，钢板的两端总有一段长为a的直边无法卷制，其长度取决与两下辊的中心距。为消除此剩余直边，在钢板卷圆钱应作板边预弯曲。通常采用水压机在专用模具上预弯。

3.3.2 封头的冲压成形

封头成型法主要有冲压成型法、旋压成型、爆炸成型等三种方法。冲压成型就是用水压机或油压机借助冲模把毛坯冲压成所需形状。其成型质量好，生产效率高适用于批量生产。由于冲压过程毛坯塑性变形较大，对于壁厚较大或冲压深度较大的封头，为了提高材料变形能力，保证封头成型质量，一般都采用热冲压成型。由于本次所选用的封头壁厚为23mm，壁厚较大，因此封头的冲压成形选用热冲压一次冲压成形。选用液压机型号为：125T油压机。

其具体参数为：

工作行程垂直速度空程速度回程速度工作台尺寸使用介质200 10 80 120 3000x2900 20号机油

油压机参数（表六）

3.4 坡口加工

焊接接头坡口形状和几何尺寸的设计，应遵循以下原则:

（1）保证焊接质量（2）坡口加工简易（3）便于焊接加工（4）节省焊接材料

3.4.1 筒体纵焊缝坡口加工

筒体是由钢板卷制而成，其边缘部分由于变形和冷作硬化作用其性能已发生变化，不能满足设计要求，应此需将此区域除去。筒节卷制成形后，按图样规定的筒体名义直径测量筒节的实际周长，并划二次线，割去余量后按焊接工艺要求加工坡口。

筒体的纵缝的焊接采用双面埋弧焊，根据埋弧焊坡口加工要求其坡口形式为双面V 形坡口，即X形坡口。具体尺寸如下：

纵缝对接坡口（图4）

根据具体尺寸，可选用HP-10系列坡口加工机。

3.4.2 筒体环焊缝坡口

压力容器筒身环焊缝坡口形式，取决于其壁厚及所选用的焊接工艺方法。对于薄壁容器，壳体环焊缝多采用V形坡口；而对于厚壁容器壳体环焊缝，为了减少焊缝的横截面，通常采用U形坡口。对于此次所设计的容器，属于厚壁型。其环焊缝包括筒节对接焊缝和筒体与封头的对接焊缝，都采用相同的坡口形式。如下图：

环焊缝坡口示意图（图5）

该类型坡口可采用半自动切割机加工，生产经验表明，如果坡口的加工尺寸不符合图样的要求，且严重超差，则必将导致各种焊接缺陷的形成。

4装配与焊接

在各类焊接结构生产中，装配焊接是决定产品最终质量的关键性工序，是质量保证体系中重要的质量控制点。为此，生产企业必须为每一部件编制装配工艺卡，为每一中接头编制焊接工艺规程。

4.1部件焊接

筒体压力容器结构复杂，拥有较多的部件，为了达到设计的要求必须采用合理的部件焊接顺序和总装顺序。根据具体要求，本次设计的焊接顺序为：首先是单个筒节的焊接，其次是筒节间的对接，然后是筒体与封头的连接，最后是接管、支座等相关构件的焊接。

4.1.1 筒节的装配与焊接

筒节纵缝的焊接工艺方法需根据壁厚和材料本身的性能选定的。壁厚50mm以下的筒节纵缝，通常采用单丝或多丝埋弧焊。本次焊接材料为1Cr17,属于铁素体不锈钢，其具体成分为：

C Si Mn S P Cr Ni

≤0.12 ≤0.75 ≤1.00 ≤0.03 ≤0.035 16～18 0.6

1Cr17化学成分（表七）

筒节钢板的壁厚为23mm，属于较厚板材，为了确保焊接质量和提高焊接效率，选择埋弧焊作为筒节纵焊缝的焊接方法。

埋弧焊具有以下优点：

1 焊接效率高

2 焊缝质量优异；

3接头坡口制备简易；

4 改善焊接环境；

焊接材料和参数的选择

影响埋弧焊焊接质量的主要参数有：焊接电流、电弧电压、焊接速度、电流种类及其极性等。

根据板厚和所开坡口形式，埋弧焊的焊接工艺参数为：焊接电流680A ，电弧电压39V, 焊接速度25m/h, 电流种类为直流电，极性为直流反接；在焊缝的两端需添加引弧板和收弧板，以获得相同质量的焊缝。

根据母材成分，和焊缝等强原则，埋弧焊所选用的焊丝牌号为：H1Cr17焊剂牌号为：HJ260 焊丝直径为5毫米。焊机的选择为MZ---1000型埋弧焊机。它是根据电弧电压反馈调节原理设计的变速送丝式焊机，有交流和直流两种，适合与焊接水平位置会与水平面倾斜不大于15度的开坡口和不开坡口的平板对接、角接和搭接的焊缝，借助于轮胎或滚轮架等辅助设备也可以焊接圆筒件的内、外焊缝。

焊件的装配不仅要求组件的尺寸与配合符合设计图样的要求，而且要保证接头的装配及定位焊缝的质量符合工艺规范的要求。对于筒节的焊接，可将卷制好的板材放置在滚轮架上，并与其他夹具相配合以保证结构的精度。

4.2 筒体环焊缝的焊接

环焊缝包括筒节的对接和筒体与封头的焊接。由于筒体和封头的壁厚材料都相同，可采用相同的焊接工艺进行焊接。

薄壁容器筒体环缝，可以采用焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊机等离子弧焊等。壁厚大于20mm的筒体环缝，通常采用埋弧焊，可以达到较高的焊接效率。厚壁容器筒体环缝的焊接，基本上都是采用单丝或双丝埋弧焊。

根据筒体材料1Cr17和壁厚23mm，焊缝坡口如图5所示。

坡口类型为单侧U形坡口，其正面采用埋弧焊，反面采用手工电弧焊。

焊机可和纵缝一样选择MZ—1000型埋弧焊机，埋弧焊丝型号为H1Cr17 焊剂牌号为HJ260焊丝直径为4mm；手工电弧焊焊条型号为 E 347—15 牌号为 A137；

焊接参数选择为：焊接电流500A ，电弧电压34V，焊接速度40m/h，焊接电源为直流电，采用直流反接。

4.3容器壳体接管的焊接

由于化工工艺流程或工作介质循环的需要，在压力容器壳体上，总需要设置各种不同直径的接管。本次设计的卧式储罐上附件主要有：人孔与法兰、进料口、出料口、视镜、液面计等。这些接管的焊缝质量往往是决定容器运行特性和使用寿命的重要因素之

一。因此必须重视接管焊接及相关工序的加工。

接管焊接工艺方案有两种：第一种是每个筒节焊接和无损检测合格后，或者若干筒节相接并无损检测合格后，进行划线、钻孔、割孔，再装焊接管；第二种是容器壳体总装焊接并无损检测合格后，整体划线、钻孔、割孔再装焊接管。接管组装方案的选择，取决于接管的数量规格、布置方式，以及壳体本身的总长和重量；同时也取决于容器生产单位的厂房设施、工艺装备和加工能力等。

为装焊接管，在筒体或封头上必须按图样所标位置和尺寸划线、开孔。开孔可采用钻削、扩孔、气割、镗孔等方法加工。通常直径在100mm以下的管孔，可采用钻、扩加工；而直径在100mm以上的则采用手工或自动切割；

接管焊缝的接头和坡口形式，取决于容器的工作参数。本容器为中压容器允许才用局部焊透的坡口形式。

根据以上原则，筒体上的接管中直径大于100mm的只有人孔与法兰的接管，其公称直径为500mm，接管壁厚为15mm；其余接管直径都小于100mm；

应此对大直径的人孔接管采用马鞍形管自动切割机进行开孔，根据材料和壁厚其坡口形式如下图所示：

人孔接管坡口示意图（图6）

由于接管直径较大为了提高生产效率和保证焊接质量焊接采用埋弧焊；

对于其他直径小于100mm的接管，由于其直径较小，可以采用局部焊透。焊接方法也应选择手工电弧焊，以适应在小范围内的焊接。

4.4支座组焊

本课设卧式设备采用鞍式支座。在底板上划好线，焊上腹板和纵向立肋，组焊时需保证各零件与底板垂直。然后将弯制好的托板与腹板和纵向立肋组焊，最后，将支座组合件焊在筒体预先划好的支座位置线上。

5焊后热处理

1Cr17为典型的普通纯度高铬铁素体不锈钢，其焊接特点就是在焊接过程中可能导致焊接接头的塑性、韧性降低即发生脆化的问题，如果在950度以上停留时间果长，会引起热影响区晶粒急剧长大，导致焊接接头的塑性和韧性下降，当接头的刚度足够大时，在室温的条件下可能出现脆裂。所以要控制高温停留时间，来选用焊接参数。在焊接工艺上应采用以下措施：

1、焊前预热 100～200°C 左右。

2、焊后热处理 750～800°C退火处理。

3、采用小的热输入。

6 焊件的质量检查

6.1焊接接头的无损检测

焊接接头无损检测的作用，是探测目视检查不能发现的的各种缺陷。例如：焊缝表层的微裂纹，夹渣，以及各种内部缺陷。焊接接头的无损检测方法有:磁粉检测、渗透检测、涡流检测、超声波检测和射线检测等。

X射线检测是一种波长短，能量大，穿透能力强的电磁波，由胶片观察缺陷的位置、形状、大小及分布情况；可发现的缺陷为：气孔、夹杂物、未焊透、未熔合等。

超声波探伤检测利用声波通过对有缺陷的金属时会有不同的渗透性。根据讯号指示可测定缺陷的位置、大小和分布情况；可发现任何部位的气孔、夹杂、裂缝等缺陷。

6.2致密性检验

储存液体或气体的焊接容器，其焊缝的不致密缺陷，如贯穿性的裂纹、气孔、夹渣、未焊透等，可用致密性实验来发现。致密性实验法有:水压试验、气压试验和煤油试验。

6.2.1水压试验

水压试验常被用来检查管子、油箱、水箱以及各种容器，目的是测定这些容器的水密性的构件在承受一定压力下的致密性。具体方法：

（1）用水把容器灌满，并堵塞好容器的一切孔和眼，用水泵把容器内的水压提高到技术要求规定的数值，在此压力下保持一段时间，然后把压力降低到工作压力，用圆头小锤在距焊缝15-20处沿着焊缝轻轻敲打；

（2）用水将容器灌满，不加压力，检测是否漏水；

（3）在焊缝的一侧用高压水流喷射，而在焊缝的另一侧观察是否漏水。

若在焊接接头上发现有水滴或细水纹，则表面焊接接头不致密。

6.2.2 气压试验

（1）将压缩空气通入密闭的容器内，在焊接接头表面涂抹上肥皂水；

（2）较小的容器可全部进入水中；

（3）用压缩空气对着焊缝的一面猛吹，焊缝的另一面涂上肥皂水。

当焊缝有穿透性的缺陷时，容器内的气体就会从这些缺陷中逸出，使焊接接头处的肥皂水起泡或浸在水中的容器冒水泡，表面焊接接头不致密。

6.2.3 产品焊接试板的力学性能检验

按相应的标准或产品技术条件的要求，截取拉力、弯曲、冲击试样。截取的最好方

法采用铣、锯等机械加工方法。试样的加工和试验，应严格按相应的国家标准来执行。

7 焊接结构的涂装和发运

焊接结构的涂装是成品出厂前的最后一道工序。它是在运输、安装和使用过程中，防止大气腐蚀和意外碰撞而受损的重要措施。产品涂装不仅决定产品的表面质量，而且也可以反映生产单位的企业形象。因此，应从涂层选料、颜色、涂刷工艺、以及包装设计各方面采取必要的措施，确保涂装的质量。最后由专职检查员验收入库。

8参考文献

【1】中国机械工程学会焊接学会编。焊接手册机械工业出版社

【2】压力容器制造和修理。压力容器实用技术丛书编写委员会

【3】熔焊方法及设备。沈阳工业大学王宗杰主编