循环氢分液管封头制造Word格式文档下载.docx

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a）封头的展开计算：

因为该筒体主要受内压作用，所以采用封头厚度按内压计算公式为

δ=pcDi/（4［σ］tφ-pc）（1-1）

查碳素钢和低合金钢钢锻件许用应力知［σ］t=185Map

查钢制压力容器焊接接头系数表，采用双面焊对接接头和相当于双面焊的对接接头，焊接接头系数：

φ=1.0

封头为半球形封头，计算公式为：

δ=pcDi/（4［σ］tφ-pc）

=15.2×

1625.71×

2/（4×

185×

1-15.2）

=68.19mm

腐蚀余量：

C2=6mm

设计厚度：

δd=δ+C2=68.19+6=76.19mm，小于封头的厚度为78mm，满足条件，根据钢材规格，选择封头名义厚度为80mm。

由于球形封头属于不可展的零件，但生产中冲压加工或旋压加工是毛坯料展开后的图形都为圆形，所以只需要求出展开后的半径或直径即可,采用经验法进行计算。

Do=KDm+2h（1-2）

Do——包括了加工余量的展开直径；

K为经验系数

Dm——中性层直径

H——封头的直边高

经查表，由球形封头a：

b=1，所以K取1.42，由总图可知，Dm=2*1625.17+80

=3331.42mm,h=0，因此Do=1.42*3331.42=4730.62mm。

所以，内径1625.17*2=3250.34mm半球形封头整体展开尺寸为直径4730.62mm，厚度80mm，还要注意考虑加工余量和减薄量。

由标准钢板的规格限制以及展开计算可以得知，需要三块钢板，因此采用拼焊缝技术。

右封头过渡层堆焊完毕检验合格后整体做消除应力热处理。

b）号料

将展开图正式画在钢板上的作业称为号料，号料时应注意以下问题：

加工余量

加工余量主要包括变形余量，机加工余量，切割余量，焊焊接工艺余量等。

由于实际加工制造方法，设备，工艺过程等内容不尽相同，因此加工余量的最后确定是比较复杂的，要根据实际情况来确定。

查资料知：

焊缝坡口间隙

双U型坡口，0～2㎜

边缘机加工双边余量

根据加工长度，查表10㎜

切割余量

钢板切割加工，查表14㎜

焊缝收缩量

对接接头双边焊，3～4㎜

划线公差

保证产品符合国家制造标准，取1㎜

但由于此精致反应器的上部球形封头最终下部切削量大，所以不考虑加工余量。

最终确定毛坯外径为4760mm。

②排样

样板或零件在钢材上如何排列对钢材的利用率影响很大，应尽可能紧凑的排列，充分利用钢板。

③打标记

划线完成后，为保证加工尺寸精度及防止下料尺寸模糊不清等，在切割线、刨边线、开孔中心及装配线等处均匀打上冲眼，用油漆标明标号、产品工号和材料标记移植等，以指导切割，成型，组焊等后续工序的进行。

5）切割

按照所划的切割线从原材料上切割下零件毛坯，该工序称为切割，常用方法有机械切割（锯床、圆盘剪板机等），热切割（氧气切割、等离子切割等）。

a）气割的实质是金属在氧气中的燃烧过程，它利用可燃气体和氧气混合燃烧的火焰，预热被切割金属表面，并使其成活化状态，然后送进高纯度、高速度的切割氧流，使金属在氧气中燃烧生成金属氧化物熔渣，并放出大量的热量，借助这些燃烧热和高温熔化的热传导不断加热切割金属，直至工件底部同时借助高速氧流把燃烧生成的氧化物熔渣吹除，再由被切割工件与割炬相对移动形成切缝。

b）等离子切割技术是通过一束细长、高温且高速的流体的加热和冲击切割。

故它不受物性限制，能切割任何材料，可切金属也可切非金属；

利用等离子体，既有高温（18000～30000K）,又有冲力的特性，来熔断材料的技术称等离子切割。

由于等离子切割的成本是目前设备制造用到的几种切割方法中最贵的一种，主要用于气割无法应用的不锈钢、铝、铜等工件。

6）边缘加工

边缘加工是将工件的端面或边缘加工成符合工艺要求的形状和尺寸的加工工艺，对下料后的主要目的是：

a）消除前道工序加工所产生的加工硬化和热影响区。

b）根据工艺要求完成坡口加工。

c）消除装配、焊接工件边缘或自由边的各种缺陷，以提高结构的整体质量。

d）提高结构的表面质量，也可以为产品的后期制作创造条件。

首先，按照划线切割余量，消除切割时边缘可能产生的加工硬化、裂纹、热影响区及其他切割缺陷；

其次，根据图样规定，加工各种形式，尺寸的坡口，通常加工方法有手工加工，机械加工，热切割加工。

7）封头的拼接设计

由于直径很大，材料尺寸不够，所以必须采用拼接钢板，然后进行整体冲压。

压力容器拼板缝一般都是在平板状态下完成的，焊接条件比较好，焊接坡口采用双u型。

由于厚度为80mm，封头拼缝宜采用焊条电弧焊+埋弧自动焊组合，拼接焊缝的位置应符合有关标准的要求，即拼缝距封头中心不得大于1/4公称直径，拼接焊缝可预先经无损检测合格，这可避免冲压过程中坯料从焊缝拼接处撕裂的可能，坯料余缝高如有碍成形质量，在成形钱可打磨至与母材平齐，必要时应做表面检测。

流程如下：

a）备料

原材料检验→喷砂UT检测→标准移植→

气割下料→刨削拼接坡口→预组合并在大型立车上夹紧→

车削外圆边缘坡度→在龙门刨床上精加工拼接焊缝坡口

b）拼接

组对焊接（组对时在特制的装有预热装置的场地上进行）→预热温度200℃±

30℃→检验：

包括焊缝的PT、RT检测以及焊缝和热影响区的硬度试验→加热→冲压→测定成形后各部位实际厚度→焊缝及热影响区内外表面MT→整个球面进行UT→正火+回火（带焊接试板）→试板力学性能试验→精加工环向端面→球壳内壁用砂轮打磨光滑呈金属光泽→清洗内表面→在专用的焊接变位器上夹紧、找正→在球壳壁安装远红外电加热及保护层→

通电加热，使球壳温度≥100℃→进行第一层（过渡层）带极板堆焊和球底中心部位的焊条电弧堆焊→打磨焊接接头部分

c）焊接后处理

堆焊层表面PT（抽查30%面积）→UT检测（也抽查30%，以烙带搭接为主）→消除应力热处理→表面清洗，不得有油污等影响继续堆焊质量的杂物→堆焊第二层（耐蚀层）不锈钢（包括焊条电弧焊堆焊）

d）检测

铁素体测定100%PT→100%UT→测量堆焊层厚度→加工环向坡口→所有坡口的碳钢部分进行MT→清洗坡口表面→组对接管→球壳接管周围适当预热→焊接→焊接铁素体测定→焊缝表面PT→与筒体组对焊接

8）焊接操作

我们常用的焊接方法有：

手工焊、氩弧焊、埋弧焊。

a）手工自动焊的最大优点是设备简单，应用灵活、方便，适用面广，可焊接各种焊接位置和直缝、环缝及各种曲线焊缝，尤其适用于操作不变的场合和短小焊缝的焊接；

对焊接金属的最大厚度没有限制，在狭窄空间焊接的场合比较方便使用；

与气体保护焊相比不受到风的影响，在大多数天气情况下都可以进行。

不适合焊接厚度小于1.5mm的薄板，频繁的更换焊条也增加了缺陷的产生，每根焊条都不能被充分利用。

b）埋弧自动焊具有生产率高、焊缝质量好、劳动条件好等特点；

焊剂层对焊缝金属的保护好，节约钢材和电能。

但是适应能力差，只能在水平位置焊接长直焊缝或大直径的环焊缝。

c）气体保护焊具有保护效果好、电弧稳定、热量集中等特点。

综合考虑，由于进行的是双面焊接，手工电弧焊设备简单，操作方便，适应全位置焊接的特点，因而内面采用手工电弧焊。

而外面为加大熔深，提高生产效率，采用埋弧焊。

最终确定焊接方法为：

手工电弧焊+埋弧焊。

这里采用手工焊+动埋弧焊组合，拼板装配好后，先用手工电弧焊点焊，点焊长25mm，间隔100mm，用φ5mm的J507点焊，直流反接，电流280A。

点焊后采用埋弧自动焊焊接外侧，焊接材料用φ6mm的H08MnA，焊剂采用HJ431，直流反接，采用多层焊，第一层焊时范围要小些，以防止焊后变形，外侧焊完后用碳弧气刨清根，之后才用埋弧焊焊接内侧，焊接参数见表2-4

表2-4焊接参数表

焊接位置

焊接电压（V）

焊接电流（A）

焊接速度（cm/min）

正面

30-32

350-400

26-28

背面

封头上的所有拼接焊缝为A类焊缝，受力最大，要求不论是单面焊还是双面焊，应全部焊透。

焊接结束后采用100%的RT检测，Ⅰ级合格。

d）焊接工艺

原材料入库——原材料复验--外观检验、几何尺寸检验、理化检验和钢板的超声波探伤，有时可委托钢厂进行，其中超声波探伤结果按ZBJ74003-88《压力容器用钢板超声波探伤》规定的质量分级，应不低于Ⅲ级。

划线及标记——钢印标记、板材矫平、划线、钢印移植

下料——对于直边用剪切；

曲线边用气割；

对于不锈钢和有色金属，气割用等离子弧；

对于特厚板材，若剪切困难则用气割。

边缘加工——用刨边机加工双U形坡口。

用机加工方法进行边缘加工或开坡口，其中牛头刨和龙门刨进行直线加工,用立车或大型普通车床进行圆弧轮廓加工；

用刨边机刨边和开坡口。

核对坯料的几何尺寸——拼接——修平焊缝——压浅牒形——热压成形——修整并去氧化皮——无损探伤——边缘加工及坡口——孔加工

e）坯料的拼接

采用三张板拼成一个封头毛坯，当封头由两块或由左右对称的三块钢板拼焊而成时，焊缝至封头中心的距离e≤Dg/4。

选择钢板规格：

5000×

1800×

80,5000×

2000×

80具体排料如拼接图2-1所示。

经一系列工序后，得到一处理后的圆形封头板坯。

图2-1封头拼接方式图2-2封头拼接焊接

拼接坡口及焊接顺序如图2-2所示，坡口加工使用龙门刨。

为了防止焊接变形，应按图中顺序号1~4进行反翻身焊接。

焊接顺序2时要挑焊根。

预热≥200℃，采用自动埋弧焊，焊丝H08MnA、焊剂HJ431。

按焊接工艺加工拼缝坡口形式，坡口形式如图2-2，焊后及时消氢处理，300~350℃,2h。

100%UT、100%MT，一级合格。

封头内表面焊缝修磨与母材平齐，外表面修磨圆滑。

f）板坯加热和热处理

该材料最佳热冲压温度为920~950℃，温度低于920℃要停止冲压，否则容易引起材料的脆化。

热冲压后，封头要进行正火＋回火处理，焊接试板﹑母材试板同炉热处理。

检查内容：

测厚δ≥75；

拼接焊缝：

100%RT，JB/T4730-2005Ⅱ级；

100%UT，JB/T4730-2005I级；

封头外表面及焊缝100%MT,JB/T4730-2005I级；

母材试板检验（化学成分和力学性能检验）；

焊接试板检查（保留一半，待整体热处理后再检查），按JB4744-2000进行常温拉伸试验、高温拉伸试验、冷弯试验、热影响区的硬度值HB≥240。

图2-3热冲压加热示意-1廓加工；

用刨边机刨边和开坡口；

_________________________________________________________________________________图

对于有缺陷的位置要进行修复，修复完成之后要再进行X-射线检测。

热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热、冷却两个过程。

这些过程互相衔接，不可间断。

加热时热处理的重要工序之一。

无损检测：

封头是主要受压元件，应进行100%探伤，即100%RT，100%UT检测。

对该整体冲压成形的半球形封头对接焊缝可进行局部射线或超声检测。

3成形工艺设计及相关计算

3.1板坯加热

1）封头冲压时，板坯塑性变形很大，且为厚壁高压封头，δ/Do×

100=80/4370.62×

100=1.69≥0.5故用热冲压。

选择方法参见表3-1

表3-1冲压方法选择

冲压状态

碳素钢，低合金钢

合金钢，不锈钢

冷冲压

δ/Do×

100＜0.5

100＜0.7

热冲压

100≥0.5

100≥0.7

2）冲压前，把板坯加热至始锻温度放在压力机上冲压，到终锻温度时停止冲压。

毛坯热冲压的加热温度的选择，从降低冲压力和有利于钢板变形考虑，加热温度可高些，但是温度过高会使钢材的晶粒显著成长，甚至形成过热组织，是钢材的塑性和韧性降低，严重时会产生过烧组织，毛坯冲压可能发生碎裂，因此合理选择加热温度是很有必要的按照常用封头材料的加热规范表可以得知,如表3-2所示

表3-2常用封头材料的加热规范

封头热

成形加热

装炉

温度℃

加热

速度℃/H

均热后

保温时间

冷却方式

≤850

≤200

950+/-20

30分钟

出炉冲压

3）冲压加工常用的润滑剂

润滑剂选取石墨粉+水

4）冲压过程：

将封头毛坯对中放在下模上，然后开动水压机使活动横梁空程向下，当压边圈与毛坯接触后，开动压边钢将毛坯的边缘压紧。

接着上模空程下降，当与毛坯接触时，开动主缸使上模向下冲压，对毛坯进行拉伸，至毛坯完全通过下模后，封头便冲压成形。

对后开动提升缸和回程缸，将上模和压边圈向上提起，与此同时用脱模装置将包在上模上的封头脱下，并将封头从下模支座下取出，冲压过程即告结束。

3.2设备选用及模具设计

3.2.1计算冲压力

计算冲压力时影响因素较多，且冲压过程是变化的较复杂，目前计算冲压力常用下面公式：

P=CKπ（Do-Dw）δσbt（3-1）

C——压边力影响系数，无压边力C=1，有压边力C=1.2

K——封头形状影响系数，球形封头K=1.4-1.6

D0——封头外径，mm

Dw——筒节外径，mm

对于球形封头，压边条件的计算：

采用压边圈是毛坯料只能在压边圈与下模之间滑动，可以防止折皱的产生，而且在有压边圈产生的摩擦力作用下，增加了经向拉应力，也有利于防止封头鼓包的尝试。

因此，确定在什么条件下需要采用压边圈是关系到封头质量好坏的重要因素。

采用压边圈的条件主要决定与Do，Dn，与δ的关系条件如下公式

Do—Dn≥（14～15）δ（3-2）

Do：

毛坯内径，4730.62mm；

Dn：

封头内径，3250.35mm；

δ：

钢板厚度，80mm

Do—Dn=4730.62—3250.35=1480.27＞（14～15）*80=（1120～1200）mm

因此需采用压边圈，故取C=1.2，球形封头取K=1.5,查《化工设备用钢》表9-19，封头材料SA516Cr70，厚度80mm,170℃时抗拉强度бb为245MPa

P=CKπ（Do-Dw）δσbt（3-3）

P=1.2×

1.5×

3.14×

[4730.62-（3200+90×

2）]×

90×

165=113t，封头的冲压成型通常是在50-8000t水压机或油压机上进行，此处选择150t的水压机。

3.2.2模具设计

1）上模（冲头）其结构及主要设计参数

①模直径Dsm

根据封头内径和热冲压的收缩率φ或冷冲压的回弹率φ计算，主材为2.25Cr-1Mo取φ=0.9%。

Dsm=Dn（1±

φ）=1625.17×

2×

（1±

0.9%）=2957.81—3542.87mm

选取3252mm

②上模曲面部分高度

Hsm=hn（1+φ）=（1625.17-288）×

（1±

0.9%）=1216.82—1457.515mm

选取1450mm

③上模直边高度H0

H1—封头高度修边余量，一般为15-40mm,取H1=20mm

H2—卸料板厚度，一般为40-80mm，取H2=50mm

H3—保险余量，一般为40-100mm，取H3=50mm

所以，H=h1+H1+H2+H3=0+20+50+50=120mm

④上模上部分直径Dsm、

Dsm、=Dsm+（2-3）mm=2959.81—3544.87mm

选取3250mm

⑤上模壁厚δ

当水压机吨位小于等于400t时，δ=30-40mm，取δ=35mm

2）下模（冲环）其结构及主要设计参数

①上下模间隙a,附加值z——热冲压时，z=（0.1-0.2）δ=0.18×

80=14.4mm，球形封头取较大值。

a=δ+z=80+14.4=94.4mm

②下模内径Dxm

Dxm=Dsm+2a+Sm（3-4）

Sm——下模制造公差，取Sm=2mm

Dxm=（2957.81—3542.87）+2×

94.4+2=（3148.61—3733.67）mm

③下模圆角半径r

根据经验选取，采用压边圈时

r=（2-3）*δ（mm）=2×

80=160mm

④下模直边高度h1

h1=（40-70）mm，取h1=50mm

⑤下模总高度h

h=（100-250）mm，取h=200mm

⑥下模外径D1

D1=Dxm+（200-400）mm=（3348.61~4133.67）mm

⑦下模座

外径D应大于毛坯直径D0，高度H=h+（60-100）mm，下口内径D2应比与之配套的最大壁厚封头的下模内径Dxm大（5~10）mm

3）压边圈结构及设计参数

主要尺寸如下：

内径Dn、=Dxm+（50-80）（mm）=（3198.61—3813.67）mm

厚度δ、=70-120mm，取δ、=80mm，外径Dw、=D（下模座外径）﹥4370.62mm

3.3封头冲压及其应力分析、典型缺陷分析

3.3.1应力分析

加氢反应器上部半球形封头采用厚板在100t水压机上整体冲压成形，关键条件是有合适吨位、开档、行程的水压机和相应的工装模具，高温加热炉以及合理的冲压工艺。

将毛坯对中放在下模（冲环）上，然后开动水压机使活动横梁空程向下，当压边圈与毛坯接触后，开动压边缸将毛坯的边缘压紧，接着上模（冲头）空程下降，当与毛坯接触时，开动主缸使上模向下冲压，对毛坯进行拉伸，至毛坯完全通过下模后，封头便冲压成形。

最后开动提升缸和回程缸，将上模和压边圈向上提起，与此同时用脱模装置将包在上模上的封头脱下，并将封头从下模支座中取出，冲压过程即告结束。

封头的冲压过程属于拉延过程，在冲压过程中各部分的应力状态和变形情况都不同，处于压边圈下部分的毛坯边缘部分，由于封头的下压力使其经受径向拉伸应力，并向中心流动，坯料外直径减小；

边缘金属沿切向收缩，产生切向压缩应力，会使毛坯边缘丧失稳定而产生褶皱；

常用压边圈将边缘压紧，则在板厚方向又产生压应力，即材料承受三向应力状态。

处于下模圆角部分的材料，除受到径向拉伸应力和切向压缩应力外，还受到弯曲而产生弯曲应力。

在冲头与下模空隙的部分金属材料，仍受径向拉伸应力和切向压缩应力，而板厚方向不受力，处于自由状态；

封头底部的金属材料，径向和切向都受到拉应力，有较小的伸长，所以壁厚略有减薄。

3.3.2典型缺陷

封头冲压时常出现的缺陷有拉薄、褶皱和鼓包等，其影响因素很多，简要分析如下：

1）拉薄碳钢封头冲压后，其壁厚会产生不等程度的变化球形封头深度大，底部拉伸减薄最多。

2）褶皱冲压时板坯周围的压缩量最大，其值为

△L=∏（Dp-Dm）（3-4）

式中Dp——坯料直径；

Dm——封头中径。

封头越深，毛坯直径越大，周围缩短量也越大，周向缩短产生两个结果，一个是工件周边区的厚度和径向长度均有所增加，另一个是过分的压应变使板料产生失稳而褶皱。

板热加热不均、搬运和夹持不当造成坯料不平，也会造成褶皱。

3）鼓包产生原因与褶皱类似，但主要影响因素是拼接焊缝余量的大小以及冲压工艺方面的原因，如加热不均匀，压边力太小或不均匀、封头与下模间隙太大以及下模圆角太大等。

为了防止封头冲压时产生缺陷，必须采用下列措施：

板坯加热均匀；

保持适当而均匀的压边力；

选定合适的下模圆角半径；

降低模具（包括压边圈）表面的粗糙程度；

合理润滑以及在大批量冲压封头时应适当冷却模具。

3.4封头边缘余量的切割及封头开孔

1）用封头切割机来切割封头的边缘余量，工作过程如下：

封头置于转盘上并随之转动；

机架上装有割枪固定设备，装有弹簧使滚轮紧靠在封头外侧，以控制割嘴与封头之间间隙不会随封头椭圆变化而影响切割。

放置封头时，一定要注意放正，让转盘的回转轴尽量和封头的回转轴重合，割前应按照封头的规格、直边尺寸划好切割线，并检查保证割距在整个圆周上正冲切割线。

2）封头开孔

为了连接接管和人孔，在封头上要开孔，这些孔可以先划好线然后用气割切出。

首先在封头上找孔中心，划好中心线并用色漆写上中心线编号，按图纸画出接管的孔，在中心和圆周上打冲印，然后切出孔，同时切出焊接坡口。

装接管或人孔、手孔的孔中心位置的允许偏差为±

10mm。

对直径在150以下的孔，其偏差为-0.5-1.5mm；

直径在150-300mm之间，偏差为-0.5-2.0mm；

直径在300mm以上，偏差为-0.5-3.0mm，开孔可以用手工气割或机械化气割。

4设计封头与筒体的焊接结构，接管焊接结构

4.1封头与筒体的组合焊缝如图所示

由于焊接厚度为80mm，因而需要开坡口，由于厚度比较厚，若开V形坡口的话，产生加大的开口，一方面会浪费很多的焊条，而且焊接较费时间；

若开U形坡口的话，可减小开口，而且U形坡口有利于焊剂的流入，同时可以减小焊接应力，减少裂纹的产生。

因而最终选择U形坡口，形式如图4-1。

焊条的选择焊条的选择主要是考虑焊缝的实用性和施焊的工艺性，焊条选择的主要原则有以下几点：

图4-1封头与筒体焊接图4-2封头与接管焊接

封头与筒体焊接

1）根据被焊金属材料的类型，选择