封头设计说明书.docx

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封头设计说明书

No.:

000000000000043019

一．精馏塔原理.............................................６

二．整体结构分析...........................................6.

三．工艺流程

四．材料准备

1.选材....................................................8

2.材料的净化.............................................８

3.矫形...................................................８

4.板材检验...............................................９

5.划线...................................................９

6.拼板....................................................11

7.焊缝检测................................................11

8.热处理..................................................12

五．封头冲压成型及人孔加工

1.板坯加热.................................................13

2.封头冲压.................................................13

3.人孔加工.................................................14

4.封头边缘余量切割.........................................14

5.环向焊缝坡口加工.........................................14

6.封头检测.................................................14

7.热处理...................................................15

六．总结

过程装备制造与检测

课程设计任务书

学院：

专业：

班级：

学生：

题目：

φ2500精馏塔上封头结构分析与制造工艺设计

课程设计从2013年6月20日起到2013年6月30日

一、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：

1.原始数据：

精馏塔的技术条件：

塔体内径Di=2500mm，塔体高度H=50860mm，设计压力P=0.6MP，设计温度t=200℃，材料06Cr18Ni12Mo2Ti。

上封头标准椭圆型，封头厚度25mm。

2、工作要求：

对精馏塔上封头进行结构分析和材料分析，设计该封头的制造工艺，包括：

制造准备，封头成形，焊接（拼接或与筒体焊接），接管焊接，其中涉及的检测和热处理方法选择等。

3、技术要求：

通过生产现场实习，查阅技术资料等，并利用所学知识完成该工艺设计任务。

二、具体任务：

1、熟悉精馏塔的技术条件和特性参数，进行上封头结构分析、材料分析，上封头草图绘制（方格子）、计算机绘制上封头结构（A3）。

2.、确定上封头的总体生产工艺过程（工艺流程）；

3、封头制造的准备：

包括如钢板的检测和保存，钢板的预处理方法和工艺；展开计算、划线，切割加工等；

4、不锈钢封头成型的注意事项，成形工艺设计及相关计算、模具设计、设备选用等，检测方法选择、热处理方法选择，边缘加工方法等。

5、接管孔的加工以及接管的焊接工艺；6、封头与筒体的焊接结构设计，详细的焊接工艺设计，工艺参数确定以及相应的检测、热处理方法等；

7、绘图要求：

草图一张，计算机绘制封头图1张（A3），模具图1张（A3），加工工序图1张（A3）；

8、编写说明书：

正文12页以上。

指导教师：

日期：

教研室主任：

日期：

一．精馏塔原理

把液体混合物进行多次部分汽化，同时又把产生的蒸汽多次部分冷凝，使混合物分离为所要求组分的操作过程称为精馏。

为什么把液体混合物进行多次部分汽化同时又多次部分冷凝，就能分离为纯或比较纯的组分呢？

对于一次汽化，冷凝来说，由于液体混合物中所含的组分的沸点不同，当其在一定温度下部分汽化时，因低沸点物易于气化，故它在气相中的浓度较液相高，而液相中高沸点物的浓度较气相高。

这就改变了气液两相的组成。

当对部分汽化所得蒸汽进行部分冷凝时，因高沸点物易于冷凝，使冷凝液中高沸点物的浓度较气相高，而为冷凝气中低沸点物的浓度比冷凝液中要高。

这样经过一次部分汽化和部分冷凝，使混合液通过各组分浓度的改变得到了初步分离。

如果多次的这样进行下去，将最终在液相中留下的基本上是高沸点的组分，在气相中留下的基本上是低沸点的组分。

由此可见，多次部分汽化和多次部分冷凝同时进行，就可以将混合物分离为纯或比较纯的组分。

y,H1g;N0c*K（^液体气化要吸收热量，气体冷凝要放出热量。

为了合理的利用热量，我们可以把气体冷凝时放出的热量供给液体气化时使用，也就是使气液两相直接接触，在传热同时进行传质。

为了满足这一要求，在实践中，这种多次部分汽化伴随多次部分冷凝的过程是逆流作用的板式设备中进行的。

所谓逆流，就是因液体受热而产生的温度较高的气体，自下而上地同塔顶因冷凝而产生的温度较低的回流液体（富含低沸点组分）作逆向流动。

塔内所发生的传热传质过程如下1）气液两相进行热的交换，利用部分汽化所得气体混合物中的热来加热部分冷凝所得的液体混合物；2）气液两相在热交换的同时进行质的交换。

温度较低的液体混合物被温度较高的气体混合物加热二部分汽化。

此时，因挥发能力的差异（低沸点物挥发能力强，高沸点物挥发能力差），低沸点物比高沸点物挥发多，结果表现为低沸点组分从液相转为气相，气相中易挥发组分增浓；同理，温度较高的气相混合物，因加热了温度较低的液体混合物，而使自己部分冷凝，同样因为挥发能力的差异，使高沸点组分从气相转为液相，液相中难挥发组分增浓。

6E"V!

U1?

#M4^精馏塔是由若干塔板组成的，塔的最上部称为塔顶，塔的最下部称为塔釜。

塔内的一块塔盘只进行一次部分汽化和部分冷凝，塔盘数愈多，部分汽化和部分冷凝的次数愈多，分离效果愈好。

.l5j2O.A#B1D0Y（~-Q通过整个精馏过程，最终由塔顶得到高纯度的易挥发组分，塔釜得到的基本上是难挥发的组分。

　二、整体结构分析

1）上封头结构

精馏塔上封头可采用整体锻造成型，也可以采用钢板冲压成型。

从工艺及生产条件考虑，上封头均采用冲压成型。

从节约材料及改善受力情况考虑，上封头采用标注椭圆形封头。

上封头的材料均为06Cr18Ni12Mo2Ti。

06Cr18Ni12Mo2Ti不锈钢力学性能

材料

屈服强度MPa

抗拉强度MPa

伸长率%

316Ti

220

520

45

化学成分

C%

Si%

Mn%

P%

S%

Cr%

Ni%

Mo%

Ti%

316L

≤0.03

≤1

≤2

≤0.03

≤0.045

16～18

13.5～16

2.2～3

>6*c%～0.7

06Cr18Ni12Mo2Ti化学成分

三．工艺流程

选择材料——复核材料——净化处理——矫形——划线——分割——成型——组队装配——焊接——热处理——检测

四．封头制造的准备

1.选材

封头的板材选用316Ti（06Cr18Ni12Mo2Ti）。

板材的设计厚度如下计算：

Δd=25×（1+12%）=28mm

其中名义厚度δn=25mm;考虑到板材再冲压过过程中会减薄，所以要加上10%的减薄量。

因为通常在封头曲率大的部位，由于经向拉应力和变形占优势，所以壁厚减薄较大对于椭圆形封头减薄量为10%或13%，一般为10%左右。

再加上腐蚀余量等最后选板材厚度为32mm。

厚度校核:

根据设计压力Pc=0.6Mpa；椭圆形封头内直径Di=2500mm以及材料的许用压力可计算的计算厚度δ

Δ=Pc.Di/（2×[σ]tφ-0.5Pc）

=0.6×2500/（2×134×1-0.5×0.6）=5.6mm

结论：

名义厚度很合理很安全。

2．材料的净化

原材料在轧制以后以及运输和库存期间，表面常产生铁锈和氧化皮，粘上油污和泥土。

经过划线、切割成型、焊接等工序后，工件表面会粘上铁渣，产生伤痕，焊缝及近缝区会产生氧化膜。

这些污物的存在，讲影响设备制造质量，所以必须净化。

在设备制造中净化主要有以下目的：

（1）清除焊缝两边缘的油污和铁锈物，以保证焊接质量。

（2）为下道工序做准备，即是下道工序的工艺要求。

（3）保持设备的耐腐蚀性。

常用的净化方法有：

手工净化、机械净化、化学净化和火焰净化四种。

封头原坯料采用机械净化中的喷砂机除锈。

喷砂是大面积去除铁锈和氧化膜的先进方法。

它是利用高速喷出的压缩空气流带出来的高速运动的砂粒冲击工件表面而打落铁锈和氧化膜的方法。

这种方法主要用于碳素钢和低合金钢的表面除锈。

3.矫形

设备制造所用的钢板、型钢、钢管等，在运输和存放过程中，会产生弯曲、波浪变形或者扭曲变形。

这些变形直接影响了划线、切割、弯卷和装配等工序的尺寸精度，从而影响了设备的制造质量，有可能造成误差超差而成为废品，所以当材料的变形超过允许范围时必须进行矫正处理。

矫正处理的实质是调整弯曲件“中性层”两侧的纤维长度。

最后使全部纤维等长。

调整过程中，可以中性层为准，使长者缩短，短者伸长，最后达到与中性层等长。

如对弯曲的钢板和型钢施以适当的反向弯曲使之矫形。

另外一种方法是以长者为主，把其余的纤维都拉长而达到矫形目的的拉伸法矫形。

主要用于断面较小的管材和线材，如有色金属管拉直，但要注意其延伸率。

常用的矫正方法有手工矫形、机械矫形和火焰加热矫形三种。

4板材检验

对于所选板材在所有加工工序进行之前要进行100%的表面检测，内容包括目视检测、磁粉检测。

目视检测：

直接通过眼睛进行观察的检测方法是一种基本的无损检测方法。

目视检测是一种最方便廉价且有效的检测手段，也是容易被技术人员所忽略的，对于目视检测我们要充分利用。

磁粉检测：

铁磁性材料工件被磁化后，由于不连续性的存在，使工件表面和近表面的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在工件表面的磁粉，在合适的光照下形成目视可见的磁痕，从而显示出不连续性的位置、大小、形状和严重程度。

是一种基本的无损检测方法。

磁粉检测适应于以下情况：

1）适应于能被磁化的材料，不能用于非磁性材料；

2）适应于材料和工件的表面和近表面的缺陷，该缺陷可以是裸露于表面，也可以是未裸露于表面。

不能检测较深处的缺陷（内部缺陷）。

3）能直接的观察出缺陷的形状.尺寸.位置，进而能做出缺陷的定性分析。

4）检测灵敏度较高，能发现宽度仅为1um的表面裂纹。

5）可检测形状复杂.大小不同的缺陷。

6）检测工艺简单.效率高.成本低

对于板材的检测首先是通过肉眼进行直观的观察即目视检测，看板材表面是否有明显的缺陷。

例如：

明显的裂纹（这里指用肉眼可以直接看到的裂纹），明显的鼓包，明显的褶皱等用肉眼可以直接看到的缺陷。

如果发现缺陷板材就不能使用就要换另外的板材，对于目视检测没有问题的进行下一步检测——磁粉检测。

经磁粉检测没有缺陷后才能进行下面进一步的加工。

5.划线

经检测板材没有缺陷后进行划线操作。

划线是在原材料或经初加工坯料上划出下料线、加工线、各种位置线和检查线等、划线工序通常包括对零件的展开计算，号料和打标记等一系列操作。

（1）封头的展开计算

将零件的空间曲面展成平面称为展图，是划线的主要工作环节。

椭圆形封头毛坯尺寸计算，根据面积法进行计算：

相关尺寸：

内径d=2500mm;厚度s=25mmh=50mm

外径Do=2500+2×25=2550mm

理论计算椭圆形封头展开直径

Da=1.19Dm+2h=3015mm

a:

b=2:

1

hn=625mm

Do=2000~4000时压边条件Do-Dn≧（21~22）δ所以采用压边圈

上封头材料：

06Cr18Ni12Mo2Ti

（2）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：

1.加工余量

边缘加工余量3mm

1划线余量

展开得到的尺寸称A展，划线时还应考虑以后加工过程的加工余量，故划线尺寸A划为

A划=A展+△割+△加+△收

式中△割——切割余量，与切割方法有关，一般为2-3mm；

△加——边缘加工余量，与加工方法有关，一般为5mm；

△收——焊缝收缩量，与材料、焊接方法、工件长度、焊缝长度等有关。

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。

（4）切割及边缘加工

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）。

边缘加工：

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。

（5）坡口检测

在拼接坡口加工完成之后，需要对坡口进行无损检测，确保坡口无缺陷后方可进行焊接。

坡口检测包括几何尺寸检测，坡口表面检测及坡口两侧检测。

1）几何尺寸检测

几何尺寸检测为了保证坡口的尺寸，角度的准确性，一般确保在允许公差范围内即可。

2）坡口表面检测

坡口表面应保证平整，使用无损检测方法。

因磁粉检测可检测表面的缺陷，

能直观地显示出缺陷的形状，尺寸，位置，切灵敏度较高，能发现宽度仅为0.1um的表面裂纹，可以检测形状复杂，大小不同的工件，综合考虑，应选用磁粉检测进行坡口表面检测。

3）坡口两侧检测

坡口加工是有可能导致坡口两侧出现缺陷，因超声波检测具有良好的方向

性，强度高，穿透力强，故采用超声波检测来对坡口两侧进行检测。

6拼板

把切割好的零件毛坯通过手工电弧焊焊接成一块完整的板材，为接下来封头的冲压准备好板坯。

零件毛坯的焊接坡口为V字形。

手工电弧焊使用各种各样的方法保护焊接熔池，防止和大气接触。

热能由电弧提供。

和MIG焊一样，电极为自耗电极。

金属电极外由矿物质熔剂包覆，熔剂熔化时形成焊渣盖住焊接熔池。

包覆的熔剂释放出气体保护焊接熔池，含有合金元素用来补偿合金熔池的合金损失。

有些情况下，包覆的熔剂内含有所有合金元素，中部的焊条仅是碳钢。

然而，在采用这些类型的焊条时，需要特别小心，因为所有飞溅都具有软钢性质，在使用过程中焊缝会锈蚀。

7焊缝检测

对于板坯焊接完成之后，要对焊缝要进行X-射线检测，看是否有缺陷，如果有缺陷侧则不能继续加工，如果没有才可进行下一步操作。

此次检测的主要目的是观察焊缝是否有缺陷来判断是否能进行下一步操作。

X-射线检测原理：

利用射线检测时，若被检工件内存在缺陷，缺陷与工件材料不同，其对射线的衰减程度不同，且透过厚度不同，透过后的射线强度则不同。

胶片接受的射线强度不同，冲洗后可明显地反映出黑度差部位，即能辨别出缺陷的形态.位置等。

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，反复进行直到没有缺陷。

检测焊缝区域划分示意图

8热处理

焊后热处理的目的有三个：

消氢、消除焊接应力、改善焊缝组织和综合性能。

　焊后消氢处理，是指在焊接完成以后，焊缝尚未冷却至100℃以下时，进行的低温热处理。

一般规范为加热到200~350℃，保温2-6小时。

焊后消氢处理的主要作用是加快焊缝及热影响区中氢的逸出，对于防止低合金钢焊接时产生焊接裂纹的效果极为显著。

　　在焊接过程中，由于加热和冷却的不均匀性，以及构件本身产生拘束或外加拘束，在焊接工作结束后，在构件中总会产生焊接应力。

焊接应力在构件中的存在，会降低焊接接头区的实际承载能力，产生塑性变形，严重时，还会导致构件的破坏。

　　消应力热处理是使焊好的工件在高温状态下，其屈服强度下降，来达到松弛焊接应力的目的。

常用的方法有两种：

一是整体高温回火，即把焊件整体放入加热炉内，缓慢加热到一定温度，然后保温一段时间，最后在空气中或炉内冷却。

用这种方法可以消除80％-90％的焊接应力。

另一种方法是局部高温回火，即只对焊缝及其附近区域进行加热，然后缓慢冷却，降低焊接应力的峰值，使应力分布比较平缓，起到部分消除焊接应力的目的。

　　有些合金钢材料在焊接以后，其焊接接头会出现淬硬组织，使材料的机械性能变坏。

此外，这种淬硬组织在焊接应力及氢的作用下，可能导致接头的破坏。

如果经过热处理以后，接头的金相组织得到改善，提高了焊接接头的塑性、韧性，从而改善了焊接接头的综合机械性能。

经上述一系列工序后，得到一处理后的圆形封头板坯示图如下：

拼焊封头焊缝位置的规定

五．封头冲压成型及人孔加工

1板坯加热

封头冲压时，板坯塑性变形很大，且为厚壁高压封头，故用热冲压，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，封头毛坯加工工艺如曲线所示。

又因为：

（δ/Do）×100=（25/2500）×100=1.0>0.7

因此选用热冲压

2封头冲压

精馏塔下半球形封头是在50~8000t水压机上整体冲压成形，冲压选热冲压。

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椭圆形封头曲率越大，其拉伸减薄量越多。

（2）褶皱冲压时板坯周围的压缩量最大，其值为

△L=∏（Dp-Dm）

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。

2.冲压模具设计

上模：

上模直径：

Dsm=Dn（1±∮）=500mm

上模曲面部分高度Hsm=hn（1-∮）=1125

上模直边高度Ho=h+H1+H2+H3=180mm

上模上部直径D’sm=Dsm+（2~3）=502~503取502mm

上模壁厚当压机吨位小于400t时δ=30~40

下模：

上下模间隙a=δ+z=22mm热加工是z=（0.1~0.2）δ

下模内径Dxm=Dsm+2a+δm=526mm

下模圆角半径r采用压扁圈是r=（2~3）δ=50~75取60mm

下模直边高度h1=50mm

下模总高度h=200mm

下模外径D1=Dxm+（200~400）=826mm

下模座：

外径D=3200mm

高度H=h+（60~100）=280mm

下口内径D2=Dxm+（5~10）=532mm

压扁圈：

内径：

D`n=Dxm+（50~80）=580mm

外径:

D`w=D=3200mm

厚度：

δ`=80mm

3人孔加工

为了连接接管和人孔，在封头顶部要开孔。

精馏塔的椭圆形封头是封头冲压后再在翻孔模上进行翻孔，此方法在石油、化工上应用较多。

4封头边缘余量的切割

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。

5环向焊缝坡口加工

椭圆形封头与筒体连接处的坡口形式为Y型坡口，以便于与筒体进行焊接；人孔处的坡口形式为V形坡口。

6封头检测

封头成型后要进行检测来判断在加工过程中是否有缺陷，故要对其经行无损检测，在这里我们选用X-射线对其整体进行无损探伤以保证封头的质量。

对于缺陷分为两大类：

一类是：

危害性缺陷，对于危害性缺陷我们一定要处理，处理之后再进行检测直到其符合相应标准为止；

另一类是：

非危害性缺陷，对于非危害性缺陷相应标准规定允许有一定量，但超过了这个量就要进行处理，处理之后再进行检测直到其符合相应标准为止。

注：

压力容器缺陷在同一部位不能修复超过两次。

7热处理

封头成形后，应进行整体热处理。

即高温退火。

在600℃条件下保温8小时。

以消除封头冲压过程中所产生的应力集中，改善封头的机械性能。

热处理完成后应进行下一步焊接，钝化处理。

接管

1.接管孔的加工

由于下封头带有出油口以及人孔等多个孔，因此在冲压时采用预先在毛坯上割出人孔等预切椭圆，然后再热态下进行翻孔冲压。

2.接管与封头的焊接

2．1焊前分析

由于奥氏体不锈钢屈服强度低，接管环焊缝焊接过程中产生的应力大，封头上沿接管焊缝周围母材在焊接应力的作用下将产生塑性变形，封头基体将产生细下凹，影响到接管的端面高度变化，接管的中必将产生倾斜。

同时，薄壁封头的球面上焊接32根接管后，在接管环焊缝应力的合力作用下变形，封头的球顶部分产生下凹。

由于沿接管圆周上的焊缝熔敷金属填充量差异较大，焊接坡口内最大填充金属量与最小量之比约为2.7:

1，产生的焊接应力存在较大差异，在这种应力作用下接管将向填充金属量大的一侧发生严重倾斜。

同时由于所焊的接管长度较长,在焊缝圆周内由于焊接应力的大小差别很大，焊后接管将以熔敷金属量最大处为中心产生C形弯曲变形。

2.2焊接工艺准备

焊接坡口与工装:

为克服焊接过程中封头的变形，我们在封头弯曲成形时为增加封头刚性，为减小接管的倾斜、C形弯曲变形，在预制坡口时，熔敷金属量小的部分预制半V型坡口，熔敷金属量大的部分预制半U型坡口，尽量减少填充金属量的差别。

在焊前，为克服焊接应力引起的接管焊缝下凹和封头球顶部分下凹，我们制作了专用控制焊接变形的工装胎具。

2.2.1焊接方法选择

选用热输人量较小的焊接方法，产品施焊采用手工TIG（两层）十手工电弧焊，熔敷金属与基体材料相近。

2.2.2装配

装配时封头侧的坡口钝边留2-4mm厚，增加封头的刚度，同时保证接管的装配位置精度。

接管与封头坡口的装配间隙要尽量小。

2.2.3焊接过程控制

产品焊缝施焊时，要控制道间、层间温度尽量低。

首层焊后，其它各道焊接时采用水冷方法加速焊缝冷却，每道焊缝一次施焊长度尽量短。

为促进焊接应力释放，从焊缝第三层开始对每一道焊道立即对焊缝进行均匀锤击。

焊接过程中合理安排顺序，先在焊缝最终熔敷