甲烷化炉炉体封头的制作工艺

1《焊接结构制造》课程设计题目：φ1400×5340甲烷化炉炉体制作工艺设计——甲烷化炉炉体封头的制作工艺专业：班级：姓名：2目录1封头的制作工艺41.116MnR的性能概况错误!未定义书签。1.2封头的制作工艺流程图41.3钢板复检41.4钢板预处理51.5下料61.6拼板焊缝的布置71.7钢板矫正81.8边缘加工81.9拼板的焊接82封头压延模具的设计92.1凸模设计参数92.2凹模的设计102.3压边圈113压延力的计算114封头的压延工艺过程125二次切割133引言容器是指用于储存气体、液体和固体原料、中间产品或成品的设备。根据《压力容器安全技术监察规程》(国家质量技术监督检验检疫总局质技监局锅发(1999)154号)之规定，凡具备下列三个条件的容器统称为压力容器：压力容器是容器的一种，是指最高工作压力p≥0.1MPa,容积v≥25L，工作介质为气体、液化气体或最高工作温度高于或等于标准沸点液体的容器。压力容器按设计压力（P）分类可分为四个承受等级，即：低压容器（代号L）：0.1MPa≤p＜1.6MPa；中压容器（代号M）：1.6MPa≤p＜10MPa；高压容器（代号H）：10MPa≤p＜100MPa；超高压容器（代号U）：p≥100MPa。从压力容器安全技术角度可将容器分为：固定式容器和移动式容器。压力容器有多种结构形式，最常见的结构为圆柱形、球形和锥形三种。压力容器主要由封头、筒体、接管、管板、法兰等部分组成。41封头的制作工艺1.1封头的制作工艺流程图封头的制作工艺流程见图1。图2封头制造工艺流程图1.2钢板复检钢板检验是为了检验所用的钢材是否符合国家标准，相关的技术要求，质量标准和等级标准，主要检验以下几个方面：钢号、化学成分、力学性能、表面和内部缺陷等。1.2.1钢号核对钢材入厂时，检验员应该按厂内的钢材进货要求检查所入钢材是否为本厂要求的同批号钢材，且数量是否足够。1.2.2化学成分检验在钢板上取样之后，对其进行化学成分的校对检验。检验的主要元素是碳，锰，硫，磷。化学分析试验的操作应符合GB223的规定（化学成分表见表1）。5表11Cr18Ni9Ti不锈钢板化学成分﹝质量分数）（%）CSiMnPSCrNiTi0.070.720.820.0280.00817.79.600.461.2.3力学性能检验通过做静负荷试验，来检验钢材的屈服强度，抗拉强度，伸长率，断面伸缩率，硬度，通过动负荷试验来检验钢材的常温冲击（力学性能表见表2）。试样形状、尺寸及试验方法参见GB2649—81、GB2651—81、GB2653—81的规定。表21Cr18Ni9Ti不锈钢板的力学性能бb∕MPaбs∕MPaδ5﹝%﹞ψ﹝%﹞54119740551.2.4缺陷检验钢材的缺陷主要有表面缺陷和内部缺陷两种。（1）检验成品钢材的表面缺陷是指检验其是否在运输中受损，出现严重损伤划痕、沙眼、裂纹等，一般为可见的缺陷。（2）检查所入钢材的内部缺陷是指检查内部是否存在沙眼、气孔、夹渣、裂纹、麻点、疏松等缺陷。一般用超声波探伤。1.3钢板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6行材料划线、下料之前进行表面预处理。表面预处理方法可采用喷丸和喷漆处理1.5下料（1）封头尺寸的计算本次设计采用椭圆形封头。GB150中规定：由封头内直径Di（长轴）、封头曲面深度H和直边高h（为减小封头和筒体的连接应力而设）组成。GB150推荐：椭圆形封头采用长短轴比值为2的标准型。如图2所示。封头的公称直径DN（以内径作为公称直径）DN=1400mm。H=1/4DN=350mm；h=40mm。图2椭圆封头的结构形式坯料直径（包括工艺余量）：Dp=1.211（DN＋δ）＋2h=1.211×（1400＋18）＋2×40=1797.2mmD0取1798mm。（2）直径1400毛坯采用拼焊的方式获得，确定各个环节尺寸后，采用数控切割的方式进行下料加工，编制加工程序，不需要划线，直接在钢板上进行切割，见图2。钢板规格为18×1400×9000。由于有2个封头，故下料需下双份。7图3在钢板上的排版（3）制作加工样板。在变形加工中用来检查工件弯曲形状和角度是否达到要求用的样板或样杆以及用来检查工件质量。1.6拼板焊缝的布置由于直径很大，材料尺寸不够，所以必须采用拼接钢板，然后进行整体冲压。压力容器封头拼板缝一般是在平板状态下完成的，焊接条件比较好，焊接坡口采用V形。由于厚度大于10mm，封头拼缝宜采用焊条电弧焊+埋弧自动焊组合。拼焊焊缝的位置应满足有关标准的要求，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。这可避免在冲压过程中坯料从焊缝缺陷处撕裂的可能。坯料拼缝的余高如有碍成形质量，在成形前应打磨与母材齐平，必要时还应作表面检测。本制作工艺采用18×1400×9000规格的1Cr18Ni9Ti钢板，其拼板见图4。图4拼板示意图81.7钢板矫正钢板切割后在多辊式矫平机上进行矫平。矫平时，钢板在矫平机上下辊压力的作用下，经多次反复弯曲，使钢板得到均匀的拉伸，多种原始曲率逐渐趋向单一，并不断减小，最终得以矫平。1.8边缘加工钢板矫正后，二次号料，然后采用数控切割机进行边缘加工包括坡口的加工。加工坡口时，留取一定的余量，采用机械设备打磨坡口周围因气割形成的氧化膜。边缘加工所用的气割设备和工艺规范与钢材下料时完全相同。其坡口尺寸如图4。图4坡口形式及尺寸1.9拼板的焊接拼板装配好后，先用焊条电弧焊点固，点固长度25mm，间隔100mm，用Φ3.2mm的J507点固，直流反接，电流130A。点固焊后，采用埋弧焊焊接外侧，焊接材料：焊丝采用Φ4mm的H10Mn2A;焊剂采用HJ431。直流反接，采用多层焊，第一层焊是规范要小些，以防止焊后变形。外侧焊完后，用碳弧气刨清根，之后再用埋弧焊焊接内侧。焊接参数见表3。表3焊接规范参数焊接位置焊接电压（V）焊接电流(A)焊接速度（cm/mim）正面30-32.350-40026-28背面30-32350-40030-329图5封头焊缝的类型如图5所示。椭圆形封头的所有拼接焊缝为A类焊缝，受力最大，要求不论是单面焊或双面焊，应全部焊透。焊接结束后采用100％的射线探伤。根据GB150-1998《钢制压力容器》等相关标准进行检验。X射线检验Ⅰ级为合格。2封头压延模具的设计2.1凸模设计参数采用热压模具，且以内径为基准的封头，模具设计时应将回弹量和收缩量取在凸模上，间隙取在凹模上。凸模设计尺寸如图6所示。图6凸模设计尺寸（1）凸模直径DsmDsm＝Dn（1＋δ）=1400×（1＋0.9%）=1413mm（δ为封头热压时的收缩率，直径1400mm的封头δ取0.9%）（2）凸模曲面部分高度HsmHsm＝H（1＋δ）=350×（1＋0.9%）=354mm10（3）凸模直边高度H0H0＝H1＋H2＋H3＋H4=40＋30＋70＋80=220mm（4）凸模壁厚δsmδsm的选取与压力机的吨位有关。压力机吨位≤400kN时，δsm=30~40mm;压力机吨位≥1500kN时，δsm=70~90mm。这里：δsm=80mm。（5）凸模上部直径D0D0＝Dsm＋3=1417mm2.2凹模的设计凹模的设计参数如图7所示。图7凹模尺寸（1）凹模直径DxmDxm＝Dsm＋2δ＋Z=1413＋2×18＋2=1451mm，式中Z为凹模间隙，热压时，取值为（0.1~0.2）δ。（2）凹模圆角半径Rxm经按有关标准计算需要压边圈。因为有压边圈，Rxm=3δ=3×18=54mm11（3）凹模直边高度h1h1＝100mm（4）凹模总高度hh＝200mm（5）凹模外径D1D1＝Dxm＋300=1451＋300=1751mm。2.3压边圈（1）压边圈内径：D'=Dxm＋70=1451＋70=2151mm（2）压边圈厚度：h'=200mm3压延力的计算封头冲压时，压延力的计算常采用经验公式进行，它是正确选择冲压设备的依据。封头冲压时的压延力按下式计算：tbxmp)(DDekF式中：F——压延力（N）；e——压边力影响系数，无压边e＝1，有压边时e＝1.2；K——封头形状影响系数，碟形及椭圆形封头K＝1.1～1.2，球形封头K＝1.4～1.5；Dp——坯料直径1798mm;Dxm——下模直径1451mm;δ——坯料厚度18mm；tb——材料的高温抗拉强度589Mpa。求得F=1.2×1.211×3.14×(1798－1451)×18×589=16787，单位kN。采用压边力，压边力按下式求之：2xmxm2pq)2(41RDDqAqF=0.25×3.14×0.011×[17982－(1451＋2×54)2]12=6928，单位N式中：F——压边力（N）；A——压边面积（mm2）；q——单位压边力（MPa）；对于钢q＝(0.011～0.0165)，热压取小值，冷压取大值。Dp——坯料直径（mm）；Dxm——下模直径（mm）；Rxm——下模圆角半径（mm）4封头的压延工艺过程在封头的冲压过程中，板料的变形很大，对于壁厚或冲压深度过大的封头，若在冷态下冲压，不仅需要较大功率的压力机，而且会使成型后的封头产生严重的冷作硬化，甚至形成裂纹。为保证封头的质量，采用热冲压。对于直径1400mm左右的1Cr18Ni9Ti中厚壁板封头，采用Y32系列四柱液压机，THP32-2000四柱式液压机进行压制，其参数见表4。采用加热后压制（热压）的方法来压制封头，压制成形后，进行二次划线，并借助于焊接回转台进行二次切割。经验收合格后待装配。表4THP32-2000四柱液压机主要参数序号项目单位THP32-20001公称力kN200002回程力kN25003顶出力kN10004液体最大工作压力MPa275滑块最大行程mm20006顶出缸活塞最大行程mm5007最大开口mm24008滑块速度工作mm/s8-18回程mm/s150139顶出速度顶出mm/s35退回mm/s7010工作台有效尺寸左右mm4000前后mm300011电动机总功率KW196.512主机重量Kg15300013全机重量Kg220000先用红外线金面反射炉对拼焊后的毛坯进行整体加热到980℃，然后进行冲压成形加工，保温时间按2min/mm计算。始压温度950℃，终压温度800℃，空冷。然后将毛坯放置在凹模上，并对准中心；放下压边圈，将坯料压紧到合适程度，以保证冲压时使坯料各处能均匀变形，防止封头产生波纹和起皱。开动压力机加压，使坯料逐渐变形，并落入凹模。最后上提脱模板，使封头与凸模脱离。由于成形后的封头在温度降低后会产生收缩，加之凸模受热后又稍有膨胀，因而封头被紧紧的裹在凸模上，使脱模困难。为解决这个问题，需严格控制终压温度，另外，还可以在凹模的圆周方向穿几只活动销来脱模。Dp－Dn=1798mm－1400mm=398mm≤45（45=810mm），为中厚壁封头，用普通模具一次压延成型，不需要特殊措施。5二次切割封头成形后，从新号料。确定尺寸，去除加工余量并加工坡口，另外，封头上有很多孔接盘,需要在封头的不同位置上开出带有坡口的孔，其坡口尺寸见图8。14图8封头与筒体坡口参考文献[1]宗培言.焊接结构制造技术与装配[M].北京:机械工业出版社,2006.8[2]夏巨椹.钣金工手册[M].北京:化学工业出版社,2005.[3]王政.焊接工装夹具及变位机[M].北京：机械工业出版社，1997.[4]王志斌.压力容器结构与制造[M].北京:化学工业出版社,2008.[5]贾安东.焊接结构及生产设计[M].天津：天津大学出版社，1989.[6]于永福.焊接结构制造[M].北京：机械工业出版社，1995.[7]《钢制压力容器》GB150-1998[M].中国标准出版社，1998.[8]江洪,张培耘,江帆.钣金实例解析[M].北京:机械工业出版社,2006[9]陈祝年.焊接设计简明手册[M].北京:机械工业出版社,2006.1.