压力容器的设计与制造

压力容器的设计与制造 摘 要 我 国 一 直 是 重 工 业 生 产 的 大 国 ， 全 国 各 地 分 布 着 很 多 重 工 业企业，对于以重工 业为主的地方来说，维护设备的安全与稳定运营显得尤为重要。在近几年不断发生的工业事故中，我们可以看到，由于锅炉设备原因而发生爆炸等工业事故的几率占了 50%左右，将近是所有工业事故的一半。由此我们可以看出，锅炉的设计对于工业生产来说至关重要。 夹套罐的应用在锅炉压力容器中非常广泛，夹套罐的设计对于压力有较高的要 求，对于容器罐体、夹套的封头与筒体高度、强 度等方面的设计要求精度很高，所设计的内容是否与各标准相一致，是否达到国家保准，这些都非常重要。 关键词 ：罐体；夹套罐；压力；校核 目录 引 言 . 4 第一章 产品结构以及材料性能 . 6 1.1 产品 结构分析 . 6 1.2 母材性能分析 . 7 1.2.1 材料化学成分及力学性能 . 7 1.2.2 母材焊接性 . 8 第二章 产 品工艺流程以及焊接材料选取 . 9 2.1 产品工艺流程图 . 9 2.2 焊缝位置分布 . 10 2.3 焊前准备 . 10 2.4 钢材预处理 . 11 2.4.1 钢材的矫正 . 11 2.4.2 钢材的表面处理 . 13 2.4.3 表面防护处理 . 13 2.5 内筒的下料和 卷制 . 13 2.5.1 内筒的下料 . 13 2.5.2 内筒的卷制 . 14 2.6 封头的下料和冲压 . 17 2.6.1 封头的下 料 . 17 2.6.2 封头的冲压 . 18 2.7 夹套的下料和成型 . 20 2.7.1 夹套的下料 . 20 2.7.2 夹套的成 形加工 . 20 2.8 焊前准备 . 22 2.9 纵缝焊接工艺参数 . 23 2.9.1 点固焊 . 23 2.9.2 纵缝焊接工艺参数 . 24 2.10 环缝焊接工艺参数 . 25 2.10.1 筒节与封头的装配 . 25 2.10.2 筒节与封头的焊接 . 25 2.10.3 夹套与夹套 封头的焊接 . 25 2.11 焊后检验 . 26 2.11.1 焊接检验程序的设计原则 . 26 2.11.2 X 射线检测 . 26 2.11.3 超声波检测 . 27 2.11.4 涂漆 . 27 第 3 章 压延模具的设计 . 27 3.1 冲压设备 . 27 3.2 设计要求 . 27 3.3 封头压延成形模具的结构 . 28 3.4 封头压延成形模具的设计参数 . 28 3.4.1 凸模设计参数 . 28 3.4.2 压边圈 . 29 3.4.3 凹模设计参数 . 29 结论 . 30 参考文献 31 致谢 32 引 言 压力容器是容器的一种，是指最高工作压力大于等于 0.1MPa，容 积大于等于 25，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。这类结构大都在一定的温度和压力下工作，且相当一部分结构的工作介质或内部充装物为易燃易爆，或具有强烈腐蚀性，或有毒的物质，一旦发生泄露或者断裂破坏，就可能产生灾难性的后果，造成人民生命财产的严重损失。因此，必须保证该类结构在工作和运行中的安全可靠性，必须按照产品设计的技术要求中专门的技术规范来进行制造生产，严格控制质量，并且要由专设机构来进行监督和检查。世界各国对于压力容器的制造和使用都非常重视，均设有专门机构，制定了详细的技术规范和检查标准。 压力容器产业的发展离不开机械、冶 金、石油化工、电脑信息、经济管理和安全防护等诸多工程技术的改革创新，或者说它是在多项新材料、新技术、新工艺综合开发的基础上发展的工业产品。在科学技术不断提高的今天，压力 容 器 行 业 的 发 展 当 然 也 离 不 开 先 进 技 术 的 使 用 。 一 .现代先进设计技术的开发应用 压力容器设计单位必须持有国家质量技术监督部门颁发的相应 类别“压力容器设计单位批准书”。设计人员的资格取证不仅需对应于第一、二类或第三类压力容器的要求，而且还将区分能胜任“按应力分析设计”，或只能担任“按规则设计”。现代先进设计技术在压力容器领域的开发应用，主要是指“按应力分析设计”范畴。除了已较普及的计算机辅助计算（ CAC）和计算机辅助设计（ CAD）外，有待进一步开发的如有限元设计、并行设计、虚拟设计和计算机辅助工程（ CAE）等现代先进技术均将在 21世纪取得不同程度的进展。 二 .先进制造技术理念的推广普及 压力容器制造单位必须持有国家质量技术监督部门颁发的“压力容器制造许可证”，并应建立健全的质量保证体系。但我国已取证的压力容器制造企业的人均 GDP 值和产品附加值都还很低，技术装备、技术素质和管理水平也都很落后。为了面对 21 世纪的挑战和机遇，达到优化产品 质量、降低生产成本、提高劳动生产率、提升国际竞争力，有必要在压力容器产业推广“先进制造技术”理念。所谓先进制造技术（ AMT）是美国在上世纪 80年代提出的新概念，它是一项集具体制造技术与经营管理技术两个层面于一体的系统工程。 AMT 的特点为：以市场为导向，以系统观念、工业工程为指导，以全面数字化技术为依托，合理使用先进技术，精心组织经营管理。作为压力容器的生产模式，主要包含三个技术群，即主体技术群如备料、滚卷、锻压、成形、组装、焊接、热处理、检验测试和压力试验、爆破试验、疲劳试验等； 支撑技术群如自动控制技术、信 息处理技、生产物流技术和标准化规范化技术等；及管理技术群如质量控制、人员培训、市场 电子商务技术和售后服务等。其中尤以焊接（含现场组焊）和热处理两个环节是保证产品质量的关键。当前国内外都着眼于电脑自动化， 特别是自动控制式焊接设备和热处理设备的改进创新更是发展神速，一些便携式自动焊接和热处理设备也已在大型球罐和塔设备等现场组焊中得到推广应用。传统的脏乱差、噪音污染、质量失控的锻焊钣金车间势将退出产业历史舞台。总之，面临着机械制造业全球化挑战和机遇的历史时期，压力容器产业也应尽快提高自己对市场的快速响应能力， 开发节能、节材、绿色制造的成形与改性技术，实现产品和工艺研究自动化。如果还使用落后的生产模式和产业机制将最终被时代淘汰。 而在压力容器的制造过程中对焊接技术的应用是非常重要的。在科学技术飞速发展的当今时代，焊接已经成功地完成了自身的蜕变。很少有人注意到这个过程何时开始，何时结束。但它确确实实地发生在过去的某个时段。我们今天面对着这样一个事实：焊接已经从一种传统的热加工技术发展到了集材料、冶金、结构、力学和电子等多门类科学为一体的工程工艺学科。而且，随着相关学科技术的发展和进步，不断有新的知识融合在焊接 之中。剖析现代的焊接，不难发现其愈发显现出的几大特征： 1、焊接已成为最流行的连接技术； 2、焊接显现了极高的技术含量和附加值； 3、焊接已成为关键的制造技术； 4、焊接已成为现代工业不可分离的组成部分。在工业化发达的美国，焊接被视为“美国制造业的命脉，而且是美国未来竞争力的关键所在”。其主要根源就是基于这样一个事实：许多工业产品的制造已经无法离开焊接技术。 第一章 产品结构以及材料性能 1.1 产品结构分析 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。而直径 2000mm 熔化槽槽体属于圆柱形。其结构简图如图 1-1所示，下面简单介绍其结构特点。 图 1-1 产品结构简图 （ 1）筒体 是压力容器的重要组成部分，由它构成储存物料或完成化学反应所需要的大部分压力空间。当筒体直径较小（小于 500mm）时，可用无缝钢管制作。当直径较大时，一般用钢板卷制或压制后焊接而成，由于熔化槽槽体长 5122 mm所以采用第二种方法。 （ 2）封头 据几何形状的不同，压力容器的封头可分为凸形封头、锥形封头和平盖封头三种， 该罐体属于凸形封头中的椭圆形封头。 （ 3）法兰 法兰按其所连接的部分分为管法兰和容器法兰。用于管道连接和密封的法兰叫管法兰；用于容器顶盖与筒体连接的法兰叫容器法兰，而该罐体的法兰属于容器法兰。 （ 4）开孔与接管 由于工艺要求和检修时的需要，要在石油化工容器的筒体和封头上开设各种孔或安装接管，如人孔、手孔、视镜孔、物料进出接管等。 （ 5）支座 压力容器靠支座支撑并固定在基础上。对于该罐体可采 用鞍式支座。 1.2 母材性能分析 本次罐体所用的材料主要是 16MnR，属于热轧钢，是压力容器的常 用钢。是通过 Mn、 Si 等合金元素的固溶强化作用来保证钢的强度，属于 C-Mn 或Mn-Si系钢。 1.2.1 材料化学成分及力学性能 材料的化学成分主要包括 C、 Si、 Mn 、 S、 P等化学元素，而其力学性能也主要受这几种元素含量的变化的影响而发生变化。 表 1材料化学成分 碳（ C）决定了母材的淬硬倾向和冷裂纹倾向，与碳当量有关。碳当量越大，则母材淬硬倾向和冷裂纹倾向增大。如果碳当量很小，不需要热处理的情况下，焊接性能也非常好。 硅（ Si） 起到固溶强化的作用，增加钢的强度。如果硅的质量分数超过0.6%使韧性不利，使韧脆转变温度提高。 锰 (Mn) 起到固溶强化的 作用，增加钢的强度。如果锰的质量分数超过1.6%，焊接时易出现裂纹，在热影响区还会出现淬硬组织。 硫 (S) 危害性元素。如果锰硫比升高，含碳量降低则不会出 现冷热裂纹。 磷（ P） 危害性元素。对钢材的焊接性有不利的影响。 表 2力学性能 钢号 化学成分（质量分数）（ %） 16MnR C Si Mn S P 0.20 0.200.60 1.201.60 0.035 0.035 钢 号 板厚 /mm 热处 理状 态 力学性能 冲击性能 屈服强度 s/MPa 抗拉强度 b/MPa 伸长率 5（ %） 弯曲 180 温度 / 冲击功 Aku/J 16M nR 6 16 热轧 345 510 655 21 d=2a 室温 27 （横向） 1.2.2 母材焊接性 16MnR属于热轧钢，在焊接时主要注意的问题是冷裂纹的产生和热影响区脆化。 （ 1）冷裂纹 16MnR钢含有少量的合金元素，碳当量比较低，一般情况下（除环境温度低或钢板厚度很大时）冷裂倾向不大。淬硬倾向主要取决于钢的化学成分，其中以碳的作用最明显。可以通过碳当量公式来大致估算 16MnR钢的冷裂敏感性，碳当量越高， 冷裂敏感性越大。国际焊接学会推荐的碳当量公式为 CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%) （ 1-1） (式中的元素符号均表示该元素的质量分数 ) 一般认为 CE 0.4%时，钢材在焊接过程中基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小。 CE=0.4% 0.6%时钢的淬硬倾向逐渐增加，属于有淬硬倾向的钢。 16MnR 的碳当量为 0.4%，所以在焊接过程中焊接热影响区基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小。 （ 2）热影响区脆化 由于 16MnR 钢的 热影响区脆化主要是粗晶区脆化，所以我们只介绍粗晶区脆化，而热应变脆化基本上不发生。 粗晶区脆化 钢材被加热到 1200以上的热影响区过热区可能产生粗晶区脆化，韧性明显降低，这是由于热轧钢焊接时，采用过大的焊接热输入所致。粗晶区将因晶粒长大或出现魏氏组织而降低韧性，焊接热输入过小，粗晶区中马氏体组织所占的比例增大而降低韧性，这在焊接含碳量偏高的热轧钢时较明显。 第二章 产品工艺流程以及焊接材料选取 2.1 产品工艺流程图 筒节制造工艺流程图 钢板的复检预处理下料 钢板的卷制钢板的对中钢板的预弯边缘加工 纵缝装配焊接矫圆 封头制造工艺流程图 钢板的复检预处理 焊接拼接焊缝装配 边缘加工下料 加热压制二次切割 总装配焊接工艺 筒节间或筒节与封头装配环缝焊接附件装配焊接 无损 探伤 消除应力热处理 包装出厂 2.2 焊缝位置分布 主要焊缝位置如图 2-2所示，内筒分为两节有两道纵缝、两道环缝，夹套分为上夹套和下夹套，上夹套有一 道纵缝，下夹套有一道纵缝一道环缝，夹套与筒节间有四道环缝。 图 2-2 焊缝位置分布图 1-筒节纵缝 2-筒节环缝 3-夹套纵缝 4-夹套与筒节环缝 5-筒节与封头的环缝 2.3 焊前准备 焊前准备工作主要包括熟悉图样和技术要求。除了对产品结构、形状及尺寸进行审核和分析外，还要综合考虑与加工制造有关的国家技术标准和规范。压力容器的可靠性与所选用材料有密切关系，首先要考虑所选材料有足够的强度、塑性、韧性及稳定性；其次应具有良好的 冷、热加工性能，尤其保证焊接性良好。 1）生产图纸和工艺 焊前必须熟悉生产图纸和工艺，这是保证焊接产品顺利生产的重 要环节。主要内容如下： 熟悉沥青熔化槽的结构形式、采用的材料种类及技术要求。 熟悉沥青熔化槽的焊接部位的尺寸、焊接接头及坡口的结构形式。 熟悉采用的焊接方法、焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接顺序、焊前预热温度及层间温度等。 熟悉焊后热处理工艺、焊接检验方法及焊接产品的质量要求。 2）材料检验 材料检验包括母材和焊接材料的检验，这也是焊前准备的重要组成部分。 母材检验 母材检验包括焊接产品母材和外协委托加工件的检验。母材检验的内容如下： a 材料入库要有材质证明书，要有符合规定的材料标记符号。要对材料的数量和几何尺寸进行检验复核。对材料的表面质量进行检查验收（如表面光洁情况、生锈腐蚀情况、变形情况和表面机械损伤情况等）。 b 根据有关规定，对材料进行化学成分复验。 c 对母材进行力学性能复验，包括拉伸试验、弯曲试验、脆性试验、断裂试验、蠕变试验等。 焊接材料检验 对焊条、焊丝的化学成分、力学性能（主要指熔敷金属）的 检验 及腐蚀检验等。对焊剂和保护气体的成分和纯度进行检验。 操作人员资格审核 在焊接产品制造之前，必须检查该焊工所持合格证的有效性，包括审核焊工考试记录表上的焊接方法、试件形式、焊接位置及材料类别等是否与焊接产品要求的一致，所有考试项目是否合格。 2.4 钢材预处理 金属材料预处理是指在下料、装配、焊接前，进行矫正、材料表面除锈清理、喷涂防护层和烘干等加工工序。它是提高产品质量，延长产品使用寿命，减少环境污染，提高零件气割下料质量，尤其有利于数控切割机正常工作和设备保养的有效措施。 2.4.1 钢材的矫正 1）钢材矫正目的 钢材在轧制、运输、装卸和堆放过程中，由于自重、支撑不当，或装卸 不良及其他原因，可能会产生弯曲、扭曲、波浪及表面不平等变形。当这些变形超过一定程度时，会给尺寸的度量、划线、剪裁及其他加工带来困难，而且会影响到成形零件的尺寸和几何形状的精度，从而影响到装配、焊接和整个产品的质量。所以划线、下料前应予以矫正。 2）矫正的基本原理 矫正的基本原理是使钢板在外力的作用下产生与原来变形相反的塑性变形，以消除弯曲、扭曲、皱折、表面不平等变形，从而获得正 确形状的过程。对钢材进行的矫平和矫直统称为矫正。 金属材料矫正后的允许变形值与所制造的产品精度有关。一般钢 结构制造的通用技术条件规定，轧制钢材下料前允许偏差如表 2-1所示。在这范围内视为允许可不进行矫正。 表 2-1 号料前钢材变形允许值 钢材种类 变形种类 测量法 变形允许值 简图 钢板 局部不平 平尺 14mm 1m长 f 1mm 14mm 1m长 f 1.5mm 3）钢材的矫正方法 采用十一辊式矫平机对钢板进行矫平。钢板矫平机的工作原理如图 2-3所示，采用多辊对板材进行多次正反弯曲，使其多种曲率逐步变为单一曲率，最终将板材矫正。常用的是 7 11辊的钢板矫平机，辊数最多可达 21辊，钢板越薄，矫平时要求的辊数越多；板材越宽， 要求的辊子直径和长度比越大。为了提高钢板矫平机的工作效率，通常在矫平机两端附设两个滚轮工作台，以便钢材在矫平过程中来回移动。 图 2-3 多辊矫平机工作原理图 1-上 支承辊 2-上工作辊 3-下支承辊 4 -下工作辊 5-导向辊 2.4.2 钢材的表面处理 沥青熔化槽属于类压力容器，在各工序之前应先对钢材表面进行除锈处理，采用喷砂的方法对钢板表面进行除锈，喷砂的工作原理是将砂粒喷射在钢材表面，使氧化皮和锈斑剥离，除锈较彻底，生产效率较高，但粉尘多，劳动条件差，需在要封闭场所进行操作。对厚度在 4mm 以下的薄钢板表面容易造成损伤。 2.4.3 表面防护处理 原材料的表面清理工作完成后，立即进行表面防护处理，以防短期内再度生锈。在钢板表 面喷涂专用防护底漆。表面所加的防护底漆在焊接时无需去除，对焊接质量没有影响。 2.5 内筒的下料和卷制 2.5.1 内筒的下料 内筒总长 4340mm，内径 2000mm，板厚 16mm，内筒的展开按中性层内径展开，由周长公式 L= d=3.14（ 2000+16） =6331mm，查实用钢铁材料手册知，可选用的钢板尺寸为 6500mm 2700mm 16mm，将内筒平均分为两段进行加工，每节内筒的展开尺寸为 6331mm 2128mm 16mm，由于轧制等原因，钢板边缘处厚度不均匀，影响焊接质量，因此，下料时每边需预留出修边余量约 30mm。内筒的展开下料图如图 2-4所示，采用数控火焰切割机进行切割。 火焰切割后用刨边机将每边刨掉 5mm，以消除割口组织的变化对焊接接头质量的影响。 图 2-4 内筒展开图 （图中虚线为选用板材尺寸，实线为内筒展开尺寸） 2.5.2 内筒的 卷制 钢板的卷制是对已经按尺寸要求剪裁下料，并经边缘加工后的板材实施弯曲的工艺方法。 1）卷板机的工作原理 卷板机的主要结构形式分为三辊、四辊及立式卷板机。本设计采用对称式三辊卷板机进行钢板的卷制。 对称式三辊卷板机的工作原理如图 2-5所示，其上辊 1可在垂直方向上下调节。两下辊为主动辊，可正反两方向旋转，并对称于上辊中心线排列。弯曲时将钢板放入上下辊之间，然后上辊向下移动将钢板压紧并使之弯曲，是钢板达到塑性变形状态，再驱动两下辊旋转，并借助于钢板与辊子之间的摩擦力使钢板左右移动，同时上 辊也随之转动，这样，就使钢板连续通过垂直面，受到相同的弯曲，产生相同的的变形。钢板成为曲率相同的弧形板。一次行程之后，再将上辊下压一定距离，又驱动下辊，使钢板进一步受到弯曲。上辊几次下压，就将钢板弯曲到需要的曲率半径。板料的两端不能同时进入三辊之间 的部分得不到弯曲，称为剩余直边。剩余直边的长度约为两下辊中心距的一半。 坯料经卷弯后所得的曲率取决于辊轴的相对位置、板料的厚度和力学性能。 钢板在常温下弯曲加工时，其曲率半径不应小于某一最小规定允许值，若超过规定值，超过材料常温下塑性变形能力，则应进行热 弯。通常根据规定 D/ s 40，可进行冷弯； D/s40，可以冷弯。 图 2-5 三辊卷板机工作原理示意图 1.上辊 2.下辊 3.板料 2）内筒卷制工艺 对称式三辊卷板机弯卷钢板时，钢板两端各有一平直段无法弯卷。为使钢板都能弯曲成同一曲率，在卷板前要先将其两端弯曲成所需要的曲率。 预弯 预弯常用的预弯方 法有三种，利用弯曲模和卷板机预弯（适于 0 2， 24mm），利用楔垫板预弯（适于较薄板）和利用模具和压力机预弯（适于各种板厚），它分为专用模具预弯（适用于批量生产）和通用模具预弯（用于单件小批量生产）。 本产品钢板厚度为 16mm，可采用弯曲模和卷板机预弯的方法进行预弯，利用弯曲模和卷板机预弯的工作原理如图 2-6所示，模板厚度一般取卷制钢板厚度的两倍或稍多些，其曲率半径应小于被弯曲钢板的曲率半径，这样既可以不致增加卷板机的负担，免于损坏机床，又可以保证钢板的预弯曲率。预弯的长度一般应大于两下辊中心 距的一半，可取（ 6 20），通常为 150200mm。 图 2-6 弯曲模具和卷板机预弯工作原理图 对中 板料预弯之后，将放入卷板机上下辊之间进行滚卷前必须使板料的母线与辊的轴线平行，使板料的纵向中心线与辊的轴线保持相互垂直，也就是对中。其目的是防止钢板在滚卷过程中产生扭斜。本产品用倾斜进料对中的方法进行对中， 具体方法如图 2-7所示。 图 2-7 对中方法 卷圆 钢板对中后，即可用上辊压 住板料并使之产生一定弯曲，开动机床进行滚卷。每滚卷一个行程，便适当下调上辊一次，这 样经过多次滚卷就可将板料弯曲成所要求的曲率。调整上辊的次数和每次调节量的大小，可依下述原则来确定： a 冷卷时不得超过材料允许的最大变形率。 b 板料不致打滑，且不超过设备的额定功率。 在滚卷过程中还应注意随时用卡样板测量，看是否达到曲率要求，不可过卷量太多，因过卷比曲率不足难以修正，且易使金属性能变坏，但冷卷时，考虑到回弹的影响，必须施加一定的过卷量。 当卷制达到要求曲率时，还应在此曲率下多卷几次， 以使其变形均匀和释放内应力，减少回弹。 矫圆 当圆筒形工件进行点装和纵缝焊接之后，还要进行矫 圆。矫圆多是在卷板机上进行的。矫圆大致可按以下三个步骤： a 工件放入卷板机上辊之后，首先根据经验，将上辊调至所需要的最大矫正曲率的位置进行加载。 b 使工件在矫正曲率下多次滚卷，并着重于焊缝区的矫正，使圆筒曲率均匀一致。 c 逐渐卸除载荷，并使工件在逐渐卸除载荷的过程中多次滚卷，至此整个钢板的卷制过程结束。 2.6 封头的下料和冲压 2.6.1 封头的下料 由公式计算得： Dp=1.2（ 2000+16） +100+100=2620mm。通过查实用钢铁材料手册知，可选用钢板尺寸为 3500mm 2800mm 18mm。钢板的下料采用数控火焰切割机进行切割，具体加工形状如图 2-8所示。 图 2-8 封头坯料展开图 2.6.2 封头的冲压 冲压是利用具有一定半径的模具，将已下料得到的平板坯料制成各种形状的开口空心零件的冲压工序。冲压所用模具与冲裁模具不同，其凹凸模具没有锋利的刃口，而其工作部分都有较大 的半径，并且凸、凹模之间的间隙一般大于板料的厚度。 封头在冲压过程中，板料的变形很大，为保证封头的质量，采用热冲压进行封头的加工。 1）封头的成形过程 整体封头的冲压过程为先将工件加热到 1100。然后将其放在下模上，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下模。 最后上提凸模使封头与上模脱离。 由于成形后的封头在温度降低后产生收缩，加之凸模受热后又稍有膨胀，因而封头被紧紧地裹 在凸模上，使脱模困难。因此要严格控制终压温度，并在下模的圆周方向上穿六只活动销来脱模。 2）封头的壁厚变化 整体封头的冲压过程、无论是否采用压边圈，一般在接近大曲率部位封头壁厚都要变薄。椭圆形封头在曲率半径最小处变薄最大，一般壁厚减薄量在 8% 10% 之间，所以选择的封头坯料比筒节坯料厚 2mm。 影响封头壁厚变化的因素有： 材料强度越低，壁厚变薄量越大。 变形程度越大，封头底部越尖，壁厚变薄量越大。 上、下模间隙及下模圆角越小，壁厚变薄量越大。 压边力过大或过小 ，压制温度过高，都会导致壁厚减小。 3）压延力的计算 （ 1）凸模直径 Dsm Dsm Dn（ 1） =2000（ 1+0.9%） =2018mm。 （ 2）凹模直径 Dxm Dxm Dsm 2 Z=2018+2 18+2 =2056mm 式中 封头坯料厚度（ mm）； Z 模具间隙（ mm），热压时 Z（ 0.1 0.2）； 冷压时 Z（ 0.20.3） 。球形封头或直边较长的椭圆形封头取较大值。设备能力偏 小时，取大值， 并可适当加大间隙范围。取 Z=2mm。 封头冲压时，冲压力采用下面公式计算： F=eK Dp Dxm tb =1.2 1.2 3.14（ 2620-2056） 18 510 =23410674N=2.34MN 式中 F 冲压力（ N）； e 冲压力影响系数，无压边力时 e=1，有压边力时 e=1.2； K 封头形状影响系数， K=1.2； Dp 坯料直径（ mm）； Dxm 下模直径（ mm）； 坯料厚度（ mm）； tb 材料的高温抗拉强度（ Mpa）。 此封头的坯料直径 Dp与封头内径 Dn的差满足条件 6 Dp Dn 45，属于中厚壁封头，用普通模具一次冲压即可成形，不需要特殊措施。 对于直径 2000mm 左右的低碳钢和低合金钢中厚板封头，采用 四柱式双动厚板冲压液压机进行压制。设备型号： QYC3150/4000（双动）。采用加热后压制（热压）的方法来加工封头，加热温度为母材金属的线以 上。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。四柱式双动厚板冲压液压机技术参数如表 2-2所示。 表 2-2QYC3150/4000型双动液压机技术参数主要技术参数 4）二次切割 封头在制作过程中为了防止因压偏而造成产品的报废，在下料的时候多留出一些余量，封头冲压完成之后需将多余部分切掉。把冲压好的封头放在焊接回转台上，找出封头的中心，将封头定位进行二次划线，然后进行切割，并开出坡口。 2.7 夹套的下料和成型 2.7.1 夹套的下料 夹套分为上夹套和下夹套，下夹套包括夹套的封头。上夹套长 2211mm，内径为 2100mm，由周长公式 L= d=3.14（ 2100+12） =6632mm 计算出夹套周长为 6632mm，下夹套（不包括封头）长 1599mm，夹套封头的的坯 料尺寸可根据公式 Dp=k(Dn） +2h+100来确定 ,由公式计算得Dp=1.2（ 2100+12） +100+100=2734mm。 查实用钢铁材料手册知，上、下夹套可选用钢板的尺寸为 8000mm1700mm 12mm，夹套封头坯料可选用钢板尺寸为 3500mm 2800mm 18mm。 2.7.2 夹套的成形加工 夹套筒节的卷制工艺与内筒的卷制工艺相同，夹套筒节的卷制可按内筒 的卷制工艺进行加工。夹套的封头可按内筒的封头加工工艺进行加工。 夹套筒节加工完成之后，还需进行翻边加工。此种翻边属于压缩类曲面翻边， 压缩类曲面翻边是指在坯料的曲面部，沿其边缘向曲面的曲率中心方向翻起竖边的成形方法。翻边坯料变形区内绝对值最大的主应力是沿切向的压应力，在该方向产生压缩变形，并主要发生 在圆弧部分，易在这里发生失稳起皱，这是限制压缩类曲面翻边成形极限的主要原因。因而减小圆弧部分的压应力、防止侧边的失稳起皱的发生是提高压缩类曲面翻边成形极限的关键。 1）变形分析 影响圆弧部分切向变形的主要因素有：零件底面宽度 b、翻边高度 h、曲率半径 R及凹模曲率半径 Rd等。 底面宽度 b 的影响 随着 b的增大，最大切向应变也增大。这主要由于 b 的变化改变了其本身切向及横向的应变的大小，进而对侧边切向应变产生影响。 翻边高度 h 的影响 当翻边高度较小时，圆弧部分的切向压缩变形随翻 边高度的增加而线性增加，竖边边缘上压缩变形最大，当翻边高度较大时，圆弧部分切向压缩变形先线性增大，达最大值后又逐渐减小，翻边高度较大时，可能出现的最大切向压缩变形有所减少。 曲率半径 R 的影响 随着 R的增大，可能出现的最大切向应变减小，且沿高度方向分布更加均匀。 凹模曲率半径 Rd 的影响 当凹模曲率半径大于凸模曲率半径时圆弧部分最大切向应变得到很大程度减轻，并使变形沿高度方向的分布趋于均匀。 2）成形极限 压缩类曲面翻边的成形极限用极限翻边高度表示， 即侧边不起皱的条件下可 能得到的最大翻边高度。 3）压缩类曲面翻边常见缺陷及预防措施。 压缩类曲面翻边常见缺陷及预防措施如表 2-3所示。 表 2-3 压缩类曲面翻边常见缺陷及预防措施 2.8 焊前准备 1）坡口加工 内筒纵缝坡口 内筒体壁厚为 16mm，开 X形对称坡口，其坡口形状如图 2-10所示。 内筒环缝坡口内筒体壁厚为 16mm，开 X形坡口其坡口形状如图 2-11所示。 图 2-10 内筒纵缝坡口 示意图 图 2-11 内筒环缝坡口示意图 2）焊前清理 在焊接前清除待焊部位及其周围 50mm内的油污、铁锈等杂质。防止因含有杂质而影响焊接接头质量。 3）焊接材料准备 E4303在 100烘焙 1h。 E5015在 400烘焙 1h，烘箱温度缓慢升高，烘干后放在 100的恒温箱内，随取随用。切不可突然将冷焊条放入高温烘箱内，或突然冷却，以免药皮开裂。取出后放在焊条保温筒内。重复烘干次数不宜超过两次。 HJ431在 150烘焙 2h 2.9 纵缝焊接工艺参数 2.9.1 点固焊 筒节卷制完成后，为防止在搬运及焊接的过程中变形过大应该先进行点固焊。将卷好的筒节放在滚轮架上，然后用螺旋拉紧器来调整错边量及间隙的大小，调整到合适的位置，采用焊条电弧焊在筒节内侧进行点固。内筒点固焊接参数如表 2-4所示，夹套筒节点固焊焊接参数如表 2-5所示。 表 2-4 内筒点固焊焊接参数 表 2-5 夹套筒节点 固焊焊接参数 2.9.2纵缝焊接工艺参数 筒节的纵缝采用埋弧焊和焊条电弧焊进行焊接，先焊内焊缝，用埋弧焊小车进行焊接，采用双面埋弧焊进行焊接。焊丝的伸出长度为 40mm。内筒纵缝焊接工艺参数见表 2-6，夹套纵缝焊接工艺参数如表 2-7所示。 表 2-6 内筒纵缝焊接工艺参数 表 2-7 夹套纵缝焊接工艺参数 所有焊接工艺参数均需要经过焊接工艺评定试验后来确定所选的参数是否 正确。所谓工艺评定就是：按照所拟定的焊接工艺，根据有关技术标准规定焊接试板，并从焊成试板中取出拉伸、弯曲、冲击等试样，测试试样是否具备所要求的性能。其目的是用来验证施焊单位拟定的焊接工艺的正确性，制定符合要求的焊接工艺规程，以指导生产。 2.10 环缝焊接工艺参数 在筒节制作完成后，便可焊接筒节间及筒节与封头间的环缝，焊接顺序为先焊内侧，后焊外侧。 2.10.1 筒节与封头的装配 内筒与封头的坡口形式如图 2-12所示。 图 2-12 内 筒与封头对接坡口示意图 将筒节放在滚轮架上，在封头的直边上焊一个吊环，以便随时移动封头便于装配。用吊车吊起封头向筒节靠近，调整好间隙和错变量后就可进行点固焊，点固焊焊接参数如表 2-3所示。 2.10.2 筒节与封头的焊接 筒节与封头的对接采用双面埋弧焊。 1）内环缝埋弧焊工艺 将组装好的筒体放在滚轮架上，采用伸缩臂式操作机将埋弧焊焊机机头伸入内环缝处，调整机头位置，滚轮架顺时针旋转，进行焊接。具体焊接参数如表 2-5 所示。 2）外环缝埋弧焊工艺 内环缝焊妥后，须在外侧 进行清根，然后再进行焊接。具体焊接参数如表 2-5 所示。 3）内筒对接焊缝工艺 内筒对接焊缝的对接基本与内筒与封头的对接方法一样，组装时可以直接利用可移动的滚轮架进行组装。焊接时没有板厚的差异，不需要对焊丝的左右偏移进行调解。具体焊接参数如表 2-5所示。 2.10.3夹套与夹套封头的焊接 夹套与夹套封头的组装及焊接过程参见内筒与封头的组装及焊接过程。焊接参数如表 2-5和表 2-7所示。当所有焊缝焊接完成之后进行最后一道焊缝的焊接， 由于在筒体内部只能通过人孔进入所以采用焊条电弧焊。 2.11 焊后检验 容器焊接完成后，需要进行焊缝质量检验。焊缝的质量取决于焊接时所用的焊丝、焊剂、气体质量、接头的装配质量、焊接顺序、坡口的清理、施工条件、焊工操作技术水平高低和选用的焊接规范等因素。为保证焊接质量，必须使焊接检验工作贯穿于焊接生产的全过程，只有把焊接检验工作扩展到整个焊接生产和使用过程中去，才能更好的保证焊接质量。 2.11.1 焊接检验程序的设计原则 遵守焊接工艺流程焊接工程技术人员必须根据不同产品的焊接工艺流程来设计检验程序。按照焊接工艺流程编排检验程序就是要根据焊接 结构的生产特点，将检验内容 (项目 )作为一道单独工序纳入到焊接工艺流程中去，防止出现漏检。 符合质量标准检验程序和检验内容的制定必须受有关国家、部颁标准及产品技术条件和产品制作合同的制约。这些法规性文件是设 计产品质量检验程序的重要依据，必须严格遵守，不能随意改动。 具有先进性和可靠性先进性就是要执行最新的质量标准、使用最新的检验方法和检验设备。可靠性是指紧密结合产品的制造特点和企业实际 (工程技术力量，工人的基本素质，设备先进程度、加工能力和使用状态，厂房建筑和周围环境等等 )，严格执行质量标准和检 验程序，正确的使用检验设备和仪器，准确地判定产品质量等级。 经济性原则在保证产品达到质量要求的前提下，要尽可能地简化检验程序和检验项目，以降低生产成本，提高企业的经济效益。不要盲目地增加一些不必要的检验项目和内容，只顾质量而不惜工本的做法是不符合经常性原则的。 2.11.2 X 射线检测 X 射线探伤是检查焊缝内部是否产生缺陷最有效的方法，它能确定焊缝内部的气孔、夹渣、未焊透、内部裂纹的位置等缺陷。但直径在 0.2mm 以下 的显微气孔、显微裂纹和微小的未焊透等缺陷不易用 X射线探伤法探测到。该产品经 100%X射线探伤达到 JB1152 81锅炉和钢制压力容器对接焊缝超声波探伤标准 II级为合格品。 2.11.3 超声波检测 本产品的重要位置焊缝需进行超声波检验，达到 JB/152 81钢制压力容器对焊缝超声波探伤标准 II 级合格。其探伤原理为探伤时，高频脉冲发生器的产生的高频脉冲加在探头的压电晶片上使之产生超声波，超声波通过探伤面的耦合剂进入工件，传播过程中，遇到缺陷和工件底面便会产生反射回波，探头的压电晶片将反射波转变为电信号，经接受放大加到示波管的垂直偏转板上，在相应位置上产生缺陷。 2.11.4 涂漆 产品的涂漆（喷涂、作标志以及包装）是焊接生产的最后环节，罐体涂漆后表面粗糙度高，色彩柔和典雅，并且突出了金属的质感。表面覆盖的一层漆膜晶莹剔透，不仅能抵抗水、泥、砂浆和酸雨的浸蚀，而且对于产品也有很好的装饰效果，这是其他处理方法不能相比的。近些年，随着涂漆工艺中反渗透技术的成熟与应用，为涂漆工艺的推广使用奠定了坚实的基础。产品涂装质量不仅决定了产品的表面质量，而且也反映了生产单位的企业形象。 第 3 章 压延模具的设计 3.1 冲压设备 对于直径 3000mm 上下的低碳钢中厚板封头 ，可采用四柱式双动厚板冲压液压机进行压制。设备型号： QYC3150/4000（双动）。采用加热后压制（热压）的方法来加工封头，加热温度为 800 900。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。四柱式双动厚板冲压液压机技术参数如表 2-2所示。 3.2 设计要求 （ 1）设计凸模、凹模尺寸时，必须考虑到工件热成形冷却后的收缩量和冷压延成形后的回弹量。 （ 2）凸模应有脱模斜度，工件脱模方法应简单、方便、可靠。 （ 3）在模具结构上要考虑到防止受热变形而造成模具 的损坏。 （ 4）定位装置要保证坯料进出方便、迅速、定位准确。 （ 5）尽量选用自润滑性好的材料制造模具。 3.3 封头压延成形模具的结构 直径 2000mm 的封头采用三瓣凸模式封头成形模具的结构。由于封头在压制成形后，凸模靠自身重沿锥形芯子下滑而缩小其直径，实现了封头的自动脱模，因而能确保封头的冲压质量。 3.4 封头压延成形模具的设计参数 封头以内径为基准，模具设计时将回弹量和收缩量取在凸模上， 间隙取在凹模上。 3.4.1 凸模设计参数 凸模设计参数（如图 3所示）。 图 3凸模尺寸 （ 1）凸模直径 Dsm Dsm Dn（ 1） =2000（ 1+0.8%） =2160mm。 （为封头热压时的收缩率，直径 2000mm 的封头取 0.8%） （ 2）凸模曲面部分高度 Hsm。 Hsm H（ 1+） =545（ 1+0.8%） =589m