过程设备制造与检测课程设计指导书第五章

5.锁斗制造工艺设计实例5.1锁斗左椭圆形封头制造工艺介绍锁斗的左封头制造椭圆封头制造工艺简明流程图材检——喷丸——探伤——号料——气割——刨坡口——坡口探伤——装焊拼缝——探伤—装焊——探伤——热成形——探伤——正火加回火——喷丸——正火加回火——炉外消氢——探伤椭圆封头制造工艺过程卡片工序号工序名称工艺要求及工序图1材检钢板除应符合GB6654《压力容器用钢板》的有关规定外，尚应符合3311-00JT中的有关要求。质证齐全、标记清楚。2喷丸钢板单面喷丸，彻底除锈。3探伤对钢板进行100%UT检测，按JB/T4730.3-2005及3311-00JT中的有关要求执行。4号料号出椭圆封头的下料线，封头的下料尺寸为：Ф=43845气割按线气割下料并清理熔渣。6刨坡口按图刨封头拼缝坡口7坡口探伤拼缝坡口进行100%MT，按JB4730.4-2005中Ⅰ级合格8装焊拼缝1组焊封头拼缝2焊接详见焊接工艺说明书3打磨清理焊缝表面9探伤拼缝坡口进行100%MT，按JB4730.4-2005中Ⅰ级合格10热成形1冲压前，把板抷加热至始锻温度，放在水压机上冲压成形后，执行热处理工艺2检查封头端口尺寸11探伤焊缝及热影响区内外表面MT，整个椭圆面进行UT检测。12正火加回火1封头进行正火加回火处理，执行热处理工艺2带封头母材试板及拼缝试板3封头母材试板取1/2模拟后送检4检测封头端口尺寸13喷丸钢板单面喷丸，处理表面氧化皮。14正火加回火封头进行正火加回火处理，执行热处理工艺15立车立车封头端坡口和人孔开孔与人孔法兰的焊接坡口。16炉外消氢用环形加热装置进行炉外消氢执行热处理工艺。17探伤所有坡口进行100%MT，按JB/4730.4-2005中合格封头的工艺设计选材压力容器的选材原理1．具有足够的强度，塑性，韧性和稳定性。2．具有良好的冷热加工性和焊接性能。3．在有腐蚀性介质的设备必须有良好的耐蚀性和抗氢性。4．在高温状态使用的设备要有良好的热稳定性。5．在低温状态下使用的设备要考虑有良好的韧性。封头选材压力容器材料的种类：1．碳钢，低合金钢；2．不锈钢；3．特殊材料：①复合材料（16MnR+316L）；②钢镍合金；③超级双向不锈钢；④哈氏合金（NiMo:78%20%合金）锁斗是煤气化装置重要设备之一，主要起储存和排放炉渣的作用，是一台承受循环载荷的压力容器。按其载荷性质设备遵循压力容器应力分析设计规范进行设计和制造，该设备分析设计采用国家标准，材料宜采用16MnR。锁斗内的工作介质为气化炉渣/黑水，含有硫化氢,氯离子，硫酸根离子等腐蚀性介质，锁斗循环水中的氯离子浓度确实最高，这股水应该与激冷室黑水和洗涤塔黑水的水质差不多，因此具有强腐蚀性，因此需要在锁斗内堆焊6mm厚的不锈钢材料以满足防腐蚀要求，因此国内采用低合金钢锻件16MnR.材检化学成分分析见表4-1表4-1化学成分钢号CSiMnPS16MnR0.20.20~0.601.20~1.60=0.035=0.035化学成分：钒V：0.02%～0.15%；铌Nb：0.015%～0.060%钛Ti：0.02%～0.20%物理性质：综合力学性能好，焊接性、冷、热加工性能和耐蚀性能均好，C、D、E级钢具有良好的低温韧性。力学性能和工艺性能见表4-2表4-216Mn专业用钢的力学性能钢号板厚/mm状态σs/Mpaσb/Mpaδ5/%弯曲180度温度/℃冲击功Akv/J时效冲击16MnR60~110热轧或热处理=265450-590=18d=3a室温=27横向----试验温度见表4-3表4-3试验温度封头的强度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查D-5碳素钢和低合金钢钢锻件许用应力知［σ］t=110Map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封头为标准椭圆形封头，计算公式为：牌号钢板厚度mm200℃250℃300℃350℃400℃450℃500℃16MnR高温规定的残余应力Map60~100225205185175165155δ=KPcDi/(2［σ］tφ-0.5pc)=1×4.8×3600/（2×123×1-0.5×4.8）=70.95mm腐蚀余量：C2=5mm设计厚度：δd=δ+C2=75.95mm，因为封头的厚度为90mm，大于75.95mm，所以容器在该厚度的条件合格。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。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。划线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。椭圆形形封头坯料厚度考虑热冲压时球形封头减薄量可达12%，取坯料厚度103mm。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，根据经验法进行计算：相关尺寸：Dm=Dg+ơDg=3600mmơ=90mm直边段h=50mm展开直径D0=1.19Dm+2h=4384mm(包含加工余量)。所以，内径3600mm椭圆形封头整体展开尺寸为直径4384mm，厚度90mm，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。上封头过渡层堆焊完毕检验合格后整体做消除应力热处理。坯料的拼接φ3600mm半球形封头展开尺寸直径为φ4384mm。采用三张板拼成一个封头坯料，见图4-1。采用热冲压，毛坯厚度应加上减薄量。减薄量是按该企业经验最大减薄量12%。采用埋弧自动焊，坡口为双U形，见图4-2.预热100℃，焊丝H10MnSi、焊剂SJ101。焊后及时消氢处理，300~350℃,2h。100%UT、100%MT，一级合格图4-1拼料示意图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划线余量图4-2坯料拼焊及焊接顺序展开得到的尺寸称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。封头的拼接焊缝应满足以下要求:a:封头、管板的拼接焊缝数量，公称直径Dg不大于2200mm时，拼接焊缝不多于1条；Dg大于2200mm时拼接焊缝不多于2条。b:封头各种不相交的拼焊焊缝中心线间距至少应为封头钢材厚度的三倍，而且不小于100mm。封头由成形的瓣片和顶圆板拼制成时，焊缝方向只允许是径向和环向的。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。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）。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，热切割加工成型封头的冲压方式选择δ/Do×100=90/4384×100≥0.5故用热冲压。见表4-4表4-4封头冷热冲压与相对厚度之间的关系冲压状态碳素钢、低合金钢合金钢、不锈钢冷冲压δ/Do×1000.5δ/Do×1000.7热冲压δ/Do×100=0.5δ/Do×100=0.7从降低冲压力和有利于钢板变形考虑，加热温度可高些。但温度过高会使钢材的晶粒显著长大，甚至形成过热组织，使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。封头整体热冲压的加热如图4-3所示。其中900~1000℃是最佳冲压温度。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=CK∏(D0-Dw)S§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=1.25-1.35D0——封头外径，mm对于椭圆形封头，压边条件D0-Dn≥(18-20)S,因为4384-3600=3.7S，故不采用压边圈，故取C=1.0，椭圆形封头取K=1.3,查《化工设备用钢》表9-19，封头材料SA516-70+316Lmod，厚度90mm,750℃时抗拉强度§为520MPaP=CK∏(D0-Dw)S§=1×1.3×3.14×【4384-（3600+90×2）】×90×520=115.4t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120t的水压机。模具设计上模（冲头）其结构及主要设计参数1上模直径Dsm根据封头内径Dn和热冲压的收缩率ψ或冷冲压的回弹率ψ计算，材料为16MnR图4-3热冲压封头加热工艺曲线Dsm=Dn（1±ψ）=3600（1±0.9%）=3567.6-3632.4取3620mm2上模曲面部分高度Hsm=hn(1+φ)=h2(1+φ)=1750(1±0.9%)=1734-1765mm取1750mm3模直边高度H0H1—封头高度修边余量，一般为15-40mm,取H1=25mmH2—卸料板厚度，一般为40-80mm，取H2=55mmH3—保险余量，一般为40-100mm，取H3=55mm所以，H=h+H1+H2+H3=50+25+55+55=185mm4上模上部分直径Dsm、Dsm、=Dsm+(2-3)mm=3623mm5上模壁厚S当水压机吨位小于等于400t时，S=30-40mm，取S=35mm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）S=0.18×90=16.2mm，此处取较大值。a=S+z=90+16.2=106.2mm2模内径DxmDxm=Dsm+2a+δmSm——下模制造公差，取Sm=2mmDxm=3620+2×106.2+2=3834.4mm3模圆角半径r根据经验选取，不采用压边圈时，r=(4-6)S（mm）=5×90=450mm4模直边高度h1h1=（40-70）mm，取h1=50mm5模总高度hh=（100-250）mm，取h=200mm6下模外径D1D1=Dxm+（200-400）mm=(4034.4-4234.4)mm7下模座外径D应大于毛坯直径D0，（4384mm），高度H=h+（60-100）mm下口内径D2