过程设备制造与检测课程设计指导书第三章.docx
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过程设备制造与检测课程设计指导书第三章
3.聚酯反应器制造工艺实例
3.1聚酯反应器筒节制造工艺设计实例介绍
聚酯反应器的筒节制造
筒节制造工艺简明流程图
材检——喷丸——探伤——号料——气割——刨坡口——探伤——压头——
卷板——装焊——退火——校圆——打磨——探伤
筒节制造工艺过程卡片
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。
喷丸钢板单面喷丸，彻底除锈
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。
号料筒体的下料尺寸为：
L=2800mm。
气割按线气割下料并清理熔渣。
刨坡口按图纸要求刨筒节纵、环缝坡口
探伤坡口表面100%MT检查，按JB/T4730.4-2005中一级合格。
压头用大型油压机压头
卷板用日本三辊卷板机进行冷卷。
装焊组装纵向焊接接头并进行尺寸检查错边量<1mm.焊接详见焊接工艺说明书。
纵向焊接接头试板一对焊接接头取样做化学成分分析。
退火进行退火热处理，执行热处理工艺。
带筒体纵向焊接接头试板一对。
校圆筒体进行冷校圆，椭圆度<3mm.
打磨对坡口表面进行打磨清理。
坡口表面处理干净。
仔细检查直到合格为止。
探伤对焊接接头进行100%RT检测，按JB/T4730.2-2005中二级合格。
焊接接头进行100%UT检测，按JB/T4730.3-2005中一级合格。
焊接接头表面进行100%MT检测，按JB/T4730.4-2005中一级合格。
筒节制造具体内容
选择材料
此聚酯反应器筒节材料选择基层为16MnR。
16MnR是普通低合金钢,是锅炉压力容器专用钢，锅炉压力容器的常用材料。
它的强度较高、塑性韧性良好。
常见交货状态为热轧或正火。
属低合金高强度钢，含Mn量较低。
性能与20G（412-540）近似，抗拉强度为（450-655）稍强，伸长率为19-21%，比20G的大于24%差
16MnR特点:
16MnR钢是屈服强度为345MPa级的压力容器专用板，它具有良好的综合力学性能和工艺性能。
磷、硫含量略低于普16Mn钢，除抗拉强度、延伸率要求比普通16Mn钢有所提高外，还要求保证冲击韧性。
它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。
按照16MnR最新执行标准GBGB713-2008，16MnR的化学成分如下：
表5-1化学成分（重量分数）/%
C
Si
Mn
P
S
≤0.20
0.20-0.55
1.20-1.60
≤0.035
≤0.030
化学成分：
钒V：
0.02%～0.15%；铌Nb：
0.015%～0.060%；钛Ti：
0.02%～0.020%。
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。
表5-216MnR力学性能
板厚（mm）
抗拉强度（MPa）
屈服强度（Mpa）
伸长率（%）
冲击韧性值akv（J/cm²）
冷弯实验180°C
6-16
510-640
≥345
≥21
≥31
d=2a
＞16-36
490-620
≥325
≥21
≥31
d=2a
＞36-60
470-600
≥305
≥21
≥31
d=2a
＞60-100
460-590
≥285
≥20
≥31
d=2a
＞100-120
450-580
≥275
≥20
≥31
d=2a
此聚酯反应器筒节材料选择基层为304不锈钢。
304不锈钢是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢，作为一种用途广泛的钢，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性；冲压、弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象（无磁性，便用温度-196℃～800℃）。
表5-3304不锈钢化学成分
成分
C
Mn
P
S
Si
Cr
Ni
含量（%）
0.08
2.00
0.045
0.030
1.00
18.0-20.0
8.0-11.0
力学性能：
抗拉强度σb（MPa）≥520
条件屈服强度σ0.2（MPa）≥205
伸长率δ5（%）≥40
断面收缩率ψ（%）≥60
复检材料
一般来说，为了保证工程质量，所有原材料、构配件等，均要进行进场复检，并做好记录。
有些原材料需要抽样送检，并取得合格报告后方可使用。
具体实施按照工程验收规范、国家标准执行。
净化处理
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除锈质量的好坏直接影响着钢材的腐蚀速度；
②对焊接接头处尤其是剖口处进行净化处理，清除锈、氧化物、油污等，可以保证焊接量；
③可以提高下道工序的配合质量。
现代专业话的生产中常用的净化方法有：
喷砂法、抛丸法、化学清洗法。
筒节原坯料常采用喷砂法除锈。
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。
矫形
矫形除要矫正由于钢材在运输、吊装或者存放过程中的不当所产生的较大变形外，有些制造精度要求较高的设备要求钢板的变形小，对保存较好的供货钢材也需要矫形，因为供货时的平面度要求有时不能满足实际制造的要求。
钢板、型钢供货的平面度、弯曲度技术要求，设备制造前一般钢材的变形量允许偏差可以参考标准。
就钢板而已，供货的技术要求钢板的平面度每米不得大于10mm。
不能满足一般钢板变形量允许偏差每米小于1mm或1.5mm的要求。
另外，为减小型钢的矫正、矫直后材质本身塑形性能的损失，型材在矫正、矫直之前的变形量不能太大，即对课矫正的变形量有所规定。
划线
（1）、展开计算
（a）展开前的形状及尺寸（b）展开后的形状及尺寸
图5-1筒节展开
已知：
H=3000mm、Dg=2200mm、δ=28mm
则有：
Dm=Dg+δ=2200+28=2228mm
L=π×Dm=3.14×2228=6996mm
h=H=3000mm
（2）、留余量
（a）筒节卷制的伸长量：
与被卷材质、板厚、卷制直径的大小、卷制次数等条件有关，而本次采用冷卷，钢板冷卷的伸长量较小，约为7～8mm。
（b）主要考虑内容为机加工余量和热切割加工余量，见表5-4：
表5-4边缘机加工余量/mm
不加工
机加工
需要去热影响区
0
厚度≤25
厚度＞25
＞25
3
5
表5-5钢板切割加工余量/mm
钢板厚度
火焰切割
等离子切割
手工
自动及半自动
手工
自动及半自动
70～130
8
5
20
14
（3）、焊缝变形量
对于尺寸要求严格的焊接结构件，划线时要考虑焊缝变形量（焊缝收缩量），可以查相关的标准。
对于简单结构在自由状态下进行电弧焊接时，也可以对焊缝收缩量等变形进行大致的估算。
（4）、划线公差
图5-2筒节的划线及公差要求
长度L和宽度h如图5-2所示，对角线之差不大于1mm，两平行线的不平行度不大于1mm，若考虑相对长度、宽度的关系则更为完善。
一般情况下划线公差也可以考虑为制造公差的一般。
综上所述，可以的到此筒节的加工余量如下表：
表5-6加工余量
筒节卷制伸长量
钢板冷卷的伸长量较小，约为7～8mm
焊缝收缩量
对接接头双边焊，3～4
焊缝剖口间隙
X形剖口，2～3
边缘机加工双边余量
根据加工长度，查表10mm
切割余量
钢板切割加工，查表14mm
划线公差
保证产品符合国家制造标准，取1mm
展开尺寸
6996mm
实际用料线尺寸=展开尺寸-卷制伸长量+焊缝收缩量-焊缝剖开间隙+边缘加工余量
=6996-7+3-4+10=6998mm
切割下料线尺寸=实际用料线尺寸+切割余量+划线公差
=6998+11+1=7010mm
5.3.6排料
筒节排料的要求：
（1）、每节筒节，其纵向焊缝数量，公称直径Dg不大于1800mm时，拼接焊缝不多于2条；公称直径Dg大于1800mm时，拼接焊缝不多于3条；
（2）、每一节筒节的纵向焊缝中心线间的弧长不应小于300mm，见图5-3（a）；
（3）、相邻筒节的纵向焊缝与筒节纵向焊缝应互相错开，并且两焊缝中心间的弧长不得小于100mm，见图5-3（b）；
（4）、最短筒节长度不应小于300mm
图5-3筒节、筒节上焊缝位置
筒节的制造
聚酯反应器筒节材料为复合材料，采用冷卷成型，制造的主要工序如下：
（1）气割下料，边缘机加工
按筒节排版图进行预热气割下料，考虑焊缝收缩量和压头切割余量；黄金焊缝（是所有焊缝已经焊接完毕，试压气密结束，再次施焊的焊缝，该焊缝必须百分之百的探伤）处的筒节长度方向应留有余量，以便焊接试水封头和水压试验后切割封头。
按照下料轮廓线火焰气割钢板。
气割下料后，边缘再进行机加工。
（2）滚圆
在三辊重型卷板机上滚圆，用样板检查筒节内侧曲率，保证气割两侧直边部分后，纵缝对接处错边量满足技术要求。
聚酯反应器筒节采用复合钢板，筒节内径2200mm。
由于奥氏体的敏化温度范围是450~850℃，为防止厚板卷制脆性，采用150~200℃卷制。
同时注意卷圆过程中对不锈钢复层的保护。
（注意事项：
复合钢板不能预弯，卷圆成形之前，卷板机辊子做除Fe离子处理，或在卷圆加工后对不锈钢层表面进行打磨。
因为第一次卷圆后要把两侧直边部分气割去除，故卷圆前，先把其气割去除的切割口区域的复层机加工去除，以便于气割。
）
筒节弯卷的回弹估算：
弯卷钢板在辊子压力下既有塑形弯曲，又有弹性弯曲，故钢板卸载后，会有一定的弹性恢复，即回弹。
筒节在冷弯卷时，回弹量很大，钢材的强度越大，回弹量就越大。
为了尽量控制回弹量冷卷时要过卷，如图5-4。
同时，在最终成形前进行一次退火。
图5-4冷弯卷的过卷
冷卷回弹量的计算复杂。
筒节回弹前的内径Dn′可按照下式估算:
Dn′=（1-2K0σs/E）Dn/（1+K1σsDn′/Eδ）
过卷量△L可按下式估算:
△L=π（Dn-Dn′）
式中Dn---筒节内径，2200mm；
σs---钢材屈服极限，345MPa；
E---钢材弹性模量，200GPa；
K1---钢材截面形状系数，矩形K1=1.5；
δ---钢板厚度，28mm；
K0---钢材相对强化模数（可以查阅相关标准）,16MnR的K0=5.8。
根据设计数据，筒节回弹前的内径:
Dn′={（1-2×5.8×345）×0.000005/（1+1.5×345Dn′）/（200000×28）}×2200
=1842mm
过卷量：
△L=π（Dn-Dn′）=3.14×（2200-1842）=1123mm
下压量：
h=[（R+δ+r2）2－（L/2）2]1/2－（R-r1）
式中δ----钢板厚度，mm；
R----筒节弯曲半径，mm；
r1，r2----上下辊半径，mm；
L----上下辊间中心距，mm；
因为筒节弯卷选用对称式三辊卷板机，根据钢板最大板厚和最大宽度，选择上辊直径为550mm，下辊直径为530mm，下辊中心距为610mm，则可以计算出下压量：
h=[（1100+28+265）2－（610/2）2]1/2－（1100-275）=534.2mm。
（3）焊接坡口形式：
复合钢板的焊接接头主要有对接接头和角接接头两类，复合钢板的焊缝有基层焊缝、过渡层焊缝和复合层焊缝三部分组成。
基层与复层焊缝的焊接材料与单一钢材的焊缝完全相同，有无过渡层是唯一的区别。
焊接接头坡口形式的选择，除了应考虑其填充金属尽量少外，还应该考虑复合钢板的焊接特点，保证复合层的耐腐蚀性能。
不锈钢复合钢板的坡口形式主要根据板厚、板材、焊接方法而定，故可选如下坡口形式
气割切除合拢缝两侧直边部分及纵向焊接坡口，用砂轮打磨纵缝坡口如图5-5所示，由于该纵向坡口只能切割加工，故为X坡口。
纵缝坡口表面进行100%的磁粉检测。
再进一步卷圆，纵缝组对时，应检查错边量不大于2mm，检验合格后施焊。
图5-5复合板筒节纵缝示意图
一般用机加工或等离子切割。
用等离子切割时方向是从复层往基层，即复层朝上。
切割时应采取措施避免将切割熔渣溅落在复层表面上。
对剪切不锈钢复合板的，也是复层朝上。
但无论用等离子还是剪切下料，都要留有余量，以便后面加工去掉受影响部分。
坡口加工一般用机加工制备。
（a）、坡口表面要求如下：
（b）、坡口表面不得有裂纹、分层、夹杂等缺陷。
（c）、坡口表面应进行磁粉检测或渗透检测。
（d）、焊前应清除坡口及母材两侧表面20mm范围内的氧化物、油污、熔渣及其他有害杂质。
（4）、纵缝组焊后校圆
纵缝组焊工艺见表六，组焊后在三辊重型卷板机上校圆，校圆加热温度100~200℃，保证筒节圆度满足技术要求。
（5）、无损检测
对筒节纵缝进行100%RT、100%UT、100%MT。
（6）、环缝坡口加工
校圆合格后，在大立车上加工筒节两端环缝坡口如图五所示，坡口表面进行100%MT。
由于该环缝坡口是机械加工的，为窄间隙坡口。
图5-6复合板筒节环缝示意图
因为第一次卷圆后要把两侧直边部分气割去除，故卷圆前，先把其气割去除的切割口区域的复层机加工去除，以便于气割。
筒节纵焊缝焊接工艺
纵焊缝采用X坡口如图5-5所示。
其纵焊缝焊接工艺的关键是保证过渡层的焊接质量，焊接工艺见表6-1。
表6-1复合板筒节纵焊缝焊接工艺
焊接过程
检验要求
1
清理坡口及坡口检查
100%MTJB/T4730-2005I级
2
组对、预热，预热温度≥200℃、点焊
3
外口SAW焊满
外观
4
里口清根、打磨
100%MTJB/T4730-2005I级
5
SAW焊满
6
立即消氢处理300~350℃/2h；
或立即中间消应力600±20℃/2h
7
焊缝内外打磨平。
焊缝余高0~0.5mm
8
校圆
100%RTJB/T4730-2005Ⅱ级
100%UTJB/T4730-2005I级
100%MTJB/T4730-2005I级
层次
焊接方法
焊材牌号
规格mm
电流
（A）
电压
（V）
速度
（cm/min）
烘烤温度℃
保温时间h
SMAW
CMA-96MB
φ5
200~230
23~26
350
2
SAW
US-511N
φ4
500~600
30~34
PF-200
350
2
焊接原则
对复合钢板部分，先将坡口附近复层剥去，这样焊工操作是能避免焊接基层时对复层的影响（防止混层）。
基层焊接完成后，进行探伤，既能保证焊接质量，又能便于焊缝返修。
本设备采用厚壁低合金+耐蚀层的复合钢板，故焊接的中原则是：
（1）、基层的焊接：
考虑设备的投资费用和操作简便统一采用手工电弧焊。
（2）、复层用焊接材料应考虑有10%的合金元素烧损，故选择合金成分高的焊材。
过渡层用焊材应考虑碳钢对不锈钢的稀释作用，合金成分应比母材高25%左右。
焊材的含碳量应尽可能低，有条件可选择超低碳钢焊条。
当压力容器产品设计计算了复合钢板复层的强度，选择焊条也要考虑焊材强度对焊接接头的影响。
需要说明一点，焊接复层时严禁采用埋弧自动焊，因为它具有很大的熔深，会使过多的基层材料熔入焊缝，焊后易产生大量的焊后冷裂纹，而且会对焊接接头的抗腐蚀性产生影响。
焊材选择
基层：
E5015过渡层：
E0-19-13Mo3-16过渡层：
E1-23-13Mo2-16
施焊工艺顺序
I.基层碳钢内焊缝焊接；
ii.在基层外进行清根和打磨；
iii.基层外焊缝焊接；
iv.对基层焊缝进行100％RT；
v.焊接过渡层；
vi.对过渡层焊缝进行10％CuSO4溶液铁离子检测和100％PT；
vii.复层焊接；
viii.复层焊缝100％PT（若有要求就应100％RT）；
纵缝两端过渡层留30~50mm不焊,等环焊缝基层焊完后和环焊缝的过渡层一起焊接或后焊；复层焊缝两端留60~100mm不焊,等环焊缝基层和过渡层焊完后与环焊缝的复层一起焊接或先于环焊缝的复层焊接，但注意不要焊成了十字焊缝；上述焊缝探伤要求不变。
简化步骤如图6-1。
→
→
→
图6-1焊接工艺顺序
焊缝检测
组焊后在三辊重型卷板机上校圆，校圆加热温度100~200℃，保证筒节圆度满足技术要求。
热处理
热处理采用部件热处理和整体热处理相结合的方式，热处理炉加热采用远红外电加热方式，除了炉内气氛测温热电偶外，还在炉体的不同位置设置多支热电偶，炉内温度采用自动电控，保证入炉温度、升温速度、恒温时间、降温速度和出炉温度满足要求，部件热处理曲线、整体热处理曲线分别见图7-1、图7-2：
（1）加热、保温温度:
防止变形的下限温度550±10℃；
（2）加热速度:
V1≤200×25/δmax℃/h,其中δmax为最大板厚；
（3）保温时间:
以构件钢板（或焊缝）的最大厚度计算,按2-2.5min/mm计算保温时间；
（4）进炉温度:
为减少构件在加热过程中炉温与工件之间过大的温度差,应以低温进炉,进炉炉温≤300℃；
（5）冷却速度:
冷却速度V2≤260℃/h,到300℃以下出炉在空气中冷却.为防止变形,采用等温升温,即使工件在300-400℃温度范围等温1h,使工件整体温度均匀一致,当厚板、薄板的温度完全均匀一致后再升到保温温度。
3.2聚酯反应器内筒体结构分析与筒体组对焊接制造工艺设计
3筒体整体结构分析
筒体加工简明流程图
材检——喷砂——探伤——号料——下料——刨坡口——探伤——筒体成形——装焊纵缝——校圆——喷砂——打磨——探伤——加工环缝——组焊环缝——打磨——探伤——堆焊过渡层——探伤——堆焊表层——探伤——组装
受压元件成型前的工艺流程
板材成型前的通用工艺流程列于表3-1。
表3-1板材成型前的通用工艺流程
序号
工作内容
要求、加工方法、加工设备或工具
1
原材料入库
2
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。
3
划线及标记
钢印标记、板材矫平、划线、钢印移植
4
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。
5
边缘加工
用气割或等离子弧开V型、X型坡口，并用砂轮打磨；
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；
夹套材料
夹套材料为16MnR。
16MnR是屈服强度350MPa的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性
筒体材料
筒体内层材料为304不锈钢，外层材料为16MnR。
304不锈钢化学牌号为06Cr19Ni10旧牌号（0Cr18Ni9）含铬19%，含镍8-10%。
304不锈钢是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢，具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械特性。
在大气中耐腐蚀，如果是工业性气氛或重污染地区，则需要及时清洁以避免腐蚀。
适合用于食品的加工、储存和运输。
具有良好的加工性能和可焊性。
板式换热器、波纹管、家庭用品、建材、化学、食品工业等。
304不锈钢为国家认可的食品级不锈钢。
16MnR是屈服强度350MPa的普通低合金高强度钢，具有良好的综合力学性能、焊接性能、工艺性能以及低温冲击韧性。
304不锈钢和16MnR力学性及化学成分能见表3-2与3-3及3-4.
表3-2304不锈钢和16MnR力学性能
材料
氮含量%
屈服强度MPa
抗拉强度MPa
伸长率%
304
0.06
205
520
40
16MnR
510-655
≥345
表3-3304的化学成分
化学成分
C%
Si%
Mn%
P%
S%
Cr%
Ni%
Mo%
N%
304
≤0.08
≤1
≤2
≤0.05
≤0.03
18～20
8.0～10.5
2.2～3
≤0.2
表3-416MnR的化学成分
化学成分
C%
Si%
Mn%
P%
S%
16MnR
≤0.2
0.2～0.55
1.2～1.6
≤0.03
≤0.02
工艺设计
选材
聚酯反应器筒体材料选择复合钢板。
基层16MnR，复层304不锈钢。
16MnR是普通低合金钢,它的强度较高、塑性韧性良好。
常见交货状态为热轧或正火。
属低合金高强度钢
304不锈钢是一种通用性的不锈钢材料，防锈性能比200系列的不锈钢材料要强。
耐高温方面也比较好，一般使用温度极限小于650℃。
304不锈钢具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。
夹套选择16MnR低合金钢。
材检
一般来说，为了保证工程质量，所有原材料、构配件等，均要进行进场复检，并做好记录。
有些原材料需要抽样送检，并取得合格报告后方可使用。
具体实施按照工程验收规范、国家标准执行。
划线
（1）展开计算
图3-1展开前的形状及尺寸图3-2展开后的形状及尺寸
已知：
H=3800mm、Dg=3200mm、δ=32+6mm
则有：
Dm=Dg+δ=3200+22+6=3228mm
L=π×Dm=3.14×3228=10135.92mm
h=H=3800mm
（2）留余量
（a筒体卷制的伸长量：
与被卷材质、板厚、卷制直径的大小、卷制次数等条件有关，而本次采用冷卷，钢板冷卷的伸长量较小，约为7～8mm。
（b）主要考虑内容为机加工余量和热切割加工余量
（3）焊缝变形量
对于尺寸要求严格的焊接结构件，划线时要考虑焊缝变形量（焊缝收缩量），可以查相关的标准。
对于简单结构在自由状态下进行电弧焊接时，也可以对焊缝收缩量等变形进行大致的估算。
实际用料线尺寸=展开尺寸-卷制伸长量+焊缝收缩量-焊缝剖开间隙+边缘加工余量
切割下料线尺寸=实际用料线尺寸+切割余量+划线公差
（4）划线公差
长度L和宽度h如图二所示，对角线之差不大于1mm，两平行线的不平行度不大于1mm，若考虑相对长度、宽度的关系则更为完善。
一般情况下划线公差也可以考虑为制造公差的一般。
筒体的排料
筒体排料的要求：
（1）每节筒节，其纵向焊缝数量，公称直径Dg不大于1800mm时，拼接焊缝不多于2条；公称直径Dg大于1800mm时，拼接焊缝不多于3条；
（2）每一节筒体的纵向焊缝中心线间的弧长不应小于300mm，如图3-3：
图3-3筒节上焊缝位置
（3）、相邻筒体的纵向焊缝与筒体纵向焊缝应互相错开，并且两焊缝中心间的弧长不得小于100mm，见图3-4
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