机械 过程装备与控制工程专业 过程装备制造课程设计doc.docx
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机械过程装备与控制工程专业过程装备制造课程设计doc
目录
一结构设计分析…………………………………………………………………2
1.1反应器型式的确定…………………………………………2
1.2材料的的选择…………………………………………2
1.3反应器的主要设计数据…………………………………………2
1.4列管根数的确定…………………………………………2
1.5列管式固定床反应器壳体内径的确定………………………………………3
1.6封头厚度计算………………………………………3
1.7总体结构………………………………………3
二封头的下料……………………………………………………………………3
2.1下料操作……………………………………………3
2.2坡口要点……………………………………………4
三．封头的成型………………………………………………………………4
4.1旋压机的构成………………………………………………………………4
4.2热旋封头加工部位的确定…………………………………………………5
4.4旋压的操作步骤…………………………………………………………5
四．封头与接管的焊接……………………………………………………………5
4.1产品结构形式…………………………………………………………5
4.2焊前分析……………………………………………………6
4.3焊接前准备……………………………………………………7
4.4焊接工艺卡……………………………………………………………9
4.5焊后处理……………………………………………………11
五热处理…………………………………………………………………11
六焊后检测…………………………………………………………………11
七总结……………………………………………………………………13
参考文献………………………………………………………………14
甲醛反应器封头焊接工艺设计
一结构设计分析
1.1反应器型式的确定
反应器的型式和结构的选择，一要掌握工业反应器的要求，根据反应工程的理论，对反应过程作出合理的反应器类型选择。
二要熟悉和掌握各种反应器的类型及其基本传递特征。
合成甲醛的反应器有很多类型，但是由于合成甲醛的反应是一个放热反应，反应热效应大，为使反应始终处于较高的速度进行，必须及时移走反应热量，因此，按照不同的移热方法，反应器可分为等温固定床列管式和绝热冷激型多段式两大类。
由于等温固定床列管式反应器温度便于控制，目前采用较多。
所以工艺采用等温固定床列管式反应器，这种反应器的优点是采用管束式合成塔，这种合成塔的温度几乎是恒定的，反应温度恒定的好处一是有效抑制了副反应；二是催化剂的使用寿命长。
1.2材料的选择
依据GB150《压力容器》，不锈钢的焊接应力及其评定和控制，比较了Ｓｉ、Ｐ含量的不同组合对材料焊接的影响。
在此基础上，提出了对材料性能应进行综合评定，根据GB150.2《压力容器第二部风：
材料》以及利用Ｎｅｌｓｏｎ曲线选材时应减少腐蚀裕量加甲醛反应器应筒体和封头优先选用0Cr18Ni9。
1.3反应器的主要设计数据
表1-1
1.4列管根数的确定
根据换热面积，列管规格为：
Φ25×2.5mm,管长为l=6m。
解方程得：
n=2805（根）
1.5列管式固定床反应器壳体内径的确定
由公式：
式中：
D—壳体内径，mm；
t—管中心距，mm；
—横过管束中心线的管束；
b'—一般取
，
mm
，
管子采用正三角形排列，
=
=59
故带入公式得：
D=31.3（59-1）+2×31.3=1915
标准化后取：
D=2000mm
1.6封头厚度计算
1.7总体结构
设计了年产5万吨工业级甲醛的生产工艺；选用铁钼法，以甲醇，空气和水蒸气为原料，经预热，反应、换热后得甲醛产品。
本文主要承担反应器的设计。
根据反应特征，采用等温固定床列管式反应器。
根据物料衡算，确定了反应器的工艺参数、类型及特征尺寸：
容器内径1500mm、列管根数为1805根、三角形排列、管长3000mm。
二．封头的下料
根据工艺流转卡，φ2000mm的封头下料尺寸为φ3440mm；通常下料的板材的标准宽度只有1500,2000,2200mm等，为了节省材料，我们大多选用宽度2000mm的板材进行下料。
由于宽度不够，所以通常需要下两块料，板材加工V型坡口进行拼接后自动埋弧焊焊接，再打磨。
在下料前需要在原板材上切取试样，需要对试样进行，物理性能测试和化学元素含量的测试，因为物理性能决定封头的减薄率，化学元素含量决定焊接质量，0Cr18Ni9中物理性能和化学元素含量见表2-1、表2-2。
并且要符合新容规（固定式压力容器安全技术监察规程）中规定的用于压力容器的材料P≤0.03%，S≤0.02%
表2-1力学性能数值表
力学性能（不小于）
硬度值（不大于）
规定非比例延伸强度
抗拉强度
断后伸长率
HBW
HRB
HV
205
515
40
201
92
210
表2-2毛坯化学元素含量表（不大于）
C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
0.08
0.75
2
0.45
0.03
8-10.5
18-20
2.1下料操作
下料是封头制作的首道工序，下料下的好不好是一个封头质量最后是否过关的前提。
在下料的同时也要考虑到怎么样排列下料才会使用料最省，达到成本最低，并且在切割圆片的时候要考虑下料圆片公差-5～+5mm。
加工的是不锈钢封头，其切割的工具是不同的，奥氏体不锈钢中有较多的铬，用一般的氧—乙炔切割有困难，可用等离子弧切割方法进行下料。
注意：
在搬运、坡口制备、装配及定位焊过程中，应注意避免损伤钢材表面，以免使产品的耐蚀性降低。
如不允许用利器划伤钢材表面，不允许随意到处引弧等。
2.2坡口要点
（1）坡口工序是一个封头各项数据（包括周长、内总高）达到JB/T4746标准的关键工序；
（2）坡口主要的切割工序和下料工序工具一样，都是利用等离子切割；（3）切割时，根据流转卡上的工艺要求，确定坡口的类型（内坡口、外坡口、X型坡口）以及确定坡口的角度；（4）坡口前要对封头涂抹飞溅剂；（5）坡口时先进行试坡，然后量角器量取角度，确定在公差范围内，调整后，进行整坡。
三．封头的成型
3.1旋压机的构成
（1）成型轮连接相应的模具，旋压时在封头内侧，模具顶端与半成型封头R与直边相切处相切;
（2）托轮同样也是连接和成型轮一样的模具，旋压时在封头外侧，与成型轮相切;（3）底座用于固定封头，且底部可以根据封头大小前后移动，封头安装时要使底座的中心与封头的中心在一条直线上;（4）中心杆用于固定封头，且中心和底座的中心在一条直线上。
除此之外还有电机，电路板，连接轴，以及控制台。
图3-1
3.2冷旋压封头加工部位的确定
圆形板坯被主轴托盘和顶紧垫压紧后，圆弧行走机构完成成形辊的平面摆动，而旋压辊与成形辊又同时按照给定的圆弧轨迹曲线由中心向板坯边缘同步移动，并旋压于板坯（图3-1）.旋压过程主要分解为:
旋压大R.R-r过渡区，小r和直边四个部位。
考虑到旋压大R部位时坯料变形较小，旋压力也不大，只需旋压1-2道次就可成形，。
在旋压到R-r过渡区与r小圆弧部位时，板坯由于变形剧烈，极易产生皱折，且往往需要旋压3-4道次才能逐渐消除皱折。
3.3旋压的操作步骤
（1）承接压鼓工序的流转卡，根据流转卡确定要旋压的相应的封头；
（2）根据封头的直径，选择相对应的上下模具；（3）装夹封头，确保封头的中心点和底座中心点在一条直线上；（4）先调节成型轮与封头相切，然后根据成型轮的位置调节托轮；5）在旋压的过程中要观察成型轮与托轮的相对位置，且不断用模板就行比对。
直到r达到要求为止。
四．封头与接管的焊接
4.1产品结构形式
产品结构形式如图5-1所示。
封头为标准椭圆封头，壁厚最小处8mm，封头上需焊接2根插人式接管，接管分两种规格，1根18x3mm,1根426*8mm。
焊缝坡口型式如图4所示，全部外侧单面坡口。
产品图纸对接管的形位尺寸要求非常严格，1根426*8规格的管焊后要求的方位坐标寸、偏差为0.20mm,1根18*3规格的接管焊后要求的方位坐标尺寸偏差为1.5mm。
图4-1
4.2焊前分析
a.由于不锈钢屈服强度低，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，封头基体将产生如图4-2中细线所示的下凹，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2根接管后，在接管环焊缝应力的作用下变形，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，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（接管长度焊后在封头外的长度为250mm）,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。
b.焊接规范见《焊接工艺》（YTRS643-91-01A），除特殊要求外，其他焊接要求均按照《焊接技术要求》（YTRS643-91-02）执行。
C为了保证焊接质量，焊前应将坡口两侧20~30mm范围内的焊件表面清理干净，如有油污，可用丙酮或酒精等有机溶剂擦拭。
应在适当范围内涂上用白粉调制的糊桨，以防飞溅金属损伤表面。
图5-2
4.3焊前准备
4.3.1焊前材料处理
1.焊接坡口型式和尺寸应按图样要求或焊接工艺卡的规定进行加工，组对和检查。
2.不锈钢材料坡口加工，采用机械加工。
3.焊接坡口两侧各20mm的油污、锈蚀、水分、毛刺等脏物要打磨干净，并在坡口两侧加石棉垫或刷白糊剂，防止焊接飞溅粘附母材。
4.不锈钢件在下料、加工、点焊及组装搬运的过程中，应准备一定数量的枕木，避免损伤而降低产品耐蚀性能。
5.不锈钢焊接件点焊所用焊条及焊接工艺，应与产品采用焊条及工艺规定相同。
点焊高度不得超过焊件的厚度的三分之二，点焊长度据板厚而定，一般在10~20mm的范围内。
6.点焊焊缝如有裂纹等缺陷，必须清除重焊。
7.封头的焊接，经焊后检查都能满足图纸技术要求。
焊后椭圆度≤5mm,焊缝棱角度感≤3mm。
封头高度±4mm，取得非常满意的控制效果。
4.3.2坡口的制备
本设计奥氏体不锈钢焊件坡口形状和尺寸时，应充分考虑奥氏体不锈钢的线膨胀系数会加剧接头的变形，且板厚小于10mm所以采用V形坡，尺寸和口角度如图4-3。
图4-3
4.3.3焊接方法选择
常用的焊接方法有：
手工焊、TIG、埋弧焊。
（1）手工焊主要用于碳钢3-6mm板材的焊接。
（2）埋弧焊以8mm以上碳钢不锈钢板材的的焊接为主。
（3）氩弧焊以3-6mm不锈钢的焊接为主。
奥氏体不锈钢具有较好的焊接性，可以采用焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊等进行焊接。
其中氩弧焊是焊接奥氏体不锈钢的理想方法，焊接过程中合金元素烧损很小，焊缝表面洁净无渣，焊缝成形好。
此外，由于焊接热输入较低，特别适宜对过热敏感的奥氏体不锈钢的焊接。
所以选用氩弧焊打底然后手工电弧焊焊接。
4.3.4手工电弧焊
手工电弧焊是最常用的焊接方法，具有操作灵活、方便等优点。
为提高焊缝金属抗裂纹能力，宜选择碱性药皮的焊条；
4.3.5焊接材料选择
奥氏体不锈钢焊接材料的选用原则，应使焊缝金属的合金成分与母材成分基本相同，并尽量降低焊缝金属中碳含量和S、P等杂质的含量。
又由于奥氏体不锈钢对在腐蚀介质中工作的，主要按腐蚀介质和腐蚀性要求来选择焊接材料，一般选用与母材成分相近或相同的焊接材料。
由于含碳量对抗腐蚀性有很大影响，因此熔敷金属中碳的质量分数不能高于母材。
腐蚀性弱或仅为避免锈蚀污染的设备，可选用含Ti或Nb等稳定化元素或超低碳焊接材料.
常用的不锈钢焊丝有A102，E308-16和E308-16等，选用A102,焊剂选用的是HJ260,。
由于焊丝焊剂易受潮，平时将焊丝焊剂储存在红外线电子烘干机内，焊剂HJ260的烘干温度为250-300℃。
焊丝A102的烘干温度分别为150℃。
焊接工序是完全按照《焊接工艺》执行的，板材的厚度决定焊接时需要单面焊，在焊接结束后要对焊缝进行RT探伤（X射线）判断有没有气孔，裂纹等缺陷，如发现以上缺陷，要进行返修，直至拍片过关。
4.3.6防止接头过热
具体措施有：
焊接电流比焊低碳钢时小10%~20%，短弧快速焊，直线运条，减少起弧、收弧次数，尽量避免重复加热，强制冷却焊缝（加铜垫板，喷水冷却等）。
4.3.7产品施工
焊接坡口与工装:
为克服焊接过程中封头的变形，减小接管的倾斜、C形弯曲变形，在预制坡口时，熔敷金属的部分预制k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。
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（一层）十手工电弧焊，熔敷金属与基体材料相近。
装配---装配时封头侧的坡口钝边留1-3mm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。
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，先在焊缝最终熔敷金属量较小的焊接一层，再焊接最终熔敷金属量较大的另一层。
在后序施焊时，以加大最终熔敷金属量较小的一层对接管的接应力，
焊接工艺规程---焊接方法选用手工氩弧焊打.底+手工电弧焊填充，.焊接顺序安排要求先封头外侧施焊，焊接2层后从内侧清根，清根后从外侧焊满坡口。
焊接工装---为增加部件的结构刚性，克服纵向焊接应力引起的弧段收缩，设计了如图4-4所示的专用装焊胎体，在装焊胎体上加固支撑弧板，在每条焊缝两领组各布一块支撑弧板以控制焊缝的纵向收缩。
图4-4
4.4焊接工艺卡
焊接工艺卡
编号THK—VII—007
焊接工艺评定号
HGP99-26
适用范围
材料牌号
0Cr18Ni9
焊接接点图
材料规格
8
接头种类
角接
坡口型式
V
坡口角度
50
钝边
1
组对间隙
2
背面清根
1
焊接方法
SMAW
电源种类
直流
焊后热处理
种类
/
保温时间
/
电源极性
反接
加热方式
/
层间温度
/
焊接位置
SMAW-2FG
温度范围
/
测量方法
/
焊接工艺参数
焊层
焊材牌号
焊材直径（mm）
焊接电流A
电弧电压V
焊接速度cm/min
保护气体流量L/min
备注
1
A102
Φ3.2
100-75
21-23
400-600
8-10
第一层氩弧焊打底
2
A102
Φ4.0
140-160
22-24
400-600
3
A102
Φ4.0
140-160
22-24
400-600
备注：
用角向砂轮将焊接渣等清理干净。
其他焊接工艺要求《焊接技术要求》（YTRS643-91-02）执行。
4.5焊后处理
a.保护金属表面，严禁随处引弧，任意用铁锤敲击金属表面。
b.使用不锈钢材质的砂轮和钢丝刷等进行打磨和清理工作。
c.焊后应对焊缝及近缝区做酸洗、钝化处理。
1）将焊缝表面清理干净；2）再将酸洗、钝化膏涂抹于焊缝及近缝区具有氧化皮处，涂膜厚度为1~3mm；3）反应一般为1-10分钟，0℃以下，氧化皮厚处，需适当延长时（反应时间视膏体品牌及金属氧化膜厚度而定）；4）待反应完全后，用抹布或丝刷擦。
五热处理
a.热处理的分方法
封头主要采用的是去应力退火。
设备包括电退火炉和普通退火炉。
去应力退火又称低温退火，将封头加热到某一温度（一般为500-600℃）保持一定时间后缓慢冷却的工艺方法。
去应力退火过程中不发生组织的转变，其目的是为了消除由于形变加工，机械加工、铸造、热处理、焊接等所产生的残余应力。
2.9.2热处理操作步骤
（1）首先根据流转卡确认需要进行去应力退火的封头。
（2）将封头均匀排布在退火炉中，根据《热处理工艺》要求，将温度加热到指定温度，进行保温（根据封头厚度不同，保温时间不同）。
（3）确定保温时间结束之后，放置封头使其自然冷却。
热处理规程如下图5-1所示
图5-1热处理规程
六焊后检测
6.1焊接缺陷
1）焊缝不允许有裂纹、未熔合;2）焊缝表面不允许有气孔、未焊满、焊瘤等缺陷。
起弧、收弧应避免焊接缺陷的产生;3）不允许出现咬边。
（检测有缺陷时，清理后补焊。
;4）非焊接区域的不锈钢表面不允许电弧擦伤;5）对不合格的焊缝,应在部件的相应部位做出标识，返修后应进行复检，合格后方可进入下工序。
6.2焊接施检
a先目测检验外观缺陷。
b然后X射线检测。
序号
设备名称
设备型号
焦点尺寸
管电压
管电流
制造厂家
1
X射线探伤机
XXQ-2005
1.7×1.7mm
250KV
5mA
上探厂
透照方式见图6-1所示：
图6-1纵、环向焊接接头源在外单壁透照方式
七总结
封头的制作是完全围绕工艺流转卡进行制作的，根据封头的尺寸，例如φ2000mmEHA标准椭圆内径封头，制定相应的工艺卡，做出相对应的工序，以及成型封头的各项尺寸公差（外周公差，最小厚度，直径公差，断面形状，失圆度，总高公差等）。
在制作过程中，各种缺陷也是不可避免的（麻点、划伤、鼓包、变形，橘皮等），只要我们严把质量关，正确对待好每一次封头的质量问题，我想，封头市场的大门会越来越宽阔的。
在几周的实习学习中，我的社会知识和技术知识在不断的增长。
这一切和我的指导老师和南化机的工人师傅是分不开的，他们总是能在我最困难的时候，及时的给我指引方向，仔细的给我解释，直到我明白。
虽然不是在学校了，但是老师任然把我们当成在校生一样呵护，关心，在实习的事情给予我们指导，更是在课程设计上给我们讲解每一点要求和注意点，课程设计的最后完成和我们的指导老师是分不开的。
参考文献
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[2]GB/T4237-1992《不锈钢热轧钢板》[S].
[3]TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》[S]北京.玥实出版社.2009.
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[5]JB4732-1995《分析设计钢制压力容器用封头》[S].
[6]GB150-1998《钢制压力容器用封头》[S].
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