加氢 下封头的制造工艺设计.docx
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加氢下封头的制造工艺设计
加氢反应器制造工艺设计
一：
加氢反应器的设计背景
工程科学是关于工程实践的科学基础，现代过程装备与控制工程是工程科学的一个分支，因此，生产实习是工科学习的重要环节。
在兰州兰石集团实习期间，对化工设备的发展前景和各种化工容器如反应釜、换热器、储罐、分液器和塔器等的有所了解和学习。
生产实习的主要任务是学习化工设备的制造工艺和生产流程，将理论知识与生产实践相结合，理论应用于实际。
因此，过程装备与检测的课程设计的设置是十分必要的。
由于我们实习的加工车间正在进行加氢反应器的生产，而加氢反应器是石油化工行业的关键设备，其生产工艺和设计制造在化工设备中具有显著的代表性，为此，选择加氢反应器这一典型的化工设备作为课程设计的设计题目。
二：
加氢反应器的主要设计参数
1：
引用的主要标准及规范
国家质量技术监督局颁发的《压力容器安全技术监察规程》（99）版
GB150-1998《钢制压力容器》
GB6654-1996压力容器用钢板（含1、2号修改单）
JB4708-2000钢制压力容器焊接工艺评定
JB/T4709-2000钢制压力容器焊接规程
JB4744-2000钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验
JB/T4730-2005承压设备无损检测
JB4726-2000压力容器用碳素钢和低合金钢锻件
JB4728-2000压力容器用不锈钢锻件
GB/4237-2007不锈钢热轧钢板和钢带
GB/T3280-2007不锈钢冷轧钢板和钢带
GB/T3077-1999合金结构钢
GB/T14976-2002流体输送用不锈钢无缝钢管
JB/T4711-2003压力容器涂敷与运输包装
2主要技术参数
表一
设计压力
5.75／0.1MPa
设计温度
375／177℃
最高工作压力
4.88MPa
最高工作温度
343℃
容器类别
三类容器
容积
78.2立方米
腐蚀裕量
0
水压试验
立式7.47／卧式7.55MPa
盛装介质
石脑油、油气、氢气、硫化氢
主体材质
15CrMoR
3结构特点
该加氢精制反应器为板焊结构，其内径φ4000㎜，壁厚98㎜，由2节组成；封头内半径2022㎜，壁厚78㎜，总重量94550Kg。
整个容器位于裙座圈上，总高度约14011㎜，容器内壁（包括封头、筒体、法兰以及接管和弯管）全部堆焊309L+347不锈钢，反应器设有油气进出口、催化剂卸料口、冷氢进口、热电偶口、人孔等接管孔，所有接管均采用整体补强结构，裙座采用对接结构，各接管密封采用八角垫结构，设备上下各有一个弯管。
容器内部焊有凸台（一周），安装有冷氢盘、分配盘等内件。
4使用特点及需解决的问题
由于热壁加氢反应器是在高温、高压、临氢及硫和硫化氢介质条件下使用的，因此决定了该设备在使用过程中将会出现：
氢腐蚀、氢脆、高温高压硫化氢腐蚀、硫化物应力腐蚀开裂、堆焊层的剥离、CrMo
钢的回火脆性破坏等问题。
5材料要求
5.1锻件和钢板用15CrMo钢硬是采用电炉冶炼加炉外精炼炉精炼，和真空脱气等工艺方法生产的本质细晶粒镇静钢
5.2钢板和锻件均应进行正火（允许加速冷却）加回火热处理，热处理工艺应根据材料化学成分和截面尺寸大小由钢材生产厂确定，冷却速度的大小以保证达到力学性能的要求为原则
5.3材料力学性能试板应进行模拟焊后热处理，即模拟制造过程中壳体材料可能经历的最大程度的焊后热处理（Max.PWHT）和最小程度的焊后热处理（Min.PWHT），包括所有482℃以上的中间和最终焊后热处理过程，其热处理工艺为：
封头热成形（900-950）℃×90分钟
正火910℃×120分钟回火690℃×150分钟，空冷
热成形（900-950）℃×30分钟
正火910℃×40～50分钟
回火690℃×60～70分钟
5.4筒体封头用15CrMo钢板除应满足GB6654-1996（含1、2号修改单）的规定外，尚应满足技术条件的要求
5.5钢板的化学成分符合下表二的规定，熔炼分析按炉（灌）号取样，成品分析按轧制张张取样（可以从室温拉伸试验断裂后的试样上切取），按GB/T223标准规定
表二15CrMoR钢板的化学成分（Wt%）
化学成分
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
Cu
Ni
Sn
熔炼分析
0.05～0.17
0.15～0.40
0.40～0.65
≤0.010
≤0.010
0.80～1.15
0.45～0.60
≤0.20
≤0.20
≤0.012
成品分析
0.04～0.17
0.13～0.45
0.40～0.65
≤0.012
≤0.012
0.74～1.21
0.40～0.65
≤0.20
≤0.25
≤0.015
5.615CrMo钢板经正火加回火热处理，再经模拟焊后热处理后的力学性能应符合下，力学性能试验按轧制张逐张进行，其取样位置，试样数量及热处理状态应符合下表四的规定
序号
试验项目
单位
力学性能值
1
室温拉伸强度
MP
450～585
2
室温屈服强度
室温延伸率
室温断面收缩率
MP
≥275
3
%
≥22
4
%
≥45
5
Ⅱ1572
0℃夏比冲击功
J
三个试样平均值≥41
一个试样最低值≥31
6
室温弯曲实验
高温屈服强度
d=2a，弯曲180°无裂纹
7
MP
≥204
表三15CrMoR钢板的力学性能
5.7钢板生产厂必须以试板进行正火加回火加模拟焊后热处理其各项性能均应满足本技术条件的要求
5.8钢板应按JB/T4730.3-2005的规定进行超声检测，必须进行100%扫查，验收标注为Ⅰ级
5.9总图
三：
方案论证
过程条件 加氢反应是可逆、放热和分子数减少的反应，根据吕·查德里原理，低温、高压有利于化学平衡向加氢反应方向移动。
加氢过程所需的温度决定于所用催化剂的活性，活性高者温度可较低。
对于在反应温度条件下平衡常数较小的加氢反应（如由一氧化碳加氢合成甲醇），为了提高平衡转化率，反应过程需要在高压下进行，并且也有利于提高反应速度。
采用过量的氢，不仅可加快反应速度和提高被加氢物质的转化率，而且有利于导出反应热。
过量的氢可循环使用。
常用的加氢反应器有两类：
一类用于高沸点液体或固体（固体需先溶于溶剂或加热熔融）原料的液相加氢过程，如油脂加氢、重质油品的加氢裂解等。
液相加氢常在加压下进行，过程可以是间歇式的，也可以是连续的。
间歇液相加氢常采用具有搅拌装置的压力釜或鼓泡反应器。
连续液相加氢可采用涓流床反应器或气、液、固三相同向连续流动的管式反应器。
另一类反应器用于气相连续加氢过程，如苯常压气相加氢制环己烷、一氧化碳高压气相加氢合成甲醇等，反应器的类型可以是列管式或塔式。
工业应用 加氢过程在石油炼制工业中，除用于加氢裂化外,还广泛用于加氢精制,以脱除油品中存在的含氧、硫、氮等杂质，并使烯烃全部饱和、芳烃部分饱和，以提高油品的质量。
在煤化工中用于煤加氢液化制取液体燃料。
在有机化工中则用于制备各种有机产品，例如一氧化碳加氢合成甲醇、苯加氢制环己烷、苯酚加氢制环己醇、醛加氢制醇、萘加氢制四氢萘和十氢萘（用作溶剂）、硝基苯加氢还原制苯胺等。
此外，加氢过程还作为化学工业的一种精制手段，用于除去有机原料或产品中所含少量有害而不易分离的杂质，例如乙烯精制时使其中杂质乙炔加氢而成乙烯；丙烯精制时使其中杂质丙炔和丙二烯加氢而成丙烯；以及利用一氧化碳加氢转化为甲烷的反应，以除去氢气中少量的一氧化碳等。
四：
制造工艺设计
１.选材
在高温、高压下，氢与钢材中的碳原子能化合生成甲烷，使钢材变脆,称为氢蚀。
故高压加氢的反应器,必须采用合金钢材。
氢是易燃、易爆物质，加氢过程必须考虑安全措施。
在石油加氢装置中Cr-Mo系低合金耐热抗氢钢得到广泛的使用。
钢15CrMoR（相当于1Cr-0.5Mo）在500～550℃有较高持久强度，长期运行也无石墨化倾向，在石油化工中允许使用温度为350～500℃，有抗氢要求使用下限温度。
1.1115CrMoR属低碳珠光体耐热钢，有利于工艺性；
1.12组织中的铁素体份额高，限制其强度级别为300MP；
1.13钢材中0.5%的Mo提高组织稳定性；
1.14Cr起固溶强化作用，同时组织石墨化倾向。
从操作工况看，该加氢反应器的基材选15CrMoR即满足要求。
封头堆焊层的选择
石油化工行业的加氢反应器、原流合成塔、煤液化反应器及核电站的厚壁压力容器等内表面均需大面积堆焊耐高温，抗氧及硫化氢等腐蚀的不锈钢衬里。
带极电渣堆焊是利用导电熔渣的电阻热熔化堆焊材料和母材的，除引线阶段外，整个堆焊过程应设有电弧产生。
随着压力容器日趋大型化、高参数化，促使堆焊技术向更优质更高效的方向发展。
带极电渣堆焊技术具有比带极埋弧难焊更高的生产效率、更低的稀释率和良好的焊缝成形等优点，得到迅速发展和较普遍的应用。
5.下封头制造工艺设计
5.1选材：
5.1.1：
下封头及出油口、弯管选用15CrMoR
在石油加氢装置中Cr-Mo系低合金耐热抗氢钢得到广泛的使用。
钢15CrMoR（相当于1Cr-0.5Mo）在500～550℃有较高持久强度，长期运行也无石墨化倾向，在石油化工中允许使用温度为350～500℃，有抗氢要求使用下限温度。
1）.115CrMoR属低碳珠光体耐热钢，有利于工艺性；
2）组织中的铁素体份额高，限制其强度级别为300MP；
3）钢材中0.5%的Mo提高组织稳定性；
4）Cr起固溶强化作用，同时组织石墨化倾向。
从操作工况看，该加氢反应器的基材选15CrMoR即满足要求。
5.1.2封头堆焊层的选择：
石油化工行业的加氢反应器、原流合成塔、煤液化反应器及核电站的厚壁压力容器等内表面均需大面积堆焊耐高温，抗氧及硫化氢等腐蚀的不锈钢衬里。
带极电渣堆焊是利用导电熔渣的电阻热熔化堆焊材料和母材的，除引线阶段外，整个堆焊过程应设有电弧产生。
随着压力容器日趋大型化、高参数化，促使堆焊技术向更优质更高效的方向发展。
带极电渣堆焊技术具有比带极埋弧难焊更高的生产效率、更低的稀释率和良好的焊缝成形等优点，得到迅速发展和较普遍的应用。
5.2下球形封头的展开计算：
由于球形封头属于不可展的零件，但生产中冲压加工或旋压加工是毛坯料展开后的图形都为圆形，所以只需要求出展开后的半径或直径即可
采用经验法进行计算
Do=KDm+2h
（一）
Do为包括了加工余量的展开直径；K为经验系数
Dm中性层直径
h封头的直边高
经查表，由球形封头a：
b=1，所以K取1.42
由总图可知，Dm=2X（2022+78/2）=4122h=0,因此Do=1.42X4122=5853.24mm
5.3号料：
由标准钢板的规格限制以及展开计算可以得知，需要两块钢板，因此采用拼焊缝技术。
5.4切割方法的选择：
常用的切割方法有机械切割、氧气切割和等离子切割。
（
5.4.1机械切割：
按剪切刀刃口分为平口剪和斜口剪。
平口剪：
两刀刃平行，剪切时沿刀刃长度同时进行，冲击大。
斜口剪：
两刀刃成一定夹角，剪切时沿刀刃长度逐渐进行，冲击小。
5.4.2氧气切割：
它是利用割炬喷出乙炔与氧气混合燃烧的预热火焰，将金属切割处预热到它的燃烧点（红热程度），并从割炬的另一喷孔高速喷出纯氧气流，使切割处的金属发生剧烈的氧化，成为熔融的金属氧化物，同时被高压氧气流吹走，从而形成一条狭小整齐的割缝使金属割开。
5.4.3等离子切割：
等离子切割机是一种新型的热切割设备,它的工作原理是以压缩空气为工作气体,以高温高速的等离子弧为热源，利用等离子体既有高温（18000～30000K）又有冲力的特性，将被切割的金属局部熔化、并同时用高速气流将已熔化的金属吹走、形成狭窄切缝。
配合不同的工作气体可以切割不同的金属材料，如不锈钢、铝、铜、铸铁、碳钢等。
5.4.4三种方法的分析比较：
机械切割操作简单，成本低，但其生产效率低，切口精度差，而且不适合用于切割太厚、形状较复杂的钢板，它只适用于切割矩形或棒料；而与机械切割相比较，气割的最大优点是设备简单操作灵活、方便，适应性强，它可以在任意位置，任何方向切割任意形状和任意厚度的工件，生产效率高、切口质量也相当好。
但对金属材料的适用范围有一定的限制，它是用于纯铁、低碳钢、中碳钢和低合金结构钢材料的切割，而高碳钢、铸铁、高合金钢及铜、铝等非铁金属及合金，均难以气割;而等离子切割机的特点是切割速度快、切缝狭窄、切口平整、热影响区小、工件变形度低、操作简单，并且具有显著的节能效果。
它是用于任何材料的切割，但是它的成本太高。
而该设计中钢板厚度为78mm，采用机械切割难度大，而设备的设计材料15CrMoR为，它是低合金结构钢，可以采用氧气切割。
至于等离子切割，由于其成本高，且气割也可以满足工艺要求，综合考虑其经济性，故不采用等离子切割，而是采用氧气切割。
5.4.5焊缝坡口的选择：
由主材为15CrMoR，以及标准抗拉强度，因此采用冷加工方法加工坡口，由钢板的厚度比较大，考虑材料的成本以及毛坯直径过大，应采用单面外向的坡口。
5.5热成形：
冲压条件由σ/Do×100=78/5853.24X100＞0.7，所以采用热冲压成型
毛坯热冲压的加热温度的选择
从降低冲压力和有利于钢板变形考虑，加热温度可高些，但是温度过高会使钢材的晶粒显著成长，甚至形成过热组织，是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，因此合理选择加热温度是很有必要的按照常用封头材料的加热规范表可以得知入下表所示
封头热成形加热
装炉温度℃
加热速度℃/H
加热温度℃
均热后保温时间
冷却方式
≤850
≤200
950+/-20
30分钟
出炉冲压
5.6压边条件的计算：
采用压边圈是毛坯料只能在压边圈与下模之间滑动，可以防止折皱的产生，而且在有压边圈产生的摩擦力作用下，增加了经向拉应力，也有利于防止封头鼓包的尝试。
因此，确定在什么条件下需要采用压边圈是关系到封头质量好坏的重要因素。
采用压边圈的条件主要决定与Do，Dn，与δ的关系条件如下公式
Do—Dn≥（14～15）δ
Do：
毛坯内径，mm；Dn：
封头内径，mm；δ：
钢板厚度，mm
Do—Dn=5853.24—2022X2=1809.24＞（14～15）X78=（1092～1170）mm
因此需采用压边圈
5.7冲压模具的设计计算
5.7.1上模（冲头）起结构及主要参数入下图。
在实际冲压中，以内径为准的封头，上模设计应考虑同以直径几种相邻壁厚封头的通用性。
计算公式如下：
上模直径:
Dsm=Dn×（1±ψ）（mm）ψ=αΔt×100﹪
α——线胀系数Δt为冲压结束温度与室温之差
收缩率或回弹率的经验值
Do/mm
600
700～1000
1100～1800
＞2000
材料
碳钢
不锈钢
铝
铜
ψ/﹪
0.5～0.6
0.6～0.7
0.7～0.8
0.8～0.9
-ψ（﹪）
0.3～0.4
0.4～0.7
0.1～0.15
0.15～0.2
由表得出ψ取0.9
所以冲压上模直径Dsm=Dn（1±ψ）=2022×（1＋0.9）=3841.8mm
上模曲面高度Hsm:
Hsm=hn（1±ψ
由图纸知道hn=1372mm
所以Hsm=1372（1＋0.9）=2606.8mm
上模直边高度Ho:
Ho=h＋H1＋H2＋H3（mm）
h，封头直边高度；H1，封头高度修边余量，一般取15～40mm
H2，卸料板厚度，一般为40～80mm；H3，保险余量，一般为40～100mm
H1取40mm，H2取80mm，H3取100mm
所以Ho=0＋40＋80＋100=220mm
上模上部直径:
上模上部直径一般比上模直径大2～3mm
所以上模上部直径取3844mm
上模壁厚:
δ
由于本次冲压机的吨位为3000吨
所以冲压壁厚δ取80mm
5.7.2下模的设计
为了适应冲压不同尺寸封头及模具设计的通用性，下模的结构常设计为下模和下模座。
这样在冲压不同直径封头时，只需改变下模直径Dxm即可，而下模座可以满足一系列封头冲压的需要，方便了模具的更换，避免了设计、制造模具。
因此设计合理的下模和下模座是很有用的，也是很方便的。
上下模之间的间隙a：
对封头成型质量有直接影响。
若a值越大，则使冲压力减小，但易产生鼓包和褶皱，并影响封头直径尺寸;若a值太小，则边缘部分将产生很大的挤压力和摩擦力，使冲压力增大，不仅耗费功率，而且还可能将封头严重拉薄。
因此，间隙a应考虑板厚δ，还应考虑适当的附加值Z，即:
a=δ＋Z
热冲压时Z=（0.1～0.2）δ，冷冲压Z=（0.2～0.3）δ
由于本封头采用热冲压，所以Z取0.2δ=0.2×78=15.6mm；
a=78＋15.6=93.6mm；
下模内径Dxm：
下模内径Dxm=Dsm＋2a＋δm（mm）
由《互换性与技术测量》查得公差等级为IT12，δm取6.5mm，所以：
Dxm=3841.8＋156＋6.5=4004.3mm
下模圆角半径r：
冲压毛坯时通过下模圆角时，除受拉应力外，还受很大的弯曲应力。
若圆角太小，毛坯滑入下模拐弯太急，弯曲应力增大，并使冲压力增大，毛坯受到严重拉薄和表面产生微裂纹；若圆角太大，则易产生褶皱和鼓包。
因此，一般由经验选取。
由于本封头采用压边圈，所以r=（2～3）δ（mm）
下模直边高度h1：
h1=（40～70）（mm）
h1=70mm
下模总高度h：
h=（100～250）（mm）
h=250mm
下模外径D1：
D1=Dxm＋（200～400）（mm）
D1=4004.3＋400=4404.3mm
下模座：
外径D应大于毛坯直径Do；高度H=h+（60～100）mm；下口内径D2应比与之配套的最大壁厚封头的下模内径Dxm大5～10mm。
5.7.3由于下封头带有出油口以及人孔等多个孔，因此在冲压时采用预先在毛坯上割出人孔等预切椭圆，然后再热态下进行翻孔冲压。
5.8下封头的制造工艺过程卡片
5.8.1材检1封头用15CrMoR钢板除应满足GB6654—1996及2号修改单的规定外，还应符合Ⅱ1572-00-JT中的有关规定
2材料质证齐全，标记清楚
5.8.2喷砂喷砂清理表面氧化皮
5.8.3探伤钢板应逐张按JB/4730.3-2005进行100%UT检测，Ⅰ级合格，若来料UT合格，塔内可不进行次序
5.8.4号料1号封头的下料线及拼缝线如图所示
2号封头母材试板一块，规格78×240×600
3号拼缝试板两块，规格78×120×600
（注：
此试板也可从端部余量上切取）
5.8.5下料按线气割下料，清除熔渣
5.8.6刨坡口按图刨封头拼缝坡口
5.8.7探伤拼缝坡口进行100%MT，按JB4730.4-2005中Ⅰ级合格
5.8.8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
5.8.9探伤拼缝坡口进行100%MT，按JB4730.4-2005中Ⅰ级合格
5.8.10热成形1封头外协热成形后，执行热处理工艺
2检查封头端口尺寸
3带封头母材试板及拼缝试板
5.8.11装焊支撑圈
5.8.12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
5.8.13喷砂喷砂清理表面氧化皮
5.8.14刨焊肉将封头焊肉全部割掉，打磨拼缝坡口
5.8.15探伤拼缝坡口进行100%MT，按JB4730.4-2005中Ⅰ级合格
5.8.16装焊拼缝1组装封头拼缝，及拼缝试板
2焊接详见焊接工艺说明书
3打磨，清理焊缝表面
5.8.17中间退火1封头进行退火处理，执行热处理工艺
2检查封头端口尺寸
3带封头拼缝试板并取1/2模拟后送检。
5.8.18去支撑去支撑圈，打磨焊接处
5.8.19喷砂封头表面进行喷砂清理表面氧化皮
5.8.20打磨打磨，清理焊缝表面
5.8.21探伤1封头及拼缝进行100%UT检测，按Ⅱ1572-00.JT有关要求进行
2封头进行100%RT，按GB/T4730.2-2005中Ⅱ级合格
3封头及拼缝内外表面进行100%MT，按JB/4730.4-2005中Ⅰ级合格
5.8.22二次号料按图号出封头端口及中心孔的气割线，加工线，检查线
5.8.23气割按线气割，清楚熔渣
5.8.24装焊卡爪装焊加工用卡爪
5.8.25立车立车封头端坡口，按图加工中心坡口
5.8.26镗口按图镗加工卸料口开孔坡口
5.8.27去卡爪去除卡爪并打磨
5.8.28探伤坡口及去卡爪处进行100%MT，按JB/4730.4-2005中Ⅰ级合格
5.8.29装焊加强短节下部过渡段
1按图装焊下部过渡段，出口管加强短节
2焊接详见焊接工艺说明书
5.8.30退火封头进行退火处理，执行热处理工艺
5.8.31喷砂封头内外表面进行喷砂处理，清楚氧化皮
5.8.32打磨打磨，清理焊缝表面
5.8.33探伤1焊接接头进行100%RT，按GB/T4730.2-2005中Ⅱ级合格
2焊缝接头进行100%UT，按GB/T4730.3-2005中I级合格
3焊缝接头进行100%MT，按JB/4730.4-2005中Ⅰ级合格
5.8.34堆焊过渡层1堆焊过渡层，详见焊接工艺说明书
2炉外消氢，按热处理工艺
3打磨过渡层
5.8.35探伤过渡层进行100%PT，按GB/T4730.5-2005中Ⅱ级合格
5.8.36堆焊表层1堆焊表层，详见焊接工艺说明书
2测铁元素体数
3打磨表层
5.8.37探伤1表层进行100%PT，按GB/T4730.5-2005中I级合格
2堆焊曾及熔合面进行100%UT，符合Ⅱ1572-00.JT中的要求
3堆焊层进行厚度检测，符合图纸要求
5.8.38装焊裙座筒体1装焊裙座筒体
2焊接详见焊接说明书
3炉外消氢，按热处理工艺
4打磨焊接接头
5.8.39立车1按图加工下部过渡段端部坡口
2按图车掉下部过渡段与裙座筒体1连接处的凸台部分
5.8.40打磨打磨焊接接头
5.8.41探伤1焊接接头进行100%RT，按GB/T4730.2-2005中Ⅱ级合格
2焊接接头进行100%UT，按GB/T4730.3-2005中I级合格
3下部过渡段与裙座筒体1焊接接头外表面进行100%MT（PT），按JB/T4730.4-2005中Ⅰ级合格
5.8.42装焊卸料管
1装焊卸料管
2焊接详见焊接说明书
3炉外消氢，按热处理工艺
4打磨焊接接头
5.8.431焊接接头进行100%RT，按GB/T4730.2-2005中Ⅱ级合格
2焊接接头进行100%UT，按GB/T4730.3-2005中I
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