锁斗锥形封头制造.docx
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锁斗锥形封头制造
总体制造工艺设计流程及整体结构分析
5.1总体制造工艺设计
处理——气割——打磨——喷丸——气割——打磨——探伤——号料——气割——焊接——立车——镗——气割——打磨——探伤——装配——焊接——热处理——打磨——探伤
5.2．整体结构分析
5.2.1锁斗锥体成型
材质：
16MnR锁斗锥体制造难点在于如何保证锥体大小端面的平行度和上下端面的同心度。
锁斗锥体由3瓣压制组成，下料按锥体展开放样划下料线，每边留20mm余量，压制时由于没有合适的模具，不能一次压制成型。
如果当时现提工装模具，一是耽误周期，再者也增加了制造成本。
根据实际情况，工艺果断采取用现有模具通过水压机逐步压制，使其达到设计尺寸要求。
压制时采用平面样板检验上下口尺寸以及轮廓处的R，保证样板与单片锥体间的间隙在1mm左右，压制成型后，用1：
1的立体样板进行实际测量，根据测量情况，用水压机对不符合尺寸要求的部为进行校正，然后根据立体样板的尺寸划出余量线，气割取出余量线后，再用立体样板进行精整型直至达到设计要求。
5.2.2锁斗的整体检验
由于锁斗的形状不规则，许多关键尺寸为空间尺寸，给装配后的测量带来很大困难。
利用机加中心的数显功能进行测量，方便、快捷、准确，解决了整体测量的难题。
经测量，锁斗的整体尺寸完全符合图纸要求，均在公差范围内。
6．锥体制造工艺的设计
6.1锥体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——热压形——组对焊接——热处理——校圆——气割——打磨——探伤——堆焊过渡层——正火加回火——立车——炉外消氢——打磨——探伤
6.2锁斗锥体制造工艺过程卡片
工序号工序名称工艺要求及工序图
1材检1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
2质证齐全、标记清楚。
2喷丸1钢板单面喷丸，彻底除锈。
3探伤1对钢板进行100%UT检测，按JB/T4730.3-20
05及3311-00JT中的有关要求执行。
4号料1号锥体的下料线及拼缝线
5下料1按线气割下料并清理熔渣
6刨坡口1按图纸要求刨筒节纵、环缝坡口
7探伤1拼缝坡口进行100%MT，按JB4730.4-2005中Ⅰ级合格
8热压形1在压力机上胎具压形，并用径向弧向样板检查。
9组对焊接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
10热处理1锥体进行正火加回火处理，执行热处理工艺
2带锥体母材试板及拼缝试板
3锥体母材试板取1/2模拟后送检
4检测锥体端口尺寸
11校圆1组焊后在卷圆机上校圆，校圆温度150~200℃.
12打磨1对焊接接头表面进行打磨，内表面与母材
平齐，外表面焊缝加强金属高<2mm,焊缝表
面不允许存在咬肉、裂纹、气孔、弧坑、
夹渣等缺陷
13探伤1对焊接接头进行100%RT检测，按JB/T4730.2-2005
中二级合格
2焊接接头进行100%UT检测，按JB/T4730.3
-2005中一级合格
3焊接接头表面进行100%MT检测，按JB/T4
730.4-2005中一级合格
14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
15正火加回火1封头进行正火加回火处理，执行热处理工艺
16立车1立车锥形封头端坡口和接管开孔与接管法兰的焊接坡口
17炉外消氢1用环形加热装置进行炉外消氢执行热处理工艺
18探伤1所有坡口进行100%MT，按JB/4730.4-2005中级合格
6.3锥体工艺设计
6.3.1选材
（1）压力容器的选材原理
a．具有足够的强度，塑性，韧性和稳定性。
b．具有良好的冷热加工性和焊接性能。
c．在有腐蚀性介质的设备必须有良好的耐蚀性和抗氢性。
d．在高温状态使用的设备要有良好的热稳定性。
e．在低温状态下使用的设备要考虑有良好的韧性。
（2）锥体选材
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刚镍合金；③超级双向不锈钢；④哈氏合金（NiMo:
78%20%合金）常用材料：
常用复合材料：
16MnR+0Gr18Ni9，A：
按形状分：
钢板、棒料、管状、铸件、锻件B：
按成分分：
碳素钢：
20号钢20RQ235;低合金钢：
16MnR、16MnDR、09MnNiDR、15CrMoR、16Mn锻件、20MnMo锻件;高合金钢：
0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti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。
6.3.2材检
6.3.2.1化学成分分析
（1）化学成分如下表所示（查表6-116Mn专业用钢的化学成分/%【Ⅰ】）
表6-1钢的化学成分
钢号
C
Si
Mn
P
S
16MnR
<0.2
0.20~0.60
1.20~1.60
<=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。
6.3.2.2力学性能和工艺性能
（查表6-216Mn专业用钢的力学性能【Ⅰ】）℃
表6-2钢的力学性能
钢号
板厚/mm
状态
σs/Mpa
σb/Mpa
δ5/%
弯曲
180度
温度/℃
冲击功Akv/J
时效冲击
16MnR
60~110
热轧或热处理
>=265
450-590
>=18
d=3a
室温
>=27
横向
----
6.3.2.3试验温度
表6-3试验温度
试验温度如表6-3
牌号
钢板厚度
mm
200℃
250℃
300℃
350℃
400℃
450℃
500℃
16MnR高温规定的残余应力Map
>60~100
225
205
185
175
165
155
6.3.2.4室温弯曲试验：
d=3a,弯曲180℃，无裂纹。
6.3.3封头的强度计算
因为该锥体封头主要受内压作用，所以采用封头厚度按内压计算公式
查表知16MnR许用应力知［σ］t=185Mpa
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
封头为标准锥形形封头，计算公式为：
K=（2［σ］t+p）/（2［σ］t-p）
=（2x185+4.8）/（2x185-4.8）=1.03
厚度=KPcDi/（2［σ］tφ-0.5pc）
=1.03×4.8×2000/（2×185×1-0.5×4.8）=26.9mm
腐蚀余量：
C2=5mm
设计厚度：
δd=δ+C2=26.9+5=31.9mm，因为锥体封头的厚度为90mm，大于31.9mm，所以容器在该厚度的条件合格。
6.3.4展开计算和划线
6.3.4.1.带折边椎体的展开计算
从理论上讲带折边锥形封头属于不可展开的零件，但生产中需要展开，则可假设板材的中性层处弧长在成形前后相等（等弧长法），以进行展开计算。
计算过程如下：
折边锥形封头大端中性层直径Dm=Dg+δ=3600+90=3690mm
小端中性层直径dm=dg+δ=400+90=490mm
图6-1锥形封头展开
折边中性层半径rm=510+δ/2=510+45=555mm
直边高度h=50mm
锥顶角β=60°
展开角α=360°sin（β/2）=360°sin30°=180°
展开的小弧长半径r′=（dm/2）/sin30°=dm=490mm
利用等弧长法求展开后大展开半径R，展开后中性层处半径等于展开前中性层处弧长R=0.707Dm+0.371rm+h=0.707×3690+0.371×550+50=2862mm
其展开后的图形如下图6-1所示：
6.3.4.2.号料
按锥体封头展开尺寸分四等分，并在扇形直边和高度方向各留50mm单边余量。
平分的四瓣片冲压后，再组焊成形。
工程上把零件展开图画在板料上的过程，该过程中主要注意两个方面的问题：
全面考虑各道工序的加工余量；考虑划线的技术要求。
a.加工余量
加工余量主要包括变形余量，机加工余量，切割余量，焊焊接工艺余量等。
由于实际加工制造方法，设备，工艺过程等内容不尽相同，因此加工余量的最后确定是比较复杂的，要根据实际情况来确定。
边缘加工余量包括焊接坡口余量，主要考虑内容为机加工（切屑加工）余量和热加工切割余量。
焊接坡口余量主要考虑坡口间隙，坡口间隙的大小主要有破口形式，焊接工艺，焊接方法等因素来确定。
焊缝的收缩量，弯曲变形量等受多种因素影响，在划线时若能准确的考虑由于焊接变形所产生的各种焊接余量是十分困难的，因此查表6-4取近似值。
表6-4加工余量表
焊缝收缩量
对接接头双边焊，3～4㎜
焊缝坡口间隙
单U型坡口，2～3㎜
边缘机加工双边余量
根据加工长度，查表10㎜
切割余量
钢板切割加工，查表14㎜
划线公差
保证产品符合国家制造标准，取1㎜
展开尺寸
2862㎜
b.划线技术要求
实际用料线尺寸=展开尺寸+焊缝收缩量-焊缝坡口间隙+边缘加工余量
=2862+3-3+10=2872㎜
切割下料线尺寸=实际用料尺寸+切割余量+划线公差
=2862+14+1=2877㎜。
c.合理排料
（1）充分利用原材料，边角余料，使材料利用率达到90%以上。
（2）零件排料要考虑到切割方便、可行。
例如，剪板机下料必须是贯通的直线等。
（3）排料必须符合国家标准规定，充分利用原材料。
d.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。
6.3.5下料
下料的加工方法分析及选用
常用的切割方法有机械切割、氧气切割和等离子切割。
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。
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。
气割是用可燃气体与氧气混合燃烧的预热火焰，将金属加热到燃烧点，并在氧气射流中剧烈燃烧而将金属分开的加工方法。
可燃气体与氧气的混合及切割氧的喷射是利用割炬来完成的。
气割所用的可燃气体主要是乙炔、液化石油气和氢气等。
氧炔焰气割过程是：
预热一燃烧一吹渣。
并不是所有金属都能被气割，只有符合下列条件的金属才能被气割：
（1）金属能同氧剧烈反应，并放出足够的热量。
（2）金属导热性不应太高。
（3）金属燃烧点要低于它的熔点。
（4）金属氧化物的熔点要低于金属本身的熔点。
（5）生成的氧化物应该易于流动。
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,有些焊接坡口可一次直接用切割方法切割出来，切割后直接进行焊接。
气体火焰切割的精度和效率大幅度提高，依据以上分析，椎体封头采用气割下料，预热≥200℃，切割后进行边缘加工，去除毛刺及硬化层等。
6.3.6热压形
在压力机上胎具压形，并用径向弧向样板检查。
压制时采用平面样板检验上下口尺寸以及轮廓处的R，保证样板与单片锥体间的间隙在1mm左右，压制成型后，用1：
1的立体样板进行实际测量，根据测量情况，用水压机对不符合尺寸要求的部为进行校正，然后根据立体样板的尺寸划出余量线，气割取出余量线后，再用立体样板进行精整型直至达到设计要求。
板坯加热和热处理：
如图6-2，该材料最佳热冲压温度为920——950℃，温度低于920℃要停止冲压，否则容易引起材料的脆化。
热冲压后，封头要进行正火＋回火处理，焊接试板﹑母材试板同炉热处理。
检查内容是：
测厚δ≥60；
拼接焊缝：
100%RT，JB/T4730-2005Ⅱ级；100%UT，JB/T4730-2005I级；封头外表面及焊缝100%MT,JB/T4730-2005I级
母材试板检验（化学成分和力学性能检验）；
焊接试板检查（保留一半，待整体热处理后再检查），按JB4744-2000进行常温拉伸试验、高温拉伸试验、冷弯试验、热影响区的硬度值HB≥240。
对于有缺陷的位置要进行修复，修复完成之后要再进行X-射线检测。
7.焊接工艺
7.1焊接方法的选择
（1）手工电弧焊,手工电弧焊适合于各种不规则形状，各种焊接位置的焊接。
手弧焊是主要根据焊件厚度，破口形式，焊缝位置等选择焊接工艺参数。
在保证焊接质量的前提下，应尽可能采用大直径焊条和大电流焊接，以提高生产效率。
（2）16Mn自动焊方法是埋弧自动焊，电渣焊，CO2气体保护焊等。
埋弧自动焊由于具有熔敷率高，大溶深以及机械自动化操作的优点，适合于大型焊接结构的制造，广泛应用，多用于平焊和平角焊位置，电渣焊焊缝及热影响区过热，晶粒粗化，焊后要进行热处理。
焊接基本金属为低合金钢16MnR，锥体规格φ3600×90mm，所要求的焊工资格代号SAW-1G（K）-07/09,焊接方法为埋弧自动焊，焊接姿势为平焊，焊丝直径为4.0mm,焊接电流：
正：
700~720，反：
720~740，焊接电压：
36-38V；焊接速度：
0.6cm/s；焊接顺序：
先正焊，在反焊；焊接材料为E50（点焊），焊丝牌号H08MnA，焊剂SJ507.
7.2焊缝坡口的选择
（1）首选机械加工坡口。
（2）采用热切割坡口，切割前后将割口边缘100mm预热150摄氏度以上，热切割后边缘应进行机械或砂轮打磨，而后进行磁粉探伤检测，合格后转下道工序。
7.3拼缝坡口加工及焊接
压形合格后，两直边进行二次精确加工并加工拼接焊缝坡口。
坡口如图1-3所示。
组对时，把准备好的四块瓣片在胎具上放置到位，再应用固定夹焊在两块瓣片间固定尺寸，见图1-2所示。
组对好后，进行焊接，焊接工艺见表7-1。
注意，焊接完成后再拆除固定夹。
表7-1锥体封头的焊接工艺
焊接过程
检验要求
1
清理坡口及坡口检查
100%MTJB/T4730-2005I级
2
在平台上划线、组对、预热并点焊垫板（与锥体同材质）
目测
3
SMAW焊垫板角焊缝
4
SAW焊满，焊缝余高0~0.5mm，
目检
5
消氢处理300~350℃/2h；或消应力600±14℃/2h
7
去垫板，打磨平。
内壁堆焊面焊缝打磨平。
100%RTJB/T4730-2005Ⅱ100%UTJB/T4730-2005I级
100%MTJB/T4730-2005I级
8
整体焊后热处理
100%UTJB/T4730-2005I级
100%MTJB/T4730-2005I级
9
测硬度（母材、焊缝、热影响区各一组）
HV10≤240
10
水压试验后
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
预热温度≥200℃。
7.4校圆
组焊后在卷圆机上校圆，校圆温度150～200℃。
7.5焊后热处理
对于低合金钢16MnR来说，焊后热处理的目的不仅是消除焊接应力，而且更重要的是改善金属组织，降低焊缝及热影响区硬度，提高接头的高温蠕变强度和组织稳定性，达到提高接头的综合力学性能的目的。
由于低合金钢在370-565摄氏度温度区间长期运行过程具有回火脆性，因此在热处理工艺时一定要避免在此温度区间长期停留。
热处理和最终热处理均采用台车式煤气热处理加热炉。
炉内空间大,对热电偶的布置、煤气的燃烧等都比较熟悉,对炉内的温度控制也有成熟的方法。
使用的是分辨式燃油局部热处理加热炉。
炉内有若干个喷火嘴,炉壁衬耐火材料作为保温层。
由于炉内空间小,为防止热量散失,保证焊缝全厚度方向受热均匀,在反应器内部焊缝加热部位也铺设了耐火材料,以形成保温墙。
根据热电偶表温度曲线的变化,通过调节风阀、油嘴的闭合,来控制炉内的升温速度和恒温温度,从而保证了焊缝内外表面温度均匀一致。
对接焊缝焊接完成后,需立即进行中间消应力热处理（ISR）,其热处理规范为620-640℃×2h。
出炉后经100%MT、UT、TOFD探伤。
探伤合格后进行焊接接头的最终热处理（PWHT）,其热处理规范为640-680℃×2h。
7.6锥体封头边缘余量的切割
用封头切割机来切割封头的边缘余量，工作过程如下：
封头置于转盘上并随之转动；机架上装有割枪固定设备，装有弹簧使滚轮紧靠在封头外侧，以控制割嘴与封头之间间隙不会随封头椭圆变化而影响切割。
放置封头时，一定要注意放正，让转盘的回转轴尽量和封头的回转轴重合，割前应按照封头的规格、直边尺寸划好切割线，并检查保证割距在整个圆周上正冲切割线。
7.7焊后检验
（1）焊缝外观及尺寸
（2）产品焊接检查、焊接工艺检查
（3）无损检验
8.锥体的接管设计
8.1接管的工艺流程
接管的加工工艺流程如表8-1
表8-1接管工艺流程
序号
工序名称
工艺要求
负责人签字
1
材检
材检一般包括对材料的外观，实物与质量证明书，炉批号，化学成分，力学性能的全面核实和综合实验等，综合以上选用材料为Q235-B钢板，除应满足GB150{钢制管壳式换热器}Ⅰ级进行制造检验和验收，并接受国家质监局颁发的{压力容器安全技术检查规程}监督
2
初车
将材检的板材进行初车。
（续表）
3
探伤UT
超声波检测,对于的薄板（小于6mm）采用板波检测,对于中厚板（6mm-60mm之间）和厚板（大于60mm）采用纵波进行检测,钢板须按JB/T4730.3-2005的要求逐张进行超声波检测,合格等级为Ⅰ级.
4
立车
立车加工接管坡口符合图样要求
5
探伤MT
100%磁粉检测,利用表面或者近表面而缺陷的工件被磁化后产生的漏磁场.首先进行表面准备;然后磁化,施加磁粉;检查;最后退磁,清洗.随着被检工件的不同,检测工序的不同,具体的过程也不相同.最后按照JB47304-2005评价,Ⅰ级为合格.
6
堆焊过度层
筒体的堆焊分为两层,第一层就是过渡层,通常堆焊309L,堆焊是需要进行预热,焊后需要进行中间消除应力或者消氢处理.
7
炉外消氢
为了使焊缝熔池金属在结晶和冷却过程中吸收空气中的氢给扩散出来，又称"扩氢"，是防治延迟裂纹的产生而导致的脆性断裂，温度一般为300－400度，时间为2小时，如果在焊接完成后立即进行消除应力热处理时，可不单独进行消氢处理。
8
立车
立车加工接管坡口符合图样要求
9
探伤PT
渗透检测焊缝，渗透检测可以工件及焊缝表面开口的裂纹,疏松,针孔等缺陷,工作原理简明易懂,不限尺寸,设备简单,成本低,使用方便.焊缝100%PT检测,按JB/4730.2-2005Ⅱ级验收.
10
堆焊面层
堆焊的第二层就是面层,一般采用焊条电弧堆焊或者采用二氧化碳药芯自动堆焊（质量较好）.应该在最终热处理后进行堆焊,这样可以减少应力腐蚀
11
CT
对工件进行化学检测，取样进行化学成分分析，按工件要求进行验收。
12
立车
立车加工接管法兰
（续表）
13
探伤PT.CT.MT
1.焊缝100%MT检测,按JB/4730.4-2005Ⅰ级验收.
2.焊缝100%CT检测,按JB/4730.3-2005Ⅰ级验收.
3.焊缝100%PT检测,按JB/4730.2-2005Ⅱ级验收.
4.取样进行化学成分分析
14
划线号料
划线直接决定了零件成形后的尺寸和几何形状精度,对以后的组队和焊接工序都有很大的影响，划线完成后，接下来就是将划线展开图画在板料上,号料时不仅考虑展开尺寸,同时还要考虑各个加工工序的加工余量,还有要考虑划线的技术要求.
15
探伤PT
渗透检测可以工件及焊缝表面开口的裂纹,疏松,针孔等缺陷,工作原理简明易懂,不限尺寸,设备简单,成本低,使用方便,焊缝100%PT检测,按JB/4730.2-2005Ⅱ级验收.
16
钻孔
根据钢板厚度选用刀具，并按照规定进行钻孔工艺规范
8.2接管与锥体焊接设计
在压力容器的设计，制造中会经常遇到角接接头问题。
根据角接接头的重要性和传递载荷的大小可把焊接接头分为主要角接接头和辅助角接接头。
主要角接接头以某种方式承受着全部载荷，如果焊缝破坏，所以说主要角接接头必须和其连接的结构具有相同的强度，设计成连续的全焊透形式。
由于焊接接头的特殊结构，制造时大多采用单面焊，角接接头的几何尺寸较复杂，位于不连续部位。
焊后难以进行射线及超声波检测。
在设计角接接头应该遵循这样原则：
重要的焊接接头尽量避免采用角接头，即使采用也应保证其尽量全焊透，对于疲劳容器或高压等重要设备中接管与筒体的连接应尽可能的采用交接结构，而且尽量采用双面焊交接接头，同时为了保证焊透，应先焊一面，背面清根在焊，而且焊接各层间的夹渣应该清净，如果不能采用双面焊时，应该采取类似于双面焊的单面焊。
如氩弧焊打底加手工焊盖面的工艺就满足要求，对于需预热的钢种，接管与壳体的焊接应选用从设备外侧施焊的单面焊，要求全焊透时刻采用带垫板的结构。
工艺要求：
采用氩弧焊打底加手工焊，手工焊平焊；焊前预热>100℃焊条直径5-6mm（表2.9板厚与焊条直径的关系【Ⅱ】）；碱性焊条，直流电源35-40A；坡口形式角接头表面应该修成圆弧形，与壳体表面形成圆滑过渡；焊接角度：
由于壁厚不相等，所以焊条与管子的角度尽量小；接管与筒体的焊接采用角接的形式，由于壁厚为90mm,所以角接采用两个。
8.3焊后检测
采用磁粉检测或渗透检测，进行外观检测。
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