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1、陕西科技大学期末考试复习题第十五期 陕西科技大学期末考试复习题第十五期(封头制造实例） 陕西科技大学 编 机电过控系 审第一篇 尿素合成塔球形封头制造工艺球形封头制造过程：一 整体结构分析 1、 尿素合成塔筒体由碳素钢外层和不锈钢内层组成。其组合形式可以是多种多样的，主要有以下几种类型：1单层外壳，松衬不锈钢衬里层；2单层外壳，爆炸衬里不锈钢层；3热套多层壳体，热套内层不锈钢或松衬不锈钢衬里层；4多层包扎焊接壳体，松衬不锈钢衬里层；5以不锈钢作为内筒外层直接包扎焊接碳钢多层层板； 但经过比较，目前用的最多的，最可靠的结构形式是以不锈钢作为内筒外层直接包扎焊接碳钢多层层板。以不锈钢衬里作为内筒的

2、多层包扎焊接式筒体的优点是：1制造工艺简单2衬里层与外壳碳钢层得贴紧度高3在操作压力下不锈钢内筒由多层包扎产生的压应力与内压引起的拉应力相互抵消，使内筒应力大大降低，甚至为压应力，降低了应力腐蚀的可能性。4内筒的不锈钢衬里纵焊缝可以在塔外制作，并进行RT检测和内外侧PT检测，有缺陷时返修方便且彻底，可充分保证主焊缝的质量为了保证不锈钢衬里层外壁在焊接外层碳钢时免受污染和产生低碳马氏体，位于不锈钢和层板之间设置一层过渡层（通常叫盲板）。图（2） 盲板层得纵焊缝不全焊透，只间断焊，且根部有一窄垫板，使焊缝可与内筒隔离。 焊道表面不高于盲板外圆，以便作为将来的检漏通道。在盲板层得内壁也开出纵横交错的

3、沟槽，作为检漏通道。2、 上、下封头结构 尿素合成塔上下封头可以采用整体锻件加工而成，也可采用厚板冲压成形。从节约材料和改善受力状况考虑，采用半球形封头。由于要与介质接触的材料要为耐腐蚀材料，因此，球形封头采用复合层球形封头。内层为316L不锈钢，外层为16MnR。3、 筒体材料 筒体内层为316L不锈钢，外层为16MnR。 由于尿素介质对普通碳钢的年腐蚀率高达2000mm，所以在尿素生产装置中与尿素介质接触的设备不允许采用碳钢的。 采用在尿素合成反应器中加入氧气的方法，可以使不锈钢得到连续钝化，因此，尿素合成塔内部可以采用比较廉价的奥氏体CrNiMo不锈钢。 316L不锈钢为低碳316，可以

4、减少碳化铬晶间析出，减轻晶间腐蚀。 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、 因此，选用内层为316L不锈钢，外层为16MnR， 316L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%316L0.062205204516MnR510-655345316L化学成分化学成分C%Si%Mn%P%S%Cr%Ni%Mo%N%316L0.03120.030.045161813.5162.230.216MnR化学成分化学成分C%Si%Mn%P%S%0.20.20.551.21.60.030.02二坯料准备1

5、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

6、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。2.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

7、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。3.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。（1） 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。球形封头毛坯尺寸计算，根据面积法进行计算：相关尺寸：内径d=2080mm; 厚度s=8+90(过渡层+耐蚀层)外径Da=2080+298=2276mmh2=0.5Da-s=0.52276-98=1040mm直边段h1=98mm展开直径D0=（2d2+4d(h1+S)）0.5

8、=(221782+42178103)0.5 =3222.53mm ，取D0=3500mmS 球形封头边缘机械加工余量，取S=5mm所以，内径2080mm半球形封头整体展开尺寸为直径3500mm，厚度98mm，来料板宽2100mm，长度2400mm，故两张板可拼接成一个封头毛坯。 上下封头材料：SA516-70+316Lmod，重量5750kg上下封头过渡层堆焊完毕检验合格后整体做消除应力热处理。（2） 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

9、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 排样样板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。3 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。4.切割及边缘加工 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

10、，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。经上述一系列工序后，得到一处理后的圆形封头板坯。三板坯加热 封头冲压时，板坯塑性变形很大，且为厚壁高压封头，故用热冲压，冲压前，把板坯加热至始锻温度，放在压力机上冲压，到终锻温度时停止冲压，封头毛坯加工工艺如曲线所示。四设备选用及模具设计（1） 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

11、头形状影响系数，球形封头K=1.4-1.6；D0封头外径，mmDw筒节外径，mm对于球形封头，压边条件D0-Dn(14-15)S,因为3500-2080=14.49S，故应采用压边圈，且该封头材料为复合钢板，无论其厚度如何，冲压时都必须采用压边圈，以防止复板起皱，故取C=1.2，球形封头取K=1.5,查化工设备用钢表9-19，封头材料SA516-70+316Lmod，厚度98mm,750时抗拉强度为520MPaP=CK (D0-Dw)S=1.21.53.14【3500-（2080+982）】98520=352.5t 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352.5

12、t的水压机。（2）模具设计 上模（冲头）其结构及主要设计参数1 模直径Dsm根据封头内径和热冲压的收缩率或冷冲压的回弹率计算，材料为不锈钢（SA516-70+316Lmod），取=0.5Dsm= Dn（1）=2080（10.5）=1040-3120 mm上模曲面部分高度Hsm=hn(1+)=h2(1+)=1040(10.5)=520-1560 mm上模直边高度H0H1封头高度修边余量，一般为15-40mm,取H1=20 mmH2卸料板厚度，一般为40-80mm，取H2=50 mmH3保险余量，一般为40-100mm，取H3=50mm所以，H= h1+ H1+ H2+ H3=98+20+50+5

13、0=218 mm4 上模上部分直径Dsm、Dsm、=Dsm+(2-3) mm=1042-3123 mm5 上模壁厚S当水压机吨位小于等于400 t时，S=30-40 mm，取S=35 mm 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=0.1898=17.64 mm，球形封头取较大值。 a=S+ z=98+17.64=115.64 mm下模内径DxmDxm= Dsm+2a+ SmSm下模制造公差，取Sm=2 mmDxm=（1040-3120）+2115.64+2=（1273.28-3353.28）mm下模圆角半径r根据经验选取，采用压边圈时，r=

14、(2-3)S（mm）=298=196 mm下模直边高度h1h1=（40-70）mm，取h1=50 mm下模总高度hh=（100-250）mm，取h=200 mm下模外径D1D1= Dxm+（200-400）mm=（1473.28-3753.28）mm下模座外径D应大于毛坯直径D0，（3500 mm），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（5-10）mm 压边圈结构及设计参数主要尺寸如下：内径Dn、= Dxm+（50-80）（mm）=（1323.28-3433.28mm厚度S、=70-120 mm，取S、=80 mm，外径Dw、=D（下模座外

15、径）3500mm五封头冲压及其应力分析、典型缺陷分析 尿素合成塔上下半球形封头均采用厚板在352.5t水压机上整体冲压成形，关键条件是有合适吨位、开档、行程的水压机和相应的工装模具，高温加热炉以及合理的冲压工艺。如附图所示，将毛坯4对中放在下模5（冲环）上，然后开动水压机使活动横梁1空程向下，当压边圈2与毛坯接触后，开动压边缸将毛坯的边缘压紧，接着上模（冲头）3空程下降，当与毛坯接触时，开动主缸使上模向下冲压，对毛坯进行拉伸，至毛坯完全通过下模后，封头便冲压成形。最后开动提升缸和回程缸，将上模和压边圈向上提起，与此同时用脱模装置6将包在上模上的封头脱下，并将封头从下模支座中取出，冲压过程即告结

16、束。 封头的冲压过程属于拉延过程，在冲压过程中各部分的应力状态和变形情况都不同，处于压边圈下部分的毛坯边缘A部分，由于封头的下压力使其经受径向拉伸应力，并向中心流动，坯料外直径减小；边缘金属沿切向收缩，产生切向压缩应力，会使毛坯边缘丧失稳定而产生褶皱；常用压边圈将边缘压紧，则在板厚方向又产生压应力，即A部分材料承受三向应力状态。处于下模圆角B部分的材料，除受到径向拉伸应力和切向压缩应力外，还受到弯曲而产生弯曲应力。在冲头与下模空隙的C部分金属材料，仍受径向拉伸应力和切向压缩应力，而板厚方向不受力，处于自由状态；封头底部D处的金属材料，径向和切向都受到拉应力，有较小的伸长，所以壁厚略有减薄。 封

17、头冲压时常出现的缺陷有拉薄、褶皱和鼓包等，其影响因素很多，简要分析如下：拉薄 碳钢封头冲压后，其壁厚会产生不等程度的变化球形封头深度大，底部拉伸减薄最多。褶皱 冲压时板坯周围的压缩量最大，其值为L=（Dp-Dm）式中Dp坯料直径；Dm封头中径。 封头越深，毛坯直径越大，周围缩短量也越大，周向缩短产生两个结果，一个是工件周边区的厚度和径向长度均有所增加，另一个是过分的压应变使板料产生失稳而褶皱。板热加热不均、搬运和夹持不当造成坯料不平，也会造成褶皱。鼓包 产生原因与褶皱类似，但主要影响因素是拼接焊缝余量的大小以及冲压工艺方面的原因，如加热不均匀，压边力太小或不均匀、封头与下模间隙太大以及下模圆角

18、太大等。 为了防止封头冲压时产生缺陷，必须采用下列措施：板坯加热均匀；保持适当而均匀的压边力；选定合适的下模圆角半径；降低模具（包括压边圈）表面的粗糙程度；合理润滑以及在大批量冲压封头时应适当冷却模具。六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。七封头开孔为了连接接管和人孔，在封头上要开孔，这些

19、孔可以先划好线然后用气割切出。首先在封头上找孔中心，划好中心线并用色漆写上中心线编号，按图纸画出接管的孔，在中心和圆周上打冲印，然后切出孔，同时切出焊接坡口。装接管或人孔、手孔的孔中心位置的允许偏差为10 mm。对直径在150以下的孔，其偏差为-0.5-1.5 mm；直径在150-300 mm之间，偏差为-0.5-2.0mm；直径在300 mm以上，偏差为-0.5-3.0 mm，开孔可以用手工气割或机械化气割。八尿素合成塔封头制造详细工艺流程（包括检测） 下部半球形封头制造过程：原材料检验喷砂UT检测标准移植气割下料刨削拼接坡口预组合并在大型立车上夹紧车削外圆边缘坡度在龙门刨床上精加工拼接焊缝

20、坡口组对焊接（组对时在特制的装有预热装置的场地上进行） 预热温度20030检验，包括焊缝的PT，RT检测以及焊缝及热影响区的硬度试验加热冲压测定成形后球壳各部位实际厚度焊缝及热影响区内外表面MT整个球面进行UT正火+回火（带焊接试板）试板力学性能试验精加工环向端面球壳内壁用砂轮打磨光滑呈金属光泽清洗内表面在专用的焊接变位器上夹紧，找正在球壳外壁安装远红外电加热及保温层通电预热，使球壳温度100进行第一层（过渡层）带极板堆焊和球底中心部位的焊条、电弧堆焊打磨焊接接头部分堆焊层表面PT（抽查30面积）UT检测（也抽查30，以焊带搭接处为主）消除应力热处理表面清洗，不得有油污等影响继续堆焊质量的杂物

21、堆焊第二层（耐蚀层）不锈钢（包括焊条电弧堆焊）铁素体测定100PT100UT测量堆焊层厚度加工环向焊接坡口镗制底部和侧面物料接管焊接坡口所有坡口的碳钢部分进行MT清洗坡口表面（用酒精擦洗除去油污）组对接管球壳接管周围适当预热焊接焊接铁素体测定焊缝表面PT与筒体组对焊接 上封头球壳的制造工艺过程在球壳冲压成形部分与下封头相同，以后工序如下：上封头球壳冲压成形并经正火+回火处理，力学性能试验合格后在立车上加工人孔开孔与人孔法兰的焊接坡口检验坡口合格后与人孔法兰锻件组对点焊固定（预热）预热（150）焊接UT、MT硬度检查直线加速器RT检测（有条件厂家）组对两个吊耳局部预热150焊接吊耳焊满后表面打磨

22、MT、UT消除应力热处理UT、MT硬度检查球壳内壁打磨光滑呈金属光泽清洗干净堆焊不锈钢（堆焊程序与下封头相同）堆焊人孔衬里过渡层精加工人孔内圆及人孔密封面镶环槽组对人孔内圆衬里和密封底镶环焊接焊接铁素体检查焊接表面PT精加工人孔密封面螺栓孔加工检验九封头成形后热处理及其检测 热处理奥氏体不锈钢封头在冷压后不需要进行热处理，但在热压后一定要进行热处理。冲压后进行热处理的温度为870900摄氏度，应该是材料的正火热处理。不锈钢封头的热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。大体来说，它可以保证和提高工件的各种性能 ，如耐磨、耐腐蚀等。还可以改善毛坯的组织和应力状态，以利于进行各种冷、热加工

23、。热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接，不可间断。加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多，最早是采用木炭和煤作为热源，进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制，且无环境污染。利用这些热源可以直接加热，也可以通过熔融的盐或金属，以至浮动粒子进行间接加热。 整体热处理是对工件整体加热，然后以适当的速度冷却，以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。加热和冷却过程中,不锈钢封头由于表层和心部的冷却速度和时间的不一致,形成温差，就会导致体积膨胀和收缩不均而产生应力,即热应力。在热

24、应力的作用下,由于表层开始温度低于心部,收缩也大于心部而使心部受拉,当冷却结束时，由于心部最后冷却体积收缩不能自由进行而使表层受压心部受拉。即在热应力的作用下最终使工件表层受压而心部受拉。这种现象受到冷却速度,材料成分和热处理工艺等因素的影响。当冷却速度愈快,含碳量和合金成分愈高,冷却过程中在热应力作用下产生的不均匀塑性变形愈大,最后形成的残余应力就愈大。 另一方面钢在热处理过程中由于组织的变化即奥氏体向马氏体转变时,因比容的增大会伴随工件体积的膨胀,工件各部位先后相变，造成体积长大不一致而产生组织应力。不锈钢封头组织应力变化的最终结果是表层受拉应力,心部受压应力,恰好与热应力相反。组织应力的

25、大小与工件在马氏体相变区的冷却速度,形状，材料的化学成分等因素有关。只不过热应力在组织转变以前就已经产生了不锈钢封头，而组织应力则是在组织转变过程中产生的,在整个冷却过程中,热应力与组织应力综合作用的结果,就是工件中实际存在的应力。这两种应力综合作用的结果是十分复杂的,受着许多因素的影响,如成分、形状、热处理工艺等。就其发展过程来说只有两种类型,即热应力和组织应力,作用方向相反时二者抵消,作用方向相同时二者相互迭加。不管是相互抵消还是相互迭加,两个应力应有一个占主导因素,热应力占主导地位时的作用结果是工件心部受拉,表面受压。组织应力占主导地位时的作用结果是工件心部受压表面受拉。 无损检测封头是

26、主要受压元件应进行100%探伤，即100%RT,100%UT检测。对该整体冲压成形的半球形封头对接焊缝可进行局部射线或超声检测。第二篇 椭圆形封头制造工艺设计精馏塔上椭圆形封头1 精馏塔技术条件1.1 技术条件（1） 制造用的原材料：应符合各项要求，如设计要求GB150，HG20581，对入厂的材料进行检查和验收，如有必要可进行复检。（2） 加工和成型：塔体材料在加工过程中，标记应保留。必要时，应将标记转移到工件上，并保证转移标记的正确、无误、清晰、耐久。（3） 焊接和切割：塔体上开孔应尽量不安排在焊缝及其临近区域，焊接采用电弧焊。1.2 特性参数见表2-1 表2-1 特性参数设计压力0.6M

27、Pa设计温度200容器类别三类容器水压试验0.75MPa盛装介质工业硅无水氯化氢(HCl)主体材质06Cr18Ni12Mo2Ti2 精馏塔上封头结构分析、材料分析2.1 结构分析上封头结构分析：由特性参数可知，设计压力为0.6MP，属于低压容器，所以选择适用于中低压容器并且应用广泛的标准椭圆型封头。 该椭圆形封头参数见表3-1：表3-1 椭圆形封头参数公称直径/mm曲面高度h1/mm直边高度h/mm封头厚度/mm150037540183.2 原料选择与分析304不锈钢是最廉价、使用最广泛的奥氏体不锈钢（如食品、化工、原子能等工业设备）。适用于一般的有机和无机介质。但在硫酸和盐酸中的耐蚀性差，尤

28、其对含氯介质(如冷却水)引起的缝隙腐蚀最敏感。316型不锈钢适用于一般的有机和无机介质。例如,天然冷却水、冷却塔水、软化水，碳酸。但是不宜用于硫酸。由于约含2的Mo，在海水和其他含氯介质中的耐蚀性比304型好,完全可以替代304型。316L型不锈钢耐蚀性和用途与316型基本相同，由于含碳量更低（0.03），故可焊性和焊后的耐蚀性也更好。316Ti(06Cr18Ni12Mo2Ti)是在316型钢的基础上添加Ti元素来增加钢板抗晶间腐蚀能力的材料。此钢板由于抗腐蚀能力强，因此广泛应用于石油化工，化肥，船舶，化肥等行业。在多晶硅行业中，316Ti钢板是普遍被接受的，应用最广泛的材料。本次设计所做的精

29、馏塔，316Ti是较好的选择。其成分分析如表3-2表3-2 材料成分组成化学成分CSiMnSPCrNiTiMo成品分析0.061.002.000.030.03516.0019.0011.0014.005C%-0.701.802.503.3 力学性能：表3-3 力学性能抗拉强度 b 530(MPa)条件屈服强度0.2 205(MPa)伸长率 5 40(%)断面收缩率 55(%)硬度187HB;90HRB;200HV3.4 热处理规范及金相组织：热处理规范：固溶10001100快冷。金相组织：组织特征为奥氏体型。3.5 上封头草图和计算机图绘制见附图。4 上封头的总体生产工艺过程（工艺过程）：原材

30、料入库原材料复检预处理划线及标记下料边缘加工开破口拼接修平焊缝热冲压成型修正并去除氧化皮热处理无损探伤5 封头制造的准备：包括如钢板的检测和保存，钢板的预处理方法和工艺；展开计算、划线，切割加工等，封头的拼接设计；5.1 钢板的检测和保存：外观检验、几何尺寸检验、理化检验和钢板的超声波探伤，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，应不低于级。5.2 钢板的处理方法和工艺5.2.1 原材料净化: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