陕西科技大学机电工程学院过程装备与控制工程过程装备制造与检测期末考试复习资料总结.doc

第一节过程设备常用材料

本节简述压力容器对材料性能的要求和常用材料的性能。

一?对材料性能的基本要求

选择压力容器用材料应看重考虑：

力学性能、工艺性能和耐腐蚀性能。

1.材料的力学性能

需要保证：

强度指标、赠性指标和韧性指标。

⑴较高的强度

强度指标是设计中决定许用应力的重要依据。

朋用的强度指标有抗拉强度Ob和屈服强度GSo

高温下工作时，还要考虑蠕变极限和高温持久强度。

材料强度指标选取原则

保证塑性指标及英他性能的要求下，尽量用强度指标高的材料，以减小容器的重量。

材料强度指标高，容器的厚度小、重量轻；

但須性、韧性i般都较差，焊接时易产生裂纹等缺陷。

⑵良好的塑性

澈性指标主要包括伸长率6、断而收缩率屮和冷弯试验弯曲角?

塑性指标选取原则:

容器用钢材，要求具有较好的删性。

因为槊性好的材料在破坏前一般都产生明显的豹性变形，不但容易发现，而口燃性变形可以松弛局部高应力，避免部件断裂。

标准对容器用钢材赠性的最基本要求：

GB6654-86中规定，各钢种的延伸率85为（16?26）%；

国际标准化组织（ISO）推荐规范中规定伸长率的下限值：

碳钢及猛钢不小于16%；

对合金钢不小于14%o

⑶较好的韧性

虽然压力容器一般不受冲击载荷，但冲击值低、韧性差的材料，对缺口脆性比较敏感，特别是裂纹等缺陷。

所以用于制造压力容器承压部件的材料，要求具有较好的韧性。

2.工艺性能

材料的制造工艺性能差，不但难以加工制造，而且述容易在制造过程中产生各种缺陷。工艺性能主要包括：冲压性能，焊接性能，热处理性能

（1）良好的冲压加工性能：

要求材料有良好的冲压加工性能。

否则冲压加工时，难变形，容易产生裂纹等缺陷。

蜩性指标达到标准规定值的材料，都可以满足冲压工艺性能的要求；

（2）较好的焊接性

压力容器大多是焊接结构，制造材料的焊接性能至关重要。

焊接性差的材料，会在焊接接头内产生各种焊接缺陷，包括裂纹、未焊透等严重缺陷。

裂纹是最危险而一直被认为是不允许存在的缺陷。

所以在选用一?种新材料焊制压力容器时，-般都要经过焊接性试验。

（3）适宜的热处理性能

压力容器热处理过程中，要求容器材料容易消除加工过程中产生的残余内应

力，而且焊后热处理时不会产生裂纹。

但有一些低合金高强钢制的压力容器，在焊后热处理过程中容易出现裂纹° 因

此，选材时注意不选用具有这种敏感性的材料,焊制压力容器的承压部件。

⑷耐腐蚀性

选择压力容器用钢时，必须根据盛装的介质、温度、压力选择合适的耐腐蚀材

净化处理的目的和方法

1、目的

⑴铝、不锈钢制造的零件应在进行纯化处理前，先进行酸洗，以便钝化时形成均

匀的金属保护模，提高其耐腐蚀性能。

⑵对焊接坡口处进行净化处理，清除锈、氧化物、油污等，可以保证焊接质量。

⑶可以提高下道工序的配合质量。

、方法（手工净化、机械净化、化学净化法）

⑴手工净化

工具：钢刷，刮刀，砂纸等，主要用于焊口的局部净化。

⑵机械净化

设备：① 电动钢刷，电动砂轮等（适用于小而积或局部）；

%1喷砂机，抛丸机等（适用于大而积的钢板、设备人

（3）化学净化法

按主要功能分为：除油、除锈、钝化

二、零件的划线

是在原材料上划出下料线、加工线、孔位置线等。

划线工序包括：展开、放样、打标号等一系列操作过程。

零件的展开计算

概念：

展开（图）：将设备零件空间曲面摊平在平面上。

可展面和不可展面：

空间曲面分为直线曲面和曲线曲面；

在直线曲面中，当相邻两素线位于同一平面内时，才是可展开曲面（如柱面、锥面），螺旋面不可展；

所有的曲线曲而是不可展开的（如球形、椭圆形）。

排样

原则有两条：

一是提高材料利用率，就是要节约材料，充分利用原材料。

二是合理配置焊缝，意义比较重大。

因焊缝是容器上的薄弱环节，焊缝位置不合理严重影响容器质量。

国家标准中对排样的规定：

a.筒体要使英周向与钢板轧制方向一-致；

b.设计的焊缝位置要符合下列规定

展开零件拼焊时：焊缝尽量少和短；封头、管板拼接时，公称直径Dg不大于2200mm 时，拼接焊缝不多于1条，大于2200mm吋拼接焊缝不多于2条，其拼接形式如下

当封头山两块或山左右对称的三块钢板拼焊而成时，焊缝至封头中心的距离e

筒体焊缝要求

每节筒节，英纵向焊缝数量，公称克径Dg不大于1800mm时，拼接焊缝不多于2条；

Dg大于1800mm时拼接焊缝不多于3条。

筒体的拼接焊缝，每节筒体纵向焊缝中心线间的弧长不应小于300mm,相邻筒体纵向焊缝，中心间的弧长不得小于100mm

最短筒节长度不应小于300mm

探伤要求

当焊缝需耍进行探伤检验时，要使检验能方便可行。

c.设备筒体划线方案的确定原则

大型冬件如设备筒体事先要做出划线方案，以便确定下列内容：

筒体的节数；筒体的装配中心线；各接管位置。

使之符合排样的有关制造规范；不会出现在焊缝上开孔、焊缝偏于容器一侧等现象。

筒节的弯卷成形

设备：卷板机。

分类：冷卷，热卷，温卷

⑴弯卷成形过程

%1调整设备，轴线平行；

%1把板坯装入上下辘之间；

%1上馄下压，将板坯压弯；

%1驱动两下馄旋转，板坯借助摩擦力而移动，并带动上馄转动。

%1板坯移动过程中，连续通过最大受力位置（上辘瑕低线），使報个板坯（除两端）产生均匀一致的蜩性变形，得到一定曲率的弧形板。

述过程为一次行程。

通常一次弯卷很难达到所要求的变形程度，经过几次反复，可将钢板弯卷成一定弯曲半径的筒节。

3.1.1冷卷成型

根据筒节卷圆成形时，是否加热以及加热的温度高低，分为：

冷卷成型、热卷成型、温卷成型。

⑴冷卷成型——通常是在室温下成型、不需要加热设备。

特点是：成型过程不产生氧化皮，操作工艺简单口方便操作，费用低。

（2）钢板冷卷的变形率

%1冷卷变形率计算

注意：弯卷前后，中而层长度不变；

但沿钢板厚度方向，钢板蜩性变形程度是变化的；外侧伸长，内侧缩短。

按外侧相对伸长量计算变形率为：

e= [（ Dw- Dm）/ Dm ] xlOO%

=[/Dm] xlOO%

结论

钢板越厚、筒节的弯卷半径越小，则变形率越大。

%1变形率概念

冷弯变形率达到临界变形率，材料在随后热切割、焊接或热处理时，将产生粗大的再结晶晶粒。

钢材的理论临界变形率范围为5%?10%3

%1实际变形率要求

应小于理论临界变形率，否则后续热加工过程，会降低力学性能。

实际生产中，要求

e<5%, 一般控制在咗2.5%?3%。

HG 20584-1998《钢制化工容器制造技术要求》中规定：

碳素钢、16MnR $3% ；

其他低合金钢注2.5%；

18-8 钢E<15%=

%1最小冷弯半径Rmin

山公式[/Dm] xlOO% <2.5%?3%可以看出：

在实际卷圆时，钢板厚度是已知的，用半径代替￡,更容易操作，也更为直观。

最小冷弯半径Rmin计算

16MnR 钢:

(6/Dm) xlOO% <3%x (6/R ) xlOO% <6%,

则有：Rmin=16.76

低合金钢：Rmim=208

奥氏休不锈钢：Rmin=3.38

钢板冷弯卷制筒节时，筒节的半径要大于或等于最小冷弯半径。

3.1.2热卷成型

概念：是在再结品温度以上成型。特点：

%1热卷筒节时温度高、塑性好、易于成形，不产生硬化。

%1合理的加热温度。

-?般収900?1100°C,成型终止温度不低于800°C,对普通低合金钢要注意缓冷。

%1应控制加热速度。

加热速度快：

加热时间短，内外温差大，容易出现缺陷；

加热速度慢：

加热吋间长，增加钢材与炉内氧化性气体H2O、CO2、02等反应，产生氧化、脱碳等现象；氧化皮直接彫响成型(麻点和压坑)

3.1.3温卷成型

概念：钢板加热到500?600°C进行的弯卷，山于是在钢材的再结晶温度以下，因此其实质仍属于冷卷，但它具备热卷的一些特点。

%1冷加工硬化明显减轻、槊?性和韧性大为提高，减轻卷板机工作负担；

%1同时克服钢板的氧化、脱碳等现象。

3.2筒节卷圆设备

3.2.1对称式三辗卷板机

1、特点

%1结构简单、紧凑，两下馄可设计得很近，重量轻，易于制造和维修；

%1最大缺点是在所卷筒节纵向接缝处的两板头产生直边。

2、直边的产生原因

在卷圆过程中，两板头不可能通过最大弯矩e— e处，使两板头形成直边。

3、克服直边的方法

%1预弯方法

%1预留直边

3.3筒节卷圆常见的外形缺陷

%1过弯

山于下压量过大。

防止方法

应及时用样板检杳弯曲度。

%1锥形

山于两端的下压量不同，致使上、下银轴线互不平行而产生。

%1鼓形

山于馄轴的刚性不足(相当于中部下压量不足)所致。

%1棱角

预弯不足或过量

%1歪斜

滚圆前定位出错，板胚歪斜。

第4节封头黑体冲压成形

封头的基本加工方法

冲压成形（整体，分片）

旋压成形——椭圆，球形，大尺寸。

滚压成形——锥形爆炸法——摸索阶段，安全问题。

4.1冲压过程

%1装料

将封头毛坯对中放在下模上；

%1压边圈压紧坯料

开动水压机，液压缸推动上模、压边圈向下移动；

压边圈首先与毛坯接触并压紧坯料。

%1弯曲、胀形

当凸模下降与料坯接触吋，下模弯角处料坯开始弯曲，凸模底部少量料坯承受全部变形力，并开始产生胀形。

%1胀形、拉伸

随着胀形变形区的扩大，冲压力增大，同时法兰部分料坯开始流动，产生料拉伸变形%1成型

毛坯完全通过下模后，封头成型；

%1脱模

上模上移，打料杆将包在上模上的封头脱下。

上述冲压过程称为一次成形冲压过程。

以上过程可知，

封头冲压属于拉延过程。

4.2冲压过程的应力和变形

分析在冲压过程中，典型位置应力状态和变形各有其特点：

4.3.2料坯的变形情况对成型过程的影响

%1料向中心流动，形成封头；

%1少量料向外流动，外周边粗糙；

%1当主变形区（法兰）、自山变形区变形不当，容易产生失稳变形，严重缺陷。

%1鼓包：金属局部纤维的变形量大于其他部位引起的。

例：a毛坯焊缝的余高，会因摩擦等原因产生较大的拉应力，使局部的金属产生较大的伸长而鼓包。

b毛坏局部温度高于其他部位，此处金属变形抗力小，在相同拉应力作用下，金属纤维将产生较大的伸长而鼓包。

4.3.3影响折皱产生的封头儿何因索

%1相对厚度6/Dm

6/Dm越小，坯料边缘的稳定性越差；在压应力作用下，容易丧失稳定而起皱。（相当于压杆稳定）

%1毛坯位置

毛坯边缘切向应力大，容易丧失稳定而起皱的町能性就大。

%1折皱的产生述与下列因素有关：

?毛坯加热温度的均匀性；

?封头是否有焊缝；

?模具间隙大小和均匀性；

?下模圆角大小；圆角大，自山变形区增大，容易失稳；

?润滑情况，润滑好，有利于金属均匀流动，可避免山于受力不均、变形不均而产生的折皱和鼓包。

4.5封头的旋压成形

适用于大型封头的制造。

目前采用旋压成形法制造大型封头已成为主要方法。

4.5.1旋压成形的特点

%1适合制造尺寸大、壁薄的大型封头，目前□.制造G5000mm、@7000mm、10000mm, 其至C 20000mm的超大型封头；

%1旋压机比水压机轻巧，制造相同尺寸的封头，比水压机约轻2.5倍

%1旋压模具比冲压模具简单、尺寸小、成本低；

%1适于单件小批生产；

%1不易产生减薄和折皱，封头成形质量好；

%1不适宜厚讎小直径，若旋压成形，比较麻烦，不如冲压成形简单；

%1旋压过程较慢，生产率低于冲压成形。

%1若用冷旋压，对容易硬化的材料需消除硬化热处理。

4.5.2旋压成形的方法

分类：

按使用的主要设备情况，分为单机旋压法、联机旋压法。单机旋压法——在旋

压机上一次完成封头的旋压成形过程。

联机旋压法——分别用压鼓机和旋压机对封头料坏先压鼓后翻边的成型方法。

简单介绍单机旋压法。

根据模具使用情况单机旋压法可分为：

有模旋压法、

无模旋压法、

冲旋联合法。

封头制造的质量要求

%1封头应尽杲用整块钢板制成，必须拼接时，焊缝数昴及位置，应满足封头的划线技术要求。

%1封头冲压前，应清除钢板毛刺；冲压后去除内外表而的氧化皮，表而不允许有裂纹等缺陷。对于微小的表而裂纹和高度达3mm的个别凸起应进行修幣。

%1封头和筒体对接处的圆柱部分长度（直边高度）应符合下表要求。

④封头的几何形状和尺寸偏差

内径内径偏差椭圆度(Dmax-

Dmin)

D n<1000+ 3 ?一2；4

1000

D n>1500+ 7 ?一8

第5节管子的弯曲

5.1.1应力和变形分析（自山弯曲）

%1管子外侧壁

管子在弯矩M作用下，轴线外侧管壁受拉应力；

随着变形率的增大，拉力逐渐增大，管壁可能减薄、严重时可产生微裂纹;

%1管子内侧壁

受压应力作用，管庶可能增厚

严重时可使管舉?失稳产生内折皱

%1管子横截而变形

在N1与N2作用下，管子横截而变形；

自山弯曲时，变形将近似为椭圆形

半圆槽内弯曲，内侧基本上保持半圆形

外侧变扁

%1影响弯管缺陷产生的主要因素

a柑对弯曲半径R/dw ,它表示弯曲程度。

由:变形率e=[dw/（2R）] xlOO%

管子外径dw越大，弯曲半径R越小，内、外侧的变形率越大。

b相对弯曲壁厚6/dw

表示弯曲横截而的稳定性；

壁厚越小，管子直径越大，弯曲横截而的稳定性越差，越容易失稳。

5.1.2管子变形率的控制

⑵实际生产中控制管子弯曲变形率的主要方式是控制管子的弯曲半径。

弯曲半径有关规定，对一般受压<10MPa的管子，如换热器U形弯管段的弯曲半径R> 2dw；

5.2弯管方法

冷弯和热弯；

有芯和无芯弯管；

手工和机械弯管等多种方法。

冷弯和热弯

主要考虑变形的难易程度及防止缺陷产生，直径较大（dw>108）.厚庶较大的管等用热弯。

有芯和无芯弯管

主要考虑弯管后的形状、尺寸及防止缺陷产生。

手工和机械弯管

效率，质量，能力。

常用典型过程设备的组成与制造过程分析。

典型过程设备:换热压力容器，储存容器，热套式超高圧容器，扁平钢带鉛绕式压力容器。制造过程：1 ）管壳式换热器

主要零件制造:筒节的制造、封头的制造及管子弯曲等

突出工艺内容：。1承压壳体的组対焊接制造要求。2管子和管板的连接方法及工艺03管板

加工04折流板加工05管束的制造、装配。

2 ）高压容器的制造A、单层和

多层容器在制造的比较

0单层容器的制造工艺过程简单、生产效率较高。多层容器工艺过程较复杂，工序较多，生产周期长②单层容器使用钢板较厚，轧制较困难，抗脆裂性能差，质量不易保证，价格昂贵

%1多层容器的安全性比单层容器高。每层钢板相对抗脆裂性好，个别层板存在缺陷不至延展

至其他层板。每个筒节的层板都钻有透气孔，可以排出层间气体，内筒发生腐蚀破坏，介质山透气孔泄出也易于发现④多层容器山于层间间隙的存在，导热性小得多，高温工作时热应力大

%1多层容器层板存在间隙，环焊缝处存在缺I I的应力集中

%1多层容器没有深的纵焊缝，深环焊缝难于进行热处理

%1单层容器在内压作用下，壁厚方向的应力分布很不均匀

B、热套式

分段套合:利用热套法制成一段一?段筒节、套合后通过对环焊缝的纽焊制体容器。技术成熟，应用广泛。無体热套合:先焊好内筒全长，分层热套外筒。外筒之间不焊接，容器轴向力完全山内筒承受。环焊缝较薄，容易保证环焊缝质量，容器A长，幣体套合不方便。c、扁平钢带倾角错绕式零部件制造；内筒纽?装和焊接；钢带缠绕；水压试验。

D、层板包扎式

0内筒板为12~25mm厚板;②层板为6~12mm（国外12选12~20mm）,侦先将层板弯卷成瓦片状;③ 将预弯的瓦片状层板，放在专用的层板包扎拉紧装置的内筒上，用钢丝细捆在层板上并拉紧、点焊，最后焊接纵缝；④ 修磨焊缝，准备下层的包扎、拉紧、点焊至焊接全部纵缝;⑤每层层板包扎后需要进行松动面积检杳：⑥每个多层筒节上必须按图样要求钻泄放孔。

3 ）球罐的制造钢板复检-下料-球瓣成型-装配-焊接-焊缝检验-人孔、支柱、梯子平台的安装-热处理-水压试验-检验-油漆和保温