毕业设计论文压力容器的设计与制造文档格式.docx

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类别“压力容器设计单位批准书”。

设计人员的资格取证不仅需对应于第一、二类或第三类压力容器的要求，而且还将区分能胜任“按应力分析设计”，或只能担任“按规则设计”。

现代先进设计技术在压力容器领域的开发应用，主要是指“按应力分析设计”范畴。

除了已较普及的计算机辅助计算（CAC）和计算机辅助设计（CAD）外，有待进一步开发的如有限元设计、并行设计、虚拟设计和计算机辅助工程（CAE）等现代先进技术均将在21世纪取得不同程度的进展。

二.先进制造技术理念的推广普及

压力容器制造单位必须持有国家质量技术监督部门颁发的“压力容器制造许可证”，并应建立健全的质量保证体系。

但我国已取证的压力容器制造企业的人均GDP值和产品附加值都还很低，技术装备、技术素质和管理水平也都很落后。

为了面对21世纪的挑战和机遇，达到优化产品质量、降低生产成本、提高劳动生产率、提升国际竞争力，有必要在压力容器产业推广“先进制造技术”理念。

所谓先进制造技术（AMT）是美国在上世纪80年代提出的新概念，它是一项集具体制造技术与经营管理技术两个层面于一体的系统工程。

AMT的特点为：

以市场为导向，以系统观念、工业工程为指导，以全面数字化技术为依托，合理使用先进技术，精心组织经营管理。

作为压力容器的生产模式，主要包含三个技术群，即主体技术群如备料、滚卷、锻压、成形、组装、焊接、热处理、检验测试和压力试验、爆破试验、疲劳试验等；

支撑技术群如自动控制技术、信息处理技、生产物流技术和标准化规范化技术等；

及管理技术群如质量控制、人员培训、市场

电子商务技术和售后服务等。

其中尤以焊接（含现场组焊）和热处理两个环节是保证产品质量的关键。

当前国内外都着眼于电脑自动化，特别是自动控制式焊接设备和热处理设备的改进创新更是发展神速，一些便携式自动焊接和热处理设备也已在大型球罐和塔设备等现场组焊中得到推广应用。

传统的脏乱差、噪音污染、质量失控的锻焊钣金车间势将退出产业历史舞台。

总之，面临着机械制造业全球化挑战和机遇的历史时期，压力容器产业也应尽快提高自己对市场的快速响应能力，开发节能、节材、绿色制造的成形与改性技术，实现产品和工艺研究自动化。

如果还使用落后的生产模式和产业机制将最终被时代淘汰。

而在压力容器的制造过程中对焊接技术的应用是非常重要的。

在科学技术飞速发展的当今时代，焊接已经成功地完成了自身的蜕变。

很少有人注意到这个过程何时开始，何时结束。

但它确确实实地发生在过去的某个时段。

我们今天面对着这样一个事实：

焊接已经从一种传统的热加工技术发展到了集材料、冶金、结构、力学和电子等多门类科学为一体的工程工艺学科。

而且，随着相关学科技术的发展和进步，不断有新的知识融合在焊接之中。

剖析现代的焊接，不难发现其愈发显现出的几大特征：

1、焊接已成为最流行的连接技术；

2、焊接显现了极高的技术含量和附加值；

3、焊接已成为关键的制造技术；

4、焊接已成为现代工业不可分离的组成部分。

在工业化发达的美国，焊接被视为“美国制造业的命脉，而且是美国未来竞争力的关键所在”。

其主要根源就是基于这样一个事实：

许多工业产品的制造已经无法离开焊接技术。

第一章产品结构以及材料性能

1.1产品结构分析

压力容器有多种结构形式，最常见的结构为圆柱形、球形和锥形三种。

而直径2000mm熔化槽槽体属于圆柱形。

其结构简图如图1-1所示，下面简单介绍其结构特点。

图1-1产品结构简图

（1）筒体

是压力容器的重要组成部分，由它构成储存物料或完成化学反应所需要的大部分压力空间。

当筒体直径较小（小于500mm）时，可用无缝钢管制作。

当直径较大时，一般用钢板卷制或压制后焊接而成，由于熔化槽槽体长5122mm所以采用第二种方法。

（2）封头

据几何形状的不同，压力容器的封头可分为凸形封头、锥形封头和平盖封头三种，该罐体属于凸形封头中的椭圆形封头。

（3）法兰

法兰按其所连接的部分分为管法兰和容器法兰。

用于管道连接和密封的法兰叫管法兰；

用于容器顶盖与筒体连接的法兰叫容器法兰，而该罐体的法兰属于容器法兰。

（4）开孔与接管

由于工艺要求和检修时的需要，要在石油化工容器的筒体和封头上开设各种孔或安装接管，如人孔、手孔、视镜孔、物料进出接管等。

（5）支座

压力容器靠支座支撑并固定在基础上。

对于该罐体可采

用鞍式支座。

1.2母材性能分析

本次罐体所用的材料主要是16MnR，属于热轧钢，是压力容器的常用钢。

是通过Mn、Si等合金元素的固溶强化作用来保证钢的强度，属于C-Mn或Mn-Si系钢。

1.2.1材料化学成分及力学性能

材料的化学成分主要包括C、Si、Mn、S、P等化学元素，而其力学性能也主要受这几种元素含量的变化的影响而发生变化。

钢号

化学成分（质量分数）（%）

16MnR

C

Si

Mn

S

P

≤0.20

0.20~0.60

1.20~1.60

≤0.035

≤0.035

表1材料化学成分

碳（C）决定了母材的淬硬倾向和冷裂纹倾向，与碳当量有关。

碳当量越大，则母材淬硬倾向和冷裂纹倾向增大。

如果碳当量很小，不需要热处理的情况下，焊接性能也非常好。

硅（Si）起到固溶强化的作用，增加钢的强度。

如果硅的质量分数超过0.6%使韧性不利，使韧脆转变温度提高。

锰（Mn）起到固溶强化的作用，增加钢的强度。

如果锰的质量分数超过1.6%，焊接时易出现裂纹，在热影响区还会出现淬硬组织。

硫（S）危害性元素。

如果锰硫比升高，含碳量降低则不会出

现冷热裂纹。

磷（P）危害性元素。

对钢材的焊接性有不利的影响。

表2力学性能

钢号

板厚

/mm

热处

理状

态

力学性能

冲击性能

屈服强度

σs/MPa

抗拉强度

σb/MPa

伸长率

σ5（%）

弯曲

180°

温度

/℃

冲击功

Aku/J

16MnR

6～16

热轧

≥345

510～655

≥21

d=2a

室温

≥27

（横向）

1.2.2母材焊接性

16MnR属于热轧钢，在焊接时主要注意的问题是冷裂纹的产生和热影响区脆化。

（1）冷裂纹

16MnR钢含有少量的合金元素，碳当量比较低，一般情况下（除环境温度低或钢板厚度很大时）冷裂倾向不大。

淬硬倾向主要取决于钢的化学成分，其中以碳的作用最明显。

可以通过碳当量公式来大致估算16MnR钢的冷裂敏感性，碳当量越高，冷裂敏感性越大。

国际焊接学会推荐的碳当量公式为

CE（IIW）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15（%）（1-1）

（式中的元素符号均表示该元素的质量分数）

一般认为CE≤0.4%时，钢材在焊接过程中基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小。

CE=0.4%

～0.6%时钢的淬硬倾向逐渐增加，属于有淬硬倾向的钢。

16MnR的碳当量为0.4%，所以在焊接过程中焊接热影响区基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小。

（2）热影响区脆化

由于16MnR钢的热影响区脆化主要是粗晶区脆化，所以我们只介绍粗晶区脆化，而热应变脆化基本上不发生。

粗晶区脆化钢材被加热到1200℃以上的热影响区过热区可能产生粗晶区脆化，韧性明显降低，这是由于热轧钢焊接时，采用过大的焊接热输入所致。

粗晶区将因晶粒长大或出现魏氏组织而降低韧性，焊接热输入过小，粗晶区中马氏体组织所占的比例增大而降低韧性，这在焊接含碳量偏高的热轧钢时较明显。

第二章产品工艺流程以及焊接材料选取

2.1产品工艺流程图

筒节制造工艺流程图

钢板的复检→预处理→下料

↓

钢板的卷制←钢板的对中←钢板的预弯←边缘加工

纵缝装配→焊接→矫圆

封头制造工艺流程图

钢板的复检→预处理

焊接←拼接焊缝装配←边缘加工←下料

加热→压制→二次切割

总装配焊接工艺

筒节间或筒节与封头装配→环缝焊接→附件装配焊接

无损探伤

消除应力热处理

包装出厂

2.2焊缝位置分布

主要焊缝位置如图2-2所示，内筒分为两节有两道纵缝、两道环缝，夹套分为上夹套和下夹套，上夹套有一道纵缝，下夹套有一道纵缝一道环缝，夹套与筒节间有四道环缝。

图2-2焊缝位置分布图

1-筒节纵缝2-筒节环缝3-夹套纵缝4-夹套与筒节环缝5-筒节与封头的环缝

2.3焊前准备

焊前准备工作主要包括熟悉图样和技术要求。

除了对产品结构、形状及尺寸进行审核和分析外，还要综合考虑与加工制造有关的国家技术标准和规范。

压力容器的可靠性与所选用材料有密切关系，首先要考虑所选材料有足够的强度、塑性、韧性及稳定性；

其次应具有良好的冷、热加工性能，尤其保证焊接性良好。

1）生产图纸和工艺

焊前必须熟悉生产图纸和工艺，这是保证焊接产品顺利生产的重要环节。

主要内容如下：

①熟悉沥青熔化槽的结构形式、采用的材料种类及技术要求。

②熟悉沥青熔化槽的焊接部位的尺寸、焊接接头及坡口的结构形式。

③熟悉采用的焊接方法、焊接电流、焊接电压、焊接速度、焊接顺序、焊前预热温度及层间温度等。

④熟悉焊后热处理工艺、焊接检验方法及焊接产品的质量要求。

2）材料检验

材料检验包括母材和焊接材料的检验，这也是焊前准备的重要组成部分。

①母材检验

母材检验包括焊接产品母材和外协委托加工件的检验。

母材检验的内容如下：

a材料入库要有材质证明书，要有符合规定的材料标记符号。

要对材料的数量和几何尺寸进行检验复核。

对材料的表面质量进行检查验收（如表面光洁情况、生锈腐蚀情况、变形情况和表面机械损伤情况等）。

b根据有关规定，对材料进行化学成分复验。

c对母材进行力学性能复验，包括拉伸试验、弯曲试验、脆性试验、断裂试验、蠕变试验等。

②焊接材料检验

对焊条、焊丝的化学成分、力学性能（主要指熔敷金属）的检验及腐蚀检验等。

对焊剂和保护气体的成分和纯度进行检验。

③操作人员资格审核

在焊接产品制造之前，必须检查该焊工所持合格证的有效性，包括审核焊工考试记录表上的焊接方法、试件形式、焊接位置及材料类别等是否与焊接产品要求的一致，所有考试项目是否合格。

2.4钢材预处理

金属材料预处理是指在下料、装配、焊接前，进行矫正、材料表面除锈清理、喷涂防护层和烘干等加工工序。

它是提高产品质量，延长产品使用寿命，减少环境污染，提高零件气割下料质量，尤其有利于数控切割机正常工作和设备保养的有效措施。

2.4.1钢材的矫正

1）钢材矫正目的

钢材在轧制、运输、装卸和堆放过程中，由于自重、支撑不当，或装卸不良及其他原因，可能会产生弯曲、扭曲、波浪及表面不平等变形。

当这些变形超过一定程度时，会给尺寸的度量、划线、剪裁及其他加工带来困难，而且会影响到成形零件的尺寸和几何形状的精度，从而影响到装配、焊接和整个产品的质量。

所以划线、下料前应予以矫正。

2）矫正的基本原理

矫正的基本原理是使钢板在外力的作用下产生与原来变形相反的塑性变形，以消除弯曲、扭曲、皱折、表面不平等变形，从而获得正确形状的过程。

对钢材进行的矫平和矫直统称为矫正。

金属材料矫正后的允许变形值与所制造的产品精度有关。

一般钢结构制造的通用技术条件规定，轧制钢材下料前允许偏差如表2-1所示。

在这范围内视为允许可不进行矫正。

表2-1号料前钢材变形允许值

钢材种类

变形种类

测量法

变形允许值

简图

钢板

局部不平

平尺

δ＞14mm1m长f≤1mm

δ＜14mm1m长f≤1.5mm

3）钢材的矫正方法

采用十一辊式矫平机对钢板进行矫平。

钢板矫平机的工作原理如图2-3所示，采用多辊对板材进行多次正反弯曲，使其多种曲率逐步变为单一曲率，最终将板材矫正。

常用的是7～11辊的钢板矫平机，辊数最多可达21辊，钢板越薄，矫平时要求的辊数越多；

板材越宽，

要求的辊子直径和长度比越大。

为了提高钢板矫平机的工作效率，通常在矫平机两端附设两个滚轮工作台，以便钢材在矫平过程中来回移动。

图2-3多辊矫平机工作原理图

1-上支承辊2-上工作辊3-下支承辊4-下工作辊5-导向辊

2.4.2钢材的表面处理

沥青熔化槽属于Ⅱ类压力容器，在各工序之前应先对钢材表面进行除锈处理，采用喷砂的方法对钢板表面进行除锈，喷砂的工作原理是将砂粒喷射在钢材表面，使氧化皮和锈斑剥离，除锈较彻底，生产效率较高，但粉尘多，劳动条件差，需在要封闭场所进行操作。

对厚度在4mm以下的薄钢板表面容易造成损伤。

2.4.3表面防护处理

原材料的表面清理工作完成后，立即进行表面防护处理，以防短期内再度生锈。

在钢板表面喷涂专用防护底漆。

表面所加的防护底漆在焊接时无需去除，对焊接质量没有影响。

2.5内筒的下料和卷制

2.5.1内筒的下料

内筒总长4340mm，内径φ2000mm，板厚16mm，内筒的展开按中性层内径展开，由周长公式L=πd=3.14×

（2000+16）=6331mm，查《实用钢铁材料手册》知，可选用的钢板尺寸为6500mm×

2700mm×

16mm，将内筒平均分为两段进行加工，每节内筒的展开尺寸为6331mm×

2128mm×

16mm，由于轧制等原因，钢板边缘处厚度不均匀，影响焊接质量，因此，下料时每边需预留出修边余量约30mm。

内筒的展开下料图如图2-4所示，采用数控火焰切割机进行切割。

火焰切割后用刨边机将每边刨掉5mm，以消除割口组织的变化对焊接接头质量的影响。

图2-4内筒展开图

（图中虚线为选用板材尺寸，实线为内筒展开尺寸）

2.5.2内筒的卷制

钢板的卷制是对已经按尺寸要求剪裁下料，并经边缘加工后的板材实施弯曲的工艺方法。

1）卷板机的工作原理

卷板机的主要结构形式分为三辊、四辊及立式卷板机。

本设计采用对称式三辊卷板机进行钢板的卷制。

对称式三辊卷板机的工作原理如图2-5所示，其上辊1可在垂直方向上下调节。

两下辊为主动辊，可正反两方向旋转，并对称于上辊中心线排列。

弯曲时将钢板放入上下辊之间，然后上辊向下移动将钢板压紧并使之弯曲，是钢板达到塑性变形状态，再驱动两下辊旋转，并借助于钢板与辊子之间的摩擦力使钢板左右移动，同时上辊也随之转动，这样，就使钢板连续通过垂直面，受到相同的弯曲，产生相同的的变形。

钢板成为曲率相同的弧形板。

一次行程之后，再将上辊下压一定距离，又驱动下辊，使钢板进一步受到弯曲。

上辊几次下压，就将钢板弯曲到需要的曲率半径。

板料的两端不能同时进入三辊之间的部分得不到弯曲，称为剩余直边。

剩余直边的长度约为两下辊中心距的一半。

坯料经卷弯后所得的曲率取决于辊轴的相对位置、板料的厚度和力学性能。

钢板在常温下弯曲加工时，其曲率半径不应小于某一最小规定允许值，若超过规定值，超过材料常温下塑性变形能力，则应进行热弯。

通常根据规定D/s>

40，可进行冷弯；

D/s<

40，则必须热弯（D为圆筒的直径，s为板厚）。

本产品D/s=2000/16=125>

40，可以冷弯。

图2-5三辊卷板机工作原理示意图

1.上辊2.下辊3.板料

2）内筒卷制工艺

对称式三辊卷板机弯卷钢板时，钢板两端各有一平直段无法弯卷。

为使钢板都能弯曲成同一曲率，在卷板前要先将其两端弯曲成所需要的曲率。

①预弯

预弯常用的预弯方法有三种，利用弯曲模和卷板机预弯（适于δ0≥2δ，δ≤24mm），利用楔垫板预弯（适于较薄板）和利用模具和压力机预弯（适于各种板厚），它分为专用模具预弯（适用于批量生产）和通用模具预弯（用于单件小批量生产）。

本产品钢板厚度为16mm，可采用弯曲模和卷板机预弯的方法进行预弯，利用弯曲模和卷板机预弯的工作原理如图2-6所示，模板厚度一般取卷制钢板厚度的两倍或稍多些，其曲率半径应小于被弯曲钢板的曲率半径，这样既可以不致增加卷板机的负担，免于损坏机床，又可以保证钢板的预弯曲率。

预弯的长度一般应大于两下辊中心距的一半，可取（6～20）δ，通常为150～200mm。

图2-6弯曲模具和卷板机预弯工作原理图

②对中

板料预弯之后，将放入卷板机上下辊之间进行滚卷前必须使板料的母线与辊的轴线平行，使板料的纵向中心线与辊的轴线保持相互垂直，也就是对中。

其目的是防止钢板在滚卷过程中产生扭斜。

本产品用倾斜进料对中的方法进行对中，

具体方法如图2-7所示。

图2-7对中方法

③卷圆

钢板对中后，即可用上辊压住板料并使之产生一定弯曲，开动机床进行滚卷。

每滚卷一个行程，便适当下调上辊一次，这样经过多次滚卷就可将板料弯曲成所要求的曲率。

调整上辊的次数和每次调节量的大小，可依下述原则来确定：

a冷卷时不得超过材料允许的最大变形率。

b板料不致打滑，且不超过设备的额定功率。

在滚卷过程中还应注意随时用卡样板测量，看是否达到曲率要求，不可过卷量太多，因过卷比曲率不足难以修正，且易使金属性能变坏，但冷卷时，考虑到回弹的影响，必须施加一定的过卷量。

当卷制达到要求曲率时，还应在此曲率下多卷几次，以使其变形均匀和释放内应力，减少回弹。

④矫圆

当圆筒形工件进行点装和纵缝焊接之后，还要进行矫

圆。

矫圆多是在卷板机上进行的。

矫圆大致可按以下三个步骤：

a工件放入卷板机上辊之后，首先根据经验，将上辊调至所需要的最大矫正曲率的位置进行加载。

b使工件在矫正曲率下多次滚卷，并着重于焊缝区的矫正，使圆筒曲率均匀一致。

c逐渐卸除载荷，并使工件在逐渐卸除载荷的过程中多次滚卷，至此整个钢板的卷制过程结束。

2.6封头的下料和冲压

2.6.1封头的下料

由公式计算得：

Dp=1.2×

（2000+16）+100+100=2620mm。

通过查《实用钢铁材料手册》知，可选用钢板尺寸为3500mm×

2800mm×

18mm。

钢板的下料采用数控火焰切割机进行切割，具体加工形状如图2-8所示。

图2-8封头坯料展开图

2.6.2封头的冲压

冲压是利用具有一定半径的模具，将已下料得到的平板坯料制成各种形状的开口空心零件的冲压工序。

冲压所用模具与冲裁模具不同，其凹凸模具没有锋利的刃口，而其工作部分都有较大的半径，并且凸、凹模之间的间隙一般大于板料的厚度。

封头在冲压过程中，板料的变形很大，为保证封头的质量，采用热冲压进行封头的加工。

1）封头的成形过程

整体封头的冲压过程为先将工件加热到1100℃。

然后将其放在下模上，并对准中心，放下压边圈，将坯料压紧到合适程度，以保证冲压时使坯料各处能均匀变形，防止封头产生波纹和起皱，开动压力机加压，使坯料逐渐变形并落入下模。

最后上提凸模使封头与上模脱离。

由于成形后的封头在温度降低后产生收缩，加之凸模受热后又稍有膨胀，因而封头被紧紧地裹在凸模上，使脱模困难。

因此要严格控制终压温度，并在下模的圆周方向上穿六只活动销来脱模。

2）封头的壁厚变化

整体封头的冲压过程、无论是否采用压边圈，一般在接近大曲率部位封头壁厚都要变薄。

椭圆形封头在曲率半径最小处变薄最大，一般壁厚减薄量在8%～10%

之间，所以选择的封头坯料比筒节坯料厚2mm。

影响封头壁厚变化的因素有：

①材料强度越低，壁厚变薄量越大。

②变形程度越大，封头底部越尖，壁厚变薄量越大。

③上、下模间隙及下模圆角越小，壁厚变薄量越大。

④压边力过大或过小，压制温度过高，都会导致壁厚减小。

3）压延力的计算

（1）凸模直径Dsm

Dsm＝Dn（1＋δ）=2000×

（1+0.9%）=2018mm。

（2）凹模直径Dxm

Dxm＝Dsm＋2δ＋Z=2018+2×

18+2=2056mm

式中δ——封头坯料厚度（mm）；

Z——模具间隙（mm），热压时Z＝（0.1～0.2）δ；

冷压时Z＝（0.20.3）δ。

球形封头或直边较长的椭圆形封头取较大值。

设备能力偏小时，取大值，并可适当加大间隙范围。

取Z=2mm。

封头冲压时，冲压力采用下面公式计算：

F=eKπ×

Dp×

Dxmδσtb

=1.2×

1.2×

3.14×

（2620-2056）×

18×

510

=23410674N=2.34MN

式中F——冲压力（N）；

e——冲压力影响系数，无压边力时e=1，有压边力时e=1.2；

K——封头形状影响系数，K=1.2；

Dp——坯料直径（mm）；

Dxm——下模直径（mm）；

δ——坯料厚度（mm）；

σtb——材料的高温抗拉强度（Mpa