固定管板式換熱器管箱設(shè)計 -

1、成績銀川能源學(xué)院過程裝備制造與檢測課程設(shè)計說明書題目： 120m2固定管板式換熱器管箱的工藝設(shè)計學(xué)生姓名 : 學(xué) 號 : 院（系） : 專 業(yè) : 班 級 : 指導(dǎo)教師 : 2015年6月10日目錄前 言3一、設(shè)計任務(wù)書41.1. 設(shè)計題目41.2. 設(shè)計原始參數(shù)41.3.設(shè)計內(nèi)容4二、封頭成型的主要步驟及工序5三、材料的預(yù)處理53.1凈化處理53.1.1噴砂發(fā)操作規(guī)程：53.2矯形53.2.1火焰矯正6四、下料64.1換熱器封頭的壁厚計算6五、設(shè)備選用及模具設(shè)計75.1計算沖壓力75.2模具設(shè)計7六、封頭的成型及其方法96.1封頭沖壓96.3旋壓成型10七焊接107.1 焊接接頭的分類107

2、.2 焊接方法的分類117.3焊接坡口的種類12八、檢測138.1檢測方式138.2熒光檢測的介紹及其原理13九小結(jié)13參考文獻132前 言換熱設(shè)備在煉油、石油化工以及在其他工業(yè)中使用廣泛，它適用于冷卻、冷凝、加熱、蒸發(fā)和廢熱回收等各個方面。其中，管殼式換熱器雖然在換熱效率、設(shè)備的體積和金屬材料的消耗量等方面不如其他新型的換熱設(shè)備，但它具有結(jié)構(gòu)堅固、彈性大、可靠程度高、使用范圍廣等優(yōu)點，所以在各工程中仍得到普遍使用。管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是為了保證換熱器的質(zhì)量和運行壽命，必須考慮很多因素，如材料、壓力、溫度、壁溫差、結(jié)垢情況、流體性質(zhì)以及檢修與清理等等來選擇某一種合適的結(jié)構(gòu)形式。對同一種形式

3、的換熱器，由于各種條件不同，往往采用的結(jié)構(gòu)亦不相同。在工程設(shè)計中，除盡量選用定型系列產(chǎn)品外，也常按其特定的條件進行設(shè)計，以滿足工藝上的需要（得到適合工況下最合理最有效也最經(jīng)濟的便于生產(chǎn)制造的換熱器等等）。本設(shè)計主要通過對換熱器部分部件進行具體的制造工藝規(guī)程，對設(shè)備有進一步的了解。一、設(shè)計任務(wù)書1.1. 設(shè)計題目：固定管板式換熱器的的工藝設(shè)計1.2. 設(shè)計原始參數(shù)（見表1）表1管程殼程工作介質(zhì)氨水過熱蒸汽工作溫度180200375工作壓力1.3MPa2.5 MPa換熱面積： 換熱器材料： 設(shè)計壽命：15年封頭公稱直徑： 封頭壁厚： 采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭封頭直邊段高度： 封頭曲面高度： 直徑：1.3

4、.設(shè)計內(nèi)容（1）工藝設(shè)計：坯料準(zhǔn)備；材料的凈化；成形加工；典型缺陷分析；組對焊接；成形后熱處理及其檢測等；（2）工藝設(shè)計小結(jié)；（3）繪制設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖以及焊縫結(jié)構(gòu)詳圖（A4圖紙）及編寫課程設(shè)計說明書4二、封頭成型的主要步驟及工序隨著石油化工設(shè)備的大型化發(fā)展，對大型封頭的需要量也相應(yīng)增多，這給沖壓成型帶來了困難。此外，大型封頭有多屬單件，模具成本高，故且對于大型封頭采用旋壓成型較為優(yōu)越。當(dāng)然旋壓成型制造小型封頭也有特色。一個標(biāo)準(zhǔn)封頭的成型要經(jīng)過一下幾個步驟及工序：將經(jīng)檢驗合格的鋼板進行矯形和凈化鋼板的劃線切割旋壓封頭端面加工（切余量，切坡口）。三、材料的預(yù)處理鋼材的預(yù)處理是對鋼板，管子和型鋼等材料

5、的凈化處理，矯正和涂保護處理，鋼材在加工前(即原材料狀態(tài))進行表面拋丸除銹并涂上一層保護底漆的加工工藝。鋼材經(jīng)過預(yù)處理可以提高機械產(chǎn)品和金屬構(gòu)件的抗腐蝕能力，提高鋼板的抗疲勞性能，延長其使用壽命；同時還可以優(yōu)化鋼材表面工藝制作狀態(tài)，有利于數(shù)控切割機下料和精密落料。此外，由于加工前鋼材形狀比較規(guī)則，有利于機械除銹和自動化噴漆，因此采用鋼材預(yù)處理可大大提高清理工作的效率，減輕清理工作的勞動強度和對環(huán)境的污染。3.1凈化處理a噴砂法：是目前國內(nèi)常用的一種機械凈化方法，主要用于鋼材和設(shè)備大表面的凈化處理。可除銹、氧化皮等，效率較高，但粉塵大對人體有害，應(yīng)在封閉的噴砂室內(nèi)進行。b拋丸法：主要特點是改善了

6、勞動條件，容易實現(xiàn)自動化，被處理材料表面質(zhì)量控制方便。c化學(xué)凈化法：金屬表面的化學(xué)凈化處理主要是對材料表面進行除銹，除污物和氧化、磷化和鈍化處理，后者即在除銹、除污物的基礎(chǔ)上根據(jù)不同材料，將清潔的金屬表面經(jīng)化學(xué)處理（氧化、磷化和鈍化）形成保護膜，以提高防腐能力和增加金屬與漆膜的附著力。由于以上各種處理方法綜合考慮使用噴砂法對Q245R進行表面凈化處理。3.1.1噴砂發(fā)操作規(guī)程：1、工作前必須穿戴好防護用品，不準(zhǔn)赤裸膀臂工作。工作時不得少于兩人。2、儲氣罐、壓力表、安全閥要定期校驗。儲氣罐每兩周排放一次灰塵，沙罐里的過濾器每月檢查一次。3、檢查通風(fēng)管及噴砂機門是否密封。工作前五分鐘，須開動通風(fēng)除

7、塵設(shè)備，通風(fēng)除塵設(shè)備失效時，禁止噴砂機工作。4、壓縮空氣閥要緩慢打開，氣壓不準(zhǔn)超過0.8MPa。5、噴砂粒度應(yīng)與工作要求相適應(yīng)，一般在十至二十號之間適用，砂子應(yīng)保持干燥。6、噴砂機工作時，禁止無關(guān)人員靠近。清掃和調(diào)整運轉(zhuǎn)部位時，應(yīng)停機進行。7、不準(zhǔn)用壓縮空氣吹身上灰塵或開玩笑。8、工作完后，通風(fēng)除塵設(shè)備應(yīng)繼續(xù)運轉(zhuǎn)五分鐘再關(guān)閉，以排出室內(nèi)灰塵，保持場地清潔。9、發(fā)生人身、設(shè)備事故，應(yīng)保護現(xiàn)場，并報告有關(guān)部門。3.2矯形原理 矯正就是使鋼板或工件在外力的作用下產(chǎn)生與原來變形相反的塑性變形，已消除彎曲、扭曲、皺折、表面不平等變形，從而獲得正確形狀的過程。矯形原因 鋼材由于生產(chǎn)、貯運等原因，以及經(jīng)過沖

8、、剪分離等初加工制成零件毛坯料后，可能會出現(xiàn)各種各樣的變形。在轉(zhuǎn)下道工序前，工藝要求需對其進行矯正，這個工序稱為鋼材變形的矯正。矯形方法 機械矯正和火焰矯正。機械矯正又分為手工矯正、拉伸機矯正、壓力矯正、輥式矯板機矯正、斜輥矯管機矯正、型鋼矯正機矯正。由于以上幾種矯正方法的特點，綜合選用火焰矯正。3.2.1火焰矯正在軸類零件彎曲的最高點區(qū)域內(nèi)，用氧乙炔焰進行點熱，由于加熱點受熱膨脹，使軸的彎曲程度增大，但立即澆水冷卻，工件驟冷收縮，使軸兩端上撓，而且上撓量超過加熱時增加的彎曲度，超過部分就是矯正量。校正方法：A)角變形的校正，在角變形板上面（對準(zhǔn)焊縫外）縱向線狀加熱（加熱溫度控制在650度以下

9、），注意加熱范圍不超過兩焊腳所控制的范圍，所以不用水冷卻。線狀加熱時要注意：a不應(yīng)在同一位置反復(fù)加熱； b加熱過程中不要進行澆水。B)上拱與下?lián)霞皬澢冃蔚男Ｕ瑢χv長變形處，由中間向兩端作線狀加熱，即可校正彎曲變形。為避免產(chǎn)生彎曲和扭曲變形，兩條加熱帶要同步進行?？刹扇〉蜏匦Ｕ蛑袦匦Ｕ?。 C)波浪變形校正，波浪變形首先要找出凸起的波峰，用圓點加熱法配合手錘校正。加熱圓點的直徑一般為5090mm，當(dāng)鋼板厚度或波浪形面積較大時直徑也應(yīng)放大，烤嘴從波峰起作螺旋形移動，采用中溫校正。當(dāng)溫度達(dá)到600700度時，將手錘放在加熱區(qū)邊緣處，再用大錘擊手錘，使加熱區(qū)金屬受擠壓，冷卻收縮后被拉平。校正時

10、應(yīng)避免產(chǎn)生過大的收縮應(yīng)力。校完一個圓點后再進行加熱第二個波峰點，方法同上。為加快冷卻速度，可對鋼材進行加水冷卻。這種校正方法屬于點狀加熱法，加熱點的分布可呈梅花形或鏈?zhǔn)矫茳c形。注意溫度不要超過750度?；鹧嫘Ｕ⒁馐马?、烤火位置不得在最大應(yīng)力截面附近；2、校正處烤火面積在一個截面上不得過大，要多選幾個截面；3、宜用點狀加熱方式，以改善加熱區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)；4、加熱溫度最好不超過700度。四、下料4.1換熱器封頭的壁厚計算由于橢圓形封頭屬于不可展的零件，但生產(chǎn)中沖壓加工或旋壓加工是毛坯料展開后的圖形都為圓形，所以只需要求出展開后的半徑或直徑即可 故采用經(jīng)驗法進行計算 -為包括了加工余量的展開直徑；

11、-為經(jīng)驗系數(shù) -封頭中性層處直徑 -封頭的直邊高 經(jīng)查過程裝備制造與檢測表6-20，由橢圓封頭，所以K取1.19封頭的公稱直徑，選取800mm，厚度6.7mm中性層直徑根據(jù) 化工設(shè)備課程設(shè)計指導(dǎo)表3-3查得標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭工稱直徑是800時總深度為225mm又公式計算得直邊高度h=25mm 展開直徑 劃線完成后，為保證加工尺寸精度及防止下料尺寸模糊不清等，在切割線、刨邊線、開孔中心及裝配線等處均勻打上沖眼，用油漆標(biāo)明標(biāo)號、產(chǎn)品工號和材料標(biāo)記移植等，以指導(dǎo)切割，成型，組焊等后續(xù)工序的進行。五、設(shè)備選用及模具設(shè)計5.1計算沖壓力計算沖壓力時影響因素較多，且沖壓過程是變化的較復(fù)雜，目前計算沖壓力常用下

12、面公式： C壓邊力影響系數(shù)，無壓邊力C=1，有壓邊力C=1.2； K封頭形狀影響系數(shù)，橢圓封頭K=1.25-1.35； D0封頭外徑，mm Dw筒節(jié)外徑，mm采用壓邊圈是毛坯料只能在壓邊圈與下模之間滑動，可以防止折皺的產(chǎn)生，而且在有壓邊圈產(chǎn)生的摩擦力作用下，增加了經(jīng)向拉應(yīng)力，也有利于防止封頭鼓包的嘗試。因此，確定在什么條件下需要采用壓邊圈是關(guān)系到封頭質(zhì)量好壞的重要因素。采用壓邊圈的條件主要決定與Do，Dn，與的關(guān)系條件如下公式Do： 毛坯直徑，1009.973 mm；Dn： 封頭內(nèi)徑，800 mm ；： 鋼板厚度，6.7mmDoDn =1009.973-800=209.973134因此需不采用

13、壓邊圈故取C=1，橢圓封頭取K=1.3 沖壓力 封頭的沖壓成型通常是在508000t水壓機或油壓機上進行，此處選擇2000t的水壓機。5.2模具設(shè)計 上模（沖頭）其結(jié)構(gòu)及主要設(shè)計參數(shù) a)上模直徑 根據(jù)封頭內(nèi)徑和熱沖壓的收縮率或冷沖壓的回彈率計算，主材為Q245R取 b)上模曲面部分高度 c)上模直邊高度-封頭直邊高度，25mm-封頭高度修邊余量，一般為15-40mm,取H1=20 mm-卸料板厚度，一般為40-80mm，取H2=50 mm-保險余量，一般為40-100mm，取H3=50mm所以d)上模上部分直徑 e)上模壁厚 當(dāng)水壓機噸位小于等于400 t時，=3040 mm 當(dāng)水壓機噸位大

14、于等于1500 t時，=7080 mm，取=75 mm f)上下模間隙a,附加值z熱沖壓時z=（0.10.2）=（0.10.2）6.7=5-10 mm橢圓封頭取較大值 Z=10mm。 a=+ z=6.7+10=16.7 mmg)下模內(nèi)徑-下模制造公差，取m=2 mm =（794.4805.6）+216.7+2=（829.8841）mmh)下模圓角半徑r 根據(jù)經(jīng)驗選取，不采用壓邊圈時，r=(46)=56.7=33.5 mm i)下模直邊高度h1 =（4070）mm，取=50 mmj)下?？偢叨萮 h=（100-250）mm，取h=200 mmk)下模外徑D1 = +（200400）mm=（122

15、9.81241）mml)下模座外徑D應(yīng)大于毛坯直徑D0，高度H= h+（60-100）=25+70=95mm 下口內(nèi)徑D2應(yīng)比與之配套的最大壁厚封頭的下模內(nèi)徑Dxm大（5-10）mm m) 壓邊圈其主要尺寸為；內(nèi)徑Dn=Dxm+(5080)mm;外徑Dw=D下模座外徑mm;厚度=70120mm六、封頭的成型及其方法封頭的成形方法主要有：沖壓成形、旋壓成形、爆炸成形圖16.1封頭沖壓1).封頭沖壓時，板坯塑性變形很大，且為厚壁中壓封頭封頭冷熱沖壓與相對厚度的關(guān)系見表2。表2封頭冷熱沖壓與相對厚度的關(guān)系 沖壓狀態(tài)碳素鋼，低合金鋼合金鋼，不銹鋼冷沖壓/Do1000.5/Do1000.7熱沖壓/Do1

16、000.5/Do1000.7/Do100=6.7/1009.973100=0.70.7故用熱沖壓。2).沖壓前，把板坯加熱至始鍛溫度放在壓力機上沖壓，到終鍛溫度時停止沖壓毛坯熱沖壓的加熱溫度的選擇。封頭沖壓時，板坯塑性變形很大，且為厚壁高壓封頭，故用熱沖壓，沖壓前，把板坯加熱至始鍛溫度，放在壓力機上沖壓，到終鍛溫度時停止沖壓。3).沖壓加工常用的潤滑劑 潤滑劑選取 石墨粉+水 4).沖壓過程： 橢圓形下封頭采用厚板在2000t水壓機上整體沖壓成形，關(guān)鍵條件是有合適噸位、開檔、行程的水壓機和相應(yīng)的工裝模具，高溫加熱爐以及合理的沖壓工藝。將毛坯對中放在下模（沖環(huán)）上，然后開動水壓機使活動橫梁空程向

17、下，上模（沖頭）空程下降，當(dāng)與毛坯接觸時，開動主缸使上模向下沖壓，對毛坯進行拉伸，至毛坯完全通過下模后，封頭便沖壓成形。最后開動提升缸和回程缸，將上模向上提起，與此同時用脫模裝置將包在上模上的封頭脫下，并將封頭從下模支座中取出，沖壓過程即告結(jié)束。6.1.1封頭沖壓及其應(yīng)力分析、典型缺陷分析封頭的沖壓過程屬于拉延過程，在沖壓過程中各部分的應(yīng)力狀態(tài)和變形情況都不同，處于壓邊圈下部分的毛坯邊緣部分，由于封頭的下壓力使其經(jīng)受徑向拉伸應(yīng)力，并向中心流動，坯料外直徑減??；邊緣金屬沿切向收縮，產(chǎn)生切向壓縮應(yīng)力，會使毛坯邊緣喪失穩(wěn)定而產(chǎn)生褶皺；常用壓邊圈將邊緣壓緊，則在板厚方向又產(chǎn)生壓應(yīng)力，即材料承受三向應(yīng)力

18、狀態(tài)。處于下模圓角部分的材料，除受到徑向拉伸應(yīng)力和切向壓縮應(yīng)力外，還受到彎曲而產(chǎn)生彎曲應(yīng)力?？紤]到該板相對厚度較大，固沒有采用壓邊圈。在沖頭與下?？障兜牟糠纸饘俨牧?，仍受徑向拉伸應(yīng)力和切向壓縮應(yīng)力，而板厚方向不受力，處于自由狀態(tài)；封頭底部的金屬材料，徑向和切向都受到拉應(yīng)力，有較小的伸長，所以壁厚略有減薄。6.1.2封頭沖壓時常出現(xiàn)的缺陷有拉薄、褶皺和鼓包等，其影響因素很多，簡要分析如下： a).拉薄 碳鋼封頭沖壓后，其壁厚會產(chǎn)生不等程度的變化球形封頭深度大，底部拉伸減薄最多。 b).褶皺 沖壓時板坯周圍的壓縮量最大，其值為 L=（Dp-Dm） 式中Dp坯料直徑；Dm封頭中徑。封頭越深，毛坯直徑

19、越大，周圍縮短量也越大，周向縮短產(chǎn)生兩個結(jié)果，一個是工件周邊區(qū)的厚度和徑向長度均有所增加，另一個是過分的壓應(yīng)變使板料產(chǎn)生失穩(wěn)而褶皺。板熱加熱不均、搬運和夾持不當(dāng)造成坯料不平，也會造成褶皺。 c).鼓包 產(chǎn)生原因與褶皺類似，但主要影響因素是拼接焊縫余量的大小以及沖壓工藝方面的原因，如加熱不均勻，壓邊力太小或不均勻、封頭與下模間隙太大以及下模圓角太大等。 6.1.3采取措施：板坯加熱均勻；選定合適的下模圓角半徑；降低模具（包括壓邊圈）表面的粗糙程度；合理潤滑以及在大批量沖壓封頭時應(yīng)適當(dāng)冷卻模具。超聲波檢測，沖壓成型后的封頭要進行超聲波檢測測其厚度，使其厚度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，因為其熱沖壓成型后厚度有減薄。

20、 6.3旋壓成型特點:1）適合制造 尺寸大，壁薄的大型封頭。2）旋壓機比水壓機輕巧，制造相同尺寸的封頭，比水壓機輕約2.5倍。3）旋壓模具比沖壓模具簡單，尺寸小，成本低。4）工藝制備更換時間短，占沖壓加工的1/5左右，適合于單件小批生產(chǎn)。5）封頭成型質(zhì)量好，不易產(chǎn)生減薄和折皺。6）壓鼓機配有自動操作系統(tǒng)，翻邊機的自動化程度也很高，操作條件好。七焊接7.1 焊接接頭的分類焊接，也稱作熔接、镕接，是一種以加熱、高溫或者高壓的方式接合金屬或其他熱塑性材料如塑料的制造工藝及技術(shù)。a) 殼體圓筒部分的縱向接頭、球形接頭與圓筒連接的環(huán)向接頭、各類凸形封頭中的所有拼焊接頭以及嵌入式接管與殼體對接連接的接頭，

21、均屬A類焊接接頭。b) 殼體部分的環(huán)向接頭、錐形封頭小端與接管連接的接頭、長頸法蘭與接管連接的接頭，均屬B類焊接接頭，但已規(guī)定為A類的焊接接頭除外。c) 平蓋、管板與圓筒非對接連接的接頭，法蘭與殼體、接管連接的接頭，內(nèi)封頭與圓筒的搭接接頭，均屬C類焊接接頭。d) 接管、人孔、凸緣、補強圈等與殼體連接的接頭，均屬D類焊接接頭，但已規(guī)定為A、B類的焊接接頭除外。e） 非受壓元件吊耳、支座墊板與壓力容器連接的焊縫，均屬E類焊接接頭。圖27.2 焊接方法的分類焊接方法的分類很多，按照焊接過程中金屬所處狀態(tài)的不同，可以把焊接方法分為熔化焊、壓力焊和釬焊三類。每類又分為各種不同的焊接方法。至于金屬熱切割、

22、噴涂、碳弧氣刨等均是跟焊接方法相近的金屬加工方法，通常也屬于焊接專業(yè)的技術(shù)范圍。（a）熔化焊 焊接過程中，將焊件接頭加熱至熔化狀態(tài)，不加壓力完成焊接的方法稱為熔焊。常用的熔焊方法有電弧焊、氣焊、電渣焊等。(b)壓力焊 焊接過程中，必須對焊件施加壓力（加熱或不加熱），以完成焊接的方法稱為壓焊。常用的壓焊方法有電阻焊（對焊、點焊、縫焊）、摩擦焊、旋轉(zhuǎn)電弧焊、超聲波焊（c）釬焊 焊接過程中，采用比母材熔點低的金屬材料作釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點、低于母材熔點的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散實現(xiàn)連接焊件的方法稱為釬焊。常用的釬焊方法有火焰釬焊、感應(yīng)釬焊、爐中釬焊、鹽

23、浴釬焊和真空釬焊等。7.2.1手工電弧焊有以下特點：（1）操作方便，使用靈活，適應(yīng)性強。適用于各種鋼種，各種百度，各種位置和各種結(jié)構(gòu)的焊接。特別是對不規(guī)則的焊縫，短焊穎，仰焊縫，高空和位置狹窄的焊縫，均能靈活運用，操作自如。（2）焊接質(zhì)量好。因電弧溫度高，焊接速度較快，熱影響區(qū)小，焊接接頭的機械性能較為理想。另外，由于焊條和電焊機的不斷改進，在常用的低碳鋼和低合金鋼的焊接結(jié)構(gòu)中，焊縫的機械性能能夠有效地控制，達(dá)到與母材等強的要求。對于焊縫缺陷，在一定范圍內(nèi)可以通過提高焊工水平、改進工藝措施得到克服。（3）手工電弧焊易于分散應(yīng)力和控制變形。所有焊接結(jié)構(gòu)中，因受熱應(yīng)力的作用，都存在著焊接殘余應(yīng)力和

24、變形，外形復(fù)雜的焊縫、長焊縫和大工件上的焊縫，共殘余應(yīng)力和變形問題更為突出。采用手工電弧焊，可以通過工藝調(diào)整，如跳焊、逆向分段焊、對稱焊等方法，來減少變形和改善應(yīng)力分布。（4）設(shè)備簡單，使用維護方便。無論交流電焊機還是直流電焊機，焊工都容易掌握，使用可靠，維護方便。不象埋弧焊、電渣焊設(shè)備那樣復(fù)雜。（5）由于手工操作，生產(chǎn)效率低，焊工的勞動強度也比較大。（6）焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。手工電弧焊的焊接質(zhì)量，與焊工的技能有關(guān)，培訓(xùn)焊工技能的難度較大，也由于手工操作的隨意性比較大，使焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，這是手工電弧焊的最大缺點。所以采用手工電弧焊，它的優(yōu)點突出7.3焊接坡口的種類為了保證焊接質(zhì)量,在焊接前對工件需要焊接處進行的加工，可以氣割，也可以切削而成，一般為斜面，有時也為曲面。！比如兩塊厚10mm的鋼板要對焊到一起，為了焊縫牢固，會在板邊緣銑出倒角，這個就叫開坡口。由于材料厚度和焊接質(zhì)量要求的不同，其焊接接頭形式與坡口形狀也不盡相同，一般坡口形式分為K型、V型、I型、U型、X型等。見下圖3（圖3-12） 焊條電弧焊常用坡口形式和尺寸.圖3焊接坡口是為了保證工件根部焊透，便于清理焊渣，獲