大直径压力容器管板的加工

摘 要：我国化工行业趋向大规模发展，就要求压力容器制造得更大、更厚，因此压力容器管板的直径和厚度越来越大。如何充分利用现有设备加工大直径管板，通过实践摸索出一套独特的加工方法。

关键词：压力容器 大直径管板 导向模板加工

压力容器管板是压力容器重要部件，根据管板结构的特点，它直接影响着管箱的承压能力。它的变形情况及应力分析对整个箱管结构的应力分析起着决定性的作用。此次加工的管板特点就是大直径。管板坯料为饼型复合层堆焊锻件。直径为3.594m，厚度为89mm，重量达7.5t，进厂时已经完成车削工序，因此只需要进行钻孔工序即可。但未找到能够加工如此大工件的龙门式钻床，只有一台6080型摇臂钻床，管板坯料（以下简称坯料）的直径超出摇臂长度。无法一次加工出全部管孔。

1创建有限元模型

本文选用一种U型管式的压力容器来建模，管板材料选用20MuMo锻件。球冠形封头材料Q345R，材料的弹性模量E=20E+05MPa.泊松比为03，密度为7.8t/m3，设计压力P=31.4MPa，许用应力为196MPa。在压力容器的应力的分析中，压力容器部件设计关心的是应力沿壁厚的分布规律及其大小，可采用沿壁厚方向的校核线代替校核面。另外由于压力容器是轴对称结构，所以可选其一半结构来建模。为了节省时间和存储空间，而又不影响分析结果，根据其结构，略去一些细节。其中管孔对于管板强度的削弱，可以采用有效弹性模量E1和有效泊松比V1的概念将管板折算为同厚度的当量无孔圆平板，因此管板区域分为两大部分，1区按等效圆板来处理，而2区按实际悄况处理。

2加工工艺和方法

2.1加工方法

按照《固定式压力容器安全技术监察规程》的规定，这块坯料进厂后要进行验收。首先，查看锻件的质量证明书。质量证明书中注明：锻件材料的化学成分和热处理后的机械性能符合NB/T47008-2010中Ⅲ级规定。并且锻件表面（不包括堆焊层表面）按JB/T4730.4-2005进行磁粉探伤I级合格。其次，目视测量坯料的厚度、圆度、直径差、表面粗糙度等指标。检查后发现，复合堆焊层表面部分区域堆焊高度不足。造成表面凹下不平，最低处低于图纸尺寸近1mm。不锈钢复合层表面无铁锈浸染。最后，经过无损检测确认坯料内部无未熔合、折叠、分层、裂纹等缺陷。堆焊层内部无未熔合、裂纹等缺陷。钻孔是利用不同材料的塑性、硬度差异，依靠工件与刀具的相对运动，将需要去除的材料从工件上“剥离”。为使刀具在直径约3.6m的管板上做稳定的切削运动，我们制造了一个专用工作台，尺寸为4m×4m×1m。用10#槽钢和20mm钢板组装。再制作一块导向模板，规格为半径1.8m，厚度20mm，直角边偏出中心线100mm，即导向模板上含有管板全部孔眼的1/4。利用导向模板可以简化划线工序，还可以为钻头提供导向套的作用，钻孔前，将专用工作台放置在摇臂钻床的摇臂回旋范围内，工作台的四角用水平仪找平，再将坯料平放在工作台上.中心重合，用千分表测出坯料表面的水平度.并调整使水平度差值保持在2mm范围内。坯料的水平度调好后，将导向模板放置在坯料上，并用卡具连接牢固。

2.2加工工艺

管板孔径为38.4+0.2mm，l.96%的管桥宽度为≥5.09mm.最小管桥宽度为3.05mm且不超过5个，管孔相对基层面的垂直度公差为0.1mm，孔内粗糙度≤12.5mm。材料性能：坯料的基层材质为20MnMoⅢ。厚度为82mm；复层材质为304L（00Crl9Nil0），厚度为7mm。材料的力学性能：20MnMoⅢ的抗拉强度为477 MPa，屈服强度为330MPa；304L的抗拉强度为480MPa.屈服强度为177 MPa。由此可以看出，304L比20MnMoⅢ较“软”，容易粘刀。热处理状态：管板堆焊后进行消除应力热处理。选择设备：现有一台6080型摇臂钻床。选择刀具：选用优质高速钢钻头，直径为38.4mm。有效切削长度≥150mm。选定切削要素：磨出100左右的后刀刃利于排屑，400～450的主偏角以减少振动。切削用量：进给量0.3 mm/r（毫米/转）；转速：150-180r/rain（转/分钟）。操作要求：支撑平台用槽钢制作，管板水平放置其上，水平差值±1mm/m。以基层为钻入面，堆焊层为钻出面，因为复层表面凹下不平，且304L材料较“粘刀”，容易折断刀具和造成孔径超差。进给深度达到10mm后回刀退屑。为快速冷却钻头，乳化液兑水稀释，乳化液与水的比例为1：2。

3优化措施分析

刚开始加工时，就发现钻头进给困难，而且钻床的摇臂有轻微晃动。尝试切削10个管孔后。发现以下问题：切削孔约一半深度时，刀头发生烧结。部分孔内径超出上限值0.2mm。切削过程中，模板有轻微振动，钻头处发出有规律的“吱吱”响声。管桥宽度小于允许值5.09mm。产生以上问题的原因可能是：刀头烧结说明切削产生的热量比较高。足以熔化钻头，这就需要减少切削热的产生和加强钻头散热。孔内径超差是因为模板与管板连接不牢固。引起钻头与管板相对运动，导致钻头受力失衡，钻头与孔内壁接触的一侧摩擦力较大，发出异响，严重时会折断钻头。管桥宽度小于规定值，主要因切削时径向抗力过大，使刀具中心偏离进给方向。所以管孔会偏离设计位置，导致管桥宽度小于规定值。切削过程中的异响是由于基层与复层之间存在熔合层，其力学性能与基层、复层都不同。通过在管板外圆侧壁处测量硬度得知。熔合层的硬度较基层、复层高，硬度差异会引起钻头振动。改进措施：对刀头角度和切削用量做出调整：主偏角降为250～300，后角降为60左右，转速改为200r/rain.进给量改为0.2mm/r。每次退刀后都要向钻头喷洒乳化液，为刀具降温。这样可以消除钻头烧结和管桥宽度小的问题。增加夹具数量，由原来的3具增加为5具，并将钻头的直径改为38.2mm。

4结束语

虽然在面载荷的作用下产生的等效应力小于其材料的许用应力值，但管板与封头联接出应力集中，是个危险部位，封头变形和管板左端面变形较大，故其有强度和刚度都不卜分充足的缺陷，有必要对压力容器管板进行结构改进，以减轻重量、改善性能、节约成本。

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