压力容器封头制造及模具设计

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第2 3卷第 6期

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制造技术 一

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压力容器封头制造及模具设计

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湖南省长沙化工机械厂工程师昊●囊

丁

丁税柳、 。乙摘要笔者根据工厂多年的生产经验，对封击制连过程中的毛坯直径计算、冲压工艺以及摸县设计等进行了概括和总结。

饲叙堡 毛坯尺寸冲压工艺坚压力容器常用的封头形式有椭圆形封头、碟形封头，球形封头、无折边球形封 头、平底封头夹套越头和锥形越头等，见一

里.

封头坯料展开直径的计算

囝 1~ 3。此外，过渡锥体和波形胀膨节 (图 4和网 5)也是常见的两种特殊结构形式，其制造方法与封头相似。压力容器封头制造有诸多工序，其中下科和冲压是关键。真正的应变值 )。在这种应力状态下可以预

确定毛坯直径有两种基本方法，①夸封头毛坯的表面积等于给定封头按厚度中线算出的表面积，即等面积法。@夸封头毛坯的体积等于给定封头金属的体积。这两种确定这对应采取理论与实践相结合，校核与检测

料，此塔可以使用两三个检修期而不必担心出问题。实践证明了这种预测的正确性，该塔经过l 9 8 9年的包覆修理以后，又进行了一 些类似的修理，一直使用至今而没有停止运行，节省了大量的投资。3 .结语

相结台，安垒性与经济性相结合的办法来进行综合判断。只有如此才能得出切合实际的结论。参考文献

I 劳动部锅炉监察局 .在用压力容器检验和缺陷处理参考意见.劳人锅局 (1 9 8 7)4 3号文，附件二.

从以上的测定与处理可看出，对化工厂

大型设备腐蚀缺陷的分析与处理，应持慎重态度。对其缺陷处理“是要通过检验判定其能否安全可靠地运行到下一个周期，而不是使其恢复到现行 (或原来的 )设计制造标准”,“应掌握合于使用的水平”[ 1 )。其次，对于不同情况的腐蚀状况应采取不同处

2 华东化工学院等 .压力容器设计.湖北科学技术出版社， 1 9 8 5 .

3 GB1 5 0 -8 9钢制压力容器 (二 ).北京 l学苑出版

社， 1 9 8 9 .4 Da l l y J W . Ex p e r i me nt a l S t r e e An a l y s i s . Mc Gr a w- Hi l l B o o k Co . Ne w Yo r k, 1 9 7 8.

理的方法。对于单纯的均匀腐蚀与减薄，用其剩余壁厚进行强度校核足可以判定其能否继续使用但若对既有均匀腐蚀又有局部斑坑腐蚀的情况，仪用相对面积较小的深坑腐

5 清华大学等.实验应力分析 .北京 t机械工业出版社， 1 9 8 (} .

8 吉林工业大学等 .惠变片电测技术 .北京 t机械工业出版社， l 9 7 8 . (熊编 )

蚀剩余厚度来进行校核，就可能出现偏差。

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毛坯展开J寸的方法都是可行的，且所得结果很相似。但因等面积法计算上更易于接近实体，故本文所述展开公式全部是以此法为原则 (D=2( S/ 1 r )‘ )推导得出的， 推导过程从略。需要说明的是，本文所述公

度，工件易产生“荷叶边”,从简影墒=成彤质量和模具寿命，特别是薄壁封头和冷压封头，更要谨慎选取。—般情况建议按表 1取

C值。属于下列情况之者取小值：①壁厚较大，②冷压|③坯料放入模具可准确对中。冷压时甚至取值可小于表中值。反之， c值则取表 1中大值。袭1 修边余■c位的选取 ( mm )

式及附图均忽略了壁厚，把各封头看作是只具有几何形状的，以中性层为参数的理想曲面。实际应用时，应根据图样尺寸转化为中性层的尺寸来进行计算。下述诸公式中符号意义，除见相应图示外，其中， D为坯料展 开外直径，d,为坯料展开内直径， D( )为封头中性层直径， d为板料厚度， h (^。、h:、 为封头有效直边高度， C (C。、C )为修边余量。

公称直径 DⅣ l< 3∞ j 3 o:器 . J 1 2 0 0 o 0 o￣ l> 2 O 0 0I

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修边余量C I 1 0 l 1 0~2 0 l l 5~2 5 2 o~

3 o 5~4 0

1 .标准椭圈形封头 (圈 l a)

修边余量 c的选取原则：c取得过小，出于压制时的对中误差，以及压边力不均匀，

标准椭圆形封头的长短轴之比为 2 t 1 (即图 1 a中口：D/ 4, b=D/ 2)。坯牡隰开直径为；D,=[1 . 3 8 0 2D+ 4 D(^+C)]“

使坯料偏心，从而造成封头高度小于图样尺寸}修边系量取得过大，则增加了拉伸深

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图 l常用的几种封头形式 ( a)捕圆形封头 ( b)碟形封头 ( c)平底封头 ( d)豫彤封头 ( e )无折边球形封头

由曲率半径公式及椭圆方程可导出 (推 导略 )标准椭圆形封头上各点的曲率半径月l

球形封头的凸模，这样可减少模具的种类，

降低制造费用。如，用内径 DⅣ=5 0 0的椭圆形封头凸模近似代替半径R: 5 0 . 0的无折边球形封头凸模。2 .磉形封头 (圈 1 b)

R= (D一3 x )“/ D

根据封头顶点的坐标 ( 0, D/ 2),可得出封头顶点之曲率半径月】页=D,即标准椭圆形封头顶点之曲率半径等于封头直径因此，可用椭圆形封头的凸模近似代替无折边

坯料展开直径：

D = 2[ D ( 旦+^+ c )+ 2 R

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第2 3卷第 6期× (1 +2 r 2 ( s i nⅡ一

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)]…

对于标准碟形封头，有 R=0 . 9 D, r= 0 . 1 7 D,由 C O SⅡ= (0 . 5 D—r)/( R—r) =0 . 4 5 2 0 5 5,得出=6 3 . 1 2 4 4。,所以，标准碟形封头坯料展开直径可简化为：D=2[0 . 3 5 0 2 D+D (h+ C )],

3 .平底封头 (圈 1 c) 坯料展开直径：D=[D+ 2 . 28 3 2 D r一 0 . 5 6 6 4 r+4 D (h+ C )] ,

图3

夹套封头( b)圆底夹套

4 .球形封头 (圈 1 d)

(

a)平底盅套封头

坯料展开直径：D=2[0 . 5 D+ D (h+ C )]‘,。

+2. 2 8 3 2 D- r一0 . 5 6 6 4 r] /

坯料展开内径。d,=[d一 4 d(^+C)~2. 2 8 3 2 d r—

5 .无折边球形封头 (图 1 e) 坯料展开直径。D=2√丽 +2 C式中； h=R一√瓦西 j C为修边系

o . 5 6 6 4 r]

须注意的是，夹套封头在压制过程中的变形较为复杂，因此，当夹套壁厚较大时应适当加大修边余量，而且要试冲压后再确定其坯料直径。8 .过渡锥体 (图 4 a)

量，取为 C> 2 b,,且 C> 1 5 mm。6 .锥形封头 (圈 2 )

坯料展开直径：D,=2( 2 R一2(R一r )s i na+D×(^+ C)+一 ( 0 5D￣ rco s a - r ).———

过渡锥体一般都较长 (即高度圩较大 ),

2

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R—

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不能整体压制 ( H较小时除外 )。通常是，首先下扇形板料，再卷制成与过渡锥锥角相

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SlⅡ

+0. O 1 7{ 5 r(D一2 r)a] ,

等的锥台 (见圈4 b),之后用成形模压制成形。过渡锥体的坯料为一扇形板料，如图 4 c所示。在确定坯料尺寸之前需要定出坯科锥台大头与小头的芈径 (或直径 ),其方法如下：

①首先计算出 MR。,由于。与 2之间的这一段锥体未包括 r,和r 的圆弧段，压 制过程中可以认为基本上无变形，因此由圈 2锥彤封头

月-、 z及角即可作出由过渡锥体形成的正圆锥台。 月I=d/ 2+r I ( 1一c o s a) 月2=D/ 2一r 2(1一c o s a)

7 .央套封头 (圈 3 )

有平底夹套封头和圆底夹套封头两种， 其展开坯料直径计算式相同。坯料鼹开外径；D=[ +4 D(^+ C)

②利喟等面积斌求出上都 (小头 )半径#,即根据过渡锥体上部 (图 4 a中r,圆弧以

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垫目 5谴形膨胀节

坯料展开内径；d。=[ 一4 d( hl+C I )一2 .

2 8 3 2 d r一

0 . 5 6 6 4 r]’

二、封头冲压工艺制定封头冲压工艺时，主要根据其材质、形状及变形程度来确定冲压方法。按封头变形程度可将封头分为厚壁封头 (D一 DⅣ≤ 8 3)、中厚壁封头 (8 3< D。一DⅣ< 4 5 3)、薄壁封头 (D一DN≥ 4 5 3)三种。(c)

I .中厚璧封头 (8 3< D一DⅣ< 4 5 6)

闺4 过渡锥体及坯料计算( a)过渡锥体 ( b)锥台 ( c )扇形l坯柑

普通碳素钢和普通低台金钢制中厚壁封头比较好冲压，通常 (D一DN )<2 O d对， 不需要压边就可成形|2 0 3< (DP—DN ) <4 5邡，只需用普通压边圄就可一次成形， 且质量较好。但当封头毛坯有拼按焊缝，而焊缝强度较母材高得多，或焊缝加强高度过离时，应扩大其压边范围，否则在封头小只

上 )面积等于坯料锥台上部 (图 4 b中 R-以上 )的面积可导出； R 3={ R{一s i n c t( O . 0 1 7 4 5 r I口(d

+2 r 1 )一2 r{ s i n a+d ( h l+C1 )]} ③同上述方法可求出下部 (大头 )半径 :

。

部分，沿焊缝两边易产生鼓包缺陷。R d={ R;+s i n a[ 0 . O I 7 4 5 r 2 ( D一

2 .薄壁封头 ( D。一DN≥ 4 5 d)

.

2 r 2 )+2 r; s j n口+D( h 2+C2 )]}

这类封头不易成形，若用普通压边躅一次成形则易产生裁包和皱折等缺陷，因此宜采用下面两种办法压制。( 1 )两次压延法第一次压延用比公称直径 DⅣ/ J￣ 2 0 0 mm的拉环将其压成碟子形状(凸模不变 ),同时根据生产批量，可将 2~ 3块毛坯重叠压制，见图6 a。由于凸模外径大于拉环内径，当凸模下压至一定部位时应

④坯料锥台高度H。:I - t。= (R‘一矗3 )/ t目

⑤计算扇形坯料尺寸； RB=Rj/ s i t l c tR 6=R d/ 5 i n a=

3 6 0 si n

9。波形膨胀节 (围 5 )

坯料展开外径：D=[, j。+ 4 D(^2+C 2 )+ 2. 28

3 2 D r—O . 5 6 6 4 r],

停止压延。第二次压延用与封头规格相应的拉环将 j￡冲压成形，如图 6 b所示。两次压延

均需加热，并加压边圈。

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头及椭圆形封头则按相应的车薄厚度设计。4 .不锈钢封头一

般采用冷压，其回弹率取 0 . 2 ~

0 . 4。对于 D一DN￣>3 0&的封头，冷压时容易起包，可采用热压由于不锈钢封头一般

较薄，冷却较快，所以热压时应将模具预热到3 O 0~3 5 O℃再压制。对于有耐晶间腐蚀要求的封头，热压后应进行固溶处理和稳定化热处理。 5 .铝及铝台盒封头

纯铝封头可以采用冷压成形。对于大厚图6 薄壁封头的压制方法( a )第一致压延重叠热压 ( b)第二次匪延 ( c )第一次 ( d)第二次单个冷压

度的纯铝及铝镁合金封头，则必须采用热压。由于铝的导热性好，冷却较快，压制时模具必须预热到 2 5 0~3 O 0℃,同时要求拉环圈工作表面粗糙度月。值不得高于 3 . 2 pr o。

( 2 )扣天毛坯尺寸两次成形法

某些

封头壁厚较薄，单个加热时出炉后温度下降较快，因此须用冷压。而冷压比热压更容易

三、封头模具设计要点封头模具设计按下述步骤进行：①根据封头材质及工艺要求确定其冲压工艺。②计算坯料尺寸。⑧计算拉延力和压边力，并以此作依据选择压制设备。④按所选设备允许的相应模具结构设计模具。 1 .拉延力尸和压边力 0的计算P= P K (D一 D )a

产生缺陷，故只有采用加大毛坯尺寸两次成形 (加大的坯料比计算值大 1 0 ~1 5 ,且不大于 3 0 0 am)。第一次将两块毛坯重叠起 r来加热压成碟子形状，见图6 0,第二次单个玲压成带凸缘边的封头，如图6 d所示。由于凸缘部分加大了坯料余量，虽皱折较多但不影响封头质量，将凸缘切除即可得一较好的封头。 3 .厚壁封头 (D一DⅣ≤ 8 d)

0=Fq=[ D;一( D+2月。 )] q/ 4 式

中：为压边影响系数，无压边时： 1,有压边时P 1 . 2| K为封头形状影响系数，一般椭圆形和碟形封头K:1 . 1~1 . 2,球形封头 K=1 . 4~1 . 5|D为坯料外直径， 1 3 1 1 3 1} D为封头中直径， mmJ d为板料厚度， mm} 为材料的高温强度极限 i F为压边面积， 1 1 3 1 2 3 . 2 I 口为单位面积压边力，对于钢 q (0 . 0 1 1~ 0 . 0 1 6 5) (热压时取小值，冷压时取大值 ),对于冷压不锈钢 q= (0 . 3~0 . 4 5)× 9 . 8 N/ mm}D。为凹模内径， mI 1 2}月。为凹模 过渡边长， 1 1 3 1 1 1,当凹模采用圆角过渡时月等于过渡圊角半径，当凹投采用锥角过渡图7 厚壁封头毛坯边缘加工示意

这类封头由于冲压力较大，毛坯边缘较厚不易变形，特别是球形封头，成形过程中其边缘厚度急速变厚，因而底部严重拉薄， 甚至拉裂。所以，对厚壁封头，须将毛坯边缘车成斜面 (如图 7所示 )后再斜面朝下压制。设计这类封头模具拉环时，对带直边的球形封头按原厚度设计，对不带直边的球形封

时，月。:6。

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备裹 2热压封头收缩率 A ( )

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囊 5冷压封头厢弹率△

( )

【0. 2￣ 0. 4

}

l。 . ~ o . j。 . t~ o . s O . 1 6~ O . 2 5

取大值。( 2 )凸模上端直径 D . D .=D。+

( 2~ 3 ), D.比D t大 2~ 3mm是为了图8 凹模与凸模结构(a)强角过渡的凹模 (b)锥角过谴凹横 ( c)凸模

便于脱模。 ( 3 )凸模高度 H H=H l+ 2}

2 .凸横结构主要尺寸计算 (喝B)( 1 )凸模直径 D。

式中 -为凸模曲面高度，H l:h ( 1± ), ^为封头内曲面高度， 同前，H 2为凸模直边高度，为同一公称直径中最大壁厚的封头

①封头必须保证内径时 t D。:DN ( 1± ),式中 DN为封头内直径} 为热压时

直边高度加上最大壁厚时的修边

余量及脱模销高度、行程余量等 (一般行程余量取大于8 0 a m )。 r

表示封头收缩率，取正号，冷压时表示封头回弹率，取负号由于实际操作与理论相比较为复杂，一般直径越大 .壁厚越薄，其收缩率 (或回弹率 )越大，反之则较小。可凭经验按袭 2、旋 3选取。对薄壁封头取下限，厚壁封头取上限，其他材料可按理论公式( =a At )计算，但须进行修正或根据经验确定。当厚度大于6 0 am时，由于冲 r压结束时温度较高，因而收缩量较大，建议收缩率按 l ~1 . 4 计算。 ②当封头必须保证外径时 (一般指管封头 )t D。=D。一2 6—2,式中， 为单边

3 .凹横结构主要尺寸计算 (匪8 e) ( 1 )凹模直径 D。①当封头必须保证内径时t D.=Dt+2 6+2 z j②当封头必须保证外径时t D:DN ( 1± ),式中 DN为封头外径，其他符号同前。 ( 2 )凹模直边高度当采用通用凹

模座且为锥角过渡时，将凹模总高度减去锥孔高度即为直边高度。直边高度不宜太大一

般取f i:4 0￣7 0 mm。

( 3 )凹模过渡区

有圆角过渡和锥角

过渡两种结构形式，如图 8所示。一般推荐采用锥角过渡，因其压边效果较好。由于变形速度缓慢，压制力较小，应力亦相应较小，因而封头质量较角过渡为好。对于公

间隙，对于热压模： ( 5 ~l 4 ), 对于冷雎模= (1 o%~: 5% )0,薄壁封头取小值， J壁封头取犬世，球形封头一般

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称直径 D≤6 O 0的封头，为使模具加工方便，可采用圆角过渡。圆角半径月，冷压时R= ( 3~ 6 ) d,热压时 R= ( 2~ 3 )。

封头的生产，从坯料计算、模具设计、 压制工艺的确定以及实际操作，都须具有统一

的规范，以实现模具的标准化、系列化，

过渡锥的长度 6则应根据压边圈的尺寸及材

使其具有通用性和互换性，从而降低制造成本，提高产品质量。(张编 )

料

壁厚进行设计

四、结语

球

瓣

下

料

新

工、

艺, 、

司摘要罐罐

中国石油天然气第一建设公司(武汉 )工程师武小忙

—一

“

本文介龆了一种适用于拱顶储罐和球开 j储罐的简单下特法豉其计算公式

的简化过程和应用实例，工程实践证明，该= 5 -法适用￣ ' 2 0 9 m以上球罐及所有拱顶

叙词堕…查登！法茎茎 下……坌式

一 谣包蓬 t /球心截面圆周相交点的距离 (即过两交点的球瓣测量的水平弦长 ), mi i l

拱顶储罐和球形储罐被大量地应用于石油及化工等行业中，困该两种储罐使用条件和结口形式 (对接与搭接 )之差异，二者橘瓣板的下料分别采用简单下料法和精确下料

c——球瓣上两径线边缘与过点的

法通过当年的施工实践，本文向同行推荐一

—

—

球瓣上与各 C.弦长相对应的弧长

种适用于上述两种储罐的简单下料法。 1 .计算公式的简化文献[1]介绍的橘瓣弧及弦长计算公

m——球瓣测量各点的顺序数式 ( 1 )中Ⅳl i I I 3 C=¨ i n

0, 1。当Ⅳ .: 2时：D

式为：

C=Ds l n# t a n(】 8 9。/ N J)/ √】1 - S i n t a n (1 8 0。/ N r)( 1) = D

1+[ 1/ ( s l n

t a n 9 9。 )]

因球瓣及拱顶的分瓣一般都在 l O瓣以上，故式 ( 1 )可简化为：C.:Ds i n t a n(1 8 0。/ N})( 3 )

=( D/ 1 8 0。)a r c s i/ l (C/ D)( 2 )

式中 _ D——球罐或拱球内径， I I 3 I￣ t——

球壳上任意一点之球半径与极轴的夹角

从图 1可以看出，所谓弦长即为过点纬圆之外切多边形的边长。式 (3 )与式 ( 1 )相比最大相对误差为：…

Ⅳ.——第带分瓣数 (对拱球~般将拱球作为温带或寒带处理 ) 拱顶蛄罐顶盖一般为球面 .故苘言之

=+5 . 1 5%

(计算过程略 )

式 ( 3 )可继续简化为；

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/722i.html