浅谈封头制作工艺及设备

作者：曹洪飚

浅谈封头制作工艺及设备

摘要：封头是石油化工、原子能、食品、制药等诸多行业压力容器设备中不可缺少的重要部件，是压力容器上的端盖，是压力容器的一个主要承压部件。封头的品质直接关系到压力容器的长期安全可靠运行。文章主要以锅炉封头为例，浅谈了封头的加工设备及加工工艺过程。

1  封头形状及用途
   封头是压力容器和锅炉重要的受压元件，就形状而言可分为平封头、碟形封头、椭圆形封头、球形封头。高压容器、锅炉封头多为球形，中压以上就多使用椭圆形封头，只有少量低压容器才用碟形封头。

2  封头加工方法
   （1）冲压。适应大批量生产，压制厚壁小直径封头，要多套封头模。
   （2）旋压。有些超大超薄封头，特别是化工行业，多为大型少批量，特别适合旋压。椭圆形封头非常适用于旋压，而碟形封头少用，球形封头比较难压。

3  封头加工设备及工具
   （1）加热设备。煤气炉，大型工厂大多采用煤气炉。现加热采用室式或反射式加热炉，应尽可能采用燃油或燃气加热，因为其特点是燃烧干净、效率高，温度易控制、不易过烧、不易脱碳。加热炉应配置测温装置和温度记录仪。
   （2）封头压机有单动、双动两种；还分水压机、油压机两种。
    单动即只有冲压缸，无压边缸，只有中小工厂再用。大型工厂都用双动，即有一个压边缸，一个冲压缸。
    水压机的传动介质为水，便宜，动作迅速，不平稳，对密封要求没有油压机高，效率低于油压机，导向要求不严。油压机的传动介质为油，换一次油要比水贵，传动平稳，对密封要求高，对导向要求高，对油的要求高，滤油不行或很快换向、关闭油路都会使系统中某些动作产生冲击，使压机动作不平稳，因此要勤滤油，按时换油，换油时彻底清洗油路、油箱。
   （3）使用工装。各种封头成形上、下模及支脚等（必须按相关技术条件验收，不应有气孔、缩松、夹渣等，几何尺寸精度。曲线经检验合格方可使用）。
   （4）常用工具。紧固扳手、大锤、撬棍、钢尺、卷尺、光电测温仪、内外卡尺、搬运工具等。

4  封头毛坯展开尺寸计算
4.1 碟形封头毛坯下料
   （1）周长法
    理论公式 D0=d2+π（r+s/2）+2h+2δ
    经验公式 D0=d2+r+0.5s+2h
   （2）面积法

4.2 椭圆形封头毛坯下料   
   （1）周长法
                
                 D=p+2hk0+ 2δ
   （2）面积法
     封头毛坯直径
                
    对于标准椭圆封头，d1=4b,ke=1.38

4.3 球形封头毛坯下料
                 
    也可近似计算D0=1.43d+2h，当h＞5%（d-s）时，式中h应以h+5%代入。

4.4 影响封头厚壁的因素
    影响封头厚壁变化的因素很多，归纳起来大致为下列几个方面：
   （1）材料的性能。如铅封头的变薄量比碳封头大得多。
   （2）封头形状。碟形封头变薄量最小，球形封头变薄量最大，椭圆形封头中等。
   （3）下冲模圆角半径越大变薄量越小。
   （4）上下模之间间隙越大，则变薄量越小。
   （5）润滑情况好，变薄量小。
   （6）加热温度越高，变薄量大（要在标准内，否则过烧）。
   （7）压变力大，则变薄严重。

5   冷压或热压的选择
    封头采用热压、冷压主要根据下列两方面来确定：
   （1）封头采用的材料性能。对于常温下塑料较好的材料冷压，对热塑性较好的材料则热态压制。
   （2）一般δ4~δ12的板厚，在常温下塑性较好的材料常冷压，并视情况加压边圈，超过上述板厚常热压。
   （3）封头毛坯料尺寸。当封头较薄时，对于碳钢和低合金钢S/D0x100＜0.5，对于不锈钢和合金钢S/D0x100≥0.5应热压；对于不锈钢和低合金钢S/D0x100＜0.7应热压。

6   封头制作工艺

6.1 封头压制前的准备
   （1）水压机工操作前需了解设计图纸和相应的工艺要求，对毛坯材质、毛坯规格尺寸及毛坯上的钢印标记等需要复查清楚，根据图纸找出相应的封头模具，清除模具上异物，检测模具，同时做好水压机的调试润滑工作。
   （2）模具应安装在水压机工作台中心位置，其偏心允许值为160mm。模具安装调试后应进行紧固，以确保安全。模具安装应保证上下模圆周间隙均匀，安装时可用钢板尺或直径相当于偏差值的铁丝测量调整，其圆周间隙允许偏差如表1所示。

（3）当压制封头采用压边圈时，压边圈与下模接触面的间隙应不大于0.5mm。压制有孔封头时，应保证下模与人孔顶出冲头同心，其偏差应不大于3mm。
   （4）对拼接封头毛坯，在L长度内其焊缝高度应不大于1.5mm，超过1.5mm用电弧气刨刨平或用手提砂轮机磨平。

（5）对加热炉炉排及炉膛进行清理，然后作点火准备工作，并检查光电测温仪是否正常。

6.2 封头毛坯加热
   （1）封头毛坯加热时的摆放位置应保证钢印标记一面朝下，以便冲压后材质标记露于成形封头外表面。
   （2）封头毛坯加热应热炉装料，炉温应大于600℃，碳钢可以随时加入炉内，特殊材料另行规定。
   （3）每炉装料一般可并列叠放于炉内，每块之间应用耐火砖隔开，为防止变形，支撑点要均匀，两块叠放距离应不小于200mm，坯料离炉底的距离不小于150mm，一次装入不得超过四块。
   （4）拼接封头毛坯加热装炉时，其焊缝应尽量置于炉温较高处。
   （5）毛坯加热时不应任意开炉门，应通过炉门上窥视孔观察炉内加热情况，必须开启炉门时，要尽快关闭。
   （6）设备发生故障时，只有在确保45min内能排除故障的情况下，才允许将已入炉的坯料闷炉，但应将炉温降到600~700℃；否则应停炉，并打开炉门降温，取出坯料。
   （7）当封头毛坯加热到指定温度时，应尽量缩短毛坯料从出炉到压制时间，一般不应超过3min。封头毛坯应严格按工艺规定加热，不同材料加热规范见表3，表3中没有的材料，压制时另行规定。

6.3 封头的压制
   （1）每个封头压制前，必须将封头毛坯上的氧化皮清除干净。冲压前应在模具上涂润滑剂，冷冲压用40%石墨加60%水（机油）拌成的润滑剂，热冲压可涂二硫化钼润滑剂。
   （2）压制时，封头毛坯摆放应尽量与模具同心，毛坯与下模中心偏移应小于5mm。有孔封头压制时，应注意将毛坯上的椭圆开孔与模具的长短轴方向摆放一致，压制过程中先将人孔冲头对正毛坯开孔位置顶出，顶到略高于下模平面处（约20mm），然后上模再向下压，人孔冲头也同时落下，将封头压制成型。在压制时冲压力需缓慢地由小加大，不得突然加大或减小。
   （3）热冲压封头冷却到600℃以下时方可拖离模具进行吊运，且不得放于风口，在未冷却到室温之前不得两件以上叠放。连续冲压时，冲模温度升高到250℃左右，不应再继续冲压，待采取冷却措施使冲模温度下降后方可继续工作。
   （4）有孔封头应尽量采用一次成形，因条件限制不能一次成形时，则冲压人孔时应注意与封头的同心度，并注意保持人孔翻边处壁厚的均匀一致。

7   封头的质量检验
    为了确保封头的质量，必须对成型封头进行认真仔细的检查。封头的质量检验包括封头的表面状况、几何形状和几何尺寸等。
    封头表面状况的检验主要是检查封头表面是否有起皱裂纹、刻痕、凹坑、凸起、脱碳过烧等。成形后封头应清除内外表面的氧化皮，表面不允许有裂纹、重皮等缺陷。对微小的表面裂纹和高度达到3mm的个别凸起应进行修整。人孔内扳边弯曲起点大于5mm处的裂口可在不影响质量的前提下，并经过检验部门同意可以进行修磨或补焊，修磨后的钢板厚度应在钢板厚度的允许偏差范围之内。
    对于凹陷和疤痕等缺陷的处理方法如下：
   （1）热水锅炉和额定蒸汽压力小于9.81MPa的蒸汽锅炉，深度大于0.5mm，但不大于公称壁厚的10%并且不大于3mm的凹陷和疤痕应修磨成圆滑过渡，超过以上规定时应补焊并修磨。
   （2）额定蒸汽压力不小于9.81MPa的蒸汽锅炉，凹陷和疤痕如果深度为3~4mm时应修磨成圆滑过渡，超过4mm时应焊补并修磨。成型封头有缺陷时，允许返修，较大缺陷及低合金钢封头缺陷返修按有关工艺进行，缺陷补焊后应进行无损探伤。

符号说明
D0—封头毛坯直径；
h—各类封头直边长度；
H—封头总高度；
d1—椭圆封头内径；
d2—碟形封头内径；
d—球形封头内径；
δ—风头边缘的机械加工余量，通常为15~40mm；
r—碟形封头的折边区半径；
s—各类封头毛坯厚度；
p—封头椭圆形部分的半周长；
k0—材料拉伸系数，通常可取0.75~0.8；
ke—椭圆系数，通常当标准椭圆封头d1=4b时，ke=1.38；
a—椭圆长半轴；
b—椭圆短半轴；
D—封头制成形后中径。

化工制图中的封头如何绘制

用CAD制图，以封头直径为长轴，以封头高为短轴画椭圆，然后删除一半，再画直边即是。