- 現代焊接工程手冊·管道卷
- 李頌宏 李建軍
- 3965字
- 2019-03-04 11:55:32
第8章 封頭
8.1 概述
封頭有很多類,既包括常見的普通封頭如圓封頭、六角封頭等,還有管線上用的比較特殊的封頭。封頭又稱為管帽。
封頭是用來密封管道、容器管節等設備用的,是壓力管道、壓力容器中重要的結構元件,其質量直接關系到壓力管道、壓力容器運行的安全性。
我國現有的標準,是按結構形式和成形方式的不同來劃分的。依據結構形式可以劃分為碟形、錐形、平底形、半球形、橢圓形等,如圖1-8-1所示;依據成形方式可以劃分為沖壓成形和旋壓成形,有時還可采用爆炸成形制造大直徑封頭。

圖1-8-1 常見封頭
現有封頭的成形方法包括冷擠壓、熱擠壓、冷旋壓、熱旋壓等,見表1-8-1。
表1-8-1 常用封頭的成形方法

除表1-8-1成形方法外,封頭還可采用爆炸成形等變形方法進行制造。
封頭基本尺寸應符合GB/T 12459《鋼制對焊無縫管件》、GB/T 13401《鋼板制對焊管件》、SY/T 0609《優質鋼制對焊管件規范》、SYT0510《鋼制對焊管件規范》的要求;強度及其結構尺寸計算應遵循GB 50251《輸氣管道工程設計規范》、GB 50253《輸油管道工程設計規范》、ASMEB31.8《輸氣和配氣管道系統》、SY/T 0510《鋼制對焊管件規范》等設計規范的要求。
8.2 沖壓封頭
封頭的沖壓是利用上、下模具配合,在壓力設備的壓力下一次冷或熱沖壓成封頭形狀的成形方法,是壓縮類外緣翻邊的一種成形方式。
沖壓拉延過程中,由于下模與圓形坯料接觸部位產生很大的摩擦,因此必須在下模摩擦面上涂刷適當的潤滑劑,采用冷成形時可以涂刷如底盤油、植物油、動物油、鮮肥皂、石蠟等;采用熱成形時應涂刷機油與石墨混合物。
沖壓拉延的變形程度用沖壓系數m表示
m=d/D0 (1-8-1)
式中 D0——坯料直徑;
d——沖壓后封頭直徑。
拉延沖壓的極限變形程度用極限沖壓系數mmin表示。極限沖壓系數取決于被沖壓材料的機械性能、坯料相對厚度(坯料厚度與直徑比值)、沖壓時的坯料溫度等。
如果工件的變形程度較大,即沖壓系數計算值小于上述沖壓極限系數時,則采用對坯料進行加熱的熱沖壓工藝。
圖1-8-2和圖1-8-3是小直徑和大直徑封頭熱壓成形上下模具,該模具和分體成形異徑接頭所用模具相同。沖壓開始時,先把加熱的坯料放置在下模2上并找正中心,啟動壓力機,帶動上模1下壓,同時吹掃坯料上下面的氧化皮,圓形坯料與上模1一起向下運動,直到坯料脫離下模2,提起上模1,半成品封頭與上模1分離。

圖1-8-2 小直徑封頭熱壓成形上下模具

圖1-8-3 大直徑封頭熱壓成形上下模具
封頭沖壓的坯料為圓形平板,平板坯料的直徑D0可按封頭外表面過中心點到兩邊端面的總長度+加工余量進行計算求得。沖壓淺形件(如平底封頭、碟形封頭)時材料變薄量較小,反之變薄量較大。實際坯料直徑應比計算值減少。
8.2.1 封頭成形工藝流程(見圖1-8-4)

圖1-8-4 封頭成形工藝流程圖
8.2.2 沖壓封頭制作工序
(1)原材料檢驗及驗收 鋼板的厚度、規格根據需要直接定制,進廠后按照驗收程序,檢驗合格后投入生產線。
(2)下料 采用等離子數控切割機將鋼板按需要尺寸和形狀切割,得到圓形坯料。
(3)爐內加熱 用操作機將圓形坯料送進熱處理爐加熱至規定溫度,取出放在壓力機的凹模上,找正圓板中心和凹模中心,吹掃表面的氧化皮,用凸模壓制坯料,直到坯料脫離凹模,就得到封頭半成品。
(4)管端整形與切割 將封頭半成品取出后,先對不符合尺寸要求的部位進行整形,再用切割工具對封頭半成品管口按圖紙要求切割,去掉毛坯余量。
(5)熱處理(需要時) 為了恢復和改善材料的力學性能,將半成品件放入加熱爐進行熱處理,使封頭達到技術條件要求的理化性能指標。
(6)檢驗與包裝 熱處理后還需要進行除銹、無損探傷、坡口磁粉探傷、防腐、尺寸及外觀檢驗,包裝標識。
8.3 拉延旋壓封頭
拉延旋壓是指利用旋壓工具將平板坯料旋制成空心回轉體工件的成形方法,是普通旋壓中應用最廣泛且變形最復雜的成形。
拉延旋壓按旋壓力的來源分為手動拉旋和機動拉旋兩種,由于手動拉旋是依靠人體施加壓力,并憑旋壓時的聲音和振動等感覺進行控制旋壓過程,在很大程度上受人力限制,僅限于加工一些塑性較好、厚度較薄的金屬。機動拉旋是在手動拉旋的基礎上發展起來的。它采用旋壓設備和工具完善,旋壓力由機床提供,旋壓工具采用旋轉輪,并進行良好的潤滑和冷卻,達到了提高變形效率的目的。為了實現精確的拉旋過程,采用機械仿形、液壓仿形裝置和數控來嚴格控制旋轉輪的運動軌跡,保持旋轉輪的運行軌跡與成品的外部形狀輪廓線高度一致。
圖1-8-5是球形封頭拉延旋壓加工示意圖,首先將平板坯料1通過機床尾頂尖5和頂塊4壓緊在球形芯模3上,然后隨同機床主軸6一起旋轉,用旋壓輪2加壓于坯料上,反復碾壓,于是由點及線、由線及面,平板坯料逐漸緊貼于芯模上而成形。

圖1-8-5 球形封頭拉延旋壓示意圖
1—平板坯料;2—旋壓輪;3—球形芯模;4—頂塊;5—機床尾頂尖;6—機床主軸
旋壓操作時,應先從靠近芯模底部圓角處毛料開始,即由內緣向外碾壓,使其逐漸變形。
旋壓過程中,旋壓輪施加的壓力大小由實踐經驗控制,施加壓力不能太大。尤其是在坯料外緣加力時,壓力過大容易起皺。另一方面,在開始旋壓時,若對坯料內緣的碾壓壓力過大,容易使底部圓角處的材料過度變薄和冷作硬化,造成旋壓件脫底。同時旋壓時,旋壓輪的著力點必須逐漸轉移,以保證材料均勻延伸變形。
在旋壓過程中,由于旋壓輪與坯料接觸部位產生很大的摩擦,因此必須施加適當的潤滑劑,如底盤油、植物油、動物油、鮮肥皂、石蠟以及機油與石墨混合物等。
拉延旋壓的變形程度用旋壓系數m表示,即
m=d/D0 (1-8-2)
式中 D0——坯料直徑;
d——旋壓后封頭直徑。
拉延旋壓的極限變形程度用極限旋壓系數mmin表示。極限系數取決于被旋壓材料的力學性能、坯料相對厚度(坯料厚度與直徑比值)、旋壓工具形狀以及旋壓工藝參數(主要指機床主軸轉動速度和旋壓輪進給量)等。
根據生產經驗,對于筒形件,一次成形的極限旋壓系數可取mmin=0.6~0.8。當坯料相對厚度t/D×100=0.5時取大值,當t/D×100=2.5時取小值。
如果工件的變形程度較大,即旋壓系數計算值小于上述旋壓系數極限值時,則需進行兩次或多次旋壓。多次旋壓由連續的幾道工序在不同的芯模上進行,但旋壓半成品都應以錐形過渡,且最小直徑保持不變。由于加工硬化,多次旋壓時一般都需進行中間退火或采用對坯料進行加熱的熱旋壓工藝。
封頭拉伸旋壓的坯料為平板,平板坯料的直徑D0可按沖壓封頭工藝中坯料直徑計算求得。但由于拉旋時,材料的變薄比沖壓時大,因而引起表面積增加。拉旋淺形件(如平底封頭、碟形封頭)時材料變薄量較小,反之變薄量較大。故而拉延旋壓實際坯料直徑應比計算值減少5%~7%。
在旋壓過程中,為了保證旋壓質量和旋壓工作順利進行,除了嚴格旋壓操作和對坯料合理施加壓力外,還必須選擇合理的工藝參數。
主軸轉速是主要的工藝參數。旋壓時,合理的主軸轉速與材料種類、厚度、旋壓件尺寸大小以及機床剛度等因素有關。
平板坯料旋壓時,如果轉速太低,坯料邊緣易失穩折皺,使旋壓工件難以進行。當轉速增加到一定值后,坯料可以保持穩定,轉速越高,則坯料的穩定性越好,但轉速過高時,由于材料與旋壓輪的接觸次數太多,則容易使材料過度碾壓。因此,應選用合適的轉速。
各種材料所要求的主軸轉速經驗數值見表1-8-2。當坯料直徑較大、壁厚較厚時,主軸轉速可取表中較小值,反之取較大值。
表1-8-2 主軸轉速

旋輪進給量也是主要工藝參數。旋壓過程中,旋輪進給量取決于材料的穩定性。最佳進給量的大小,通常由經驗確定,一般進給量取0.25~1.0mm/r,也可增加至2~4mm/r。當操作者技術熟練、能有效地控制好被旋壓材料的失穩情況時,可取大值,這有利于成形和貼模。
8.4 封頭的熱處理
封頭成形后應按表1-8-3所列或技術規范要求進行熱處理,熱處理應放置在無損檢測前、尺寸整形后進行。
表1-8-3 封頭的熱處理

熱處理后的封頭應進行生產中的硬度檢測,硬度檢測應放在熱處理后,無損檢測前進行,打磨測量點見金屬光澤,用便攜式硬度儀測量,每個點三次,取三點平均值,測量值應符合表1-8-3的規定或按技術要求進行。
8.5 封頭的檢測
封頭在生產中和出廠前應進行形狀和尺寸檢測、外觀檢查、硬度檢查、無損檢測、力學性能檢測等檢驗以及要求的靜水壓爆破試驗。
8.5.1 形狀和尺寸檢測
(1)壁厚
①測量儀器:超聲波測厚儀。
②測量位置:封頭測量位置為變形處,每處不少于5點進行測量。
③測量前準備:用標準試塊調整、校準測厚儀;用細砂紙打磨測量點見金屬光澤。
④壁厚減薄率計算式為
式中 ——彎管外弧最薄處壁厚,mm
tmin——彎管前直管的壁厚最小值,mm
允許最大減薄率為12.5%。
(2)圓度
①檢測用量具;卡尺、直尺。
②測量位置:各封頭端口端面;從彎頭、異徑接頭起點開始至終點等距離間隔5點(包括起始點、終點)測量。
③圓度計算式為
式中 Dmax——封頭橫截面上的最大外徑,mm;
Dmin——封頭橫截面上的最小外徑,mm;
D——鋼管外徑,mm。
圓度標準應符合表1-8-4的規定。
表1-8-4 圓度標準

(3)封頭端部內徑
①測量工具:盒尺、直尺、內徑卡尺。
②測量位置:封頭端口。
③封頭圓度計算式為
式中 Dmax——封頭橫截面上的最大內徑,mm;
Dmin——封頭橫截面上的最小內徑,mm;
D——鋼管公稱內徑,mm。
圓度標準如下。
DN400以下:按GB/T 12459進行;
DN400~DN600:±2.4mm;
DN650~DN900:±2.4mm;
DN950~DN1050:±3.2mm。
8.5.2 外觀檢查
①封頭不應有裂紋、過熱、過燒存在。
②封頭表面應無硬點。
③封頭內、外表面應光滑,無有損強度及外觀的缺欠,如結疤、劃痕、重皮等。檢查發現的缺欠應修磨,修磨處應圓滑,直至用磁粉探傷方法確認缺欠完全消除為止,修磨后直管段剩余壁厚不得小于公稱壁厚的93.5%;彎曲段的剩余壁厚不得小于封頭外弧側規定壁厚最小值。
④封頭表面不允許有明顯折皺。起皺高度h應不大于1.5mm,起皺波浪間距f與起皺高度h之比應大于150mm。
⑤凹痕:封頭管體上深度超過3.15mm的凹坑或焊縫上深度超過1.5mm的凹坑是不可接受的缺陷,不允許采用錘擊方法修理。
8.5.3 硬度檢查
所有封頭外表面應用便攜式硬度儀進行硬度檢查,檢查位置:管體(包括與焊縫成90°或180°的位置)、所有縱向焊縫,每個位置應測量不少于5點。
8.5.4 其他檢驗
無損檢測、力學性能檢測、靜水壓爆破試驗等參照本篇第4章的相關要求。