本實用新型涉及用于石油煉制與化工、煤化工、化肥工業(yè)、及其它各種化工裝備中的各種大型高等級反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種熱壓成型反應(yīng)器封頭。

背景技術(shù)：

化工反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括有圓筒體1、設(shè)置于圓筒體1的下開口5、設(shè)置于筒體1內(nèi)壁的內(nèi)支承結(jié)構(gòu)7、設(shè)置于圓筒體1的兩端的上封頭2和下封頭3，以及設(shè)置于封頭的各種上開口4，設(shè)置于圓筒體1或封頭外壁的下支承結(jié)構(gòu)6，圓筒體1由鋼板或鍛件制成，還包括壓力容器內(nèi)表面堆焊耐腐蝕襯里。

由于反應(yīng)器一般是在高溫高壓下操作，圓筒體與其端部的封頭結(jié)構(gòu)會因受力而變形不均勻，在連接接點會形成附加應(yīng)力，其中壓力容器封頭會在與圓筒體的連接接點附近產(chǎn)生應(yīng)力突變，從封頭區(qū)的拉應(yīng)力斷崖式地轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，容器內(nèi)的壓力越高，該突變就越懸殊，使該區(qū)域封頭壁存在失穩(wěn)變形的危險。因此，封頭的壁厚應(yīng)符合設(shè)計中的校核基本強度要求。

另一方面，由鋼板按傳統(tǒng)的熱沖壓成形的封頭普遍會產(chǎn)生壁厚減薄，橢圓封頭的減薄量較球形封頭的減薄量要大。如圖2所示，包括直邊段9和小半徑r過渡段10。其中最大減薄區(qū)位于直邊段9下來的過渡段10區(qū)域，該過渡段10的區(qū)域正是前面所提到的應(yīng)力突變區(qū)，一般減薄達8%至13%。因此，內(nèi)壓作用下傳統(tǒng)的壓力容器封頭強度在不同的部位是不相等的，應(yīng)力突變區(qū)的封頭強度最低。

傳統(tǒng)的解決方案是，制造中為保證設(shè)計校核所需要的基本封頭壁厚t，采購毛坯鋼板時就要考慮增加毛坯的厚度，以彌補成形時的減薄量，具體的增厚大小由各封頭廠商提出，一般根據(jù)可能的減薄量來確定，毛坯鋼板的厚度一般選擇1.08t至1.13t。一百多年來，該工藝沒有改變。

然而采用此方法造成了新的問題，毛坯鋼板的增厚，材料成本增加了8%至13%，而且重量增加，使得鋼板運輸重量和封頭運輸重量的增加。厚鋼板的質(zhì)量更難保證，而影響后續(xù)封頭質(zhì)量。此外，厚鋼材還加大了加熱能耗、封頭開口接管焊接工作量和封頭與圓筒體焊接工作量，間接造成資源浪費和環(huán)境污染。

隨著環(huán)保意識增強，工業(yè)和民用油品質(zhì)量越來越高，油品加氫技術(shù)向高參數(shù)工藝發(fā)展，煤化工中的煤氣化及煤制天然氣技術(shù)也已開始工程應(yīng)用，大型高等級厚壁反應(yīng)器應(yīng)用越來越多，上述矛盾越來越尖銳。因此，開發(fā)應(yīng)用新的封頭成形工藝技術(shù)，應(yīng)用于各種石油化工或煤化工反應(yīng)器，對安全生產(chǎn)、經(jīng)濟效益和社會效益都具有重要的工程意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種能夠降低反應(yīng)器封頭的沖壓易減薄區(qū)域的減薄程度的熱壓成型反應(yīng)器封頭。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供以下技術(shù)方案：

提供一種熱壓成型封頭方法，包括以下步驟：預估毛坯的沖壓易減薄區(qū)域，在加熱期間減少沖壓易減薄區(qū)域的熱量吸收，以使沖壓易減薄區(qū)域的強度較其它區(qū)域的強度高。

其中，沖壓前，增加所述毛坯的沖壓易減薄區(qū)域的厚度。

其中：加熱前于所述毛坯的沖壓易減薄區(qū)域鋪設(shè)或涂敷耐高溫隔熱遮蔽層，以在加熱期間減少沖壓易減薄區(qū)域的熱量吸收。

其中，預估易減薄區(qū)域的易減薄程度，且耐高溫隔熱遮蔽層的厚度與毛坯各處的易減薄程度相對應(yīng)。

其中，加熱步驟中通過熱電偶分別對毛坯的遮蔽區(qū)域和非遮蔽區(qū)域進行測溫。

其中，加熱步驟中所述加熱爐內(nèi)的溫度勻速上升。

其中，沖壓中，在所述毛坯與所述沖壓機的接觸處設(shè)置有耐高溫涂料以減少所述毛坯的熱量往所述沖壓機傳遞。

成型反應(yīng)器封頭毛坯，實施于上述的熱壓成型反應(yīng)器封頭方法，包括毛坯本體和敷設(shè)或涂敷于所述毛坯的沖壓易減薄區(qū)域的耐高溫隔熱遮蔽層。

熱壓成型封頭加熱爐，用于實施上述的熱壓成型反應(yīng)器封頭方法，包括密閉的爐膛和設(shè)置于所述爐膛的爐臺和支墊，所述支墊設(shè)在所述爐臺的上方并用于對所述毛坯進行支撐，還包括對所述毛坯的沖壓易減薄區(qū)域鋪設(shè)或涂敷耐高溫隔熱遮蔽層的涂敷機構(gòu)。

熱壓成型反應(yīng)器封頭，該封頭為實施上述的熱壓成型封頭方法和/或使用上述的熱壓成型封頭加熱爐制造的，在同一壓力作用下，所述封頭的應(yīng)力水平處處相等。

其中，所述封頭包括橢圓形封頭和球形封頭。

其中，所述橢圓形封頭包括形成封頭端口的直邊段、形成封頭頂部的球面底部段和連接所述直邊段和所述底部段的過渡段，所述直邊段、過渡段和頂部段的厚度相等。

其中，所述封頭包括基本厚度區(qū)域和局部增厚區(qū)域。

其中，所述封頭包括單層板封頭和由厚度相等的或厚度不等的多層鋼板層疊組成的多層板封頭。

其中，所述封頭包括各種口徑和各種壁厚規(guī)格，即包括厚壁封頭、中厚封頭和薄壁封頭。

其中，所述封頭包括鍛坯機加工成形封頭、鋼板整體壓制成形封頭和鋼板分瓣壓制后再組焊成形的封頭，或者鍛件與鋼板組合的封頭。

其中，所述封頭包括整體封頭和局部封頭。

其中，所述封頭包括完整封頭和設(shè)置有開口接管的封頭。

其中，所述封頭包括封頭基層和設(shè)置于所述基層的內(nèi)壁的防護層。

本實用新型的有益效果：

本實用新型提供一種熱壓成型反應(yīng)器封頭。與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，（1）該方法和使用該加熱爐制造出的熱壓成型封頭，封頭成品各部位的壁厚處處均勻相等或產(chǎn)生所需要的壁厚差異，在同一內(nèi)壓作用下，整個封頭各部位的壁厚與其應(yīng)力水平相應(yīng)，封頭各部位的應(yīng)力比和安全強度基本一致，可減少與筒體的強度差異，降低局部應(yīng)力集中；（2）消除了傳統(tǒng)成型過程造成的封頭的過渡段局部減薄區(qū)，并且毛坯不需要在基礎(chǔ)厚度的基礎(chǔ)上整體明顯增加厚度，降低了封頭材料、成型、運輸?shù)壬a(chǎn)成本，還提高了毛坯質(zhì)量，改善封頭的受力狀況，延長封頭的使用壽命。

附圖說明

利用附圖對本實用新型作進一步說明，但附圖中的實施例不構(gòu)成對本實用新型的任何限制，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得其它的附圖。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)化工反應(yīng)器的基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本申請的熱壓成型封頭的第一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本申請的熱壓成型封頭的第二種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本申請的熱壓成型封頭加熱爐的第一種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本申請的熱壓成型封頭的毛坯的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本申請的熱壓成型封頭的第三種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7是本申請的熱壓成型封頭的第四種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8是本申請的熱壓成型封頭的第五種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9是本申請的熱壓成型封頭的第六種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1至圖9包含的附圖標記：

圓筒體1，上封頭2，下封頭3，上開口4，下開口5，下支承結(jié)構(gòu)6，內(nèi)支承結(jié)構(gòu)7，

橢圓封頭端口8，橢圓封頭直邊段9，橢圓封頭過渡區(qū)10，橢圓封頭球面底部段11，球形封頭過渡區(qū)12，球形封頭底部13，球形端口過渡區(qū)14；

封頭接管15，封頭襯里16；

爐頂21、爐墻22、爐臺23、鋼板毛坯24、支墊25、上遮蔽層26、下遮蔽層27、滾輪28、遮蔽區(qū)溫度測控熱電偶29、非遮蔽區(qū)溫度測控熱電偶30；

毛坯上表面加厚區(qū)31、毛坯下表面加厚區(qū)32，

封頭口徑Φ，封頭壁厚t，封頭小半徑過渡段局部增厚處的厚度t₁，封頭過渡段圓弧半徑r，封頭直邊高度h，封頭變厚度過渡段高度H，封頭球面半徑R。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例及附圖對本實用新型進行詳細說明。

實施例1

本實施例的一種熱壓成型封頭加熱爐，如圖4所示，包括圍成密閉的爐膛的爐頂21和爐墻22、設(shè)置于爐膛內(nèi)的爐臺23和支墊25，支墊設(shè)在爐臺的上方并用于對鋼板毛坯24進行支撐，還包括在鋼板毛坯24的沖壓易減薄區(qū)域（鋼板毛坯沖壓時，不希望被沖壓減薄的局部位置）設(shè)上耐高溫隔熱遮蔽層的涂敷機構(gòu)，耐高溫隔熱遮蔽層包括上遮蔽層26和下遮蔽層27。還包括分別對鋼板毛坯24的遮蔽區(qū)域和非遮蔽區(qū)域的溫度進行測控的溫度測控熱電偶29、30。爐臺23下方設(shè)置有滾輪28，操作時，先把爐臺23從爐膛中拉出，根據(jù)鋼板毛坯24的尺寸和重量安放適當?shù)闹|25，接著把鋼板毛坯24穩(wěn)妥安放到支墊25上，然后安裝好遮蔽區(qū)溫度測控熱電偶29、非遮蔽區(qū)溫度測控熱電偶30，關(guān)上爐門，最后接通熱源對鋼板毛坯24進行加熱，在加熱過程中保持溫度的穩(wěn)速升溫。

本實施例還提供一種熱壓成型封頭方法，包括以下步驟：(1) 按壓力容器設(shè)計標準進行應(yīng)力分析，校核封頭各部位滿足同一內(nèi)壓所需要的各部位厚度，以其中最大值作為整個封頭所需要的計算厚度，然后加上必要的腐蝕量和鋼板負偏差后向上圓整到鋼板系列厚度，以此作為毛坯板厚度；并根據(jù)經(jīng)驗確定鋼板毛坯的易減薄區(qū)域；(2) 圓整到鋼板系列厚度以存在一定的厚度余量，根據(jù)封頭熱沖壓成形過程的受力分析，確定該厚度余量，并作為成型減薄量時的工藝技術(shù)參數(shù)，包括沖壓力、沖壓速度和鋼板的加熱溫度等；(3) 安裝好溫度測控熱電偶，根據(jù)工藝技術(shù)參數(shù)調(diào)整加熱爐，調(diào)整加熱鋼板毛坯的整體溫度和局部溫度等，使加熱爐內(nèi)的溫度勻速上升；同時，調(diào)整沖壓機的控制值，包括沖壓力、沖壓速度等；(4) 把毛坯放置到上述的加熱爐內(nèi)加熱，在加熱步驟中，加熱前于毛坯的沖壓易減薄區(qū)域鋪設(shè)或涂敷耐高溫隔熱遮蔽層，和/或增加毛坯的沖壓易減薄區(qū)域的厚度；（5）從加熱爐中取出鋼板毛胚24并安置到?jīng)_壓機進行壓制成型，進行封頭沖壓成型操作中，要注意鋼板毛坯24的溫度控制，如果溫度超出預設(shè)范圍，應(yīng)停止作業(yè)，重新從頭開始操作，直到封頭成形，最終要保證封頭的任何壁厚都不小于計算厚度；(6) 對封頭的端面坡口等局部結(jié)構(gòu)進行精加工；(7) 把封頭與其他零部件組焊并進一步加工成符合設(shè)計要求的反應(yīng)器。

上述方法包括兩種途徑，一種是：加熱鋼板毛坯24時，設(shè)計在鋼板毛坯不希望減薄的局部位置（即沖壓易減薄區(qū)域）鋪設(shè)或涂敷耐高溫隔熱材料，遮蔽部分熱量的傳遞，而只對鋼板毛坯24的非遮蔽區(qū)域進行加熱，鋼板毛坯24在不同溫度下的強度性能是不同的，高溫區(qū)域的強度性能比較低，低溫區(qū)鋼板的強度性能較高。在沖壓成型時，強度性能較低的區(qū)域更容易被拉薄導致壁厚更變薄，強度性能較高的區(qū)域更難被拉薄而壁厚更厚，使各區(qū)域的減薄量和最終成型厚度得以控制。另一種是：增加鋼板毛坯的沖壓易減薄區(qū)域的厚度，增加此厚度的方法可以是鋼板毛坯壓制之前，先經(jīng)過預壓等工藝把鋼板毛坯轉(zhuǎn)變成不等厚度的毛坯，增加沖壓易減薄區(qū)域的厚度；也可以在鋼板毛坯的沖壓易減薄區(qū)域通過措施附加一定量的壁厚。設(shè)置耐高溫隔熱材料和預先改變鋼板毛坯厚度兩種途徑，可獨立使用也可同時使用，當然還可以是封頭成型之后，對封頭的局部進行堆焊增厚。

當然，本申請的封頭結(jié)構(gòu)特別適用于反應(yīng)器，同時也適用于其它同樣需要的壓力容器。

具體的，在沖壓步驟中，在鋼板毛坯24與沖壓機的接觸處設(shè)置有耐高溫涂料以減少毛坯的熱量往沖壓機傳遞。一般地說，由平板狀的鋼板毛坯壓制成型的封頭，封頭端口由鋼板毛坯圍攏而成，成型過程中端口處于周向壓縮狀態(tài)，橢圓形封頭端口至直邊段9的壁厚增厚，成型后需要去除多余的金屬以便能夠與圓筒體等厚度對接。因此最佳的橢圓封頭成形技術(shù)是把該處原來增厚的多余金屬轉(zhuǎn)移到容易被拉薄的過渡段10。要實現(xiàn)這一點，就要使鋼板毛坯24加熱時將成為直邊段9的一圈環(huán)形金屬的溫度更高一些。但是，當把鋼板毛坯24從加熱爐取出安放到壓力機的支承圈上時，有兩點原因?qū)е陆档瓦@一圈環(huán)形金屬的溫度，一方面是這一圈環(huán)形金屬將逐漸與支承圈接觸而被吸走熱量，且支承圈同時作為成形下模具，在吸收熱量后會熱膨脹位移，進一步影響封頭成型后端口的大??；另一方面是這一圈環(huán)形金屬位于鋼板毛坯的外圍而向周邊空氣散發(fā)熱量。因此，應(yīng)注意通過耐高溫涂料阻止鋼板毛坯的熱量往支承圈傳遞，并通過合理的工藝和高效的操作迅速完成封頭的熱壓成型。

由上述熱壓成型反應(yīng)器封頭方法和/或使用上述的熱壓成型封頭加熱爐制造熱壓成型封頭，與現(xiàn)有技術(shù)相比，（1）封頭成品各部位的壁厚處處均勻相等或產(chǎn)生所需要的壁厚差異，在同一內(nèi)壓作用下，整個封頭各部位的壁厚與其應(yīng)力水平相應(yīng)，封頭各部位的應(yīng)力比和安全強度基本一致，可減少與筒體的強度差異，降低局部應(yīng)力集中；（2）消除了傳統(tǒng)成型過程造成的封頭的過渡段局部減薄區(qū)，并且毛坯不需要在基礎(chǔ)厚度的基礎(chǔ)上整體明顯增加厚度，降低了封頭材料、成型、運輸?shù)壬a(chǎn)成本，還提高了毛坯質(zhì)量，改善封頭的受力狀況，延長封頭的使用壽命。

實施例2

本實施例的熱壓成型反應(yīng)器封頭的具體實施方式之二，本實施例的主要技術(shù)方案與實施例1相同，在本實施例中未解釋的特征，采用實施例1中的解釋，在此不再進行贅述。本實施例與實施例1的區(qū)別在于，參見圖2、圖3和圖9所示，熱壓成型封頭包括橢圓形封頭和球形封頭。其中，橢圓形封頭包括形成封頭端口8的直邊段9、形成封頭頂部的球面底部段11（半徑R）和連接直邊段9和底部段的過渡段10（小半徑r），直邊段9、過渡段10和頂部段11的厚度相等。球形封頭則處處都是球面半徑R。傳統(tǒng)工藝沖壓成型封頭普遍導致壁厚減薄，橢圓形封頭的減薄量較大，其中最大減薄區(qū)位于小半徑r過渡段10的區(qū)域，一般減薄達8%至13%。本申請局部增厚區(qū)域是故意采取措施形成有益厚度，以彌補消極的減薄量，過渡段不會出現(xiàn)減薄結(jié)構(gòu)。參照圖9所示，根據(jù)壓力容器受力分析校核的需要，小半徑r過渡段10的壁厚可以局部增厚至t₁，t₁＞t，增厚可以是封頭成型前的鋼板毛坯局部增厚，也可以是封頭成型過程中控制局部減薄量偏小、其他區(qū)域減薄量偏大產(chǎn)生的增厚，還可以是封頭成形后的局部堆焊增厚。

實施例3

本實施例的熱壓成型反應(yīng)器封頭的具體實施方式之三，本實施例的主要技術(shù)方案與實施例2相同，在本實施例中未解釋的特征，采用實施例2中的解釋，在此不再進行贅述。本實施例與實施例2的區(qū)別在于，參見圖5所示，封頭包括基本厚度區(qū)域和局部增厚區(qū)域，在同一內(nèi)壓作用下，整個封頭各部位的壁厚與其應(yīng)力水平相應(yīng)。增厚可以是封頭成型前的鋼板毛坯在相應(yīng)的局部區(qū)域增厚（如圖5中的毛坯上表面增厚區(qū)31和毛坯下表面增厚區(qū)32），也可以是封頭成型過程中控制某局部區(qū)域的減薄量偏小、其他區(qū)域減薄量偏大產(chǎn)生的增厚，還可以是封頭成形后的局部堆焊增厚。

實施例4

本實施例的熱壓成型封頭的具體實施方式之四，本實施例的主要技術(shù)方案與實施例3相同，在本實施例中未解釋的特征，采用實施例3中的解釋，在此不再進行贅述。本實施例與實施例3的區(qū)別在于，參見圖1至9所示，封頭包括單層板封頭和由厚度相等的或厚度不等的多層鋼板層疊組成的多層板封頭。

實施例5

本實施例的一種盤管可抽離的加熱爐的具體實施方式之五，本實施例的主要技術(shù)方案與實施例4相同，在本實施例中未解釋的特征，采用實施例4中的解釋，在此不再進行贅述。本實施例與實施例4的區(qū)別在于，參見圖3和圖6所示，封頭的端口壁厚由薄到厚形成過渡區(qū)12，以便與圓筒體的厚度對接，球形端口過渡區(qū)14的壁厚由封頭頂部13的厚度t到通過鍛件機加工過渡到厚壁T，T>t，過渡區(qū)14的厚度也增加為H，H>h，封頭頂部13（鋼板區(qū)）和鍛件之間通過焊接連接。

實施例6

本實施例的熱壓成型反應(yīng)器封頭的具體實施方式之六，本實施例的主要技術(shù)方案與實施例5相同，在本實施例中未解釋的特征，采用實施例5中的解釋，在此不再進行贅述。本實施例與實施例5的區(qū)別在于，參見圖7所示，封頭上具有一個或若干個開口接管15，接管的規(guī)格或方位可以各不相同，接管與封頭的連接方式可以是對接焊接、角接焊接或其他多種不同的形式。

實施例7

本實施例的熱壓成型反應(yīng)器封頭的具體實施方式之七，本實施例的主要技術(shù)方案與實施例6相同，在本實施例中未解釋的特征，采用實施例6中的解釋，在此不再進行贅述。本實施例與實施例2的區(qū)別在于，參加圖8所示，封頭的內(nèi)表面設(shè)置有襯里16，襯里可以是封頭成型前的復合鋼板一體整體成形或分辨成形再組焊，也可以是封頭成型后的內(nèi)壁堆焊襯里。

實施例8

本實施例的熱壓成型反應(yīng)器封頭的具體實施方式之八，本實施例的主要技術(shù)方案與實施例7相同，在本實施例中未解釋的特征，采用實施例7中的解釋，在此不再進行贅述。本實施例與實施例7的區(qū)別在于，參加圖6所示，封頭包括整體封頭和局部封頭，從封頭端口8經(jīng)過球面過渡區(qū)12到底部13(也是球面)構(gòu)成一個規(guī)格為Φ×t的完整結(jié)構(gòu)的球形封頭。鋼板區(qū)由球面12到底部13(也是球面)構(gòu)成一個口徑小于封頭端口Φ、壁厚為t的局部結(jié)構(gòu)的球形封缺，只能稱為局部封頭。

最后應(yīng)當說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案，而非對本實用新型保護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型作了詳細地說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本實用新型的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術(shù)方案的實質(zhì)和范圍。