應(yīng)用復(fù)合鋼板的壓力容器制造工藝

龐 琳

（南寧化工集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000）

常用的壓力容器復(fù)合鋼板是以某種鋼作為基層，以另一種鋼或有色金屬作為復(fù)層，通過熱軋或爆炸成型工藝等方法復(fù)合而成的雙金屬板。其基層主要滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的要求，一般用低碳鋼或低合金鋼；而復(fù)層主要是滿足耐腐蝕性的要求，一般用鉻或鉻鎳不銹鋼、鎳基合金、銅基合金或鈦板。復(fù)層通常只占總厚度的10 %～20 %。因此，復(fù)合鋼板既有優(yōu)質(zhì)或貴重金屬具備的特殊性能（如耐蝕性），又可以節(jié)約大量的不銹鋼或鈦等貴重金屬，在保證技術(shù)要求的同時(shí)可大幅降低成本，具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。因此，復(fù)合鋼板在石油、化工、航海、醫(yī)療、食品行業(yè)和軍工生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。但是由于壓力容器用復(fù)合鋼板一般是在石油化工等具有重大危險(xiǎn)的環(huán)境中使用，既承受壓力，工作介質(zhì)幾乎又都是具有強(qiáng)烈腐蝕作用的物質(zhì)；且由于壓力容器用復(fù)合鋼板的制造工藝較為嚴(yán)格，一般的廠家因接觸少，工藝不成熟，在制造中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些問題，如筒體下料尺寸不合適、焊縫蠕變斷裂等。為此，本文將主要談?wù)剦毫θ萜饔脧?fù)合鋼板的一些制造工藝及要求，以供同行參考。

1 復(fù)合前準(zhǔn)備

1.1 復(fù)合鋼板的準(zhǔn)備

復(fù)合鋼板基層與復(fù)層的材料因需要而定。一般情況下，基層材料為16MnR，復(fù)層材料為0Crl8Ni9的不銹鋼復(fù)合鋼板較為常用。在復(fù)合前，復(fù)合鋼板應(yīng)符合以下條件：

（1）被選用的復(fù)合鋼板應(yīng)具有符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量證明書，并確保板面平整。

（2）復(fù)合鋼板不得有使用上的有害外觀缺陷。基層與復(fù)層的結(jié)合面積應(yīng)占總面積的95 %以上，局部未結(jié)合面積不得超過50 cm2。對(duì)加工時(shí)有較大應(yīng)力（如沖壓封頭）或使用時(shí)有較大負(fù)荷（如管板）的復(fù)合鋼板要求更嚴(yán)。基層與復(fù)層表面的淺平缺陷，如果不可磨掉，則復(fù)層表面的全部缺陷面積總和不得超過復(fù)合面積的20 %。同時(shí)，復(fù)層材料的表面質(zhì)量應(yīng)與復(fù)合方法相適應(yīng)，厚度均勻，公差應(yīng)符合規(guī)定值。

（3）對(duì)復(fù)合鋼板的機(jī)械性能，其抗拉強(qiáng)度和作延伸率原則上應(yīng)等于或大于母材（基層材料）值；抗彎試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與總厚度相等的母材相同，抗剪強(qiáng)度對(duì)任何總厚度＜100 mm的鋼板應(yīng)≥20 kgf/mm2；貼合彎曲3個(gè)試樣中有兩個(gè)試樣彎曲部分兩邊不能有50 mm以上的分層現(xiàn)象。

（4）復(fù)合鋼板在進(jìn)廠時(shí)均應(yīng)進(jìn)行超聲波探傷試驗(yàn)，不得有使用上有害的分層現(xiàn)象。對(duì)復(fù)合板的修補(bǔ)以及標(biāo)記與標(biāo)記移值等與一般鋼材壓力容器的原材料控制相同。

1.2 下料、拼接

壓力容器復(fù)合鋼板在制造前，廠家應(yīng)按照要求將16MnR與0Crl8Ni9板材下好料。由于2種板材規(guī)格不同，尤其是復(fù)層材料不銹鋼板壁厚較薄，板長和板寬都較小，故需要拼接。下料及拼接時(shí)應(yīng)注意：

（1）按容器尺寸確定封頭和簡體實(shí)際需要的板材長度 L和寬度B。

（2）L＋100 mm和B＋100 mm為基層板材的最小下料長度及寬度，下料時(shí)最好將寬度圓整合到與B＋100 mm最相近的標(biāo)準(zhǔn)寬度。如果要從長度方向截取焊接試板，則下料長度至少為L＋500 mm。

（3）為滿足復(fù)合工藝的要求，復(fù)層的長度和寬度應(yīng)比實(shí)際所下基層的長度和寬度大50 mm，即每邊大25 mm。

（4）按照實(shí)際所需復(fù)層板材的長度和寬度以及現(xiàn)有復(fù)層板材的規(guī)格進(jìn)行拼接，拼接焊縫應(yīng)焊透磨平，并作滲透無損檢測(cè)，應(yīng)無裂紋及其他超標(biāo)缺陷，基層板與復(fù)層板應(yīng)平整。

2 筒體下料

（1）復(fù)合鋼板的筒體與封頭對(duì)接焊接，二者直徑應(yīng)一致。

（2）文獻(xiàn)［2］認(rèn)為，板材在卷圓過程中受到彎曲作用，其中應(yīng)力為0的那一層稱為中性層，中性層周長不變。按封頭的中性層周長來確定筒體展開長度是合理的。另外，復(fù)合板筒體或封頭的中性層所處的直徑小于中徑，簡體展開長度應(yīng)按下式計(jì)算：

L＝π（Di＋2 Yh）

式中，Di：封頭實(shí)測(cè)內(nèi)徑；

Yh：封頭中性層離內(nèi)壁的距離。

（3）無論是縱焊縫還是環(huán)焊縫，復(fù)合鋼板筒體與封頭對(duì)接處的錯(cuò)邊量不得大于鋼板復(fù)層厚度的50 %，且不得大于2 mm。

3 筒體排版

筒體排版，即先將筒體以順時(shí)針的方向展開，然后在筒身標(biāo)出所有接管孔的位置及孔徑，并按縱環(huán)焊縫錯(cuò)開接管孔的原則確定板材的長度和寬度，縱環(huán)焊縫距邊緣的距離應(yīng)大于100 mm。

4 焊接

（1）復(fù)合鋼板的焊接方法，可根據(jù)材質(zhì)、接頭厚度、坡口尺寸及施工條件等情況確定，通常可采用手工電弧焊、埋弧自動(dòng)焊、CO2保護(hù)焊或氬弧焊等方法。

（2）復(fù)合鋼板基層、復(fù)層和過渡層焊條的選擇：如16MnR＋0Crl8Ni9復(fù)合鋼板，基層可用J507、J507R焊條，過渡層用A302或者A402焊條，復(fù)層用A132焊條較為合適；如lCr18Ni9Ti－l6Mn復(fù)合鋼板，基層可選 J507焊條，過渡層選A302、A307焊條，復(fù)層選A132、A137焊條較為合適。

（3）焊接順序：對(duì)于在焊接時(shí)，一般是先焊內(nèi)側(cè)基層焊縫，反過來外側(cè)挑焊根，用碳弧氣刨鏟焊根，清除熔渣、夾渣，再將基層焊縫填滿；焊好后在復(fù)層側(cè)用角砂輪打磨，檢查合格后，再進(jìn)行內(nèi)側(cè)過渡層焊接，最后焊復(fù)層。焊接時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制內(nèi)側(cè)基層焊縫高度，使其距復(fù)層界面1 mm～1.5 mm為止，絕對(duì)不能焊到復(fù)層；過渡層焊縫只焊一層，其熔焊金屬應(yīng)完全覆蓋基層，并覆蓋復(fù)層0.5 mm～1.5 mm，焊過渡層時(shí)應(yīng)該采用較小的線能量，以防止基層金屬滲入復(fù)層而引起焊縫缺陷。

5 其他要求

（1）切割、彎曲或深拉加工復(fù)合鋼板時(shí)，應(yīng)將復(fù)層放在下面，必要時(shí)還應(yīng)設(shè)置保護(hù)層，以防止放在上面的復(fù)層材料表面劃傷。

（2）復(fù)合鋼板彎曲或深拉加工時(shí)一般應(yīng)采用冷卷加工，當(dāng)不得不采用熱加工時(shí)，必須注意如下幾點(diǎn)：加熱前應(yīng)除去油污和附著物；燃料含硫低；加熱時(shí)間為2 min/mm，且不超過15 mm；加熱火焰或固體燃料不得直接接觸復(fù)層，且溫度要分布均勻，以防滲碳；應(yīng)避免在敏化溫度范圍（550 ℃～850 ℃）加工，以防產(chǎn)生晶間腐蝕；加熱氣氛應(yīng)保持弱氧化性，不得采用還原性；根據(jù)不同的復(fù)層材料應(yīng)控制加熱溫度范圍，加工之后最好空冷。

（3）由于復(fù)合鋼板2種金屬的熱膨脹系數(shù)不同，熱處理過程中殘余應(yīng)力有可能增大，所以必要時(shí)應(yīng)作消除應(yīng)力退火；但一般不作。當(dāng)不得已要進(jìn)行消除應(yīng)力退火時(shí)，必須按容器的用途采用適當(dāng)?shù)姆椒āＤ覆臑榈吞间摃r(shí)，其母材厚度≤25 mm時(shí)，不需消除應(yīng)力；當(dāng)母材厚度＞25 mm～28 mm時(shí)，若預(yù)熱溫度在100 ℃以上就不需消除應(yīng)力；當(dāng)母材厚度＞38 mm時(shí)，才進(jìn)行應(yīng)力消除。

（4）由于基層焊縫對(duì)復(fù)層焊縫有稀釋作用，容易降低復(fù)層焊縫金屬中的鉻、鎳等合金元素的含量。因此，焊接時(shí)，過渡層的焊材應(yīng)采用高鉻、鎳鋼等焊材，以得到雙向組織的焊縫，避免大量馬氏體組織的產(chǎn)生，出現(xiàn)焊接冷裂紋。

（5）焊前，應(yīng)先通氣排除管路中的空氣；當(dāng)CO2氣體保護(hù)焊焊接復(fù)合鋼板時(shí)，應(yīng)確保有足夠的保護(hù)氣體流量，以避免空氣侵入焊接區(qū)；焊接結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)清理焊嘴上的飛濺物；焊絲伸出長度不應(yīng)太長，以10 mm～15 mm為宜。

（6）除按圖樣規(guī)定對(duì)復(fù)合鋼板焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)或超聲波檢測(cè)外，對(duì)所有的復(fù)層焊縫也應(yīng)作滲透檢測(cè)，以檢驗(yàn)焊縫表面有無裂紋；焊縫檢驗(yàn)不能在焊后立即進(jìn)行，最好在退火之前進(jìn)行，檢驗(yàn)方法可用著色、磁粉及射線探傷均可。

（7）帶不銹鋼襯里碳鋼接管的端面應(yīng)有（4±1）mm的堆焊層，不銹鋼接管也應(yīng)伸入容器內(nèi)壁（4±1）mm。

（8）對(duì)有防腐要求的復(fù)層表面應(yīng)作酸洗鈍化處理，以提高其抗裂能力。

6 復(fù)合鋼板壓力容器的檢驗(yàn)

壓力容器由于密封、承壓及介質(zhì)等原因，容易發(fā)生爆炸、燃燒起火而危及人員、設(shè)備和財(cái)產(chǎn)的安全甚至污染環(huán)境的事故。因此，應(yīng)用復(fù)合鋼板的壓力容器在制造后，應(yīng)由國家指定的專門機(jī)構(gòu)，按照國家規(guī)定的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施監(jiān)督檢查和技術(shù)檢驗(yàn)。其主要的檢驗(yàn)項(xiàng)目和方法為：

（1）實(shí)體檢驗(yàn)。采用直觀檢查、量具檢查、無損探傷檢測(cè)、理化性能檢驗(yàn)、水壓試驗(yàn)等方法，壓力容器本體和主要零部件進(jìn)行外觀和內(nèi)在質(zhì)量的檢查。

（2）檢驗(yàn)的主要項(xiàng)目有：受壓元件材質(zhì)、外觀尺寸和成形質(zhì)量、焊縫質(zhì)量、組裝質(zhì)量、內(nèi)部裝置及安全附件是否齊全有效、脹管質(zhì)量、各受壓元件相互的幾何位置和耐壓性能等。

（3）性能：技術(shù)資料審查和實(shí)體檢驗(yàn)合格的壓力容器視需要進(jìn)行性能檢驗(yàn)，檢查其規(guī)定的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

（4）重點(diǎn)檢驗(yàn)復(fù)合層與基層結(jié)合部位的焊接缺陷，主要是夾渣和熱裂紋，一旦超標(biāo)，必須返修直至合格。

（5）檢驗(yàn)縱焊縫處的向內(nèi)的角變形問題，一旦超標(biāo)也應(yīng)用機(jī)械法或局部加熱法予以矯正。

綜上所述，目前我國復(fù)合鋼板的生產(chǎn)和研究工作尚處于發(fā)展階段，應(yīng)用于制造壓力容器的時(shí)間不長，只有不斷完善復(fù)合鋼板壓力容器的制造工藝，保證和提高其制造質(zhì)量，才能促進(jìn)復(fù)合鋼板壓力容器的良好發(fā)展。經(jīng)實(shí)踐證明，按上述要求制造的復(fù)合鋼板壓力容器質(zhì)量穩(wěn)定，在實(shí)際使用中沒有出現(xiàn)過問題。

1 《鋼制壓力容器》（GB150－1998）

2 丑津士、陳維耕.化工煉油設(shè)備制造工藝［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1986

3 林 莉、安建華、張周衛(wèi).復(fù)合鋼板壓力容器制造工藝［J］.石油化工設(shè)備，2003.32（60）

4 李 煜、段滋華、來誠鋒. 復(fù)合鋼板壓力容器焊縫界面高溫蠕變研究［J］.化工機(jī)械，2009.36（2）

5 何天榮.復(fù)合鋼板壓力容器制造質(zhì)量控制［J］.鍋爐壓力容器安全技術(shù)，1992（5）

6 王偉濱、劉桂雙.不銹鋼復(fù)合板過渡層的焊接［J］.化工裝備技術(shù)，2005.26（2）

7 《壓力容器用爆炸不銹鋼復(fù)合鋼板》（JB4733－1996）