-35℃冷凍水罐的制造工藝

黃景星

(南寧廣發重工集團有限公司，廣西 南寧530001)

-35℃冷凍水罐是某氯堿化工項目的冷卻用關鍵設備。該設備介質主要為冷卻水。罐體材料為16MnDR，由于罐體直徑較大且壁薄，因此罐的整體制造難度大。南寧廣發重工集團壓力容器分公司為完成該項目設備的整體制造，嚴把品質關，從材料的采購到設備的制造，均嚴格按設計院提供的施工圖紙和技術協議進行，最后圓滿完成冷凍水罐的制造，設備完全達到設計要計，本文就該設備的關鍵技術和制造工藝作簡單介紹。

1 設備技術特性及結構特點

該冷凍水罐的技術特性如表1所示，其外形結構如圖1所示。

表1 -35℃冷凍水罐的技術特性

圖1 罐體外形結構

該罐內徑為準5 000 mm，壁厚為8 mm，總高度為6 693 mm，主要受壓原件材料為16MnDR。整罐總重約為10.205 T，充滿水后總重為128.065 T。

2 制造難點分析

由于該設備直徑較大且壁薄，自重產生的變形很大，所以在卷板、組對工序等必須控制橢圓度。為防止焊接接管產生的局部圓度超標，在罐體組對前、對罐體筒節進行支撐后組對，焊后進行接管的開孔處理和焊接；低溫鋼為焊接工藝有一定的難度，并在水壓試驗時，要有完整可靠的水壓試驗方案。

2.1 材料需求

-35℃冷凍水罐的筒體、上封頭、底板的材料為16MnDR，鋼板供貨狀態為正火加回火處理細化晶粒，均化組織而獲得良好的低溫韌性。因此，可按表2鋼板理化技術條件進行鋼板采購。

表2 鋼板采購技術條件

2.2 制造工藝措施

2.2.1 焊接工藝擬定

（1）焊接坡口型式的選擇：為保證焊縫低溫沖擊的性能，盡量避免采用單層焊和單道焊，以免對焊縫造成的不良影響，在坡口的選擇中，盡量加大坡口的角度，這樣更有利于實現焊縫的多層多道焊接，改善其韌性，保證焊縫品質。坡口型式如圖2所示。

圖2 坡口形式

（2）焊接參數的選擇

焊接參數的選擇如表3所示。

表3 焊條牌號及焊接工藝參數

2.2.2 16MnDR鋼板及焊條的工藝評定

為了確保獲得良好焊接頭的力學性能，特別是在低溫下的沖擊韌性，在生產前必須進行焊接工藝評定。

（1）焊材的選擇：在滿足產品技術要求及相關標準的前提下，選擇低溫焊材的原則是：焊縫金屬的性能應高于或等于相應母材料的標準規定，特別是焊縫的低溫沖擊性能不低于母材料規定的最低使用溫度條件下的規定值，這樣就能夠保證在產品制造過程中，具有足夠的韌性余量，滿足產品的設計要求和使用要求，焊條牌號及焊接工藝參數的選擇如表3所示。

根據表3的焊接參數，首先采用多層多道快速焊，焊接d=8 mm，d=10 mm兩種規格的工藝試板，然后按相關規定進行取樣，分別做拉伸、壓彎、沖擊等力學性能，均達到低溫鋼板焊縫接頭的評定值，證明所選用的焊接參數是滿足要求的。

3 冷凍水罐的制造

3.1 罐體的制造

（1）下料

當材料到廠后，根據材質證書及GB3531-1996規定并逐張進行超聲波檢測且應符合JB4730-2005中Ⅱ級規定后，方可進行下料、切割。

（2）卷圓弧

罐體的下料按筒體中徑下料，并根據平時積累的經驗考慮一定的焊縫收縮量，對角線之差不大于2.5 mm。由于筒體的鋼板厚度為8 mm，而且直徑較大，故分二分之一進行刨邊和卷制，刨邊坡口如圖2所示。刨邊在本廠12 mm刨邊機上進行機加工，以保證下料的準確性和鋼板邊的垂直度。在卷板前，需對鋼板兩端用油壓機進行預壓頭，在卷制時，用吊車吊住已卷好的部分，以減少自重的影響而改變筒體的圓度，吊出卷板機后即刻把半圓弧的筒體側立，以防自重作用破壞了圓度。

（3）組圓

在兩圓弧筒體進行整圓組對時，在較大的工作平臺或者在平整的地板上鋪設鋼板作為平臺，首先對接一邊縱縫，并用準5 000的樣板卡進行檢查圓度，然后進行一條縱縫的對接，同樣用樣板卡進行檢查。

（4）加撐

組圓后的筒節用75×75×8的角鋼進行十字加撐，防止吊裝或整體臥放時筒體發生變形。

3.2 封頭的制造

（1）模具

上封頭為球形封頭，因為尺寸較大而且鋼板薄（6 mm），不容易采購，因此只能由本公司設計模具并進行壓制。根據材料規格及整體尺寸，分成12等分見圖3示意圖，壓模分為上下模，考慮到16MnDR的彈性系數較大，故在模具設計時，要解決在壓模時掌握和控制5%的回彈量。在壓制過程中，進行分段壓制，壓制的順序、排列和移動方向的控制方法如圖4所示。

圖3 上封頭分瓣示意圖

圖4 球瓣壓制順序和移動方向示意圖

經過在首塊板上的試驗，其壓制順序和移動方向如圖4所示。在壓片過程中，用1.5 m內控樣板檢查球片曲率，求出片幾何尺寸，坡口檢查結果最大曲率公差為5 mm；弦長方向寬度最大公差2.5 mm；長度公差最大為3mm；對角線長度公差為3.5 mm。

當球片在壓制完成后需進行校形，由于胎具上下球面存在差異，故在壓制時會形成局部凹凸面，影響外觀美感，因此需進行手工工校形。

中心球片采用整體壓制，壓制效果較好，符合圖紙設計要求。

（2）封頭的組裝

由于封頭系由12等分的瓣狀和中心球片組成見圖3，因此，根據封頭的高度及球冠特點見圖5，制作一個圓形支架，以便于封頭的組裝。將制作好的筒體加強角鋼圓置于平整的工作臺上，并與角鋼圓同中心，防止圓形支架在筒體加強角鋼圓和圓形支架上組對球瓣，當組裝合格后方可進行點焊，將12份球瓣和加強角鋼之間點焊成形，最后再裝中心球瓣，如圖6所示。

圖5 球冠剖面圖

圖6 上封頭組裝示意圖

3.3 焊接工藝

16MnDR低溫鋼的焊接是設備制造中的重點，為了得到合格的焊接街頭的力學性能，特別是低溫沖擊韌性，應注意以下幾點：

（1）焊材的選擇。在滿足技術要求及相關標準規定的前提下，選擇低溫焊材的原則是：焊縫機械性能應高于或等于相應母材標準規定，特別是焊縫的低溫沖擊性能不低于母材標準規定的最低使用溫度條件下的規定值，這樣能夠保證在產品生產過程中具有足夠的韌性。

（2）坡口形式的選擇。為保證焊縫低溫沖擊性能，盡量避免由于單層或單道焊對焊縫韌性的不良影響，在坡口形式的選擇中，特別是加大坡口角度，盡管焊接工作量加大了，但有利于實現焊縫的多層多道焊，改善韌性，提高力學性能。

（3）焊接過程中的主意事項。根據低溫鋼的焊接特點，為保證焊接接頭組織的韌性，在焊接過程中必須嚴格控制焊接線能量，在產品施焊過程中，盡可能采用小電流快速多層多道焊，降低焊縫間隙中的熱輸入，控制層間溫度以細化晶粒，提高韌性。

3.4 無損檢測

在本產品組焊完畢后，分別對A、B焊縫進行100%射線檢測，以JB/T4730.2-2005中規定的達到Ⅱ級才合格的標準，分別對C、D類焊縫及底板與罐壁之角焊縫進行100%MT檢查，合格級別為JB/T47302-2005中Ⅰ級。

4 結束語

通過上述分析，我們得出：

（1）大型薄壁立式罐雖然變形量大，但只要采對得當的措施，變形還可以控制在標準范圍的。

（2）在焊接時，必須嚴格按照焊接工藝施焊，使得焊接接頭力學性能滿足要求。

該設備在生產完成后，運行了一年時間無任何品質問題的出現，達到了設計的要求。

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