復合不銹鋼材料的壓力容器 制造與設計的質量控制

【摘 要】 因為壓力容器所處的環境具有多樣性，所以對制造與設計的質量有著非常高的技術要求。作為制造壓力容器的企業，最終的追求就是要能制造出符合設計要求和國家規程、標準的產品。本文以變換器脫硫塔的制造為實例，論述了使用不銹鋼復合板為材料，如何控制和提高壓力容器的制造質量。

【關鍵詞】 復合板 不銹鋼 壓力容器 質量控制

不銹鋼復合板是利用如熱軋成形、爆炸成形等一定的方式，把低合金鋼與碳素鋼或不銹鋼板結合成一個整體，通常把低合金鋼或碳素鋼稱作基層，而把不銹鋼稱為復層。在設計時，不銹鋼復層僅僅用作耐氧化、抗腐蝕，并沒有計入到強度計算中，所以一般取復層的厚度為3mm。通常使用爆炸不銹鋼復合鋼板來作為壓力容器的不銹鋼復合板，要求基層和復層的結合率達到BZ級板以上。因為在設計和結構上，不銹鋼復合板容器和一般的單一材質的壓力容器不同，所以本文擬對不銹鋼復合板容器的設計和制造過程中的技術關鍵要點，如無損檢測及熱處理、焊接接頭設計、殼體壁厚的設計等相關問題進行分析，以期對建造不銹鋼復合板容器有一定的借鑒作用。

1 設備概況

變換器脫硫塔的筒體是φ2800×(18+2)，是Ⅱ類容器，各由一個橢圓形的封頭構成了兩頭。此容器的介質是烤膠液體、變換氣，最高的操作溫度是450，最高的工作壓力是1.1Mpa，選用的主體材料是Q345R+S32168。設備的制造檢驗及驗收根據GB150-98進行，同時必須要接受《固定式壓力容器安全技術監察規程》的監督；根據JB/T4730-2005《承壓設備無損檢測》對復合鋼板進行100%UT檢查，對全部復層焊縫進行100%PT檢查，對A、B類焊縫進行20%RT檢查。

技術要求：①根據勞動部門頒發的《固定式壓力容器安全技術監察規程》(2009版)進行監督。②根據SH3524—1999《石油化工鋼制塔類容器現場組焊施工工藝標準》、CDl30A3—1984《不銹鋼復合鋼板焊制壓力容器技術條件》和JB/T4710—2005《鋼制塔式容器》進行制造、試驗及驗收。③依據JB／T4730—2005《壓力容器無損檢測》的要求對設備上的A、B類焊縫進行20％RT檢查，Ⅲ級為合格；應對復層焊縫進行100％滲透檢查，I級為合格。④不銹鋼復層和內件在試驗合格后均應進行酸洗鈍化處理。

2 筒體成型質量控制

2.1控制錯邊量

必須對筒節板的下料尺寸進行嚴格的控制，因為兩對接筒節板的下料尺寸偏大會導致錯邊量的超標。控制錯邊量不超標的關鍵就是使相鄰筒節的下料誤差小于1.5π。

（1）卷制筒節

應把筒節卷制成略比圖樣要求小的曲率，同時對板頭200mm內變形度的控制要特別注意，再者要使采用卷制，焊接及校圓一次成型的工藝。為了保證筒體的圓度，焊完后就應立即在筒節內使用米字形支撐加固。

復合鋼板彎曲或深拉加工時一般應采用冷卷加工。當不得不采用熱加工時，必須注意如下幾點：加熱前應除去油污和附著物;燃料含硫低；加熱時間為2min/mm，且不超過15mm；加熱火焰或固體燃料不得直接接觸復層，且溫度要分布均勻，以防滲碳；應避免在敏化溫度范圍(550℃～850℃)加工，以防產生晶間腐蝕；加熱氣氛應保持弱氧化性，不得采用還原性；根據不同的復層材料應控制加熱溫度范圍，加工之后最好空冷。

（2）組對筒體

環縫組對是組對筒體的關鍵，可以使用圓環形徑向的找圓裝置來確保環縫的錯邊量不超標。利用固定圈的支撐作用和頂絲把力作用在弧形的頂板上，從而達到全圓周方向頂緊。根據圖樣筒節的內徑曲率制作弧形頂板，每塊頂板均可頂緊1/6圓周段的圓弧，而且還能分別靈活調節。

2.2控制筒節下料的展開尺寸

通常都是根據筒節中徑展開計算容器的筒節下料尺寸，但由于復合板容器的錯邊量有嚴格的要求，所以我們必須對焊縫的收縮量、焊接時的對口間隙及卷制板材時的伸長量等影響因素進行綜合的考慮。

[L實][=L理-ΔL-nC-nΔC+2Δl]

式中：[L理]——理論上的展開長度；

[ΔL]——周長伸長量；

[n]——縱焊縫的條數；

[C]——口間隙；

[ΔC]——焊縫的收縮量；

[Δl]——的加工余量。

2.3焊接

（1）選擇焊接材料

按照母材化學成份和力學性能，根據GB983-85《不銹鋼焊條》和GB5117-85《碳鋼焊條》分別選擇了過渡層、復層及基層的焊條為A302、A132、J507。

（2）選擇坡口形式

嚴格區分開基層和復層，為避免出現未熔合和夾渣缺陷，在復層側增加了30℃斜角。在基層刨去了0.5mm~1.0mm，增加了復層厚度，進而為復層和過渡層的焊接質量提供了保障。

（3）產品施焊

應該對焊接順序進行合理的選擇，以控制容器的焊接變形。此外可使用以下辦法避免在局部區域形成較多的馬氏體組織，從而避免焊接接頭韌度的降低：第一，堆焊過渡層之前，必須打磨平整基層焊縫組織的堆焊面，不能出現凸起和凹槽，必須進行100%PT的滲透檢查；第二，必須根據工藝文件的要求執行焊接電流，在確保焊道熔合的前提下，盡可能加快焊接速度。第三，焊過渡層時應該采用較小的線能量，以防止基層金屬滲入復層而引起焊縫缺陷。

（4）檢查焊縫質量

按照圖樣技術的要求，在堆焊復層的前后均需要進行100%PT檢查，須對對接焊縫進行20%RT檢查，考慮到不銹鋼復合鋼板制壓力容器結構所具有的特點，在焊接完基層后要先進行20%RT檢查，如果發現存在超標缺陷就必須立刻進行返修，待探傷合格后，必須打磨平整復層側的基層焊接接頭表面。待100%PT檢查合格后，再對復層和過渡層進行堆焊，完成堆焊后，磨平復層的焊縫表面，且不能低于母材，此外還要進行100%UT檢查，以對其貼合度進行檢查，最后再進行100%PT檢查，這樣能夠使基層、過渡層和復層嚴格區分開，方便焊縫返修。

3 焊縫質量受成型缺陷的影響

由于復合板的復層比較薄，如果成型的質量不好，就會導致棱角度和錯邊量超標，從而給焊縫的質量帶來不良的影響：

（1）棱角度導致焊縫的余高超標，造成應力集中，使焊縫的疲勞壽命被降低。本設備要求，對接焊接接頭的錯邊量不能大于1.5mm。

（2）焊接過渡層時，錯邊量造成的外形突變會在焊接的接頭部位產生局部高應力，同時線膨脹系數相對較大，使焊接裂紋產生的可能性加大了。

（3）使焊縫的耐蝕性降低及焊縫接頭的強度減弱。

4 無損檢測要求

確保壓力容器產品安全運行的重要控制手段之一就是無損檢測，設計者的重要責任之一就是對無損檢測的檢測比例和方法進行正確的選擇。對于相關標準法規中對無損檢測的所做出的各項規定，設計者應該做到非常明確。尤其是對于一些重要的壓力容器而言，設計者應按照容器的所用材質以及結構、操作條件等因素來對無損檢測的檢測比例和方法來進行確定。無損檢測的程序和方法對于不銹鋼復合板的容器來說顯得特別重要。通常可以使用兩種方法來進行不銹鋼復合板容器的無損檢測。

方法一:

(1)對基層的A、B類焊接接頭進行射線檢測或超聲檢測，由設計人員來確定合格級別與檢測比例，待合格后再焊復層和過渡層；

(2)應對復層的表面進行100%的滲透檢測。該方法的缺點是過渡層漏檢，容易給產品埋下隱患，優點是返修很方便，可以分別在復層和基層進行返修，特點是能夠確保基層滿足強度的要求。

它的操作工藝流程是：坡口加工——卷圓——縱焊縫基層焊接——基層射線檢測——焊接過渡層——焊接復層——復層表面滲透檢測——校圓。

方法二：

（1）完成基層焊接后進行射線檢測或超聲檢測；

（2）待基層檢測合格后，進行基層焊縫打磨，完成打磨后在焊縫表面進行磁粉檢測，等待合格后再進行過渡層的焊接；

（3）對過渡層的表面進行滲透檢測合格后再進行復層的焊接；

（4）最后要對復層的表面進行滲透檢測，如果有必要可以再對整個焊縫(含復層、過渡層與基層)進行射線檢測。它的優點是能夠防止復層和過渡層的漏檢問題，使產品的質量在全過程中得到控制，所以很受設計者的青睞；它的缺點是使產品的成本和制造的工序增加了。

其操作工藝流程是：加工坡口——卷圓——焊接縱焊縫基層——對基層進行射線檢測——對基層焊道進行修磨——對基層的表面進行滲透檢測——對過渡層進行焊接——對過渡層的表面進行滲透檢測——對復層進行焊接——對復層的表面進行滲透檢測——(必要時再整體焊縫射線檢測)——校圓。

再者，設計者可以按照容器的重要等級和具體情況，針對容器的C、D類焊接接頭，確定C、D類焊縫合格級別與表面檢測方法。對受壓元件和非受壓元件(接管、封頭、筒體等)相連接的焊接接頭，例如支架、吊耳、裙座和筒體或封頭的連接，筒體和鞍座墊板的連接等。設計者可以結合容器的重要等級和具體情況，對此類焊接接頭的合格級別和表面檢測方法進行確定。

5 熱處理要求

由于復合鋼板2種金屬的熱膨脹系數不同，熱處理過程中殘余應力有可能增大，所以必要時應作消除應力退火；但一般不作。當不得已要進行消除應力退火時，必須按容器的用途采用適當的方法。母材為低碳鋼時，其母材厚度≤25mm時，不需消除應力；當母材厚度[>]25mm～28mm時，若預熱溫度在100℃以上就不需消除應力；當母材厚度[>]38mm時，才進行應力消除。

當不銹鋼復合板的基層需要預熱時，基層焊接應按基層要求進行預熱，但預熱的厚度參數應按復合鋼板的總厚度考慮。

當基層或復層需要預熱時，施焊過渡層焊縫也必須進行預熱，過渡層焊縫應按材質預熱溫度要求較高一種材質選取。

6 結束語

從近兩年時間該產品的安全正常使用情況來看，產品的制造質量良好和設計要求完全符合。作為特種設備，壓力容器在各行各業都被廣泛的應用，所處的工況不僅復雜而且惡劣。特別是石油化工企業所采用的介質具有特殊性，所以對工藝設備的耐蝕性能有很高的要求。近些年，由于具備低廉的價格、良好的耐蝕性和足夠的強度，所以不銹鋼復合鋼板已經越來越廣泛的被應用。

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