裝備中國　創造卓越——從中國二重壓力容器的制造能力淺談壓力容器制造的發展趨勢

倪德重

裝備中國創造卓越——從中國二重壓力容器的制造能力淺談壓力容器制造的發展趨勢

倪德重

1. 概述

壓力容器是我國重要的基礎工業之一，在石油化工、能源工業、制藥、軍工、航天等領域都有著重要作用，是體現我國工業水平的重要標志。近年來我國壓力容器行業取得飛速發展，壓力容器制造也隨之成為中國二重主打板塊和新的利潤增長點。中國二重核電石化事業部以承制重型核電、石化容器為主導產品，依托各類自動化程度較高的焊接設備、高水平焊接作業隊伍、高素質技術團隊，不斷向用戶輸出質量可靠的壓力容器產品。

2. 壓力容器發展趨勢

圖1　160MN水壓機

圖2　125MN水壓機注：加氫反應器筒體鍛件材料：2.25Cr-1Mo；尺寸：φ5 050mm×φ4 450mm×3 500mm；重量：123t。

圖3　聯合數控加工中心注：φ260mm數控落地鏜床：立柱行程28 000mm，主軸箱行程8 000mm；數控16m立車：最大車削直徑16m，最大車削高度12.5m，最大承重600t。

圖4　數控三輥卷板機注：最大冷卷能力：厚度180mm，板寬4 000mm，δs=360MPa。

隨著科學技術的不斷發展，壓力容器制造技術的水平也越來越高，發展趨勢體現在以下幾個方面：

（1）壓力容器向大型化發展隨著經濟的增長和制造技術的進步，用戶對壓力容器設備生產能力提出更高要求，壓力容器大型化能夠降低投資，節約能源，降低生產成本，提高勞動生產率和經濟效益。中國二重承制的鍛焊容器最大壁厚為530mm，板焊設備壁厚最大為204mm，其中揚子石化超大直徑超大壁厚加氫反應器國產化攻關研發項目單臺重量達1 050t，直徑為5 400mm，鍛件壁厚340mm，代表了當今反應器制造技術的最高水平。為了適應大型壓力容器產品的制造，制造裝備也得到了極大發展。目前，二重行車具備1 600t重件起吊能力，160MN/125MN水壓機（見圖1、圖2）最大鍛件重量500t、最大環形件直徑7 500mm，數控三輥卷板機最大冷卷能力為厚度180mm、板寬4 000mm、δs=360MPa，9～12MeV直線加速器透照厚度為76～450mm（見圖3～圖5），無不體現中國二重在極限裝備制造領域的突出優勢。

圖5　局部熱處理爐注：30m長度以內使用臺車式熱處理爐。

（2）壓力容器用鋼發展由于壓力容器的大型化以及生產過程中的工藝條件越來越苛刻，導致對壓力容器用鋼的要求日益嚴格，促使材料技術不斷發展。冶金工業整體技術水平和裝備水平的提高，極大地提高了材料的純凈度，提高了壓力容器用材料的力學性能指標，提高了壓力容器的整體安全性。中國二重具備一次性冶煉1 000t級優質鋼液、可提供700t級優質鑄件、650t真空鋼錠、鍛造400t級優質鍛件的能力。近年來研發出超純凈鋼冶煉和鑄錠技術，嚴格控制鋼中wP≤0.004%、wS≤0.001%、氧wO≤15ppm（1ppm=10-6）等有害元素和夾雜物的含量，冶煉和鑄錠水平已經達到世界先進水平（見圖6）。掌握了防止特大型鋼錠凝固過程的偏析方法，確保特大型核電、容器用鋼錠的均質性。

3. 焊接自動化技術的發展和應用

自動焊接技術使大型容器的焊接實現了自動化，提高了焊接質量和效率，降低了工人的勞動強度。焊接自動化技術包括硬件因素和軟件因素。硬件因素主要指壓力容器自動焊接設備和方法；軟件因素主要指計算機技術、電子技術、自動控制技術以及信息技術等進入壓力容器焊接領域而形成的焊接控制技術、人工智能技術及專家系統等。

（1）自動焊接設備壓力容器焊接過程中，涉及到多種焊接設備的應用，如埋弧焊機、電渣焊機、氬弧焊機、CO2氣體保護焊機等，而逆變焊機以其高效、節能、工藝性能優良、焊縫成形美觀、抗拉強度高及電磁干擾較小等優點，在國內壓力容器制造領域應用前景十分樂觀。

（2）自動化焊接方法埋弧焊是目前壓力容器制造中最常用的焊接方法之一，其特點是生產效率高、焊接質量高且穩定、焊接表面美觀平整、勞動條件良好等。而隨著壓力容器殼體厚度的增加，坡口的體積也隨之增加，單位長度上的焊縫金屬填充量急劇增加，不僅焊接效率降低，而且焊材消耗量明顯增加，因此發展了窄間隙埋弧焊。與寬坡口埋弧焊相比，窄間隙埋弧焊具有坡口窄、焊材消耗量少、焊接時間短、熱輸入量低、焊接變形和焊接應力小等特點，不僅降低了本體應力開裂傾向，而且實現了低成本、高效率、高質量焊接。

圖6　400t以上超純凈鋼鍛件鋼錠的澆注　

圖7　窄間隙埋弧焊作業

窄間隙埋弧焊的自動化程度較高，其控制系統已經實現了焊接參數的設置、實時檢測、動態顯示等，并設有高度和橫向自動跟蹤系統，提高了焊接參數的穩定控制程度，保證了焊接質量（見圖7）。該工藝方法主要應用在本體厚度＞50mm的容器產品筒節及封頭的環、縱縫焊接，壁厚較大的產品開I形或U形坡口，間隙在28mm左右。我廠近年成功實施了對深度530mm，U形坡口最大間隙32mm的容器產品的窄間隙埋弧焊。

雙絲窄間隙埋弧焊機是厚壁壓力容器的專用焊接設備，具有焊接效率高、消耗焊接材料少、

焊接質量可靠、焊接自動化高等優點，所焊接的焊縫坡口寬度一般為22～24mm（坡口底部），坡口角度（總角）1°～2°。

中國二重使用的雙絲窄間隙埋弧焊機采用的是兩根焊絲縱向串列的布置形式，使用不等徑前絲、后絲，兩根焊絲共同形成一個熔池，其中一根焊絲（彎絲）指向側壁，確保側壁熔合，因此熱輸入量低，接頭的力學性能，特別是熱影響區的韌性比常規埋弧焊提高一倍。雙絲設備的焊接效率比單絲窄間隙埋弧焊提高一倍多，焊絲熔化速度為9～10kg/ h，而且接頭力學性能不低于單絲窄間隙埋弧焊，是容器產品主體焊縫焊接方法的發展趨勢。

馬鞍形自動焊機可實現接管與殼體、封頭相貫焊縫的埋弧焊接（見圖8、圖9）。采用該方法焊接時，確定合理的坡口形式、控制接管的裝配精度、選擇合理焊接參數能獲得性能優良的焊接接頭，降低生產成本，提高生產效率。而對于特殊結構的斜交、偏交相貫接頭，需借助計算機輔助計算出運動軌跡，選用多軸聯動馬鞍形焊機實現焊槍的空間曲線運動，得到合格焊接接頭。

帶極堆焊是一種效率極高的堆焊方法，分為：帶極埋弧堆焊和帶極電渣堆焊（見圖10）。由于采用了薄板式寬電極和高的焊接電流，故在稀釋率和熔敷速度上比絲極埋弧焊有了長足的進步，在壓力容器行業得到迅速發展和較普遍的應用。焊帶的寬度也從窄帶向90mm、120mm、150mm的寬帶方向發展。

彎管內壁堆焊（見圖11）可使用彎管內壁自動堆焊機進行，采用CO2藥芯焊絲堆焊工藝，堆焊采用沿彎管內壁縱向母線排列焊道的方式。此方法可應用于彎管曲率半徑450～750mm的內壁堆焊，較高的自動化程度降低了勞動強度，提高了焊接效率，大大提高了焊接質量。

4. 焊接材料的發展

隨著壓力容器用鋼的迅速發展，高純凈度、高性能的壓力容器用鋼得到大量使用，對壓力容器焊接材料提出了更高的要求。目前，壓力容器行業使用的高技術和高性能的焊接材料主要依賴進口，國產焊接材料主要應用在非受壓元件的焊縫。經過國內各大焊材制造廠多年努力，國產焊材在技術指標、質量控制、類別品種方面逐步縮小與進口焊材的差距，也在逐步贏得設計院和制造廠的認可和信任。中國二重加釩鋼容器主體焊接材料年使用量為200t左右，堆焊焊材用量為600t左右。

圖8　容器筒身接管的馬鞍自動焊接

圖9　全封閉容器內部異形接管的馬鞍焊接

圖10　筒體內壁不銹鋼堆焊　

圖11　90°彎管內壁堆焊

5. 結語

中國二重堅持大力加強企業自主創新，加強技術改造和企業管理，在推動極限石化容器及其他大型石化容器國產化攻關中發揮著重要作用，為中國從裝備大國走向裝備強國做出不懈努力。

20150729

作者簡介：倪德重，中國二重重裝股份公司總經理助理，二重核電石化事業部總裁、黨委副書記，二重鎮江公司執行董事、經理、法人代表。