球形高壓容器的制造

康聰聰 王秋利

摘 要：本文以一臺球形高壓容器為例，對設備的選材、焊接過程、鑒證環的取樣及試驗、無損檢測方法的選定、裝配順序的制定等關鍵制造工序點進行介紹，明確其制造過程中的質量控制點，保證了設備的制造質量，為其他高壓容器的制造加工提供參考。

關鍵詞：球形高壓容器;焊接;鑒證環;無損檢測

中圖分類號：TH49文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）04-0036-03

Abstract： Taking a spherical high pressure vessel as an example， this paper introduced the key manufacturing process points， such as material selection of equipment， welding process， sampling and testing of authentication ring， selection of nondestructive testing method， and establishment of assembly sequence， the quality control points in the manufacturing process were defined to ensure the manufacturing quality of the equipment. Therefore， the reference for the manufacture of other high pressure vessels is provided.

Keywords： spherical high pressure vessel;welding;identification ring;nondestructive testing

隨著科技的快速發展，社會的需求在不斷提高，越來越多的高壓容器在石化、核電、航空航天、醫藥及食品領域得到廣泛應用。高壓容器具有壓力大、溫度高、壁厚大的特點。有的高壓容器還用于腐蝕特別嚴重的場合以及特別苛刻的環境中，儲存的介質也多為易燃易爆、有毒介質。因此，高壓容器往往成為裝置中的關鍵設備，需要特別加以關注。近年來，相關領域對高壓容器的要求也在不斷提高，其結構越來越復雜，尺寸呈現兩極化，需要對高壓容器的設計、制造、檢驗和驗收等全過程進行分析和研究，以保證設備的安全性、經濟合理性和技術先進性。高壓容器設計及制造過程中一般需考慮選材的正確性、結構的合理性以及制造和檢驗需遵循的規范等[1]。

本文以某航天試驗裝置中的一臺高壓容器為例，對制造過程中的主要控制點進行研究，以保證設備質量，最終實現裝置運行的可靠性。

1 設備概況

設備名稱：65L高壓容器;設備尺寸：Φ588 mm×44 mm;設備材質：S30408（Ⅳ級鍛件）;設計壓力：42 MPa;設計溫度：60 ℃;介質：空氣;容器類別：Ⅲ類。

該設備的特點是外形尺寸非常小，但是設計壓力特別高，由兩半球形封頭焊接而成。

2 設備選材及訂貨要求

高壓容器用鋼主要根據設備直徑、壓力、溫度及使用介質等參數進行選擇，要求所用材料具有良好的力學性能、耐腐蝕性能和切削加工性能[2]，常規的碳鋼、低合金高強鋼、低溫鋼及不銹鋼均可根據需要進行選用。本設備直徑小、壁厚大、殼體壓制困難，因此殼體及接管直接選用S30408（IV級鍛件），以固溶狀態供貨，并滿足《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》（NB/T 47010—2017）的相關要求，同時對材料成分進行嚴格控制。

S30408（IV級鍛件）應采用電爐或氧氣轉爐冶煉，由爐外精煉工藝的鋼鍛制而成，以確保鍛件無縮孔及嚴重偏析等缺陷。鍛件主截面部分的鍛造比不得小于3，各個鋼錠的頭、尾均應保證足夠的切除量，整個截面上的金屬應鍛透，并盡可能接近成品零件的形狀和尺寸。鍛件應在足夠的鍛壓機上鍛造，以保證鍛件內部充分鍛透。晶粒度應按《金屬平均晶粒度測定方法》（GB/T 6394—2002）進行評定，實際晶粒度不低于4級。金屬夾雜物應按《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗方法》（GB/T 10561—2005）進行檢驗，檢驗標準為A、B、C、D和DS類夾雜物均不大于1.5級，A+C類夾雜物不大于2.5級，B+D+DS類夾雜物不大于2.5級，且夾雜物總和不大于3.0級。

為保證材料性能，根據相關標準及規范要求，主殼體成形前、鍛坯及精加工后，鍛件整體應按《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》（NB/T 47013.3—2015）進行100%超聲檢測，Ⅰ級合格。鍛坯的化學成分以熔煉分析為準，其結果應符合表1的規定，同時需要對成品進行成分分析，分析結果與表1規定值的允許偏差按《鋼的成品化學成分允許偏差》（GB/T 222—2006）的相關規定。其中，硫、磷含量允許正偏差0.002%。室溫下的力學性能見表2。

3 焊接

奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性能，但在450～850 ℃的敏化溫度范圍內加熱時容易出現晶間腐蝕，再加上奧氏體不銹鋼的線膨脹系數大，導熱系數小，焊接后容易出現熱裂紋，并且隨著壁厚的增加，出現熱裂紋和晶間腐蝕的概率也會增加[3];因此，需要嚴格控制焊接過程，選用合適的焊接參數，降低焊接缺陷，保證焊接質量。

3.1 焊前準備

焊接前應清除焊絲表面、焊接坡口及其附近50 mm范圍內的油污、油脂、水分等雜質，焊條烘干后存放在專用的保溫桶內，焊接坡口時采用機械加工的方式。

3.2 焊接方法的選用

本設備壁厚較厚，但直徑又較小，焊接存在一定的難度。綜合考慮后，半球形封頭之間的對接環焊縫采用單面焊接、雙面成型的焊接方法。同時，為保證焊接質量，焊接時殼體內應通入99.99%的純氬氣進行保護。根部采用氬弧焊封底，采用焊條電弧焊填充蓋面。

3.3 焊接坡口的制定

制定焊接坡口時，既要考慮到盡量少地填充金屬，也要考慮焊接方法的可操作性，保證全焊透，最終具有良好的力學性能[4]。在實際中，可根據焊縫根部全熔透來確定坡口的鈍邊和間隙，根據焊槍的可達性及焊材的經濟性來確定坡口角度及根部圓弧半徑。綜上，本設備殼體對接環焊縫選用外單U形坡口，坡口詳圖如圖1所示。

3.4 焊接參數的選擇

奧氏體鋼的導熱系數較小，若焊接熱輸入過大，在焊接過程中則易造成熔池溫度過高，導致晶粒粗大、材料強度下降、沖擊韌性降低[5]。因此，焊接時需要控制熱輸入，采用小電流，多道焊。焊完一層要將熔渣徹底清除干凈，仔細檢查是否有氣孔、夾渣、未熔透等焊接缺陷，若存在相關缺陷，要及時修復。焊接工藝參數如表3所示。

4 主要工藝控制點

4.1 鑒證環的制作

為了驗證和檢驗壓力容器A類焊接接頭的主要性能是否達到設計要求，按照相關規范和設計圖紙規定，需要制作鑒證環。鑒證環的選材和訂貨要求與主殼體母材完全相同，選擇合格材料，并且應與容器用材具有相同標準、相同牌號、相同厚度和相同熱處理狀態，與設備同時按規范施焊。

鑒證環試件檢驗理化項目主要有拉伸和側彎兩項。試件的尺寸和試樣的截取要參照《承壓設備產品焊接試件的力學性能檢驗》（NB/T 47016—2011）的相關規定，按管狀試件的試樣位置圖進行取樣。側彎試樣尺寸為10 mm×44 mm×220 mm，共2件。由于受試樣機能力限制，不能進行全厚度的拉伸試驗，故將試件在厚度方向上均勻分4層進行取樣，先將上、下表面銑平，再將試樣用線切割分成4等份，然后逐層進行拉伸試驗。拉伸試樣詳圖見圖2。

4.2 裝配順序

本設備零部件較少，結構看似簡單，但在組裝時需要充分考慮合理的組裝順序，這樣才能保證設備的制造質量。組焊殼體之間的環縫時，需要將半球形封頭固定，在半球形封頭頂部焊接工裝管，以利于焊接過程中殼體的旋轉;同時，焊接過程中球形殼體內必須通入氬氣進行保護，以保證焊接質量。另外，由于鍛管根部較厚，不容易熔透，故在半球形封頭上確定鍛管的位置，確保鍛管與球殼垂直;焊接接頭焊至Φ25 mm時按《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》（NB/T 47013.5—2015）進行滲透檢測，Ⅰ級合格;滲透檢測合格后鉆Φ10 mm的通孔。半球形封頭A類焊縫組焊完畢后，再焊滿鍛管接頭角焊縫。

5 無損檢測

由于本設備特殊的工況及結構，為保證焊縫質量，便于焊工清除缺陷，減少焊接返修，確保設備安全出廠，故需要合理安排無損檢測的方法和順序。

半球形封頭的A類焊縫封底后，首先按《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》（NB/T 47013.5—2015）進行100%滲透檢測，I級合格;焊縫焊滿后，再按《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》（NB/T 47013.2—2015）進行100%射線檢測（B級檢測），Ⅱ級合格;焊縫表面打磨后，按《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》（NB/T 47013.3—2015）進行100%超聲檢測（C級檢測），I級合格。

殼體上的D類焊縫焊至Φ25 mm后，焊縫按《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》（NB/T 47013.5—2015）進行100%滲透檢測，I級合格;焊縫焊滿后，D類焊接接頭以開孔中心為圓心，直徑Φ240 mm范圍內基材材料按《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》（NB/T 47013.3—2015）進行100%超聲檢測，I級合格;最后焊縫處按《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》（NB/T 47013.5—2015）進行100%滲透檢測，I級合格。

設備試壓合格后，A、D類焊接接頭按《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》（NB/T 47013.3—2015）進行100%超聲檢測（C級檢測），I級合格;A、D、E類焊接接頭表面按《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》（NB/T 47013.5—2015）進行100%滲透檢測，I級合格。

6 結論

高壓容器的可靠性很大程度上取決于制造質量。本臺設備設計壓力非常高，設備尺寸又非常小，制造加工難度大。在制造過程中，通過合理選材、合理選用焊接方法和焊接參數、合理控制層間溫度、合理安排裝配順序，并通過對各個關鍵制造工藝點進行控制，保證了設備的焊接和制造質量，最終實現設備的可靠安全運行，為整套裝置的穩定運行提供了有力保障。

參考文獻：

[1]石玉春.淺談高壓容器設計[J].化工管理，2017（36）：192.

[2]卞娟.鋼制單層高壓容器設計要點探討[J].中國石油石化，2017（1）：93-95.

[3]龔鵬程，張玉峰.厚壁奧氏體不銹鋼高壓容器焊接研究[J].金屬加工（熱加工），2012（12）：57-58.

[4]李曉青，劉志穎，過復初，等.2m3立式液氫高壓容器的焊接研制[J].壓力容器，2005（7）：25-28.

[5]蘇開明，秦平，邵飛翔，等.焊接線能量對高壓容器的爆破安全性影響分析[J].機械工程師，2018（8）：125-127.