復(fù)合鋼板壓力容器的制造方法

□ 景夢(mèng)陽(yáng) □ 張正棠

甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院 蘭州 730050

1 復(fù)合鋼板概述

所謂復(fù)合鋼板，指主體材料以某種鋼作為基層,用另外一種鋼或其它有色金屬作為復(fù)層的雙金屬板,通常采用爆炸成型的工藝方法將兩種材料復(fù)合成型。一般在能滿足生產(chǎn)需要的情況下,用戶在不銹鋼和復(fù)合鋼板之間往往都會(huì)選擇復(fù)合鋼板。復(fù)合鋼板不僅基層可以滿足強(qiáng)度和剛度要求,而且復(fù)層也能滿足耐腐蝕性的要求,這樣在保證技術(shù)要求的情況下,可以節(jié)約大量金屬,降低生產(chǎn)成本[1]。目前,復(fù)合鋼板在很多行業(yè),如石油、化工、航空、航海、醫(yī)療器械等都得到了廣泛應(yīng)用。由于復(fù)合鋼板不存在固定的規(guī)格和型號(hào),因此往往需要外協(xié)加工,延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期。另外,目前復(fù)合鋼板的制造工藝還不夠成熟,復(fù)合完后可能存在一定缺陷,影響壓力容器的制造質(zhì)量。筆者根據(jù)復(fù)合鋼板壓力容器制造經(jīng)驗(yàn),結(jié)合所在單位目前正在制造的復(fù)合鋼板壓力容器,對(duì)復(fù)合鋼板壓力容器制造工藝及注意事項(xiàng)進(jìn)行介紹。

2 復(fù)合鋼板壓力容器制造工藝難點(diǎn)

2.1 筒體卷制過(guò)程控制

筒體所用復(fù)合鋼板在卷板機(jī)卷制過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的延展量,為了保證筒體卷制完成內(nèi)徑符合要求,需要精確計(jì)算下料尺寸。復(fù)合鋼板在制造過(guò)程中對(duì)環(huán)境要求很高,高于一般碳鋼和不銹鋼材料的制造環(huán)境,因此在制造、轉(zhuǎn)運(yùn)、卷制、焊接、打磨等環(huán)節(jié)需要做好對(duì)復(fù)層的保護(hù)。

2.2 錯(cuò)邊量控制

一般情況下,在壓力容器的生產(chǎn)和制造過(guò)程中,焊縫錯(cuò)邊會(huì)在筒體或封頭對(duì)接的位置出現(xiàn)[2-3],也會(huì)在筒節(jié)之間或筒體和封頭之間出現(xiàn)[4]。考慮介質(zhì)的強(qiáng)氧化性和高腐蝕性,用戶及設(shè)計(jì)單位對(duì)設(shè)備筒節(jié)組對(duì)錯(cuò)邊量要求很?chē)?yán)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,復(fù)合鋼板筒體縱縫錯(cuò)邊量一般不大于0.8～1.5 mm,筒體環(huán)縫、筒體與封頭環(huán)縫錯(cuò)邊量一般不大于1.0～1.5 mm[5-7]。

2.3 開(kāi)孔精確度控制

壓力容器直徑、壁厚很大,筒體、封頭上開(kāi)的孔較多,為了保證開(kāi)孔精確度,需要使用軟件或工裝精確定位開(kāi)孔輪廓線及坡口加工線。

2.4 焊接過(guò)程控制

壓力容器的焊接順序?yàn)榛鶎印⑦^(guò)渡層、表層,焊接過(guò)程中焊接參數(shù)控制不嚴(yán)、操作人員熟練水平不高都會(huì)導(dǎo)致熱裂紋和氣孔等缺陷。

3 復(fù)合前準(zhǔn)備工作

3.1 質(zhì)量與性能要求

壓力容器所用復(fù)合鋼板,其基層和復(fù)層材料選擇時(shí)一般都根據(jù)實(shí)際需要確定。對(duì)于基層材料,大多選擇Q345R鋼板,復(fù)層材料則多為不銹鋼。由于目前與復(fù)合鋼板相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還較少,用戶所使用的復(fù)合鋼板規(guī)格也都各不相同,因此復(fù)合鋼板并沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[8]。

所選用的復(fù)合鋼板應(yīng)具有符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量證明書(shū),并保證復(fù)合鋼板表面平整,無(wú)明顯瑕疵。復(fù)合鋼板不應(yīng)有妨礙使用的有害外觀缺陷,基層和復(fù)層的接合面積應(yīng)占總面積的95%以上,局部未接合面積不得大于50 cm2。對(duì)加工時(shí)有較大應(yīng)力或使用時(shí)有較大負(fù)荷的復(fù)合鋼板,要求更為嚴(yán)格。如果基層與復(fù)層表面的淺平缺陷未能磨掉,那么復(fù)層表面的全部缺陷面積總和不得大于復(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。

對(duì)于復(fù)合鋼板的機(jī)械性能,其抗拉強(qiáng)度和延伸率原則上應(yīng)等于或大于基層材料,抗彎試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與相等總厚度的基層材料相同,抗剪強(qiáng)度對(duì)任何總厚度小于100 mm的鋼板應(yīng)不小于196 MPa[9-11]。貼合彎曲三個(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。

復(fù)合鋼板在進(jìn)廠時(shí)均應(yīng)進(jìn)行超聲探傷試驗(yàn),不得有妨礙使用的有害分層現(xiàn)象。對(duì)復(fù)合鋼板的修補(bǔ)、標(biāo)記與標(biāo)記移植等,與一般鋼材壓力容器的原材料控制相同。

3.2 下料、拼接控制

復(fù)合鋼板由兩種材質(zhì)不同的板材組成,一般不銹鋼復(fù)層板材的厚度很薄,板長(zhǎng)和板寬都較小,大多數(shù)需要拼接。下料及拼接時(shí),一般根據(jù)壓力容器規(guī)格計(jì)算封頭和筒體展開(kāi)的實(shí)際尺寸。根據(jù)多年的制造經(jīng)驗(yàn),筆者所在單位技術(shù)人員總結(jié)出筒體和橢圓形封頭、球形封頭、球缺形封頭的下料尺寸計(jì)算方法及所留余量,以方便后續(xù)制造。

按照壓力容器筒體、封頭尺寸,根據(jù)投料厚度、材料伸縮性考慮是否留直邊,確定筒體、封頭實(shí)際需要的板材長(zhǎng)度L和寬度B。

對(duì)于基層板材下料的長(zhǎng)度和寬度,最小值分別控制為L(zhǎng)+100 mm、B+100 mm,各留100 mm余量。下料時(shí)最好將板材寬度圓整至與B+100 mm接近的標(biāo)準(zhǔn)寬度。

為了滿足復(fù)合工藝的要求,復(fù)層下料時(shí)長(zhǎng)度和寬度應(yīng)在實(shí)際計(jì)算的投料長(zhǎng)度和寬度上加50 mm,即單邊加25 mm。

如果壓力容器需要焊接試板,那么下料時(shí)還應(yīng)考慮在長(zhǎng)度方向上加試板所需量。

按照實(shí)際計(jì)算尺寸,對(duì)現(xiàn)有的復(fù)層板材進(jìn)行拼接,焊接完成后焊縫應(yīng)焊透并打磨平整,同時(shí)根據(jù)要求進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),保證焊縫無(wú)裂紋、氣孔、夾雜等缺陷,復(fù)合完成的板材應(yīng)保證平整。

4 筒體排版原則

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及管口方位圖,將筒體及接管在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中按1∶1放樣,得到接管在筒體及封頭上的具體位置。

接管根據(jù)大小在放樣圖上按1∶1進(jìn)行繪制,接管邊緣兩側(cè)向外延伸100 mm,確定環(huán)焊縫位置。

根據(jù)卷板機(jī)的卷制能力,確定復(fù)合鋼板在卷板機(jī)上的最大卷制寬度。

根據(jù)卷板機(jī)的最大卷制寬度、接管在筒體上的位置,以及縱縫、環(huán)縫位置確定板材的寬度。

5 復(fù)合鋼板下料尺寸計(jì)算方法

5.1 筒體

筒體復(fù)合鋼板下料尺寸主要根據(jù)筒體復(fù)合鋼板的寬度和卷板機(jī)的卷制能力來(lái)確定,目的是保證筒體與封頭組合后內(nèi)平齊。對(duì)于均質(zhì)復(fù)合鋼板,筒體下料尺寸按照封頭中徑展開(kāi),基本可以保證筒體與封頭環(huán)縫錯(cuò)邊量在允許范圍之內(nèi)。復(fù)合鋼板筒體和封頭板厚不一樣時(shí),按照封頭中徑展開(kāi)會(huì)導(dǎo)致筒體與封頭組對(duì)時(shí)錯(cuò)邊量超標(biāo)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),筒體復(fù)合鋼板的厚度不大于40 mm時(shí),板材直徑按照筒體中徑展開(kāi),卷板及校圓時(shí)隨時(shí)測(cè)量筒體周長(zhǎng),保證筒體內(nèi)徑符合要求;筒體復(fù)合鋼板的厚度大于40 mm時(shí),筒體下料尺寸在中徑展開(kāi)的基礎(chǔ)上加直邊余量,一般為60～200 mm。

5.2 封頭

封頭由一塊正方形鋼板沖壓成型。

對(duì)于橢圓形封頭,封頭下料尺寸[12-13]為:

L=1.2Di+d

(1)

式中:Di為封頭復(fù)合鋼板中徑,即筒體內(nèi)徑加封頭壁厚;d為封頭沖壓成型時(shí)的減薄量,一般為2～3 mm。

對(duì)于球形封頭,封頭下料尺寸為:

L=1.42Di+d

(2)

對(duì)于球缺形封頭,封頭下料尺寸為:

L=1.4Di+d

(3)

6 筒體組對(duì)控制

6.1 筒體縱縫組對(duì)控制

復(fù)合鋼板在卷板機(jī)上卷制完成后,使用專用工具將縱縫錯(cuò)邊調(diào)整至合適位置,利用引收弧板對(duì)縱縫兩邊進(jìn)行點(diǎn)焊固定,如圖1所示。

▲圖1 引收弧板點(diǎn)焊固定

6.2 圓度控制

為了保證筒節(jié)端口圓度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),在經(jīng)過(guò)卷板機(jī)卷制、焊接、無(wú)損檢測(cè)合格后,將筒節(jié)放置至卷板機(jī)上進(jìn)行校圓。

測(cè)量合格后,將筒節(jié)從卷板機(jī)上取下。對(duì)于大直徑薄壁筒節(jié),校圓后為了防止變形,在筒節(jié)內(nèi)部安裝支撐,如圖2所示。

▲圖2 筒節(jié)內(nèi)部安裝支撐

7 焊接

7.1 焊接方法

復(fù)合鋼板通常采用的焊接方法有手工電弧焊、埋弧自動(dòng)焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊等,根據(jù)具體材質(zhì)、板料厚度、坡口形狀來(lái)確定焊接方法。焊接時(shí),一般從外側(cè)基層開(kāi)始,基層焊接完成以后焊接過(guò)渡層,最后焊接表層。

7.2 預(yù)熱

為了防止厚壁筒體焊接過(guò)程中產(chǎn)生裂紋,在進(jìn)行基層焊接前對(duì)筒體進(jìn)行預(yù)熱,并根據(jù)實(shí)際需要制作筒體預(yù)熱工裝,如圖3所示。圖3中,R0為分度圓半徑。

▲圖3 筒體預(yù)熱工裝

8 焊縫檢測(cè)

復(fù)合鋼板焊縫無(wú)損檢測(cè)一般有兩種方法。一種是基層、過(guò)渡層、表層全部焊接完成后,根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求進(jìn)行檢測(cè)。另一種是基層焊縫焊接完成后,按照設(shè)計(jì)要求先進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)合格后進(jìn)行過(guò)渡層和表層焊接,焊接完成后再對(duì)表層進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)不銹鋼的焊接性能,可選擇不同的檢測(cè)方法。對(duì)于馬氏體不銹鋼,焊接性能差,焊接工藝控制不佳,很容易產(chǎn)生裂紋,一般選擇第一種檢測(cè)方法[14]。

9 結(jié)束語(yǔ)

筆者介紹了復(fù)合鋼板壓力容器制造方法。通過(guò)將理論知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合,計(jì)算筒體和封頭的下料尺寸,能夠保證下料準(zhǔn)確和制造質(zhì)量。

應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)接管在筒體上的開(kāi)孔具體位置及焊縫與接管邊緣的最小距離進(jìn)行精確放樣,保證開(kāi)孔準(zhǔn)確,降低施工難度。

使用自制的預(yù)熱工裝,在筒體環(huán)縫焊接之前將焊接溫度控制在合理的范圍內(nèi),避免產(chǎn)生裂紋,進(jìn)而提高制造效率和質(zhì)量。