數控技術在壓力容器制造中的應用

李福棟(煙臺市特種設備檢驗研究院，山東 煙臺 264000)

0 引言

壓力容器制造業涉及冶金、金屬材料、焊接等多種行業。其制造技術也囊括了機械加工、焊接等技術。數控技術作為必不可少的環節，發揮了越來越重要的作用。但隨著石化、核電科技的發展，新產品、新工藝、新構造不斷出現，常規技術設備已不能滿足效率、形狀及位置公差等方面的要求.因此高精度、大型化的數控技術設備逐漸融入到現代壓力容器制造行業中，使容器制造中大型零部件加工、復雜零部件加工、不規則曲面加工、產出效率低等難題得以解決.

1 研究現狀

在目前的壓力容器制造業中，數控技術的發展就代表著壓力容器制造業的發展。在國外先進壓力容器制造企業中，數控技術在壓力容器制造中的應用已不可或缺，且他們的數控技術更為先進。完整的壓力容器制造工序大體包括：對原材料進行下料切割；對切割后的材料進行卷板等處理；進行焊接成型；對焊接后的容器進行無損探傷；進行耐壓及氣密性試驗；對罐體進行噴砂、防腐。在整個壓力容器制造過程中，從一開始的下料切割到最后的噴砂防腐，每一道工序都可由數控技術來完成[1]。使企業生產進入到自動化時代，從根本上提高了生產效率，降低了企業的投入成本。

1.1 在各個綜合方面的應用

完整的壓力容器制造過程包括下料、成型、焊接、無損檢測、熱處理、耐壓試驗等工序。在各個工序都可用到數控技術，且都可以恰到好處地完成制造要求。下料切割是容器制造最基礎也是最重要的步驟，切割不好，會使鋼板不能完好的對接焊接，或者制造出的容器尺寸不能完全符合設計圖樣。傳統加工工藝需要耗費大量人力物力，切割精度不夠，速度慢。化工行業的發展使容器的形狀尺寸變得各式各異，下料切割的難度、精細度大大增加。數控切割機的應用恰好能夠滿足發展的需求，切割誤差可以控制在1 mm以內。管板是換熱型壓力容器重要組成部分，起到連接和過渡作用。它的質量好壞直接影響到整個換熱器的性能與質量。具有管孔數量多、分布密集、孔徑小、深度大、精度高等特點，如圖1所示。管板的制造要求主要在于管孔的尺寸精度、間隔距離精度等方面。大型換熱容器管板上管孔的數量可以達到數百個。傳統加工工藝從劃線、打樣沖點、鉆孔、倒角的工藝路線存在精度低，周期長，加工質量差，尺寸與間隔距離不夠精確等問題。為滿足加工質量及周期要求，采用先進的數控刀具及先進的編程軟件，制造出來的產品各項參數均大幅優于傳統工藝加工的產品，且加工速度快、效率高。

圖1 管板實物圖

壓力容器接管與筒體連接的焊縫形狀為馬鞍型，為插入式全焊透結構。接管直徑越大，則馬鞍落差越大。焊縫厚度大，剛性大，焊接結構應力與殘余應力大。坡口的加工精確度能夠有效減小焊接的結構應力與參與應力。馬鞍形焊接接頭在壓力容器結構連接中普遍存在，隨著馬鞍形坡口焊機的應用，對馬鞍形坡口的加工質量提出了更高的要求。傳統的手工氣割修磨方式已無法滿足馬鞍形坡口焊機的焊接要求。大直徑偏心馬鞍形坡口的軌跡為空間三維曲線，手工操作設備根本無法滿足精度要求。數控機床的應用成功解決這一難題，坡口表面質量良好，形狀精確。為焊機的成功施焊打下良好基礎。在壓力容器的焊接作業中，各種焊接方法都有其優勢與劣勢。大部分焊接方法都需手工操作焊接。而在形狀規則的大型壓力容器焊接中，自動埋弧焊焊接已經成為首選焊接方式，埋弧自動焊接時，所有焊接工作都有機械來完成。相對于手工電弧焊，埋弧自動焊具有生產效率高、焊縫質量高、美觀等優勢。除了減輕收工操作的勞動強度外，電弧弧光埋在焊劑層下，沒有弧光輻射，勞動條件好。無損檢測中，近些年發展起來的DR射線檢測、相控陣超聲檢測探傷技術，都屬于數控范圍。在此不一一列舉。

2 在具體部件制造中的應用

2.1 大型氣瓶旋壓成套設備

2014年，四川某公司研制出的大型數控滾輪式氣瓶旋壓成套設備，填補了國內大型無縫高壓鋼瓶旋壓成套設備的空白，處于世界領先位置。該套設備的主要應用是加工高強度大容器的熱旋壓加工，它的加工能力極限是14000 mm×900 mm、鋼瓶壓力大于等于40 MPa的大容積鋼瓶；特點是一次加熱、一次旋壓成型，生產效率高、縮短了加工時間，且旋壓成型質量可以得到保證；能夠廣泛應用于工業氣體鋼瓶、站用天然氣瓶組、運輸用高壓鋼瓶的制造。以及海軍潛艇用高壓氣瓶、航空航天發射器、導彈殼體的熱旋壓制造。

2.2 反應堆壓力容器的數控加工

反應堆壓力容器是核電站的重要設備[2]，介質為反應堆堆芯，且壓力很高。是核電站里放射性物質的第二道保護屏障。由于其重要作用及核電站的特殊要求，反應堆壓力容器屬于不可更換設備。所以，反應堆壓力容器在材料、設計、制造、檢驗等方面的要求遠高于常規壓力容器。反應堆壓力容器在制造過程中需要進行大量的切削加工，對加工精度的要求很高。且所用原材料成本高，制造難度大，任何小的瑕疵都會對制造質量和進度造成很大的影響。因此，數控加工在反應堆壓力容器制造中起著很重要的作用。反應堆壓力容器球形封頭與筒體連接的焊接接頭要求高強度與高穩定性，所以焊縫的坡口需要加工成“J”型。“J”型坡口是個立體相貫曲面，不同位置的坡口，其深度與曲面形狀各不相同。加工難度極高，工藝復雜且數量較多。數控加工時，采用型腔銑和固定輪廓銑進行粗加工、半精加工和精加工。通孔加工完成后，再采用立銑刀進行開粗加工，用球頭銑刀進行半精加工和精加工。

2.3 整體式接管補強制造的數控加工

材料在交變載荷的作用下，容易產生疲勞失效。即材料在遠低于抗拉強度極限的情況下突然破壞，沒有任何先兆。具有較大的破壞性。接管與壓力容器殼體連接的對接接頭是疲勞失效的薄弱環節之一。補強板可以看作壓力容器殼體的一部分，所以疲勞分析設計的壓力容器中它的表面質量的好壞直接影響到容器的抗疲勞強度。整體式接管補強大多用在疲勞分析設計壓力容器上，它與容器殼體的相貫面是一個三維曲面，采用傳統機械加工方式難以實現。通過建立數學模型，進行數學分析，編制數控加工程序的方式可以實現曲面的數控加工。整體式接管補強采用數控技術進行加工后具有較好的表面質量、均勻的壁厚以及較高的尺寸精度。能夠很好地解決傳統機械加工方式難以解決的三維曲面精加工。并且數控加工通過參數控制程序，通過程序中相應的參數即可加工不同規格尺寸的整體補強，十分方便。

2.4 鋼制球形壓力容器殼板胚料數控切割

球形儲罐是將鋼板壓成球瓣狀，然后將球殼板拼接焊接而成的球形壓力容器，在工業生產中用途廣泛。球殼板的加工是制造球罐的重要工序，傳統工藝一般由工人手工下料、劃線切割，工藝落后，切割誤差大。拼焊時需要對其進行打磨修正。即耗時又費材，大大降低了生產效率。在現代生產工藝方法中，依據球殼板曲線展開原理，推導出球殼板展開曲線的方程，使用Auto Lisp語言編制程序控制數控切割機切割下料，能夠使球殼板尺寸精確，提高生產效益。

2.5 高壓氣瓶專用螺紋數控機床

專用數控機床是特種設備制造業的裝備基礎，是現代化制造加工業產業化的必須條件。發達國家一直將此技術對中國封鎖和限制，因此，研制具有自主知識產權的專用數控機床迫不及待，能夠有效加快中國制造業的發展。傳統氣瓶瓶嘴螺紋加工采用絲錐攻絲的方式，此種方式落后且效率低下，無法滿足現代化制造業發展需求。氣瓶專用數控機床的研制成功解決這一難題。氣瓶專用數控機床主要用于錐孔、錐螺紋的高精高效加工。一般分為兩種形式，一種是工件旋轉，進給軸車削加工。另一種是工件靜置，動力軸旋轉銑削加工。其中工件旋轉方式更適合氣瓶瓶嘴的加工，具體有以下幾點優勢：加工效率更高；較少的電氣配置，故障率低，易于維修；對操作者技術水平要去相對工件靜置方式較低；設備投資相對較低。

2.6 三軸聯動數控鏜銑床加工嵌入式接管

嵌入式接管(圖2)是壓力容器主要受壓元件。加工成型的精確度高才能保證整個壓力容器制造質量。

圖2 嵌入式接管的立體模型示圖

如圖2所示，嵌入式接管可分為兩部分，上部分是與筒體對接焊接的筒面，需與筒體進行對接焊接成為一部分筒體。下部分是接管部分，此部分較為簡單，可用普通立式車床加工。而筒面部分其形狀比較復雜，屬于三維立體曲面，需要與壓力容器筒體曲面相吻合。普通立式機床無法加工此類工件，此時需要用到三軸聯動數控鏜銑床[3]。

3 結語

經過社會與技術水平的發展，壓力容器也在向高精尖方向發展，具有多種技術、工藝結合的特點。數控技術近幾年的長足進步剛好能夠滿足壓力容器制造的發展需求。通過數控技術，傳統的壓力容器制造工藝有了本質性的變化，由分散單一變為可控化。隨著數控技術的發展，定會在其他領域產生巨大推動力。