壓力容器封頭制造中存在的問(wèn)題及技術(shù)分析

林忠拉

（浙江沈泰特種設(shè)備有限公司，浙江 溫州 325025）

壓力容器是指密閉設(shè)備通過(guò)加壓處理存儲(chǔ)一定量的液體或氣體，以滿足工業(yè)生產(chǎn)、日常生活等需求。壓力容器材料的選取必須具備穩(wěn)定性，且符合特種作業(yè)環(huán)境的工作需求，以保證設(shè)備在使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生破損的問(wèn)題。從壓力容器整體構(gòu)造來(lái)看，其中最易發(fā)生破損的位置為封頭處，因?yàn)閴毫θ萜鞴摅w屬于一體壓縮工藝制造的，封頭處則屬于罐體密封部位，其呈現(xiàn)出參數(shù)與罐體存在一定的差異，如封頭處的承壓部件需經(jīng)過(guò)多道熱塑工藝，保證部件符合設(shè)備使用需求。但在封頭部件制造過(guò)程中，受工藝、操作行為等因素的影響，使部件本體面臨著嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，間接加大壓力容器的不合格率。為減少加工缺陷問(wèn)題的產(chǎn)生，必須分析出封頭部件制造過(guò)程中可能存在的問(wèn)題，然后，制定相關(guān)防止舉措，以提高封頭部件的質(zhì)量性能。

1 壓力容器封頭制造中存在的問(wèn)題

1.1 封頭鼓包問(wèn)題

封頭部件制造過(guò)程中產(chǎn)生的鼓包問(wèn)題一般是發(fā)生在部件熱成型環(huán)節(jié)。在部件受熱拉伸時(shí)，部件圓滑過(guò)渡部位所受到的壓縮力呈現(xiàn)出一定的切向特性，如果切向力大于部件內(nèi)應(yīng)力時(shí)，則將產(chǎn)生部件失穩(wěn)效應(yīng)，令原材料發(fā)生鼓包現(xiàn)象。此外，封頭部件原材料在爐內(nèi)加熱處理時(shí)，如發(fā)生受熱不均的現(xiàn)象（材料上部溫度低于下部溫度），金屬材料各區(qū)域的承壓值參數(shù)將形成誤差，此時(shí)，材料無(wú)法因?yàn)槭軣岫纬删馐襟w積增大，這就導(dǎo)致在后期壓塑過(guò)程中彎角平滑處的過(guò)渡區(qū)間面積加大，當(dāng)金屬組織呈現(xiàn)出相對(duì)較軟的現(xiàn)象時(shí)，硬值區(qū)域所產(chǎn)生的應(yīng)力高于軟值區(qū)域，進(jìn)而產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象。一般來(lái)講，封頭部件鼓包區(qū)域一般為彎角過(guò)渡區(qū)間。

1.2 封頭裂紋問(wèn)題

金屬材料裂紋產(chǎn)生的原因主要是內(nèi)應(yīng)力無(wú)法滿足外界環(huán)境壓力的需求，進(jìn)而導(dǎo)致材料本體產(chǎn)生裂痕的現(xiàn)象。在壓力容器封頭部件制造過(guò)程中，裂紋產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié)為沖壓工藝、旋壓工藝中。從內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生形式來(lái)看，封頭部件所產(chǎn)生應(yīng)力主要分為兩種：（1）是因?yàn)榻饘俨牧蟽?nèi)部的晶格所產(chǎn)生畸變現(xiàn)象，令原有金屬軟組織硬化，進(jìn)而產(chǎn)生多余的應(yīng)力；（2）金屬材料內(nèi)、外表面的拉伸形變量存在較大的參數(shù)差異，導(dǎo)致部件所能承受的壓力值具有較高的變動(dòng)性，當(dāng)外界壓力在內(nèi)、外應(yīng)力的差值之間部件不會(huì)產(chǎn)生形變，一旦數(shù)值高于或小于材料的極限值時(shí)，則封頭材料將產(chǎn)生裂紋。一般來(lái)講，封頭部件裂紋產(chǎn)生區(qū)域一般為焊縫處、端口處，當(dāng)材料存在應(yīng)力無(wú)法承接外部作用力時(shí)，如部件沖壓時(shí)所產(chǎn)生的間隙作

用力，如果應(yīng)力不集中，或者是橫切面不平滑，都將造成局部應(yīng)力小于外部應(yīng)力的情況，進(jìn)而令部件產(chǎn)生裂紋。

1.3 封頭減薄問(wèn)題

壓力容器封頭部件在塑形過(guò)程中，由于屬于壓縮工藝，部件將受到拉伸力、摩擦力等，此時(shí)，封頭部件的上部與底部所受到的力學(xué)參數(shù)將存在一定的差異，且底部受到的各類作用力相對(duì)較小，這就造成底部壁厚減薄數(shù)值相對(duì)較小。而對(duì)于封頭部件的直邊區(qū)域來(lái)講，由于上部區(qū)域所承接的作用力具有綜合特性，邊緣區(qū)域的作用力大于彎角過(guò)渡區(qū)域所呈現(xiàn)出延伸拉力，部件此處厚度將增加。彎角過(guò)渡區(qū)域在壓縮過(guò)程中承受的是模具沖擊所帶來(lái)的外部作用力、材料內(nèi)部拉伸所形成的延展力，在上述兩種應(yīng)力共同作用下，壁體的減薄程度將增大。封頭減薄問(wèn)題的成因主要分為以下三點(diǎn)：（1）部件壓鼓工藝在具體施行過(guò)程中未能控制好力度，導(dǎo)致壁體在減薄過(guò)程產(chǎn)生不均勻現(xiàn)象，但在系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定下，減薄工藝將以壁體最薄處作為基準(zhǔn)，進(jìn)而導(dǎo)致壁體減薄超標(biāo)；（2）模具、材料表面不平滑，則部件壓塑過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力系數(shù)將加大，降低原材料的拉伸系數(shù)，如果材料拉伸效果不明顯，需加大壓縮作用力，這就造成部件成型后的參數(shù)無(wú)法滿足預(yù)期設(shè)定需求；（3）邊緣壓力過(guò)大，材料在固定空間所能承受的拉伸度將呈現(xiàn)出一定的局限性，如果材料的切向自由度小于內(nèi)應(yīng)力所能承受的最大值時(shí)，將造成材料的減薄超標(biāo)問(wèn)題。

2 壓力容器封頭制造問(wèn)題的技術(shù)解決方案

壓力容器封頭制造過(guò)程中，受到作用力環(huán)境的影響，將產(chǎn)生不同類型的缺陷問(wèn)題，例如，部件拉裂、劃傷、凹坑、鼓包、過(guò)燒等問(wèn)題。為此，必須找到解決問(wèn)題的合理辦法，分析出不同缺陷問(wèn)題的主要成因，結(jié)合封頭部件的性能制定出較為精準(zhǔn)的解決方案。

2.1 鼓包問(wèn)題的技術(shù)解決

針對(duì)鼓包問(wèn)題，為盡量避免封頭材料內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力問(wèn)題，可以對(duì)材料進(jìn)行二次拉伸處理，利用一次拉伸與二次拉伸的作用力抵消殘余應(yīng)力，以提高材料的韌性值。從金屬材料的力學(xué)特性來(lái)看，在一定的參數(shù)范圍內(nèi)，材料本體的應(yīng)力與徐變力呈線性關(guān)系，這就令材料本體產(chǎn)生上部和下部?jī)煞N屈服強(qiáng)度。當(dāng)對(duì)材料進(jìn)行二次拉伸時(shí)，一次拉伸所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力將被二次優(yōu)化處理，通過(guò)外部作用力抵消殘余應(yīng)力，可有效提高材料的質(zhì)量性能。此外，為防止因溫度受熱不均所導(dǎo)致的材料承壓值出現(xiàn)變化的問(wèn)題，在爐內(nèi)對(duì)材料進(jìn)行加工時(shí)，可以對(duì)材料進(jìn)行翻轉(zhuǎn)受熱，或者是利用加熱設(shè)備來(lái)均衡上部與下部的溫度，這樣便可有效避免因金屬組織發(fā)生硬化的現(xiàn)象，以降低封頭部件鼓包問(wèn)題的產(chǎn)生。

2.2 裂紋問(wèn)題的技術(shù)解決

裂紋問(wèn)題對(duì)于封頭部件所產(chǎn)生的危害較大，如果壓力容器在使用過(guò)程中，封頭部件裂紋處所產(chǎn)生的應(yīng)力值難以承受罐體設(shè)備內(nèi)部的壓力值時(shí)，將使封頭部件沿著裂紋處產(chǎn)生損毀的現(xiàn)象，罐體爆炸將對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重危害。考慮到裂紋產(chǎn)生的原因，需采用多類別的操作舉措，排除裂紋問(wèn)題。針對(duì)封頭部件直邊位置所產(chǎn)生裂紋來(lái)講，需通過(guò)旋邊速度或壓力的控制，對(duì)材料加工形式進(jìn)行管控，這樣便可有效將材料加工參數(shù)約束在可控范圍內(nèi)，保證封頭部件所產(chǎn)生的應(yīng)力值符合整體壓塑需求。在對(duì)切割工藝進(jìn)行控制時(shí)，需對(duì)材料邊口處進(jìn)行打磨處理，特別是對(duì)彎角過(guò)渡區(qū)域，通過(guò)參數(shù)系數(shù)的測(cè)定，保證材料加工面的參數(shù)符合待加工需求，以避免出現(xiàn)端口裂紋的現(xiàn)象。在對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行處理時(shí)，由于焊縫位置的參數(shù)值呈現(xiàn)出較大變動(dòng)特性，為避免外部作用力、內(nèi)部應(yīng)力對(duì)焊縫連接處造成沖擊影響，必須針對(duì)部件承載壓力，設(shè)定嚴(yán)格的焊接工藝系數(shù)，且在實(shí)際焊接時(shí)，必須保證勻速狀態(tài)，放慢冷卻速度，以此來(lái)提高焊縫位置的穩(wěn)定性，一般來(lái)講，針對(duì)封頭部件的精細(xì)焊化處理，需采用小電流逐層焊接工藝，將焊縫中心所受到的集中應(yīng)力進(jìn)行分散，避免中心產(chǎn)生裂紋分化效應(yīng)。同時(shí)，應(yīng)防止焊接過(guò)程產(chǎn)生咬邊現(xiàn)象，及時(shí)清理焊渣，并對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行二次熱處理。

2.3 封頭減薄問(wèn)題的技術(shù)解決

封頭減薄問(wèn)題是部件質(zhì)量監(jiān)控的重要環(huán)節(jié)，如果壁厚減薄超標(biāo)，則將造成部件在使用過(guò)程中，內(nèi)部應(yīng)力值小于系統(tǒng)設(shè)定的基準(zhǔn)值，無(wú)法令容器在固定容積下承載更大的壓力，如果壓力值高于封頭部件的承載值時(shí)，將令部件產(chǎn)生損毀的嚴(yán)重現(xiàn)象。對(duì)于此，在對(duì)部件進(jìn)行整體減薄處理時(shí)，必須考慮到胚料本體的厚度是否滿足待加工需求，即材料在加工過(guò)程中是否留有足夠的厚度供后續(xù)加工使用，如壓邊寬度。此外，必須對(duì)與封頭部件加工相關(guān)聯(lián)的各項(xiàng)工藝進(jìn)行測(cè)定，如壓鼓工藝、開(kāi)裂控制工藝等，工藝執(zhí)行所具備的參數(shù)必須符合封頭設(shè)備制造需求。還需對(duì)操作人員進(jìn)行專業(yè)度分析，保證崗位工作人員具備工藝施行的基本技能與職業(yè)素養(yǎng)等，其可正確對(duì)待崗位工作，以確保承擔(dān)加工的工藝操作不會(huì)因?yàn)槿藶閱?wèn)題而造成工業(yè)生產(chǎn)誤差。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，壓力容器封頭部件的制造對(duì)力學(xué)特性要求度較高，為避免因工藝操作而帶來(lái)的缺陷問(wèn)題，必須從多個(gè)角度分析出產(chǎn)生缺陷問(wèn)題的本質(zhì)原因，然后，采取合適的工藝行為制定出精準(zhǔn)的解決策略，以提高設(shè)備的應(yīng)用性能。期待在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，技術(shù)部門以及管理部門嚴(yán)格把控原材料的應(yīng)用程序，制定出更為精細(xì)的制造方案，從內(nèi)部、外部?jī)煞矫娼鉀Q封頭設(shè)備的缺陷問(wèn)題。