壓力容器制造中的常見質量問題與處理策略

李其偉

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院無錫分院，無錫 214000）

壓力容器在封閉性和安全性等方面具備顯著優勢，廣泛應用于化工和航天等領域。結合實際調研可以發現，近年來壓力容器的種類日漸豐富，但壓力容器制造問題仍較為常見，由此引發的質量問題很可能威脅生產安全。為解決相關問題，本文圍繞壓力容器制造開展了具體的研究。

1 壓力容器制造中的常見質量問題

1.1 材料選擇問題

不同于普通容器，壓力容器制造需應用高安全性和高質量材料，以保證其安全性和綜合質量。但是，結合實際調研發現，部分企業為獲得更高的經濟效益，會選用質量較差和較薄的材料制造壓力容器或擅自改變材料品種。這類行為嚴重影響壓力容器的制造質量和使用性能，大幅增加了相關安全事故的發生幾率[1]。

1.2 制造變形問題

壓力容器制造過程很容易出現變形問題，影響壓力容器的使用性能，造成安全隱患。結合相關研究可以發現，壓力容器制作變形與其復雜的結構、較多的部件焊縫存在直接關聯。在較為集中的應力作用下，焊接后的壓力容器出現變形的幾率較大。此外，受壓元件的強力對接也可能引發制造變形問題[2]。

1.3 焊接質量問題

壓力容器制造中焊接屬于必要工序。壓力容器的制造質量直接受焊接技術水平的影響，如焊接過程中焊接人員未能嚴格遵循技術規范要求，或具體焊接過程存在電流大小控制不準確情況，導致焊接部位承受強度能力將出現顯著下降，同時出現較高的安全隱患。存在這類問題的焊接部位往往會很快在腐蝕性工作環境下出現腐蝕現象，進而導致安全事故的發生[3]。

2 壓力容器制造質量問題的處理策略

2.1 嚴格控制原材料質量

壓力容器的制造和使用對安全性要求較高，因此制造前必須做好相應材料的質量把關工作。這一工作需重點關注原材料化學成分和壓力容器壁厚設計合理性。結合實際調研可以發現，部分企業在壓力容器制造中存在私自使用碳鋼替換低合金鋼的問題。碳鋼與低合金鋼幾乎具有相同的機械性能，但由于在抗腐蝕性和焊接性等方面存在不足，使用碳鋼制造的壓力容器很容易在高壓、高溫以及高腐蝕環境下出現損壞而引發安全問題。壓力容器壁厚設計不合理問題帶來的影響也較為深遠。部分企業存在私自增加壓力容器壁厚的情況，會導致制造成本增加和材料浪費，隨之增加焊接負擔。例如，波紋管和膨脹節采用較厚的材料制作，導致壓力容器存在與設計要求不符的剛性，同樣可能引發安全問題。為規避材料相關的壓力容器制造質量問題，企業在原材料的進貨環節需要檢測材料的力學性能和化學性能，并保證原材料的選用完全遵循設計要求，有效規避原材料不合格引發的質量問題。此外，需要開展精準計算與合理設計，以保證壓力容器的壁厚和強度滿足要求，并設法降低壓力容器質量，從而降低制造、安裝以及焊接成本，提升企業的經濟收益[4]。

2.2 科學規范技術流程

壓力容器制造過程很容易出現變形問題。解決這類問題可從規范技術流程入手，如保證相關人員的具體操作嚴格遵循程序要求，同時實時監督壓力容器制造過程中的各種情況。設計時考慮壓力容器生產中可能出現的各類誤差，如考慮冷模具的熱脹和熱模具的冷縮，從而規避變形引發的計算誤差。熱加工程序在壓力容器制造中較為常見，其中巨大強制力會產生內應力，從而增加壓力容器裂縫和變形幾率。具體的壓力容器制造需要設法消除內應力，同時需嚴格控制處理階段的溫度。為隔絕火焰溫度，優化熱處理，可在爐壁火焰噴嘴位置設置擋火墻。外殼厚度不足的壓力容器，其內部厚度需適當強化，以保證內部環境的穩定。

2.3 強化焊接工序控制

焊接工序屬于壓力容器制造的關鍵環節。作為最常見的制造工序，焊接工序對質量的影響極為深遠。焊接操作需要得到合格焊接工藝和高資質焊工的支持。相應焊接工藝設備和材料也直接影響焊接質量。焊接前預熱對壓力容器焊接質量有決定性作用。焊接預熱能夠降低焊接后的冷卻速度，且能夠有效減緩淬硬傾向，預防焊接裂紋。在焊接件預熱溫度較低時進行焊接，能夠提高焊接工作效率，但會增加焊接裂紋出現的幾率。這種情況下焊接人員需刨除焊縫重新焊接，不僅浪費時間和材料，還影響了整體的生產進度。因此，必須保證焊工認識到焊接預熱的重要性，輔以適當的培訓和技術交底，積極引進新型焊接工藝和設備，同時嚴格檢查焊接質量，從而為提高壓力容器制造質量提供支持。壓力容器焊接質量檢查中，需及時發現和消除安全隱患。此外，要做好良焊縫返修工作，以壓縮制造成本，同時保證制造質量[5]。

3 實例分析

3.1 材料選擇

為提升研究的實踐價值，本文以某企業生產的異形冷卻器作為研究對象。該異形冷卻器由不銹鋼板殼體（δ6 mm）和6組不銹鋼管束組成，采用的不銹鋼材料均為S30408，其電阻率、密度、抗拉強度、延伸率分別為0.73 Ω·mm2·m-1、7.93 kg·dm-3、520 MPa、40%。

3.2 外形結構分析

圖1為案例異形冷卻器結構示意圖?；谠O計結構要求，相較于傳統碳鋼換熱器，案例異形冷卻器無需優先開展客體組焊和管束安裝，而是按照先局部后整體、先零件后部件、先加固再施焊的順序，由里到外、先下后上開展小坡口小電流的異形冷卻器制造。這一壓力容器制造具備較高的特殊性和借鑒價值。

圖1 異形冷卻器示意圖

3.3 殼體制造要點

在異形冷卻器的殼體制造環節，需先加工天圓地方零件。天圓地方展開料尺寸需結合設計圖紙開展模擬計算。為得到尺寸方便組裝的圓形口部，需要留出高度余量在圓形口部處，具體為10～20 mm。同時，設計拼接焊縫2道于零部件兩側，且在加工焊接零件完成后需要去除口部余量。在加工方型法蘭的過程中，方型法蘭存在28 mm的厚度。相較于碳鋼，不銹鋼存在大出40%的線膨脹系數，受到溫度升高的影響，存在不斷提升的線膨脹系數值。此外，不銹鋼存在碳鋼1/3的導熱率和5倍于碳鋼的電阻率，使得焊接過程中的不銹鋼很容易出現變形問題。因此，方型法蘭加工基于設計圖紙要求采用如圖2所示的設計。

圖2 方型法蘭設計示意圖

基于圖2設計的結構及坡口，利用帶90°拐角結構的下料短邊，開展不留間隙的對接部位處理，可有效規避焊接變形過大問題。在具體焊接過程中，采用E308-16規格的焊條，基于12～15 cm·min-1控制焊接速度，層間溫度需控制在150 ℃以內。焊接時采用平臺螺栓或弓形卡在平臺上固定法蘭，上面一層焊完后進行翻面焊接。為增加焊層需要反復翻面，下一層焊接需要在上一層拼縫處冷卻后進行。焊接過程不允許施焊，需要對稱施焊，以控制法蘭變形。方型法蘭采用銑床加工螺栓孔臺階，按照2 mm留出密封面余量。法蘭密封面加工需要在組焊方型筒節后進行。在加工側板的過程中，尺寸拼料計算需結合如圖3所示的設計圖紙進行。在焊縫拼接環節，為規避焊接變形問題，焊接前需開展多點定位，適當預留反向焊接變形量，保證存在最大1.5 mm的對口錯邊量。具體采用氬弧焊打底焊接方法，焊條電弧焊蓋面，焊條、焊絲分別選擇Φ2.0 mm的E308-16和S308，層間溫度需保證不超過150 ℃。焊接速度需分別控制為8～12 cm·min-1、12～15 cm·min-1。側板拼接焊縫需通過100RT檢測，方形孔及半圓孔需基于工藝文件尺寸開設，方型法蘭及側板內隔板在開孔后組焊。

圖3 設備側板示意圖

需基于設計圖紙要求嚴格開展管束的組裝、焊接以及檢驗，特別關注存在5°夾角的下集箱和上集箱。通過制圖軟件模擬換熱管長度、上下集箱開孔尺寸及方位。逐件配換熱管管長應基于定位后實測尺寸開展，通過去除端頭余量、制管頭相貫線，保證筒體內換熱管伸出2 mm長度。沿中心線將上、下集箱割開，上、下集箱管頭與換熱管焊接合格后，將上、下集箱半管組焊為整管并開展針對性的無損檢測。打壓合格后的單獨管束，方可開展總裝。具體開始前需要酸洗，鈍化處理各零部件組件內表面。具體組裝過程需按照由里至外、由下至上的順序開展。

4 結語

壓力容器制造會受到多方面因素的影響，因此需嚴格控制原材料質量，科學規范技術流程、強化焊接工序控制以及殼體制造，以提供可行性較高的壓力容器制造質量控制路徑。此外，為更好地保證壓力容器制造質量，相關人員應重視PDCA循環管理法的引入、無損檢驗的有序開展以及新型材料與技術的科學應用。