不銹鋼封頭成形技術難點

王立昆，付太永，程 鵬

(1.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司)，黑龍江 哈爾濱 150046；2.哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 概述

不銹鋼封頭冷旋壓工藝廣泛應用于壓力容器行業[1]，隨著核電項目快速發展，核電二三級不銹鋼壓力容器也越來越多。本文結合不銹鋼封頭成形過程中制造技術要求，對制造過程中封頭下料、坡口加工、冷旋壓、成形工藝評定、酸洗、拋光等關鍵工序和難點進行介紹。

1 封頭技術規格尺寸及技術要求

1.1 封頭規格尺寸

封頭直徑：DN=2 100 mm橢圓封頭；

厚度：δ=5 mm;

材質：022Cr19Ni10奧氏體不銹鋼。

1.2 技術要求

封頭成形后除滿足圖紙要求外，還應滿足以下要求：

1)圓度：封頭圓度應不大于0.5%DN，且不大于5 mm；

2)內徑公差：±2 mm，周長公差：±6 mm；

3) 表面粗糙度：Ra0.8 μm。

1.3 封頭的制造標準

封頭制造需要滿足NB/T 20001-2013《壓水堆核電廠核島機械設備制造規范》的要求，成形及形狀公差等相關要求需要符合標準中的規定。

2 薄壁不銹鋼旋壓成形過程及技術難點

該薄壁不銹鋼封頭采用冷旋壓成形，工藝流程如下：材料復驗→封頭下料→拼接坡口加工→封頭縱縫拼焊→校正→無損探傷→打鼓→預切邊→旋壓翻邊→切邊→尺寸測量檢測→坡口加工→開孔→酸洗→拋光

2.1 坡口制備

封頭下料可采用數控等離子、激光切割、水刀等方式。拼接坡口最好采用刨床、銑床、水刀等冷加工方式，坡口兩側邊緣應該平齊，特別是對于5 mm以下薄壁板刨邊時，需要裝卡平整，減少吃刀量，優化加工參數，避免刀具扎進母材中造成坡口損傷的問題。

2.2 封頭拼接

封頭展開尺寸較大時需要對鋼板進行拼接(詳見圖1)，由于不銹鋼導熱系數小，所以不銹鋼焊接熱變形較大。所以在焊接前制定防變形措施，首先將不銹鋼板在專用平臺找平，根據經驗采取一定量的反變形措施，然后采用手工氬弧小電流進行焊接，焊接的同時可在焊縫背部使用水冷裝置進行噴水，加快焊接冷卻速度以減少焊接變形。焊接完成后進行檢查尺寸，必要時可采用機械壓力機通過局部點校或支墊進行校正，另外在校正過程中需要對不銹鋼進行清潔防護，避免鐵離子污染。

圖1 封頭板拼接圖

2.3 封頭旋壓

旋壓工序一般包括打鼓和翻邊2個步驟，首先使用打鼓機將封頭底面成形，然后再使用旋壓機進行翻邊。

打鼓就是用打鼓機將封頭壓成具有某一半徑的球面(詳見圖2)。首先核對封頭圓板胚料尺寸，根據封頭尺寸換上對應的模具；打鼓前將上下模具工作面上的油污、毛刺及其他硬物清理干凈，不得有凸起和凹陷，并將拼接焊縫磨平；打鼓過程中設備的旋轉輪帶動封頭圓板進行旋轉，按照一定順序壓制，可先預壓再精找正打鼓成形，壓制過程中使用樣板測量檢驗，局部尺寸不合適的地方再用打鼓機局部點壓，根據工件變形情況調整壓力，測量封頭厚度及弧長，直到符合尺寸要求。

圖2 封頭打鼓圖

打鼓合格后再進行旋壓翻邊，由內成形輪控制封頭折邊部分的半徑R(詳見圖3)。首先根據封頭的直徑尺寸選擇對應的上下模具，裝卡封頭，保證封頭的中心和設備底座中心重合，在旋壓過程中使用樣板檢測翻邊尺寸R。在選用工裝輪的過程中，需要考慮材料厚度和材料反彈等情況，選取合適的系數。另外在旋壓過程中也需要根據工件成形情況，進行壓力的調整，但壓力不得過大，否則奧氏體不銹鋼封頭旋壓成形過程中材料奧氏體組織容易向馬氏體的轉變，成形后鐵素體含量也不容易控制。

圖3 封頭旋壓翻邊圖

旋壓時工藝選取的厚度尺寸為6 mm，實際來料厚度是6.4 mm，旋壓后最薄處的厚度為5.5 mm，滿足了圖紙要求。

2.4 封頭環縫坡口制備

封頭坡口可采用車加工和等離子氣割+修磨的方式(詳見圖4)，封頭專業廠家一般采用等離子專用設備，然后再使用坡口研磨機對坡口進行打磨，最終使坡口達到圖紙粗糙度要求。

圖4 坡口打磨圖

2.5 成形工藝評定

奧氏體二三級不銹鋼薄壁容器封頭一般采用冷旋壓成形，成形過程中會使其R區和近直邊部位硬度上升。在NB/T 20001-2013《壓水堆核電廠核島機械設備制造規范》中要求成形后沖壓件應在1 050 ℃～1 150 ℃的溫度下進行固溶處理，對于薄壁封頭成形后進行固溶處理，產品容易變形嚴重。所以一般按照NB/T 20001-2013中附錄A進行成形工藝評定，則受壓件封頭變形率超過10%的冷成形后允許不再進行后續的性能熱處理，封頭變形率見下公式：

容器封頭：A%=(ln(Df / Dp))×100

式中：

Df——坯件直徑，mm；

Dp——零件直徑(成形后),mm。

在NB/T 20001-2013標準中附錄A對成形工藝評定進行了要求，其中封頭成形工藝評定可以覆蓋一定范圍[2]，首先晶間腐蝕試驗各非穩定化奧氏體不銹鋼的材料可使用相同工藝評定，其次鋼板厚度有效覆蓋范圍是0.75 e～(1.25 e+3)(e為試件厚度)， 另外較大的應變的評定可覆蓋較小的應變加工。成形工藝評定對設備、成形方法、熱處理制度、成形車間都需要按規定執行；其中對于冷成形工藝，只要車間成形設備與評定試驗所有設備類型相同，就可以擴展到其它車間。然后進行取樣檢測，評定試驗需要檢測的項目包括成形前、后無損檢測，晶間腐蝕，金相檢驗—組織檢驗—晶粒度等方面。有的制造廠根據測得形變最大區域鐵素體含量大小作為封頭合格與否的標準[3]，從而不進行成形工藝評定或固溶化熱處理。

2.6 清理防護

首先使用不銹鋼專用的鋼絲刷或砂輪片對封頭表面進行機械清理，打磨掉不銹鋼工件表面的毛刺、氧化皮等其他雜物。對于奧氏體不銹鋼焊縫，用不銹鋼專用磨片或砂輪片去除掉焊縫位置的焊渣、焊接飛濺物等，使焊縫位置平滑過渡。當工件有明顯油漬和污垢時，在脫脂前先用堿性除油劑清除油漬和污垢，然后再用無水乙醇或丙酮擦拭除去表面的油垢、潤滑脂、標識等污染物。嚴防工件經受磕、碰、劃傷等機械性損傷，以及鐵離子和其他有害雜質的污染，保持封頭表面干凈(詳見圖5)。

圖5 封頭圖

2.7 酸洗鈍化

酸洗鈍化時，先用攪拌器將酸洗鈍化膏攪拌均勻，使酸洗鈍化膏呈現無色透明的粘稠狀。環境溫度低于20 ℃時，可用熱水對盛放酸洗鈍化膏的塑料桶進行整體預熱。根據工件大小，可采用油漆刷涂覆、噴涂機噴涂等方式。對于小型工件，可用油漆刷浸蘸酸洗鈍化膏，均勻涂覆在工件表面；較大工件可采用噴涂機噴涂，涂覆均勻，效率較高。不易涂覆的拐角、死角等位置，可用油漆刷補涂，不允許有漏涂的地方。然后根據環境溫度，保持足夠時間，用有壓水對工件進行徹底沖洗，沖洗干燥后工件表面應無任何銹蝕、氧化皮、熱影響區著色等污物。然后進行藍點測試，藍點測試應在5 ℃～35 ℃的溫度條件下進行，用秒表進行計時，施涂15秒后溶液無藍色，證明無鐵素體污染。最后進行終沖洗，先采用混有中和劑的水沖洗，至工件表面的流淌水至pH呈堿性；再用潔凈水多次沖洗，至工件表面的流淌水的pH值與潔凈水的pH值一致；后用壓縮空氣吹掃工件表面，使其干燥。

2.8 拋光

有的不銹鋼容器產品要求對內壁或全表面進行拋光處理[4]，拋光也是不銹鋼產品的常見重要工序，由于此臺產品表面不需要拋光處理，所以僅進行簡單闡述。例如有的不銹鋼表面粗糙度達Ra0.8 μm或者更高，通常可使用機械、化學或電化學等方法進行拋光，下面以手工機械拋光為例介紹拋光過程。手工拋光主要分為粗拋和精拋工序，先用Φ400 mm左右80#粒度的砂輪進行粗拋，再用Φ150 mm的120#千葉輪拋一遍；主要是修整表面壓痕、劃痕、封頭沖壓拉痕、氧化層、拼接焊縫表面等較大的表面缺陷，第一遍打磨過程中要求均勻、平滑，力度要適中，特別焊縫及焊縫兩側先打磨與母材平齊，否則后續精磨時不容易將前一道紋路磨掉，大大增加精磨工作量，而且精磨效果不佳，若局部有缺陷需按文件要求補焊后再拋磨，避免局部厚度不滿足產品要求。然后用粒度240#(根據情況也可選用更高目數)千葉輪精拋，打磨上道所產生的所有磨痕，最后使用專用工具+毛氈對表面進行“鏡面”處理(詳見圖6)，直至達到圖紙技術要求。

圖6 拋光后圖

3 結 語

在不銹鋼封頭成形過程中，需要對關鍵點及重點進行控制。首先在產品的技術準備時對相關標準進行對比、消化和理解；在封頭旋壓時需對局部成形厚度以及R 段減薄量進行控制；在酸洗、拋光等特殊工序按照相關技術文件進行嚴格控制；最后在總結和實施過程中仔細對比和學習，收獲良多。