小直徑厚壁球形容器的制造技術(shù)研究

李 祺，馬秀清，張 崢，徐 成，魏業(yè)奇

(1. 上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518； 2. 機(jī)械工業(yè)上海藍(lán)亞石化設(shè)備檢測所有限公司，上海 201518)

在國內(nèi)壓力容器事故中，相當(dāng)多的事故與焊縫的焊接質(zhì)量有關(guān)。壓力容器設(shè)計(jì)和制造時，應(yīng)根據(jù)壓力高低、介質(zhì)特性、是否低溫以及交變載荷與疲勞破壞問題等來選擇合理的焊接結(jié)構(gòu)。為了保證壓力容器焊縫質(zhì)量，焊縫常采用全熔透結(jié)構(gòu)。壓力容器焊縫表面不得有表面裂紋、未焊透、未熔合、夾渣、表面氣孔、弧坑、咬邊、未填滿和肉眼可見的缺陷；焊縫與母材應(yīng)圓滑過渡；角焊縫的外形應(yīng)當(dāng)凹形圓滑過渡；采用疲勞分析設(shè)計(jì)的壓力容器，應(yīng)當(dāng)去除縱、環(huán)焊縫的余高，使焊縫表面與母材齊平【1-2】。

焊縫表面裂紋具有擴(kuò)展性，在一定的工作條件下，會不斷長大，直至金屬產(chǎn)生斷裂；焊縫未焊透和未熔合會降低焊接接頭的機(jī)械強(qiáng)度，在未焊透和未熔合處端部容易形成應(yīng)力集中點(diǎn)，導(dǎo)致焊縫在承受載荷時開裂；夾渣和氣孔破壞了金屬的致密性，減小了焊縫金屬的有效截面積，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度降低；焊縫余高過高及焊瘤常引起應(yīng)力集中，在交變載荷作用下容易誘發(fā)焊縫脆性破壞和疲勞破壞。

因此壓力容器在焊接制造過程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，盡量避免焊縫表面和內(nèi)部產(chǎn)生各種缺陷，對于承受交變載荷的容器，還應(yīng)嚴(yán)格控制材料表面的形狀突變，減緩應(yīng)力集中的程度，防止產(chǎn)生疲勞破壞。

對于殼體和接管直徑都較小的容器，由于焊接操作空間受限，焊縫成形不易控制，表面不易修磨，因此焊接質(zhì)量不易保證。通過編制合理的制造工藝方案，合理安排焊接順序，對接管與殼體角焊縫采用氬弧焊打底、焊條電弧焊填充和蓋面的焊接工藝，保證焊縫單面焊接雙面成形，同時采用機(jī)加工工裝對焊縫背面產(chǎn)生的焊瘤及焊縫余高進(jìn)行切削去除，實(shí)現(xiàn)了小直徑厚壁高壓球形容器的焊接制造，保證了產(chǎn)品焊縫外觀質(zhì)量，可為小直徑厚壁高壓球形容器的焊接制造提供參考。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù)及制造難點(diǎn)

我公司為國內(nèi)某石化公司制造的壓縮機(jī)二級排氣緩沖器外形為球形結(jié)構(gòu)， 按照J(rèn)B/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》【3】進(jìn)行疲勞分析設(shè)計(jì)。正常操作運(yùn)行時持續(xù)不斷的充氣和排氣使該容器需要承受交變載荷的作用， 因此焊縫表面不允許存在焊瘤及焊縫余高， 以免引起應(yīng)力集中。容器儲存介質(zhì)為CH4等， 設(shè)計(jì)溫度為180 ℃， 殼體材料為Q345R， 設(shè)計(jì)壓力為37 MPa， 水壓試驗(yàn)壓力為59.1 MPa； 殼體內(nèi)徑為φ750 mm， 厚度為70 mm； 殼體表面有5個接管， 其尺寸和壁厚見表1。二級排氣緩沖器外觀見圖1。

此臺容器制造難點(diǎn)主要為：

1) 殼體直徑較小且壁厚大，表面無代替人孔的接管孔，內(nèi)部操作空間較小，不具備在殼體內(nèi)部焊接的條件，使得殼體對接焊縫和接管角焊縫無法采用雙面焊接進(jìn)行操作。

表1 容器接管尺寸及接管壁厚 單位：mm

圖1 二級排氣緩沖器

2) 焊縫表面質(zhì)量要求高，不能保留焊縫余高，但焊接成形后，殼體內(nèi)部焊縫表面檢查和補(bǔ)焊修磨等操作受限，表面成形質(zhì)量不易保證。

2 制造工藝方案的選擇

1) 設(shè)備殼體采用2個球形封頭拼接成形，即先將鋼板壓制成2個內(nèi)徑為φ750 mm的球形封頭，然后將其組對在一起并點(diǎn)焊牢固，使之形成球形殼體。

2) 按照圖紙給定的接管位置對殼體進(jìn)行劃線開孔。在選定接管位置時應(yīng)注意合理布局，使各接管開孔位置避開殼體拼接焊縫。先組裝b、c、d、e 4個接管，并按照焊接工藝對接管和殼體的角焊縫進(jìn)行焊接。接管a開孔后預(yù)留為檢查殼體內(nèi)部焊縫的檢查孔，因此對接管a暫時只進(jìn)行劃線開孔，但不組裝接管。

3) 對2個封頭的對接位置進(jìn)行標(biāo)記后,去除2個封頭之間的點(diǎn)焊點(diǎn)，并將坡口點(diǎn)焊處打磨干凈。對b、c、d、e 4個接管與殼體的角焊縫正面和背面進(jìn)行目視檢查和磁粉檢測，并對接管d與殼體的角焊縫進(jìn)行超聲檢測，修磨和補(bǔ)焊焊縫外觀成形較差處，保證焊縫表面及內(nèi)部無超標(biāo)缺陷。

4) 依據(jù)封頭標(biāo)記位置重新組對殼體，并按照焊接工藝焊接殼體環(huán)縫，焊后通過接管a開孔檢查2個封頭對接環(huán)縫內(nèi)表面的焊縫外觀質(zhì)量。對殼體環(huán)縫內(nèi)、外表面的飛濺及焊瘤進(jìn)行修磨處理，并對焊縫咬邊處進(jìn)行補(bǔ)焊和修磨過渡，保證焊縫內(nèi)、外表面無超標(biāo)缺陷。然后對環(huán)縫進(jìn)行射線檢測和超聲檢測。

5) 按照焊接工藝焊接接管a與殼體角焊縫， 組裝時增大接管與殼體間隙， 保證焊縫全焊透。焊后采用內(nèi)窺鏡檢查殼體內(nèi)接管a角焊縫外觀質(zhì)量， 并將焊縫全熔透形成的焊瘤和余高采用機(jī)加工方法去除。最后對接管a角焊縫進(jìn)行無損檢測。

6) 設(shè)備安裝并焊接附件后，入爐進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理，最后按照GB/T 150.1～150.4—2011《壓力容器》進(jìn)行水壓試驗(yàn)，檢查焊縫及殼體的耐壓情況。水壓試驗(yàn)檢查合格后，再次對焊縫外表面進(jìn)行超聲檢測；超聲檢測合格后，對設(shè)備進(jìn)行噴砂除銹和噴涂油漆。

3 焊接工藝的制定

對于殼體直徑較大且有人孔的容器，其接管與殼體角焊縫采用雙面焊接較為方便，焊縫正面焊接后，再在背面進(jìn)行清根焊接，能夠保證焊縫質(zhì)量。但是當(dāng)容器直徑較小時，焊工焊接操作條件受限，無法從殼體內(nèi)部進(jìn)行清根焊接，因此應(yīng)當(dāng)選用單面焊接雙面成形的焊接結(jié)構(gòu)形式，例如氬弧焊打底或帶墊板的坡口等形式。根據(jù)此臺產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，殼體對接焊縫采用氬弧焊打底、手工電弧焊填充、埋弧焊蓋面的焊接方法；接管a與殼體的角接焊縫采用氬弧焊打底、手工電弧焊填充和蓋面的方式進(jìn)行焊接。

焊接工藝見表2和表3。

表2 封頭對接焊縫焊接工藝

表3 接管與殼體角焊縫焊接工藝

4 焊接質(zhì)量的控制和檢測

1) 嚴(yán)格按照工藝方案制定的工序進(jìn)行制造。封頭壓制成形嚴(yán)格按照GB/T 25198—2011《壓力容器封頭》【4】標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，并且要求封頭的橢圓度小于2 mm，避免封頭拼接成球形時出現(xiàn)焊縫錯邊。封頭對接焊縫錯邊量應(yīng)控制在3 mm以內(nèi)。

2) 封頭坡口及接管開孔坡口采用機(jī)加工成形，保證坡口表面干凈；施焊前，清除坡口及兩側(cè)母材表面200 mm范圍內(nèi)的氧化皮、油污、熔渣及其他有害雜質(zhì)。

3) 施焊過程嚴(yán)格按照焊接工藝要求進(jìn)行。焊前采用火焰對坡口周邊200 mm范圍進(jìn)行加熱，預(yù)熱至100 ℃以上再開始進(jìn)行焊接；焊接保護(hù)氣做到提前送氣，滯后停氣。焊接過程中采用測溫槍測量焊縫層間溫度，保證其被控制在100～250 ℃；焊接時注意控制電流和焊接速度。焊接過程采用多層多道焊接，嚴(yán)格控制焊接線能量的輸出。焊縫完全凝固后進(jìn)行清渣，各層各道間將熔渣清理干凈后再焊下一層，有缺陷時，及時處理。焊后對殼體進(jìn)行焊后消應(yīng)力熱處理，熱處理溫度620 ℃，保溫2 h。

4) 焊前和焊后無損檢測要求如下：施焊前坡口表面進(jìn)行100%的MT檢測，Ⅰ級合格。殼體A類焊縫焊后進(jìn)行100%MT和UT檢測，Ⅰ級合格；MT和UT檢測合格后再進(jìn)行100%RT檢測，Ⅱ級合格，質(zhì)量等級AB級。接管與殼體D類焊縫焊后進(jìn)行100%MT檢測，Ⅰ級合格；直徑大于等于80 mm 的接管與殼體角焊縫增加100%UT檢測，Ⅰ級合格。所有無損檢測均按照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測》【5】標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

5) 焊縫周邊及母材表面在制造過程中采用油漆筆進(jìn)行標(biāo)記移植，在焊縫編號圖上記錄施焊焊工鋼印，不在容器表面采用硬印進(jìn)行標(biāo)記。

5 小直徑接管角焊縫機(jī)加工的實(shí)現(xiàn)

產(chǎn)品制造過程中制作了一件L形車刀工裝。車刀與車刀工裝采用垂直方式進(jìn)行連接。車刀工裝夾持在車床夾頭上，其使用示意見圖2。接管與殼體焊縫焊接后，借助內(nèi)窺鏡對焊縫內(nèi)表面進(jìn)行檢查，對檢查發(fā)現(xiàn)的焊縫背部焊瘤及焊縫余高過高等缺陷的位置在殼體外部進(jìn)行標(biāo)記；然后將車刀從接管口伸入殼體，通過調(diào)整車床夾頭位置，將車刀調(diào)整至合適位置，并用內(nèi)窺鏡進(jìn)行位置確認(rèn)；最后啟動車床將焊縫內(nèi)表面的焊瘤及過高的焊肉切削去除。通過不斷調(diào)整車刀位置完成整道焊縫內(nèi)表面多余焊肉的去除，使焊縫表面與殼體母材齊平。焊縫機(jī)加工后表面見圖3。

圖2 接管與殼體焊縫背部機(jī)加工工裝示意

圖3 接管與殼體焊縫背部機(jī)加工后外觀

6 結(jié)語

1) 采用2個壓制球形封頭進(jìn)行小直徑球形容器的制造；

2) 制定合理的制造工藝方案，確保了主體焊縫的對口錯邊量，并有效地控制了容器的焊接變形；

3) 嚴(yán)格控制焊前預(yù)熱溫度、層間溫度及焊接線能量，確定了最佳的焊后熱處理工藝，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品制造過程的全面質(zhì)量控制，保障了產(chǎn)品的長周期安全運(yùn)行；

4) 小直徑接管機(jī)加工工裝的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了小直徑封閉焊縫的背面加工，確保達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并為保證小直徑容器制造質(zhì)量提供了新的質(zhì)量控制手段。