承壓設(shè)備封頭不標注投料厚度的有關(guān)問題分析

(中石化 南京化工機械有限公司,南京 210048)

0 引言

我國壓力容器的設(shè)計與許多發(fā)達國家不同，許多設(shè)計是由設(shè)計院或工程公司完成，由于GB/T 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》[1]中規(guī)定容器元件的名義厚度和最小厚度一般應標注在設(shè)計圖樣上，而在確定容器元件的名義厚度和最小厚度時只考慮板材或管材的厚度負偏差和腐蝕裕量，因此承壓設(shè)備元件在制造過程中的成形減薄量不在設(shè)計的考慮范圍內(nèi)，而由制造單位考慮，造成設(shè)計元件的名義厚度與實際用材的真實厚度不一致，在承壓設(shè)備封頭和熱加工成形的筒節(jié)中更為明顯。這雖然有利于促進制造單位的技術(shù)進步，但在某些情況下會造成對制造時材料的檢驗、焊接工藝評定的選用、無損檢測和焊后熱處理等的要求模糊；甚至在某些特殊情況下造成設(shè)備的安全隱患或安全裕度的下降。

本文以承壓設(shè)備封頭為例討論相關(guān)事項，其分析結(jié)論同樣適用于熱加工成形的筒節(jié)等相同或相似的情況。

1 封頭厚度分布及其影響分析

1.1 封頭成形后的厚度分布

以橢圓形封頭為例分析，按文獻[2]中的介紹，典型的碳鋼橢圓形封頭成形后的厚度分布如圖1所示。GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》附錄J[3]封頭成形厚度減薄率可能比圖1所示更大，但圖1所反映的規(guī)律得到生產(chǎn)實踐證明是正確的，以此為根據(jù)進行分析。

以一個橢圓形封頭為例，其圖紙規(guī)格為：DN2000 mm×25 mm，投料厚度為28 mm。橢圓形封頭大致分為3個區(qū)域：封頭的頂部較小減薄區(qū)、過渡區(qū)小口較大減薄區(qū)、過渡區(qū)大口及直邊段區(qū)。封頭的頂部較小減薄區(qū)域的實際壁厚≥26.9 mm(0.96×28)，封頭過渡區(qū)小口較大減薄區(qū)域的實際壁厚≥25.2 mm(0.90×28)，封頭過渡區(qū)大口及直邊段區(qū)域的壁厚≥27.4 mm(0.98×28)。對GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》[4]規(guī)定的厚度允許偏差為GB/T 709—2006《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》[5]中的B級。GB/T 709—2006中>8～60 mm單軋鋼板的B級厚度允許偏差見表1。

Di-橢圓形封頭內(nèi)徑；t-鋼板投料厚度

表1 單軋鋼板的B級厚度允許偏差 mm

對于投料厚度28 mm、成形后的最小厚度為24.7 mm的封頭，若采用公稱寬度≤1500 mm鋼板,則大部分范圍的封頭實際厚度已超出25 mm鋼板的上限厚度(26.1 mm)；若采用公稱寬度>1500～2500 mm鋼板，大部分范圍的封頭實際厚度也超出25 mm鋼板的上限厚度(26.3 mm)。 因此，對封頭而言，大部分范圍的封頭實際厚度應該認為屬于>25 mm欄。

1.2 材料厚度對強度的影響

已有多篇文獻[7-9]論述了承壓設(shè)備封頭鋼板投料厚度與圖紙的名義厚度分別處于GB/T 150.2—2011中表2、表5中不同厚度欄造成材料許用應力的變化，由于此時鋼板投料厚度對應的許用應力小于圖紙的名義厚度對應的許用應力，甚至造成在特定情況下按鋼板投料厚度對應的許用應力計算封頭需要的最小厚度大于圖紙的名義厚度減鋼板的負偏差，即封頭的最小厚度，因此產(chǎn)生封頭不能滿足GB/T 150.3—2011的強度計算要求。

使用于常溫和高溫工況的封頭，可以采用以下方法處理此問題。對鋼板實際使用的材料性能按材料標準中圖紙名義厚度對應欄的材料性能要求驗收，材料如有高溫拉伸要求，也應按設(shè)計名義厚度對應欄的材料性能要求驗收，如出現(xiàn)彎曲試驗要求跳欄情況，可補加圖紙名義厚度欄要求的彎曲試驗，如合格即可。生產(chǎn)實踐中通常都能滿足上述要求。

這樣，大體上可以認為：投料鋼板是圖紙名義厚度的某一定制的特定正偏差鋼板，其許用應力可取為圖紙名義厚度對應欄的許用應力值，這樣可以避免出現(xiàn)特殊情況下可能存在的不能滿足強度計算要求的問題。但是，相關(guān)的材料沖擊試驗和無損檢測等方面要求的不協(xié)調(diào)性還是存在，詳見后面的分析。

1.3 封頭投料厚度的增加對沖擊性能要求的影響

由于封頭成形減薄量的存在，封頭投料厚度必須增加。封頭投料厚度的增加在一些特定情況下會對沖擊性能的要求產(chǎn)生較大影響。

由于鋼材的不同厚度對其低溫脆斷性能有重要影響，因此各國壓力容器標準中對不同厚度的材料均提出了抵抗低溫脆斷的沖擊要求，中國標準也不例外。GB/T 150.2—2011中表4對鋼板的沖擊試驗和使用溫度下限給出了具體的規(guī)定。其中，Q345R材料鋼板的使用溫度下限如表2所示。

表2 Q345R材料的鋼板的使用溫度下限

對于圖紙規(guī)格為DN2000 mm×25 mm、材料為Q345R的橢圓形封頭，若設(shè)計溫度為-10 ℃，由表2可以看出：對δn=25 mm的Q345R鋼板的沖擊試驗的要求，按GB/T 713—2014[4]中的0 ℃沖擊合格即可。

正如前面的分析，如果將封頭認為是由不同厚度的多段殼體組成，則封頭的各段殼體的實際厚度按表2對應欄，其中有2段應按>25～200 mm欄的規(guī)定;若按GB/T 713—2014中的0 ℃沖擊合格，此時其使用溫度下限應為0 ℃，不能滿足設(shè)計溫度-10 ℃的要求。當然，GB/T 150.2—2011中表4是對鋼板的沖擊試驗和使用溫度下限的要求，更應按鋼板的投料厚度δ=28 mm相應欄的要求確定此時封頭用材的使用溫度下限，即為0 ℃，同樣不能滿足設(shè)計溫度-10 ℃要求。對此問題的解決辦法是對鋼板應補充規(guī)定做-20 ℃(或-10 ℃)沖擊試驗要求。若圖紙設(shè)計時未考慮封頭成形減薄帶來的鋼板投料厚度的增加，且沒有對封頭用鋼板提出附加-20 ℃(或-10 ℃)沖擊試驗要求，則會造成一定的安全隱患。

對設(shè)計溫度<-30 ℃工況，對于材料為16MnDR的封頭的圖紙名義厚度≤60 mm，而投料厚度>60 mm時，16MnDR材料已無法滿足GB/T 150.2—2011的要求，需要按GB/T 150.2—2011中表4重新選用其他合適的材料。

1.4 投料厚度對材料狀態(tài)和拉伸試驗要求的影響

GB/T 150.2—2011中第4.1.1 b)條規(guī)定：用于殼體的厚度大于36 mm的Q245R和Q345R，應在正火狀態(tài)下使用。當封頭的圖紙名義厚度≤36 mm，而投料厚度>36 mm時，封頭用Q245R或Q345R鋼板應采用正火狀態(tài)鋼板。當封頭的圖紙名義厚度≤60 mm，而投料厚度>60 mm時，應增加GB/T 150.2—2011中第4.1.5條“碳素鋼和低合金鋼鋼板，應每張熱處理鋼板(熱處理后鋼板被切割成數(shù)張時仍按1張考慮)進行拉伸和V型缺口沖擊試驗”的要求。

1.5 投料厚度對焊接工藝評定的影響

每一個焊接工藝評定[10]都有一定的適用的焊件母材厚度的有效范圍和適用的焊件焊縫金屬厚度的有效范圍。由于封頭的投料厚度與封頭圖紙名義厚度不同，在一些情況下可能存在一個焊接工藝評定能適用于封頭的圖紙名義厚度，卻不能適用于封頭的投料厚度，或者相反的情況。從圖1可看出,對于橢圓形封頭，大部分區(qū)域的實際厚度小于投料厚度，一部分區(qū)域的實際厚度大于投料厚度，但大多數(shù)區(qū)域的實際厚度大于圖紙名義厚度，因此建議以封頭的投料厚度作為決定適用的焊接工藝評定的基準厚度可能更合理。

當然，對于常用材料，許多制造廠會進行多個焊接工藝評定，以達到200 mm以下厚度的全覆蓋。用封頭的投料厚度來決定選用哪一個焊接工藝評定作為編制焊接工藝規(guī)程的依據(jù)應該更合適。

1.6 投料厚度對無損檢測的影響

1.6.1 對鋼板超聲波檢測的影響

GB /T 150.2—2011中表3對一定厚度的鋼板有超聲波檢測要求，如果封頭的圖紙名義厚度對應于不要求超聲波檢測，但投料厚度對應于要求超聲波檢測，原則上應該按投料厚度進行超聲波檢測。對Q245R,Q345R封頭的圖紙名義厚度在>30～36 mm,投料厚度>36 mm情況，鋼板超聲波檢測的合格級別應修正為Ⅱ級。

1.6.2 對焊縫射線檢測和/或超聲波檢測的影響

對封頭的拼接焊縫在選擇像質(zhì)計進行射線檢測時，對于因封頭投料厚度造成跳檔的情況，從合理性來看，應按圖紙名義厚度選擇，以保證厚度較大減薄區(qū)的靈敏度要求。可是由圖1可以看出，封頭的圖紙名義厚度與封頭的實際厚度的最大值相差大約為封頭的直邊增厚+封頭沖壓減薄量。對于較厚封頭，若按封頭的圖紙名義厚度選擇像質(zhì)計，則在封頭的直邊段增厚區(qū)有時難以達到像質(zhì)計的識別要求。

NB/T 47013.1—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第1部分：通用要求》[11]中，公稱厚度定義為檢測對象名義厚度，不考慮材料制造偏差或加工減薄。

在NB/T 47013.2—2015中，像質(zhì)計是按檢測技術(shù)等級和公稱厚度進行選擇，依據(jù)公稱厚度的定義應為封頭投料厚度，所以像質(zhì)計是依據(jù)封頭投料厚度選擇。

同樣，對缺陷的評定，由于計算封頭厚度時是按圖紙名義厚度選擇許用應力，所以按圖紙名義厚度來評定缺陷的合格級別更為合理，這樣處理更能保證設(shè)備的安全性。但是，在NB/T 47013.2—2015中實際上也是以封頭投料厚度來評定。

此外，如筒節(jié)熱成形后，由于加工減薄，實際厚度已不是原先投料厚度，有時有較大的偏差值，此時仍按投料厚度評定，即不符合實際情況，也存在安全隱患。ASME Ⅷ-1 UW-51中也是用除去允許的焊縫余高后的焊縫厚度作為評定任何其他條型顯示長度的依據(jù)[12]。

還存在下述問題：若投料厚度大于GB/T 150.4—2011第10.3.1條的相關(guān)條款的厚度(如：f)設(shè)計溫度低于-40 ℃的或者焊接接頭厚度大于25 mm低溫容器；g)奧氏體型不銹鋼、碳素鋼、Q345R、Q370R及其配套鍛件的焊接接頭厚度大于30 mm者；h)18MnMoNbR,13MnNiMoR,12MnNiVR及其配套鍛件的焊接接頭厚度大于20 mm者；i)15CrMoR,14Cr1MoR,08Ni3DR、奧氏體-鐵素體型不銹鋼及其配套鍛件的焊接接頭厚度大于16 mm者)，應按標準要求對該元件焊接接頭進行100%射線或超聲波檢測，合格級別按全部檢測的要求(即合格級別為Ⅱ級)。對于總的技術(shù)要求為局部射線或超聲波檢測的設(shè)備有拼焊焊縫的封頭，因封頭投料厚度造成跳檔的情況分以下兩種情況：(1)先拼焊后成形的封頭，雖然都是100%射線或超聲波檢測，投料厚度大于GB/T 150.4—2011中第10.3.1條的封頭拼縫的合格級應為Ⅱ級，而不是Ⅲ級；(2)先成形后拼焊的封頭，投料厚度大于GB/T 150.4—2011中第10.3.1條的封頭拼縫必須100%射線或超聲波檢測，而不是局部射線或超聲波檢測，合格級也應為Ⅱ級，更不是Ⅲ級。

由此可見，對封頭來說存在按安全性要求選擇的評定厚度(圖紙名義厚度)與無損檢測操作時的評定厚度(一般為封頭投料厚度)之間的不一致問題。由于GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》中有封頭成形減薄率的參考數(shù)據(jù)，因此，可以采用以下方法解決上述問題：在設(shè)計圖紙中同時標注包括成形減薄量在內(nèi)的名義厚度和最小厚度，制造廠的投料厚度可以小于等于圖紙標注的、包括成形減薄量的名義厚度，只要保證封頭成形后的實測最小厚度大于等于圖紙標注的最小厚度，即為合格。這樣可以使得設(shè)計計算中選擇的許用應力時的公稱厚度與無損檢測時評定的缺陷的合格級別的公稱厚度一致，也可避免由于鋼板厚度因素需要焊接接頭進行100%射線或超聲波檢測(包括合格級別的差異)但被疏忽的問題。但對筒節(jié)熱成形后造成整個焊縫厚度變薄的情況，按除去允許的焊縫余高后的焊縫厚度作為評定任何其他條型顯示長度的依據(jù)。

1.7 投料厚度對熱處理的影響

1.7.1 投料厚度對成形受壓元件的恢復性能熱處理的影響

GB/T 150.4—2011中第8.1.1條要求對碳鋼、低合金鋼，成形前厚度大于16 mm者，應于冷成形后進行恢復性能熱處理。對圖紙名義厚度≤16 mm的封頭，若其他條件均不要求進行恢復性能熱處理，正常情況下，圖紙可能不會提出對冷成形封頭進行恢復性能熱處理的要求，但此時因為封頭投料厚度>16 mm，所以必須進行恢復性能熱處理，同時還應按GB/T 150.4—2011中第8.2.1 c)條要求制備母材熱處理試件。

1.7.2 投料厚度對焊后熱處理的影響

GB/T 150.4—2011中表5要求：對不同材質(zhì)，相應厚度大于一定值就應進行焊后熱處理。在圖紙名義厚度不大于GB/T 150.4—2011中表5要求焊后熱處理的厚度，且設(shè)備其他部分也不需要焊后熱處理時，由于封頭投料厚度超過GB/T 150.4—2011中表5要求焊后熱處理的厚度，此時封頭若有拼縫，封頭上有較大范圍的焊接接頭實際厚度大于要求焊后熱處理的厚度，所以應進行焊后熱處理。

對于GB/T 150.3—2011附錄D圖D.12 b)所示內(nèi)封頭結(jié)構(gòu)，由于焊接接頭厚度為圓筒和封頭厚度的大者，所以，當封頭投料厚度超過GB/T 150.4—2011中表5要求焊后熱處理的厚度時，需要對封頭與圓筒焊接接頭進行焊后熱處理。

在決定焊后熱處理制度時，如果是由封頭厚度控制，則以封頭的投料厚度作為基準為宜。既能保證封頭焊后熱處理的質(zhì)量；又解決封頭的實際厚度連續(xù)變化且非恒定量關(guān)系的影響，簡化工作流程。

2 建議及結(jié)論

從上述分析可看出，在制造承壓設(shè)備元件(封頭)時，對于因投料厚度的增加而產(chǎn)生的影響要全面考慮，在特殊情況下需要做補充檢驗和更嚴格的無損檢測，必要時還需要進行焊后熱處理，甚至需要重新選擇材料。而現(xiàn)行GB/T 150.1～4—2011的方法很難解決此問題。

當然如果在設(shè)計時就考慮封頭投料厚度的要求，則可避免出現(xiàn)質(zhì)量問題或造成安全裕度的下降。

鑒于GB/T 25198—2010中有封頭成形減薄率的參考數(shù)據(jù)，實際制造廠也是大多如此。因此，可以采用以下方法解決上述問題。在設(shè)計圖紙中同時標注包括成形減薄量在內(nèi)的名義厚度和最小厚度(即：圖紙名義厚度取計算厚度+鋼板負偏差+腐蝕裕量+成形減薄量后的圓整值)，制造廠的投料厚度可以小于等于圖紙標注的名義厚度，只要保證封頭成形后的實測最小厚度大于等于圖紙標注的最小厚度，即為合格(封頭的無損檢測評定厚度按制造廠的投料厚度)。對極其特殊情況下，由于制造廠投料厚度的減小，可變更技術(shù)要求的情況，由制造廠向設(shè)計部門申請，獲得批準后方可修改，這樣處理后，由設(shè)計部門考慮封頭成形減薄量，可解決上述各種問題，更能全面保證設(shè)備的安全性，防止安全隱患，同時也不會妨礙制造廠的技術(shù)進步。