厚壁筒體卷制成型碾長(zhǎng)量的形成原因及工藝優(yōu)化

（青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山東青島266426）

0 前言

加氫反應(yīng)器是石化裝置中的重要設(shè)備之一，由于煉油化工行業(yè)工藝的苛刻性與油品升級(jí)的迫切性，厚壁大直徑容器越來(lái)越多。青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司在壓力容器制造方面，多為板焊式壓力容器，卷板作業(yè)相對(duì)較多，尤其厚壁筒節(jié)工藝過(guò)程復(fù)雜，需要經(jīng)過(guò)多道工序，加之筒節(jié)規(guī)格與材質(zhì)的多樣性，卷板機(jī)智能數(shù)據(jù)獲取與捕捉系統(tǒng)的缺失，對(duì)不同規(guī)格、不同材質(zhì)筒節(jié)卷板碾長(zhǎng)情況的數(shù)據(jù)搜集與分析不夠精細(xì)化，以致卷板作業(yè)過(guò)程中形成筒節(jié)碾長(zhǎng)量，導(dǎo)致成型后的筒體尺寸偏離了標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)要求范圍，對(duì)后續(xù)筒體環(huán)縫組裝、內(nèi)件裝配、表面成形質(zhì)量均造成了一定的影響。本文將同材質(zhì)不同規(guī)格及同規(guī)格不同材質(zhì)兩組筒體作為研究對(duì)象，對(duì)一次卷板、合口、校圓三個(gè)工序的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤分析，研究碾長(zhǎng)量的變化情況，通過(guò)積累數(shù)據(jù)、量化卷制過(guò)程的碾長(zhǎng)量，找準(zhǔn)對(duì)癥工序，在劃線過(guò)程中提前預(yù)減，優(yōu)化卷板工藝，以提高厚壁筒體成型精度。

1 研究對(duì)象

以某項(xiàng)目產(chǎn)品主體厚壁筒節(jié)（厚度大于100 mm、需要二次劃線的筒節(jié)）為研究載體。第一組實(shí)驗(yàn)對(duì)象是同規(guī)格φ3013×192mm，材質(zhì)分別為Q345R（HIC）和12Cr2Mo1R的各10節(jié)筒節(jié)；第二組研究對(duì)象是同材質(zhì)12Cr2Mo1R[1]，規(guī)格分別為φ4 013×120 mm和φ3013×138mm的各10節(jié)筒節(jié)。研究以上兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)象在一次卷板、合口、校圓作業(yè)后筒節(jié)外周長(zhǎng)的變化情況。

1.1 材料基本性能

材料基本性能如表1～表4所示。

表1 Q345R（HIC）化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)范圍及實(shí)測(cè)值 %

表2 Q345R（HIC）力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)范圍及實(shí)測(cè)值

表3 12Cr2Mo1R化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)范圍及實(shí)測(cè)值 %

表4 12Cr2Mo1R力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)范圍及實(shí)測(cè)值

1.2 卷板機(jī)性能簡(jiǎn)介

目前各大公司制造企業(yè)的卷板機(jī)大多采用全液壓三輥或四輥卷板機(jī)[2]，對(duì)于卷板機(jī)參數(shù)而言，上輥的直徑、上輥的下壓力[3]、上輥的有效長(zhǎng)度決定了卷板機(jī)的能力。卷板機(jī)的主要參數(shù)如表5所示。

表5 卷板機(jī)的主要參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)采集方式

根據(jù)鋼板在卷制[2]時(shí)中性層位置不變這一原理，一次劃線時(shí)將劃線尺寸引線至板厚方向，二次劃線時(shí)根據(jù)筒體直徑計(jì)算筒體外周長(zhǎng)，并使用同等的測(cè)量工具（盤(pán)尺、圍盤(pán)）測(cè)量一次劃線引線至筒體外側(cè)的基準(zhǔn)實(shí)際外弧長(zhǎng)，通過(guò)對(duì)比卷板前后的外周長(zhǎng)差值得出此筒體卷制成型后的碾長(zhǎng)量。同時(shí)，考慮合口、校圓過(guò)程中外周長(zhǎng)的整體變化，分別收集筒節(jié)在合口、校圓過(guò)程后的數(shù)據(jù)，如圖1、圖2所示。

圖1 數(shù)據(jù)測(cè)量方式

圖2 數(shù)據(jù)標(biāo)記位置

（1）確定數(shù)據(jù)收集三個(gè)階段：①二次號(hào)料；②合口后；③校圓后。

（2）數(shù)據(jù)測(cè)量的三個(gè)位置：①A端口；②中間部位；③B端口。

（3）數(shù)據(jù)測(cè)量具體位置：距離筒節(jié)端口120 mm位置。

（4）數(shù)據(jù)測(cè)量注意事項(xiàng)：①測(cè)量時(shí)，在筒體兩端備注A、B兩個(gè)端口，做到數(shù)據(jù)的有效對(duì)應(yīng)；②對(duì)于同一臺(tái)產(chǎn)品所有測(cè)量數(shù)據(jù)外部條件盡可能一致。

2 研究過(guò)程及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.1 第一組實(shí)驗(yàn)對(duì)象

以相同直徑及厚度（φ3 013×192 mm）材質(zhì)分別為Q345R（HIC）和12Cr2Mo1R的各10節(jié)筒體測(cè)量數(shù)據(jù)為例，跟蹤統(tǒng)計(jì)碾長(zhǎng)量及平均值如表6～表7所示。

由表6和表7可知，直徑及厚度相同、材質(zhì)不同的筒體在卷制過(guò)程中，Q345R（HIC）筒體碾長(zhǎng)量平均值大于12Cr2Mo1R。這是因?yàn)镼345R（HIC）的其塑性指標(biāo)延伸率及斷面收縮率均高于12Cr2Mo1R，材料塑韌性良好，在筒體卷制過(guò)程中受壓力作用，材料塑性越好越容易碾長(zhǎng)，尺寸超差也就越大，對(duì)筒體成型精度的影響就越大。

表6 Q345R（HIC）碾長(zhǎng)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及平均值（φ3 013×192）

表7 12CrMo1R碾長(zhǎng)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及平均值（φ3 013×192）

2.2 第二組實(shí)驗(yàn)對(duì)象

以相同材質(zhì)12Cr2Mo1R，規(guī)格分別為φ4 013×120mm和φ3013×138mm的各10節(jié)筒體測(cè)量數(shù)據(jù)為例，跟蹤統(tǒng)計(jì)碾長(zhǎng)量及平均值分別如表8、表9所示。

表8 12CrMo1R筒體碾長(zhǎng)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及平均值（φ4 013×120）

表9 12CrMo1R筒體碾長(zhǎng)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及平均值（φ3013×138）

由表8、表9可知，相同材質(zhì)的筒體在相同卷制工藝過(guò)程中，T3筒體直徑大于T4筒體，碾長(zhǎng)量明顯小于T4筒體。相同直徑的T2筒體與T4筒體，T4筒體厚度小于T2筒體，碾長(zhǎng)量明顯小于T2筒體。由此可知，筒體厚度越大，直徑越小，在卷制過(guò)程中受到的壓力越大[4]，導(dǎo)致尺寸變化越大，對(duì)成形精度的影響越大，筒體厚度與直徑的比值即厚徑比是影響筒體碾長(zhǎng)量形成的重要因素。

2.3 階段性數(shù)據(jù)的整理

對(duì)材質(zhì)為12Cr2Mo1R、規(guī)格為φ3013×192mm的T2筒體在卷板、合口、校圓后進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，其各階段碾長(zhǎng)規(guī)律如圖3～圖5所示，三序后綜合碾長(zhǎng)量結(jié)果如表10所示。

由圖3～圖5可知，T2筒體在一次卷板卷板過(guò)程中的碾長(zhǎng)量為28.7 mm，在合口過(guò)程中的平均碾長(zhǎng)量為31.2 mm，在校圓過(guò)程中外周長(zhǎng)為收縮狀態(tài)，平均碾長(zhǎng)量為-16.1 mm。

圖3 一次卷板過(guò)程碾長(zhǎng)量變化

圖4 合口過(guò)程碾長(zhǎng)量變化

圖5 校圓過(guò)程碾長(zhǎng)量變化

計(jì)算可得，T2筒體在卷板過(guò)程中的碾長(zhǎng)率為28.7/192×100%=14.94%，合口過(guò)程中的碾長(zhǎng)率為31.2/192×100%=16.25%，校圓過(guò)程中的碾長(zhǎng)率為-16.1/192×100%=-8.38%，三序過(guò)程中綜合碾長(zhǎng)率為44.8/192×100%=23.33%，三序綜合碾長(zhǎng)量平均值為44.8 mm，在二次劃線時(shí)理論計(jì)算的外周長(zhǎng)減去44.8 mm。成型后筒節(jié)幾何尺寸：外周長(zhǎng)偏差45mm，圓度最大4mm，焊縫最大棱角度2 mm，直線度小于等于0.5 mm/m，對(duì)口錯(cuò)邊量3mm，以上數(shù)據(jù)均達(dá)到或高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[5]，滿足圖紙及技術(shù)條件要求。

表10 三序綜合碾長(zhǎng)量 mm

通過(guò)以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析可知，控制筒體成型過(guò)程碾長(zhǎng)量并在二次號(hào)料時(shí)減去綜合碾長(zhǎng)量，能有效控制筒節(jié)成型尺寸偏差，減小環(huán)縫組對(duì)錯(cuò)變量，提高厚壁筒節(jié)的成型精度。

外周長(zhǎng)號(hào)線的計(jì)算公式[6]

式中 Di為筒體的實(shí)際外徑（單位：mm）；b為圖紙要求坡口尺寸（單位：mm）；L為筒體的下料長(zhǎng)度（單位：mm）；ΔL為筒體的經(jīng)驗(yàn)?zāi)腴L(zhǎng)量（單位：mm），ΔL與筒體規(guī)格、卷制溫度及材料等因素有關(guān)，根據(jù)制造經(jīng)驗(yàn)，ΔL為10～15 mm較為準(zhǔn)確。焊縫預(yù)留量為20 mm。

3 工藝優(yōu)化

（1）對(duì)塑性較好的材料，對(duì)常用材質(zhì)進(jìn)行分類，針對(duì)不同材質(zhì)跟蹤收集碾長(zhǎng)量數(shù)據(jù)，根據(jù)總結(jié)的數(shù)據(jù)在劃線工序直接減掉綜合碾長(zhǎng)量。

（2）對(duì)厚徑比大的筒體，根據(jù)目前常用厚度及直徑，劃分厚徑比區(qū)間模塊，跟蹤收集區(qū)間內(nèi)的碾長(zhǎng)量數(shù)據(jù)，根據(jù)總結(jié)的數(shù)據(jù)在劃線工序直接減掉碾長(zhǎng)量。

4 結(jié)論

（1）排除鋼板卷制時(shí)的受力大小、卷制溫度、卷制時(shí)間、壓弧方法、卷板機(jī)的速度、操作工技能等非重要因素，得出材料塑性和筒體的厚徑比是影響碾長(zhǎng)量的最主要因素。

（2）由綜合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，碾長(zhǎng)量偏差大是影響筒體成型精度的主要原因，有效控制一次下料、合口、校圓過(guò)程中的碾長(zhǎng)量，并在二次號(hào)料中減去綜合碾長(zhǎng)量，適當(dāng)增加或減少工藝余量，可有效降低筒體在號(hào)料及卷制過(guò)程中的成型尺寸偏差，提高厚壁筒體的成型精度。

（3）分類常用材料，劃分筒體厚徑比區(qū)間模塊，跟蹤收集碾長(zhǎng)量數(shù)據(jù)，建立碾長(zhǎng)量數(shù)據(jù)庫(kù)，能有效優(yōu)化卷板工藝，控制環(huán)縫錯(cuò)邊量，減少筒節(jié)環(huán)縫組裝、焊接過(guò)渡、內(nèi)件裝配等大量的材料、人工、時(shí)間成本的投入，提高產(chǎn)品表面成型質(zhì)量。