球形高壓容器的制造

康聰聰 王秋利

摘 要：本文以一臺球形高壓容器為例，對設(shè)備的選材、焊接過程、鑒證環(huán)的取樣及試驗、無損檢測方法的選定、裝配順序的制定等關(guān)鍵制造工序點進(jìn)行介紹，明確其制造過程中的質(zhì)量控制點，保證了設(shè)備的制造質(zhì)量，為其他高壓容器的制造加工提供參考。

關(guān)鍵詞：球形高壓容器;焊接;鑒證環(huán);無損檢測

中圖分類號：TH49文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）04-0036-03

Abstract： Taking a spherical high pressure vessel as an example， this paper introduced the key manufacturing process points， such as material selection of equipment， welding process， sampling and testing of authentication ring， selection of nondestructive testing method， and establishment of assembly sequence， the quality control points in the manufacturing process were defined to ensure the manufacturing quality of the equipment. Therefore， the reference for the manufacture of other high pressure vessels is provided.

Keywords： spherical high pressure vessel;welding;identification ring;nondestructive testing

隨著科技的快速發(fā)展，社會的需求在不斷提高，越來越多的高壓容器在石化、核電、航空航天、醫(yī)藥及食品領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。高壓容器具有壓力大、溫度高、壁厚大的特點。有的高壓容器還用于腐蝕特別嚴(yán)重的場合以及特別苛刻的環(huán)境中，儲存的介質(zhì)也多為易燃易爆、有毒介質(zhì)。因此，高壓容器往往成為裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，需要特別加以關(guān)注。近年來，相關(guān)領(lǐng)域?qū)Ω邏喝萜鞯囊笠苍诓粩嗵岣?，其結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，尺寸呈現(xiàn)兩極化，需要對高壓容器的設(shè)計、制造、檢驗和驗收等全過程進(jìn)行分析和研究，以保證設(shè)備的安全性、經(jīng)濟(jì)合理性和技術(shù)先進(jìn)性。高壓容器設(shè)計及制造過程中一般需考慮選材的正確性、結(jié)構(gòu)的合理性以及制造和檢驗需遵循的規(guī)范等[1]。

本文以某航天試驗裝置中的一臺高壓容器為例，對制造過程中的主要控制點進(jìn)行研究，以保證設(shè)備質(zhì)量，最終實現(xiàn)裝置運(yùn)行的可靠性。

1 設(shè)備概況

設(shè)備名稱：65L高壓容器;設(shè)備尺寸：Φ588 mm×44 mm;設(shè)備材質(zhì)：S30408（Ⅳ級鍛件）;設(shè)計壓力：42 MPa;設(shè)計溫度：60 ℃;介質(zhì)：空氣;容器類別：Ⅲ類。

該設(shè)備的特點是外形尺寸非常小，但是設(shè)計壓力特別高，由兩半球形封頭焊接而成。

2 設(shè)備選材及訂貨要求

高壓容器用鋼主要根據(jù)設(shè)備直徑、壓力、溫度及使用介質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行選擇，要求所用材料具有良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性能和切削加工性能[2]，常規(guī)的碳鋼、低合金高強(qiáng)鋼、低溫鋼及不銹鋼均可根據(jù)需要進(jìn)行選用。本設(shè)備直徑小、壁厚大、殼體壓制困難，因此殼體及接管直接選用S30408（IV級鍛件），以固溶狀態(tài)供貨，并滿足《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》（NB/T 47010—2017）的相關(guān)要求，同時對材料成分進(jìn)行嚴(yán)格控制。

S30408（IV級鍛件）應(yīng)采用電爐或氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉，由爐外精煉工藝的鋼鍛制而成，以確保鍛件無縮孔及嚴(yán)重偏析等缺陷。鍛件主截面部分的鍛造比不得小于3，各個鋼錠的頭、尾均應(yīng)保證足夠的切除量，整個截面上的金屬應(yīng)鍛透，并盡可能接近成品零件的形狀和尺寸。鍛件應(yīng)在足夠的鍛壓機(jī)上鍛造，以保證鍛件內(nèi)部充分鍛透。晶粒度應(yīng)按《金屬平均晶粒度測定方法》（GB/T 6394—2002）進(jìn)行評定，實際晶粒度不低于4級。金屬夾雜物應(yīng)按《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗方法》（GB/T 10561—2005）進(jìn)行檢驗，檢驗標(biāo)準(zhǔn)為A、B、C、D和DS類夾雜物均不大于1.5級，A+C類夾雜物不大于2.5級，B+D+DS類夾雜物不大于2.5級，且夾雜物總和不大于3.0級。

為保證材料性能，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求，主殼體成形前、鍛坯及精加工后，鍛件整體應(yīng)按《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》（NB/T 47013.3—2015）進(jìn)行100%超聲檢測，Ⅰ級合格。鍛坯的化學(xué)成分以熔煉分析為準(zhǔn)，其結(jié)果應(yīng)符合表1的規(guī)定，同時需要對成品進(jìn)行成分分析，分析結(jié)果與表1規(guī)定值的允許偏差按《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》（GB/T 222—2006）的相關(guān)規(guī)定。其中，硫、磷含量允許正偏差0.002%。室溫下的力學(xué)性能見表2。

3 焊接

奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性能，但在450～850 ℃的敏化溫度范圍內(nèi)加熱時容易出現(xiàn)晶間腐蝕，再加上奧氏體不銹鋼的線膨脹系數(shù)大，導(dǎo)熱系數(shù)小，焊接后容易出現(xiàn)熱裂紋，并且隨著壁厚的增加，出現(xiàn)熱裂紋和晶間腐蝕的概率也會增加[3];因此，需要嚴(yán)格控制焊接過程，選用合適的焊接參數(shù)，降低焊接缺陷，保證焊接質(zhì)量。

3.1 焊前準(zhǔn)備

焊接前應(yīng)清除焊絲表面、焊接坡口及其附近50 mm范圍內(nèi)的油污、油脂、水分等雜質(zhì)，焊條烘干后存放在專用的保溫桶內(nèi)，焊接坡口時采用機(jī)械加工的方式。

3.2 焊接方法的選用

本設(shè)備壁厚較厚，但直徑又較小，焊接存在一定的難度。綜合考慮后，半球形封頭之間的對接環(huán)焊縫采用單面焊接、雙面成型的焊接方法。同時，為保證焊接質(zhì)量，焊接時殼體內(nèi)應(yīng)通入99.99%的純氬氣進(jìn)行保護(hù)。根部采用氬弧焊封底，采用焊條電弧焊填充蓋面。

3.3 焊接坡口的制定

制定焊接坡口時，既要考慮到盡量少地填充金屬，也要考慮焊接方法的可操作性，保證全焊透，最終具有良好的力學(xué)性能[4]。在實際中，可根據(jù)焊縫根部全熔透來確定坡口的鈍邊和間隙，根據(jù)焊槍的可達(dá)性及焊材的經(jīng)濟(jì)性來確定坡口角度及根部圓弧半徑。綜上，本設(shè)備殼體對接環(huán)焊縫選用外單U形坡口，坡口詳圖如圖1所示。

3.4 焊接參數(shù)的選擇

奧氏體鋼的導(dǎo)熱系數(shù)較小，若焊接熱輸入過大，在焊接過程中則易造成熔池溫度過高，導(dǎo)致晶粒粗大、材料強(qiáng)度下降、沖擊韌性降低[5]。因此，焊接時需要控制熱輸入，采用小電流，多道焊。焊完一層要將熔渣徹底清除干凈，仔細(xì)檢查是否有氣孔、夾渣、未熔透等焊接缺陷，若存在相關(guān)缺陷，要及時修復(fù)。焊接工藝參數(shù)如表3所示。

4 主要工藝控制點

4.1 鑒證環(huán)的制作

為了驗證和檢驗壓力容器A類焊接接頭的主要性能是否達(dá)到設(shè)計要求，按照相關(guān)規(guī)范和設(shè)計圖紙規(guī)定，需要制作鑒證環(huán)。鑒證環(huán)的選材和訂貨要求與主殼體母材完全相同，選擇合格材料，并且應(yīng)與容器用材具有相同標(biāo)準(zhǔn)、相同牌號、相同厚度和相同熱處理狀態(tài)，與設(shè)備同時按規(guī)范施焊。

鑒證環(huán)試件檢驗理化項目主要有拉伸和側(cè)彎兩項。試件的尺寸和試樣的截取要參照《承壓設(shè)備產(chǎn)品焊接試件的力學(xué)性能檢驗》（NB/T 47016—2011）的相關(guān)規(guī)定，按管狀試件的試樣位置圖進(jìn)行取樣。側(cè)彎試樣尺寸為10 mm×44 mm×220 mm，共2件。由于受試樣機(jī)能力限制，不能進(jìn)行全厚度的拉伸試驗，故將試件在厚度方向上均勻分4層進(jìn)行取樣，先將上、下表面銑平，再將試樣用線切割分成4等份，然后逐層進(jìn)行拉伸試驗。拉伸試樣詳圖見圖2。

4.2 裝配順序

本設(shè)備零部件較少，結(jié)構(gòu)看似簡單，但在組裝時需要充分考慮合理的組裝順序，這樣才能保證設(shè)備的制造質(zhì)量。組焊殼體之間的環(huán)縫時，需要將半球形封頭固定，在半球形封頭頂部焊接工裝管，以利于焊接過程中殼體的旋轉(zhuǎn);同時，焊接過程中球形殼體內(nèi)必須通入氬氣進(jìn)行保護(hù)，以保證焊接質(zhì)量。另外，由于鍛管根部較厚，不容易熔透，故在半球形封頭上確定鍛管的位置，確保鍛管與球殼垂直;焊接接頭焊至Φ25 mm時按《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》（NB/T 47013.5—2015）進(jìn)行滲透檢測，Ⅰ級合格;滲透檢測合格后鉆Φ10 mm的通孔。半球形封頭A類焊縫組焊完畢后，再焊滿鍛管接頭角焊縫。

5 無損檢測

由于本設(shè)備特殊的工況及結(jié)構(gòu)，為保證焊縫質(zhì)量，便于焊工清除缺陷，減少焊接返修，確保設(shè)備安全出廠，故需要合理安排無損檢測的方法和順序。

半球形封頭的A類焊縫封底后，首先按《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》（NB/T 47013.5—2015）進(jìn)行100%滲透檢測，I級合格;焊縫焊滿后，再按《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測》（NB/T 47013.2—2015）進(jìn)行100%射線檢測（B級檢測），Ⅱ級合格;焊縫表面打磨后，按《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》（NB/T 47013.3—2015）進(jìn)行100%超聲檢測（C級檢測），I級合格。

殼體上的D類焊縫焊至Φ25 mm后，焊縫按《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》（NB/T 47013.5—2015）進(jìn)行100%滲透檢測，I級合格;焊縫焊滿后，D類焊接接頭以開孔中心為圓心，直徑Φ240 mm范圍內(nèi)基材材料按《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》（NB/T 47013.3—2015）進(jìn)行100%超聲檢測，I級合格;最后焊縫處按《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》（NB/T 47013.5—2015）進(jìn)行100%滲透檢測，I級合格。

設(shè)備試壓合格后，A、D類焊接接頭按《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》（NB/T 47013.3—2015）進(jìn)行100%超聲檢測（C級檢測），I級合格;A、D、E類焊接接頭表面按《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》（NB/T 47013.5—2015）進(jìn)行100%滲透檢測，I級合格。

6 結(jié)論

高壓容器的可靠性很大程度上取決于制造質(zhì)量。本臺設(shè)備設(shè)計壓力非常高，設(shè)備尺寸又非常小，制造加工難度大。在制造過程中，通過合理選材、合理選用焊接方法和焊接參數(shù)、合理控制層間溫度、合理安排裝配順序，并通過對各個關(guān)鍵制造工藝點進(jìn)行控制，保證了設(shè)備的焊接和制造質(zhì)量，最終實現(xiàn)設(shè)備的可靠安全運(yùn)行，為整套裝置的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。

參考文獻(xiàn)：

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