研究化工機(jī)械高壓容器簡體的制造工藝

弋楠 晁靜

摘要：高壓容器作為化工機(jī)械中重要設(shè)備之一，具有舉足輕重的作用，我國工業(yè)化進(jìn)程不斷發(fā)展，對化工機(jī)械設(shè)備的要求也越來越高，于是增加了高壓容器制造的難度，尤其是其中的筒體。于是文章將主要研究高壓容器筒體的制造工藝?；C(jī)械中高壓容器筒體的類型較多，不同類型筒體的制造工藝存在差別，于是文章針對壁厚筒體進(jìn)行分析。首先對厚壁筒體的結(jié)構(gòu)和特點進(jìn)行分析，雖然該筒體存在一定的缺陷，但是還具有一定的應(yīng)用市場，然后再主要分析筒體的制造工藝，希望讓制造工藝變得更加成熟，從而提高厚壁筒體的質(zhì)量和性能。通過該制造工藝，能夠提高筒體的質(zhì)量，降低折斷或者裂縫的出現(xiàn)頻率，并且降低燃料成本，最后制得的高壓容器筒體能夠在化工機(jī)械中發(fā)揮較好的作用。

關(guān)鍵詞：化工機(jī)械;高壓容器;筒體;制造工藝

中圖分類號：TQ051.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）09-0133-04

21世紀(jì)以來，我國工業(yè)發(fā)展迅猛，各種化工機(jī)械設(shè)備不斷發(fā)展，高壓容器屬于其中非常重要的一種設(shè)備，尤其在煉油行業(yè)、化工行業(yè)使用較多，且發(fā)揮著不可代替的關(guān)鍵性作用[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類需要發(fā)生了變化，高壓容器也在發(fā)生變化，向著高壓、大型化、高溫、壁厚等發(fā)展，導(dǎo)致高壓容器筒體的制作難度增加[2-3]。且簡體在實際制作過程中，已經(jīng)發(fā)生過嚴(yán)重質(zhì)量問題，比如簡體折斷、焊接裂縫、直徑偏大等，這些質(zhì)量必然會導(dǎo)致大量資源浪費[4-5]。所以文章將對高壓容器筒體制造工藝進(jìn)行分析，以期提高筒體制造的質(zhì)量和效率。由于簡體類型較多，不同類型簡體的制造工藝存在差別，于是文章將主要研究厚壁筒體，對其制造工藝進(jìn)行分析，該筒體屬于我們常見的一種結(jié)構(gòu)。

1 壁厚簡體結(jié)構(gòu)及其特點

在高壓容器筒體類型中，厚壁筒體是最早使用的一種結(jié)構(gòu)類型，具有較為廣泛的應(yīng)用，屬于最為常見的結(jié)構(gòu)[6]。該簡體的主要制作工藝包含鑄錠、壓鉗口、鍛造筒體、機(jī)械加工等，圖1即為壁厚簡體制造的實際現(xiàn)場環(huán)境。

壁厚簡體可以分為兩種類型，一種為單層壁厚簡體，另外一種為多層壁厚簡體[7]。單層壁厚簡體的應(yīng)用范圍最廣泛，但是其中存在一定的缺陷，比如厚壁容器受壓不均勻，安全性不是很好，于是就會使用強(qiáng)度比較高的材料制作該容器，但是這樣的材料一般情況下塑性和韌性比較差，于是又會造成容器出現(xiàn)脆性斷裂，而且還會增加制作成本。于是為了解決受力不均勻的現(xiàn)象，使用預(yù)應(yīng)力法比較常見，主要做法就會在簡體內(nèi)壁表面施加外力[8]?？梢允褂每s套結(jié)構(gòu)使得簡體產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，具體操作方法如圖2所示，就是采用同心圓筒，將內(nèi)層和外層進(jìn)行緊密壓縮，從而增加簡體的強(qiáng)度。

2 高壓容器簡體的制造工藝

2.1 簡節(jié)板的下料

一般情況下，筒節(jié)板的下料根據(jù)排版圖進(jìn)行，由于材料之前處于熱處理狀態(tài)，在制作筒節(jié)時，為了不改變材料狀態(tài)，于是使用冷成型工藝。每個筒節(jié)展開的長度L可以根據(jù)以下公式進(jìn)行計算：

L= π（Di+δ） +H+△L+2h

（l）

公式中Di表示的是筒節(jié)內(nèi)徑，H表示的是焊接收縮量，δ表示的是筒節(jié)板厚度，h表示的是預(yù)彎時直邊留量，△L表示的是簡體周長收縮量，且△L=π.△中，其中△φ表示的是內(nèi)徑堆焊時收縮量，如果沒有進(jìn)行堆焊，則△L=0。

如果需要計算小直徑厚壁筒節(jié)展開長度L，因為直徑小導(dǎo)致變形量大，如果還使用上述公式就會造成較大誤差，為了降低誤差，可以計算其變形率，變形率計算公式如公式（2）所示，當(dāng)該值大于5時，則使用公式（3）計算筒節(jié)展開長度。

公式中R0和Rf分別表示的時筒節(jié)成形前和成形后中面半徑，f表示的是校正系數(shù)。

在設(shè)計筒節(jié)展開長度時，由于其在成形之前會進(jìn)行預(yù)彎處理，所以應(yīng)該考慮到預(yù)彎工藝留量，該留量需要根據(jù)胎具和預(yù)彎設(shè)備性能進(jìn)行設(shè)定。另外，筒節(jié)展開長度還應(yīng)該考慮到復(fù)驗試樣用量，為了簡化預(yù)留量，可以將預(yù)彎工藝留量和復(fù)驗試樣用量合并考慮。

圖3即為具體下料板實例，圖中A、B表示的是筒節(jié)寬度和對角線長度。上述公式能夠計算出筒節(jié)展開長度，但是針對的是冷成形的筒節(jié)，如果對于中熱卷成形的筒節(jié)，其展開公式如下所示：

L=π（Di+δ.f）+H.△Ll +△L2+2h

（4）

△Ll=π.△φ.δ（1+ δ/D）

（5）

AL1=π.△φ

（6）

公式中，△L1和△L2分別表示的是筒體熱卷伸長量和有堆焊時筒節(jié)周長收縮量，D表示的是筒節(jié)內(nèi)徑。

在計算過程中需要注意的是△φ會受到多種因素的影響，比如焊接規(guī)范、直徑大小、焊接方法、材質(zhì)厚度等，每個制作廠只能根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行判斷△中值。

2.2 簡節(jié)板預(yù)彎

筒體板預(yù)彎處理需要在滾床或者壓力機(jī)上進(jìn)行操作，在進(jìn)行該操作之前，首先需要制作內(nèi)樣板。使用壓力機(jī)進(jìn)行預(yù)彎處理之前還需要畫出壓胎位置線，如圖4所示，為了增加壓制成型的效果，需要進(jìn)行多次壓制成形，完成之后還需要使用樣板進(jìn)行檢驗，所使用的樣板間隙不應(yīng)該超過2mm。

2.3 筒節(jié)的成形

筒節(jié)板成形時需要選擇何種成形工藝，成形方式有冷成形和熱成形，就一般情況而言，選擇冷成形方式比較好，能夠?qū)⒉牧系臒崽幚頎顟B(tài)進(jìn)行保存，但是還需要根據(jù)板厚、材質(zhì)、直徑、設(shè)備能力等實際情況選擇最為合適的成形方式。如果限于設(shè)備能力或者厚壁直徑比較小的筒節(jié)可以選擇使用中溫成形方式，如果溫度環(huán)境低于0℃或者材質(zhì)為Cr-Mo鋼板是，需要選擇溫成形方式。不過需要注意的是不管使用何種熱處理方式，都需要考慮鋼板回火脆性溫度。因為鋼板會發(fā)生催化現(xiàn)象，研究表明，250℃ -400♀時鋼板會發(fā)生低溫催化現(xiàn)象，而當(dāng)溫度繼續(xù)升高，達(dá)到325℃575℃時，鋼板會發(fā)生高溫脆化現(xiàn)象。所以筒節(jié)板使用中溫成形方式時，其溫度應(yīng)該保持在575℃到材料回火溫度之間。另外，溫卷筒節(jié)的溫度應(yīng)該控制在250℃以下。在鋼板中存在某些元素會影響其回火脆性，比如P、Sn、Mn等，于是在采購材料時，需要限制這些元素的含量。筒節(jié)成形如圖5所示。筒節(jié)在成形過程中，還為了降低鋼板脆斷或者硬化的風(fēng)險，需要控制好鋼板在滾床上的碾壓次數(shù)，

2.4 筒節(jié)的校圓

完成焊縫之后，為了保證筒節(jié)的圓度，需要對其進(jìn)行校正處理。在校圓之前，需要將焊縫處的余高進(jìn)行打磨，因為該余高會增加附加彎矩。還需要對焊縫進(jìn)行100%UT檢驗，當(dāng)檢測合格之后才能開始進(jìn)行校圓工作。同樣，校圓有3種不同的處理工藝，分別為冷校圓、中溫?zé)嵝A和溫校圓，有些制造廠為了簡單方便，全部使用中間熱處理進(jìn)行校圓，然而這種加工工藝沒有較好的科學(xué)性，因為有些筒節(jié)不適合使用這種處理方式，除非受到設(shè)備能力的限制，選擇冷校圓或者溫校圓處理方式更為合適，如果使用中間熱處理校圓需要考慮到以下3點因素：

1）中溫?zé)嵝A時筒節(jié)板的厚度會減少

2）中溫?zé)嵝A會增加燃料使用量，于是造成成本大幅度提高

3）中溫?zé)嵝A時影響板材力學(xué)性能

筒節(jié)校圓時采用何種方式與上述分析的筒節(jié)成型方法一致，直徑較大的筒節(jié)比較適用于冷校圓，且冷校圓的處理方式更加的具有普遍性，對于直徑比較小或者Cr-Mo鋼筒節(jié)比較適合于使用中溫校圓或者溫校圓。且該校圓溫度控制與上述筒節(jié)成型溫度一樣。筒節(jié)在校圓過程中，為了降低加工硬化和節(jié)板厚度減薄量，需要降低筒節(jié)在滾床上的碾壓次數(shù)，當(dāng)檢測到筒節(jié)的圓度符合規(guī)范之后，就可以停止碾壓。

2.5 筒節(jié)中環(huán)焊縫坡口加工

將筒節(jié)進(jìn)行組隊縱縫時，筒節(jié)端面的平整度很難得到保證，于是為了提高其平整度，將環(huán)焊縫坡口在校圓之后使用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行加工。另外，如果需要對大直徑筒體進(jìn)行焊縫，由于大直徑的簡體，其端面的平整度比較容易控制，不像小直徑筒體一樣，于是能夠在筒節(jié)成形之前就進(jìn)行加工環(huán)縫坡口。

焊縫工作屬于一個精細(xì)化工作，由于筒節(jié)環(huán)焊縫坡口加工工作比較慢，于是為了提高焊接效率，選擇窄間隙坡口能夠減少焊接工作，圖6即為窄間隙坡口形式圖，該方式有助于提高工作效率。與一般埋弧自動焊相比，改用此焊接方式將有助于提高工作效率，尤其是筒節(jié)厚壁大于60mm時，其效率增加更加明顯。加工窄間隙坡口時，筒節(jié)存在圓度，于是就會造成坡口在局部加工時，使其尺寸不能達(dá)到要求，此時需要對其進(jìn)行打磨修整。

2.6 筒體組對焊接

完成上述環(huán)縫坡口之后，即可對筒體進(jìn)行組隊焊接，其中組隊焊接的方式需要根據(jù)排版圖和筒節(jié)標(biāo)注的心線進(jìn)行，而且在組隊時還需要考慮到簡體直線角和錯邊量，需要將其嚴(yán)格控制在一定范圍之內(nèi)，比如直線度允差不能超過筒體長度的1/1000，錯變量不能超過20mm，且該值要等于或者小于壁厚的1/8倍，如果直立容器殼體長度已經(jīng)大于30m，于是控制直線度允差的范圍為不能超過（0.5//1000）+ 15。

筒體組隊焊接過程中，需要按照標(biāo)準(zhǔn)的焊接工藝進(jìn)行加工，在加工過程中重點控制工序包含以下幾點：坡口需要清理干凈、控制好焊道層間溫度和預(yù)熱溫度、清根后的打磨和無損檢驗、焊接完成之后需要立即消除氫?；C(jī)械高壓容器簡體的主要制作工藝即完成。但是還需要對其進(jìn)行無損檢測和焊接檢測，以防止生產(chǎn)的筒體存在質(zhì)量問題。另外，為了提高筒體的質(zhì)量和加工效率，應(yīng)該做好相關(guān)的管理工作，選擇工作經(jīng)驗豐富有責(zé)任感的工人進(jìn)行加工處理。

3 結(jié)語

文章主要分析的是厚壁高壓容器筒體的制造工藝，通過使用該工藝完成簡體制造，能夠降低筒節(jié)板形成過程中的各種問題，比如發(fā)生折斷、出現(xiàn)焊縫裂紋等，而且還能夠節(jié)約大量的燃料，降低制作廠的成本消耗。由于高壓容器簡體的類型較多，每種筒體的制造工藝存在差別，文章僅僅只對厚壁高壓容器簡體的制造工藝進(jìn)行分析，但是該工藝也可以作為其他類型簡體制造的參考。高壓容器簡體的制造工藝會受到多方面因素的影響，從而造成簡體存在質(zhì)量問題，所以在加工過程中需要嚴(yán)格按照相關(guān)操作進(jìn)行，防止出現(xiàn)任何的簡體質(zhì)量問題。另外，隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各種新技術(shù)新方法的使用，將有助于提高化工機(jī)械高壓容器筒體制造的效率和質(zhì)量。

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作者簡介：弋楠（1983-），男，大學(xué)本科，研究方向：材料性能和材料檢測。