壓力容器封頭制造中存在的問題及技術(shù)分析

林忠拉

（浙江沈泰特種設(shè)備有限公司，浙江 溫州 325025）

壓力容器是指密閉設(shè)備通過加壓處理存儲一定量的液體或氣體，以滿足工業(yè)生產(chǎn)、日常生活等需求。壓力容器材料的選取必須具備穩(wěn)定性，且符合特種作業(yè)環(huán)境的工作需求，以保證設(shè)備在使用過程中不會產(chǎn)生破損的問題。從壓力容器整體構(gòu)造來看，其中最易發(fā)生破損的位置為封頭處，因為壓力容器罐體屬于一體壓縮工藝制造的，封頭處則屬于罐體密封部位，其呈現(xiàn)出參數(shù)與罐體存在一定的差異，如封頭處的承壓部件需經(jīng)過多道熱塑工藝，保證部件符合設(shè)備使用需求。但在封頭部件制造過程中，受工藝、操作行為等因素的影響，使部件本體面臨著嚴重的質(zhì)量問題，間接加大壓力容器的不合格率。為減少加工缺陷問題的產(chǎn)生，必須分析出封頭部件制造過程中可能存在的問題，然后，制定相關(guān)防止舉措，以提高封頭部件的質(zhì)量性能。

1 壓力容器封頭制造中存在的問題

1.1 封頭鼓包問題

封頭部件制造過程中產(chǎn)生的鼓包問題一般是發(fā)生在部件熱成型環(huán)節(jié)。在部件受熱拉伸時，部件圓滑過渡部位所受到的壓縮力呈現(xiàn)出一定的切向特性，如果切向力大于部件內(nèi)應(yīng)力時，則將產(chǎn)生部件失穩(wěn)效應(yīng)，令原材料發(fā)生鼓包現(xiàn)象。此外，封頭部件原材料在爐內(nèi)加熱處理時，如發(fā)生受熱不均的現(xiàn)象（材料上部溫度低于下部溫度），金屬材料各區(qū)域的承壓值參數(shù)將形成誤差，此時，材料無法因為受熱而形成均衡式體積增大，這就導致在后期壓塑過程中彎角平滑處的過渡區(qū)間面積加大，當金屬組織呈現(xiàn)出相對較軟的現(xiàn)象時，硬值區(qū)域所產(chǎn)生的應(yīng)力高于軟值區(qū)域，進而產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象。一般來講，封頭部件鼓包區(qū)域一般為彎角過渡區(qū)間。

1.2 封頭裂紋問題

金屬材料裂紋產(chǎn)生的原因主要是內(nèi)應(yīng)力無法滿足外界環(huán)境壓力的需求，進而導致材料本體產(chǎn)生裂痕的現(xiàn)象。在壓力容器封頭部件制造過程中，裂紋產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié)為沖壓工藝、旋壓工藝中。從內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生形式來看，封頭部件所產(chǎn)生應(yīng)力主要分為兩種：（1）是因為金屬材料內(nèi)部的晶格所產(chǎn)生畸變現(xiàn)象，令原有金屬軟組織硬化，進而產(chǎn)生多余的應(yīng)力；（2）金屬材料內(nèi)、外表面的拉伸形變量存在較大的參數(shù)差異，導致部件所能承受的壓力值具有較高的變動性，當外界壓力在內(nèi)、外應(yīng)力的差值之間部件不會產(chǎn)生形變，一旦數(shù)值高于或小于材料的極限值時，則封頭材料將產(chǎn)生裂紋。一般來講，封頭部件裂紋產(chǎn)生區(qū)域一般為焊縫處、端口處，當材料存在應(yīng)力無法承接外部作用力時，如部件沖壓時所產(chǎn)生的間隙作

用力，如果應(yīng)力不集中，或者是橫切面不平滑，都將造成局部應(yīng)力小于外部應(yīng)力的情況，進而令部件產(chǎn)生裂紋。

1.3 封頭減薄問題

壓力容器封頭部件在塑形過程中，由于屬于壓縮工藝，部件將受到拉伸力、摩擦力等，此時，封頭部件的上部與底部所受到的力學參數(shù)將存在一定的差異，且底部受到的各類作用力相對較小，這就造成底部壁厚減薄數(shù)值相對較小。而對于封頭部件的直邊區(qū)域來講，由于上部區(qū)域所承接的作用力具有綜合特性，邊緣區(qū)域的作用力大于彎角過渡區(qū)域所呈現(xiàn)出延伸拉力，部件此處厚度將增加。彎角過渡區(qū)域在壓縮過程中承受的是模具沖擊所帶來的外部作用力、材料內(nèi)部拉伸所形成的延展力，在上述兩種應(yīng)力共同作用下，壁體的減薄程度將增大。封頭減薄問題的成因主要分為以下三點：（1）部件壓鼓工藝在具體施行過程中未能控制好力度，導致壁體在減薄過程產(chǎn)生不均勻現(xiàn)象，但在系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定下，減薄工藝將以壁體最薄處作為基準，進而導致壁體減薄超標；（2）模具、材料表面不平滑，則部件壓塑過程中產(chǎn)生的摩擦力系數(shù)將加大，降低原材料的拉伸系數(shù)，如果材料拉伸效果不明顯，需加大壓縮作用力，這就造成部件成型后的參數(shù)無法滿足預(yù)期設(shè)定需求；（3）邊緣壓力過大，材料在固定空間所能承受的拉伸度將呈現(xiàn)出一定的局限性，如果材料的切向自由度小于內(nèi)應(yīng)力所能承受的最大值時，將造成材料的減薄超標問題。

2 壓力容器封頭制造問題的技術(shù)解決方案

壓力容器封頭制造過程中，受到作用力環(huán)境的影響，將產(chǎn)生不同類型的缺陷問題，例如，部件拉裂、劃傷、凹坑、鼓包、過燒等問題。為此，必須找到解決問題的合理辦法，分析出不同缺陷問題的主要成因，結(jié)合封頭部件的性能制定出較為精準的解決方案。

2.1 鼓包問題的技術(shù)解決

針對鼓包問題，為盡量避免封頭材料內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力問題，可以對材料進行二次拉伸處理，利用一次拉伸與二次拉伸的作用力抵消殘余應(yīng)力，以提高材料的韌性值。從金屬材料的力學特性來看，在一定的參數(shù)范圍內(nèi)，材料本體的應(yīng)力與徐變力呈線性關(guān)系，這就令材料本體產(chǎn)生上部和下部兩種屈服強度。當對材料進行二次拉伸時，一次拉伸所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力將被二次優(yōu)化處理，通過外部作用力抵消殘余應(yīng)力，可有效提高材料的質(zhì)量性能。此外，為防止因溫度受熱不均所導致的材料承壓值出現(xiàn)變化的問題，在爐內(nèi)對材料進行加工時，可以對材料進行翻轉(zhuǎn)受熱，或者是利用加熱設(shè)備來均衡上部與下部的溫度，這樣便可有效避免因金屬組織發(fā)生硬化的現(xiàn)象，以降低封頭部件鼓包問題的產(chǎn)生。

2.2 裂紋問題的技術(shù)解決

裂紋問題對于封頭部件所產(chǎn)生的危害較大，如果壓力容器在使用過程中，封頭部件裂紋處所產(chǎn)生的應(yīng)力值難以承受罐體設(shè)備內(nèi)部的壓力值時，將使封頭部件沿著裂紋處產(chǎn)生損毀的現(xiàn)象，罐體爆炸將對周邊環(huán)境造成嚴重危害?？紤]到裂紋產(chǎn)生的原因，需采用多類別的操作舉措，排除裂紋問題。針對封頭部件直邊位置所產(chǎn)生裂紋來講，需通過旋邊速度或壓力的控制，對材料加工形式進行管控，這樣便可有效將材料加工參數(shù)約束在可控范圍內(nèi)，保證封頭部件所產(chǎn)生的應(yīng)力值符合整體壓塑需求。在對切割工藝進行控制時，需對材料邊口處進行打磨處理，特別是對彎角過渡區(qū)域，通過參數(shù)系數(shù)的測定，保證材料加工面的參數(shù)符合待加工需求，以避免出現(xiàn)端口裂紋的現(xiàn)象。在對焊縫區(qū)域進行處理時，由于焊縫位置的參數(shù)值呈現(xiàn)出較大變動特性，為避免外部作用力、內(nèi)部應(yīng)力對焊縫連接處造成沖擊影響，必須針對部件承載壓力，設(shè)定嚴格的焊接工藝系數(shù)，且在實際焊接時，必須保證勻速狀態(tài)，放慢冷卻速度，以此來提高焊縫位置的穩(wěn)定性，一般來講，針對封頭部件的精細焊化處理，需采用小電流逐層焊接工藝，將焊縫中心所受到的集中應(yīng)力進行分散，避免中心產(chǎn)生裂紋分化效應(yīng)。同時，應(yīng)防止焊接過程產(chǎn)生咬邊現(xiàn)象，及時清理焊渣，并對焊縫區(qū)域進行二次熱處理。

2.3 封頭減薄問題的技術(shù)解決

封頭減薄問題是部件質(zhì)量監(jiān)控的重要環(huán)節(jié)，如果壁厚減薄超標，則將造成部件在使用過程中，內(nèi)部應(yīng)力值小于系統(tǒng)設(shè)定的基準值，無法令容器在固定容積下承載更大的壓力，如果壓力值高于封頭部件的承載值時，將令部件產(chǎn)生損毀的嚴重現(xiàn)象。對于此，在對部件進行整體減薄處理時，必須考慮到胚料本體的厚度是否滿足待加工需求，即材料在加工過程中是否留有足夠的厚度供后續(xù)加工使用，如壓邊寬度。此外，必須對與封頭部件加工相關(guān)聯(lián)的各項工藝進行測定，如壓鼓工藝、開裂控制工藝等，工藝執(zhí)行所具備的參數(shù)必須符合封頭設(shè)備制造需求。還需對操作人員進行專業(yè)度分析，保證崗位工作人員具備工藝施行的基本技能與職業(yè)素養(yǎng)等，其可正確對待崗位工作，以確保承擔加工的工藝操作不會因為人為問題而造成工業(yè)生產(chǎn)誤差。

3 結(jié)語

綜上所述，壓力容器封頭部件的制造對力學特性要求度較高，為避免因工藝操作而帶來的缺陷問題，必須從多個角度分析出產(chǎn)生缺陷問題的本質(zhì)原因，然后，采取合適的工藝行為制定出精準的解決策略，以提高設(shè)備的應(yīng)用性能。期待在未來發(fā)展過程中，技術(shù)部門以及管理部門嚴格把控原材料的應(yīng)用程序，制定出更為精細的制造方案，從內(nèi)部、外部兩方面解決封頭設(shè)備的缺陷問題。