不銹鋼封頭成形技術(shù)難點

王立昆，付太永，程 鵬

(1.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司)，黑龍江 哈爾濱 150046；2.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

0 概述

不銹鋼封頭冷旋壓工藝廣泛應(yīng)用于壓力容器行業(yè)[1]，隨著核電項目快速發(fā)展，核電二三級不銹鋼壓力容器也越來越多。本文結(jié)合不銹鋼封頭成形過程中制造技術(shù)要求，對制造過程中封頭下料、坡口加工、冷旋壓、成形工藝評定、酸洗、拋光等關(guān)鍵工序和難點進(jìn)行介紹。

1 封頭技術(shù)規(guī)格尺寸及技術(shù)要求

1.1 封頭規(guī)格尺寸

封頭直徑：DN=2 100 mm橢圓封頭；

厚度：δ=5 mm;

材質(zhì)：022Cr19Ni10奧氏體不銹鋼。

1.2 技術(shù)要求

封頭成形后除滿足圖紙要求外，還應(yīng)滿足以下要求：

1)圓度：封頭圓度應(yīng)不大于0.5%DN，且不大于5 mm；

2)內(nèi)徑公差：±2 mm，周長公差：±6 mm；

3) 表面粗糙度：Ra0.8 μm。

1.3 封頭的制造標(biāo)準(zhǔn)

封頭制造需要滿足NB/T 20001-2013《壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備制造規(guī)范》的要求，成形及形狀公差等相關(guān)要求需要符合標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定。

2 薄壁不銹鋼旋壓成形過程及技術(shù)難點

該薄壁不銹鋼封頭采用冷旋壓成形，工藝流程如下：材料復(fù)驗→封頭下料→拼接坡口加工→封頭縱縫拼焊→校正→無損探傷→打鼓→預(yù)切邊→旋壓翻邊→切邊→尺寸測量檢測→坡口加工→開孔→酸洗→拋光

2.1 坡口制備

封頭下料可采用數(shù)控等離子、激光切割、水刀等方式。拼接坡口最好采用刨床、銑床、水刀等冷加工方式，坡口兩側(cè)邊緣應(yīng)該平齊，特別是對于5 mm以下薄壁板刨邊時，需要裝卡平整，減少吃刀量，優(yōu)化加工參數(shù)，避免刀具扎進(jìn)母材中造成坡口損傷的問題。

2.2 封頭拼接

封頭展開尺寸較大時需要對鋼板進(jìn)行拼接(詳見圖1)，由于不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)小，所以不銹鋼焊接熱變形較大。所以在焊接前制定防變形措施，首先將不銹鋼板在專用平臺找平，根據(jù)經(jīng)驗采取一定量的反變形措施，然后采用手工氬弧小電流進(jìn)行焊接，焊接的同時可在焊縫背部使用水冷裝置進(jìn)行噴水，加快焊接冷卻速度以減少焊接變形。焊接完成后進(jìn)行檢查尺寸，必要時可采用機(jī)械壓力機(jī)通過局部點校或支墊進(jìn)行校正，另外在校正過程中需要對不銹鋼進(jìn)行清潔防護(hù)，避免鐵離子污染。

圖1 封頭板拼接圖

2.3 封頭旋壓

旋壓工序一般包括打鼓和翻邊2個步驟，首先使用打鼓機(jī)將封頭底面成形，然后再使用旋壓機(jī)進(jìn)行翻邊。

打鼓就是用打鼓機(jī)將封頭壓成具有某一半徑的球面(詳見圖2)。首先核對封頭圓板胚料尺寸，根據(jù)封頭尺寸換上對應(yīng)的模具；打鼓前將上下模具工作面上的油污、毛刺及其他硬物清理干凈，不得有凸起和凹陷，并將拼接焊縫磨平；打鼓過程中設(shè)備的旋轉(zhuǎn)輪帶動封頭圓板進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，按照一定順序壓制，可先預(yù)壓再精找正打鼓成形，壓制過程中使用樣板測量檢驗，局部尺寸不合適的地方再用打鼓機(jī)局部點壓，根據(jù)工件變形情況調(diào)整壓力，測量封頭厚度及弧長，直到符合尺寸要求。

圖2 封頭打鼓圖

打鼓合格后再進(jìn)行旋壓翻邊，由內(nèi)成形輪控制封頭折邊部分的半徑R(詳見圖3)。首先根據(jù)封頭的直徑尺寸選擇對應(yīng)的上下模具，裝卡封頭，保證封頭的中心和設(shè)備底座中心重合，在旋壓過程中使用樣板檢測翻邊尺寸R。在選用工裝輪的過程中，需要考慮材料厚度和材料反彈等情況，選取合適的系數(shù)。另外在旋壓過程中也需要根據(jù)工件成形情況，進(jìn)行壓力的調(diào)整，但壓力不得過大，否則奧氏體不銹鋼封頭旋壓成形過程中材料奧氏體組織容易向馬氏體的轉(zhuǎn)變，成形后鐵素體含量也不容易控制。

圖3 封頭旋壓翻邊圖

旋壓時工藝選取的厚度尺寸為6 mm，實際來料厚度是6.4 mm，旋壓后最薄處的厚度為5.5 mm，滿足了圖紙要求。

2.4 封頭環(huán)縫坡口制備

封頭坡口可采用車加工和等離子氣割+修磨的方式(詳見圖4)，封頭專業(yè)廠家一般采用等離子專用設(shè)備，然后再使用坡口研磨機(jī)對坡口進(jìn)行打磨，最終使坡口達(dá)到圖紙粗糙度要求。

圖4 坡口打磨圖

2.5 成形工藝評定

奧氏體二三級不銹鋼薄壁容器封頭一般采用冷旋壓成形，成形過程中會使其R區(qū)和近直邊部位硬度上升。在NB/T 20001-2013《壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備制造規(guī)范》中要求成形后沖壓件應(yīng)在1 050 ℃～1 150 ℃的溫度下進(jìn)行固溶處理，對于薄壁封頭成形后進(jìn)行固溶處理，產(chǎn)品容易變形嚴(yán)重。所以一般按照NB/T 20001-2013中附錄A進(jìn)行成形工藝評定，則受壓件封頭變形率超過10%的冷成形后允許不再進(jìn)行后續(xù)的性能熱處理，封頭變形率見下公式：

容器封頭：A%=(ln(Df / Dp))×100

式中：

Df——坯件直徑，mm；

Dp——零件直徑(成形后),mm。

在NB/T 20001-2013標(biāo)準(zhǔn)中附錄A對成形工藝評定進(jìn)行了要求，其中封頭成形工藝評定可以覆蓋一定范圍[2]，首先晶間腐蝕試驗各非穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼的材料可使用相同工藝評定，其次鋼板厚度有效覆蓋范圍是0.75 e～(1.25 e+3)(e為試件厚度)， 另外較大的應(yīng)變的評定可覆蓋較小的應(yīng)變加工。成形工藝評定對設(shè)備、成形方法、熱處理制度、成形車間都需要按規(guī)定執(zhí)行；其中對于冷成形工藝，只要車間成形設(shè)備與評定試驗所有設(shè)備類型相同，就可以擴(kuò)展到其它車間。然后進(jìn)行取樣檢測，評定試驗需要檢測的項目包括成形前、后無損檢測，晶間腐蝕，金相檢驗—組織檢驗—晶粒度等方面。有的制造廠根據(jù)測得形變最大區(qū)域鐵素體含量大小作為封頭合格與否的標(biāo)準(zhǔn)[3]，從而不進(jìn)行成形工藝評定或固溶化熱處理。

2.6 清理防護(hù)

首先使用不銹鋼專用的鋼絲刷或砂輪片對封頭表面進(jìn)行機(jī)械清理，打磨掉不銹鋼工件表面的毛刺、氧化皮等其他雜物。對于奧氏體不銹鋼焊縫，用不銹鋼專用磨片或砂輪片去除掉焊縫位置的焊渣、焊接飛濺物等，使焊縫位置平滑過渡。當(dāng)工件有明顯油漬和污垢時，在脫脂前先用堿性除油劑清除油漬和污垢，然后再用無水乙醇或丙酮擦拭除去表面的油垢、潤滑脂、標(biāo)識等污染物。嚴(yán)防工件經(jīng)受磕、碰、劃傷等機(jī)械性損傷，以及鐵離子和其他有害雜質(zhì)的污染，保持封頭表面干凈(詳見圖5)。

圖5 封頭圖

2.7 酸洗鈍化

酸洗鈍化時，先用攪拌器將酸洗鈍化膏攪拌均勻，使酸洗鈍化膏呈現(xiàn)無色透明的粘稠狀。環(huán)境溫度低于20 ℃時，可用熱水對盛放酸洗鈍化膏的塑料桶進(jìn)行整體預(yù)熱。根據(jù)工件大小，可采用油漆刷涂覆、噴涂機(jī)噴涂等方式。對于小型工件，可用油漆刷浸蘸酸洗鈍化膏，均勻涂覆在工件表面；較大工件可采用噴涂機(jī)噴涂，涂覆均勻，效率較高。不易涂覆的拐角、死角等位置，可用油漆刷補(bǔ)涂，不允許有漏涂的地方。然后根據(jù)環(huán)境溫度，保持足夠時間，用有壓水對工件進(jìn)行徹底沖洗，沖洗干燥后工件表面應(yīng)無任何銹蝕、氧化皮、熱影響區(qū)著色等污物。然后進(jìn)行藍(lán)點測試，藍(lán)點測試應(yīng)在5 ℃～35 ℃的溫度條件下進(jìn)行，用秒表進(jìn)行計時，施涂15秒后溶液無藍(lán)色，證明無鐵素體污染。最后進(jìn)行終沖洗，先采用混有中和劑的水沖洗，至工件表面的流淌水至pH呈堿性；再用潔凈水多次沖洗，至工件表面的流淌水的pH值與潔凈水的pH值一致；后用壓縮空氣吹掃工件表面，使其干燥。

2.8 拋光

有的不銹鋼容器產(chǎn)品要求對內(nèi)壁或全表面進(jìn)行拋光處理[4]，拋光也是不銹鋼產(chǎn)品的常見重要工序，由于此臺產(chǎn)品表面不需要拋光處理，所以僅進(jìn)行簡單闡述。例如有的不銹鋼表面粗糙度達(dá)Ra0.8 μm或者更高，通?？墒褂脵C(jī)械、化學(xué)或電化學(xué)等方法進(jìn)行拋光，下面以手工機(jī)械拋光為例介紹拋光過程。手工拋光主要分為粗拋和精拋工序，先用Φ400 mm左右80#粒度的砂輪進(jìn)行粗拋，再用Φ150 mm的120#千葉輪拋一遍；主要是修整表面壓痕、劃痕、封頭沖壓拉痕、氧化層、拼接焊縫表面等較大的表面缺陷，第一遍打磨過程中要求均勻、平滑，力度要適中，特別焊縫及焊縫兩側(cè)先打磨與母材平齊，否則后續(xù)精磨時不容易將前一道紋路磨掉，大大增加精磨工作量，而且精磨效果不佳，若局部有缺陷需按文件要求補(bǔ)焊后再拋磨，避免局部厚度不滿足產(chǎn)品要求。然后用粒度240#(根據(jù)情況也可選用更高目數(shù))千葉輪精拋，打磨上道所產(chǎn)生的所有磨痕，最后使用專用工具+毛氈對表面進(jìn)行“鏡面”處理(詳見圖6)，直至達(dá)到圖紙技術(shù)要求。

圖6 拋光后圖

3 結(jié) 語

在不銹鋼封頭成形過程中，需要對關(guān)鍵點及重點進(jìn)行控制。首先在產(chǎn)品的技術(shù)準(zhǔn)備時對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比、消化和理解；在封頭旋壓時需對局部成形厚度以及R 段減薄量進(jìn)行控制；在酸洗、拋光等特殊工序按照相關(guān)技術(shù)文件進(jìn)行嚴(yán)格控制；最后在總結(jié)和實施過程中仔細(xì)對比和學(xué)習(xí)，收獲良多。