壓力容器制造工藝及其質(zhì)量控制

李健，趙博(青島中油華東院安全環(huán)保有限公司，山東 青島 266000)

0 引言

目前，壓力容器在化工行業(yè)被廣泛應(yīng)用，其盛裝的化學(xué)物質(zhì)具有一定的溫度和壓力，一些物質(zhì)甚至有毒有害，工作環(huán)境較復(fù)雜。隨著我國裝備制造業(yè)的發(fā)展，壓力容器的加工制造工藝和水平也得到了大幅提升，其質(zhì)量技術(shù)標(biāo)準也愈發(fā)嚴格。因此，務(wù)必制定合理的控制對策，方可全面提升壓力容器的制造質(zhì)量，最終給化工行業(yè)提供質(zhì)量可靠、安全性高的壓力容器，為化工企業(yè)維持正常的生產(chǎn)經(jīng)營活動，及確保行業(yè)的安全生產(chǎn)創(chuàng)建更有利的裝備保障條件。

1 壓力容器制造工藝

1.1 安全性要求

因為壓力容器長期處于高溫高壓、極易被侵蝕與真空等環(huán)境中，并且一般都盛放易燃、易爆與有害物質(zhì)，因此針對壓力容器的安全性能有更高的要求。尤其在加工制作過程中，必須要嚴格按照規(guī)范標(biāo)準操作，這也是壓力容器加工制作的強制性準則，以確保相關(guān)產(chǎn)品的制作質(zhì)量。

1.2 壓力容器原料選擇

壓力容器制造的關(guān)鍵步驟為原料的選擇，同時也是保證制造質(zhì)量的重要因素。因此務(wù)必全面分析不同原料的化學(xué)元素成分，保證不同化學(xué)元素符合相關(guān)生產(chǎn)要求。對性能不達標(biāo)的原材料一律不得投入使用，針對不相同原材料應(yīng)采取最佳的應(yīng)用方式。現(xiàn)階段，世界各地會采取Mn-Mo-Ni 型低合金高強度鋼來作為壓力容器制造的原材料，因其具有較強的沖擊韌性，同時能夠確保壓力容器的制造質(zhì)量[1]。

1.3 零件加工制作

當(dāng)壓力容器不同部件在制造過程中，除了封頭部件需要采取板焊結(jié)構(gòu)外，其余制造環(huán)節(jié)會選擇鍛焊結(jié)構(gòu)。尤其在制造大型鍛件過程中，率先把鋼錠進爐內(nèi)加熱，此階段則要操控好爐內(nèi)溫度。尤其在鍛造過程中，需要參照不同部件的形狀特性，利用鍛壓機、熱沖孔、芯棒等設(shè)施來進行形狀成行處理。尤其在熱加工過程中，為了避免裂紋，通常會利用退火或正火加回火來處理，隨后針對鍛件進行粗機械加工，方可保證鍛件良好的機械性能。針對壓力容器的筒體，通常會利用板焊結(jié)構(gòu)。

1.4 封頭制造

壓力容器中的封頭通常會采取板材沖壓工藝，針對熱成形的厚鋼板，也需要進行熱處理，按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準，保證封頭的機械性能。目前，部分國家采取了鍛件制造封頭，利用模鍛工藝，既可以使用非常厚的坯料板材，也可使用非常薄的坯料板，通過陰陽模將鍛件坯料鍛造成型。

1.5 壓力容器的組裝

當(dāng)壓力容器各個部件制造完成后，就需要將各部件進行組裝。壓力容器需在制造廠內(nèi)完成組裝，同時針對組裝流程中的表面殘留的少量加工余量進行熱處理，從而保證組裝整體質(zhì)量。首先，需在各個部件內(nèi)側(cè)外部堆焊不銹鋼或鎳基合金等抗腐蝕性較強的原材料，隨后進行筒體、筒體與筒體法蘭、筒體與底封頭等部件的對接，等到完全連接之后，采取熱處理來排除應(yīng)力，隨后再對壓力容器堆芯儀表、控制棒驅(qū)動接管，最后對壓力容器的抗腐蝕密封面采取精加工處理。如果受到壓力容器運行環(huán)境的限制，可以到安裝現(xiàn)場裝配制造半組合件，因為壓力容器組裝針對各個部件的精確度有較高的要求，所以必須保證絕大部分組裝在制造廠內(nèi)來完成。如果把壓力容器組裝分成兩部分組合件再運輸?shù)桨惭b現(xiàn)場，那僅需一條焊接環(huán)縫并進行局部熱處理就可完成組裝，可最大程度的避免法蘭密封不嚴的問題。在安裝現(xiàn)場組裝時，需要嚴格控制焊接縫隙的偏差范圍，防止發(fā)生形狀改變等問題。待組裝完畢之后，要對整個壓力容器的各個部位進行檢查，確保組裝質(zhì)量。

2 壓力容器的制造特點

2.1 對壓力容器安全性能要求高

通常狀況下，壓力容器在使用過程中，其工作條件較為特殊，具體分為兩個方面：一方面，壓力容器中氣體或液體一般具備易燃、易爆的特性，同時會兼具毒性的特征；另一方面，壓力容器在實際使用時所處的工作環(huán)境較為惡劣，且絕大多數(shù)處于高壓、高溫及腐蝕性較高的環(huán)境中。綜上所述，制造質(zhì)量對壓力容器安全性能有較高的要求。在設(shè)計、制造、組裝與監(jiān)督檢查過程中，必須將相關(guān)行業(yè)規(guī)范與標(biāo)準作為壓力容器制造的關(guān)鍵進行落實。尤其在科學(xué)技術(shù)水平高速發(fā)展的背景下，創(chuàng)新生產(chǎn)技術(shù)與制造工藝發(fā)展全面推動了國內(nèi)壓力容器領(lǐng)域的技術(shù)規(guī)范與技術(shù)標(biāo)準獲得前所有未有的優(yōu)化，進一步提升了壓力容器的安全性與經(jīng)濟性。

2.2 壓力容器的結(jié)構(gòu)多樣化

壓力容器結(jié)構(gòu)樣式各異，其特定樣式則受到領(lǐng)域特性的制約，尤其在工業(yè)行業(yè)中被相關(guān)單位普及使用，然而不相同領(lǐng)域針對壓力容器的要求完全不相同。根據(jù)壓力容器在工業(yè)制作中的不同作用，把壓力容器劃分為下述種類：分離壓力容器、反應(yīng)壓力容器、儲存壓力容器與換熱容器等。因為壓力容器品類多樣，尤其在不同工業(yè)領(lǐng)域的制造過程中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和使用參數(shù)多種多樣，致使壓力容器在制造、使用和管理過程中，在規(guī)范體系的統(tǒng)一管理增加了較大的難度[2]。

3 壓力容器制造過程中遇到的問題

3.1 工藝過程的控制問題

壓力容器在制作過程中，必須按照相關(guān)工藝流程貫徹執(zhí)行，且優(yōu)先選擇符合規(guī)定的原材料、加工、制造成型。無論其中哪個步驟出現(xiàn)了違規(guī)操作與不符合國家標(biāo)準的情況，極易導(dǎo)致壓力容器一連串的質(zhì)量問題，最終出現(xiàn)意外事件的概率大大增加。生產(chǎn)過程中沒有建立完善的生產(chǎn)流程，操作人員對流程不熟悉，沒有質(zhì)量觀念和責(zé)任觀念，再加上選擇了不達標(biāo)的原材料，操作不規(guī)范，生產(chǎn)理念落后，隨意操作，在制造過程中出現(xiàn)各種失誤，必將造成產(chǎn)品缺陷和質(zhì)量問題。此外，相關(guān)企業(yè)無完整的監(jiān)督與培訓(xùn)機制，人員職責(zé)劃分含糊不清，易形成不規(guī)范操作。

3.2 壓力容器變形問題

壓力容器因為自身整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常，其中一個部件或幾個部件大小規(guī)格與圖形標(biāo)準不一致，或其部件不符合國家標(biāo)準而引發(fā)變形問題。一種變形主要因為應(yīng)力而形成，具體包含了火焰切割、加工失穩(wěn)及其焊接與熱處理變形等；一種是因制作中形成了偏差，具體包含了下料誤差、成型與組裝誤差等。有些變形能夠快速糾正，還有一些則不可補救，從而導(dǎo)致過度消耗。以鋼材舉例，其自身硬度較大、耐高溫、不易形變，其為制造鋼制壓力容器的主原料，假設(shè)在運送途中出現(xiàn)彎曲與損壞的問題，則在切割過程中就會影響部件精準度，同時影響了壓力容器本身的整體質(zhì)量，導(dǎo)致原材料浪費。壓力容器絕大部分采用機械加工，組裝過程中也會產(chǎn)生較大強制力，強制力積累極易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，最終導(dǎo)致變行，嚴重情況下會出現(xiàn)裂縫。

3.3 焊接后熱處理出現(xiàn)問題

壓力容器質(zhì)量取決于壓力容器焊接質(zhì)量的優(yōu)劣，因此，壓力容器制造過程中焊接質(zhì)量以及焊接后熱處理非常重要。焊接后熱處理的主要工作需要面臨焊接接頭及總體結(jié)構(gòu)兩方面。這兩個方面的工作有一個共同的目標(biāo)，即將殘余應(yīng)力去除掉，以便于保證焊接位置組織性能的整體性。然而，由于當(dāng)下壓力容器制造過程中，發(fā)現(xiàn)了焊接后熱處理存在很大的問題。由于生產(chǎn)流程中選擇的材料不同，因此，出現(xiàn)了不同金屬焊接標(biāo)準與密度等。

3.4 原材料問題

制造壓力容器制造過程中，有時會采用優(yōu)良的、層級較高的、性能較強的材料替代劣質(zhì)、層級低、性能差的材料，來提高壓力容器的質(zhì)量和安全性?？墒且晃兜乩脙?yōu)質(zhì)材料并不意味著任何情況下都可以獲得良好的性能，因此用優(yōu)質(zhì)材料全部替換性能較差的材料并不是科學(xué)合理的。此外，另一現(xiàn)象就是利用規(guī)格較厚材料替代規(guī)格較薄的材料，目的則是把壓力容器強度大幅度提高?？墒沁@樣的情況下直接導(dǎo)致了壓力容器平面應(yīng)力狀況產(chǎn)生改變，造成原先受力狀況發(fā)生了不良變化。

4 壓力容器制作的質(zhì)量控制措施

4.1 壓力容器原材料質(zhì)量控制

壓力容器制作質(zhì)量過程中首要環(huán)節(jié)就是原材料控制，需要保證原材料的質(zhì)量符合規(guī)范要求，方可為后續(xù)質(zhì)量控制工作創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。對原材料的選用、代用、購入、驗收、復(fù)驗、存儲、保管、發(fā)放及標(biāo)注移植等都應(yīng)該有嚴格的規(guī)范流程，確保材料的整體質(zhì)量。因為壓力容器的運行環(huán)境及盛裝物質(zhì)極為特殊，所以對材料化學(xué)及物理屬性有著更為嚴格的規(guī)范要求，從材料的生產(chǎn)到出廠應(yīng)該保證其具有可追蹤性和可靠性。

此外，壓力容器在制造過程中，必須科學(xué)合理的選擇原材料。首先，相關(guān)設(shè)計與制造人員必須參照壓力容器性質(zhì)特點選擇制造材料，嚴格把關(guān)材料質(zhì)量，落實材料準入機制，且每種原料務(wù)必要做好質(zhì)量檢查，保證材料質(zhì)量達標(biāo)之后方才能進入市場。當(dāng)材料進入施工現(xiàn)場之后，則需供貨商給予相關(guān)的質(zhì)量證明，保證材料質(zhì)量符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準。其次，對進場材料做好相應(yīng)編號登記，建立材料入庫檔案，更有利于工作人員全方位掌握不同材料的特性與出入庫狀況。此外，要想防治材料發(fā)生銹蝕，可以對相關(guān)材料采取防腐蝕處理，進一步延長材料使用壽命。

4.2 熱處理質(zhì)量控制

預(yù)防壓力容器變形，就要讓壓力容器處于可操控狀態(tài)，按照制造工藝和材料特性嚴格規(guī)范生產(chǎn)活動，且遵照相關(guān)操作標(biāo)準，最大程度地防止變形的產(chǎn)生。壓力容器制造過程中，為確保圖樣與國家標(biāo)準要求相統(tǒng)一，則要經(jīng)過不同環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制來提高產(chǎn)品質(zhì)量。尤其對材料實施切割操作時，要對稱切割，完成切割之后進行平整矯形處置。在實際操作環(huán)節(jié)中，高效調(diào)整焊接熱輸入需要依據(jù)工藝規(guī)范標(biāo)準施工，完成焊接達后盡早展開應(yīng)力熱處理，從而更好地把控壓力容器的變形問題。

此外，在壓力容器制造過程中，由于工藝或材料等原因的影響，會造成變行或者殘余應(yīng)力等問題，直接影響壓力容器的制造質(zhì)量。要想避免相關(guān)質(zhì)量問題，則需采取熱處理技術(shù)，其中調(diào)質(zhì)熱處理、清除焊接殘余應(yīng)力熱處理、固熔化熱處理、正火熱處理為常用的熱處理方法。在熱處理過程中，需嚴格控制爐溫度，保證爐內(nèi)熱度均衡，禁止外火焰與熱處理有所接觸。尤其在熱處理之前，制定科學(xué)合理的熱處理工藝，保證不同工藝數(shù)據(jù)的精準性與科學(xué)性。做好熱處理工藝流程控制，保證材料的完整性，有效防止壓力容器變形等質(zhì)量問題[3]。

4.3 壓力容器工藝及其檢測質(zhì)量控制

為了保證壓力容器的制造質(zhì)量，其在制造過程中，需要嚴密按照規(guī)定流程執(zhí)行，加強各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量監(jiān)督，確保質(zhì)量符合規(guī)定標(biāo)準，做好各個環(huán)節(jié)工作的質(zhì)量對接。為了保證壓力容器的質(zhì)量，則要盡早開展質(zhì)量檢查工作，具體包含了內(nèi)部與外部檢查，對于容易表面的裂紋、變形、泄漏、局部過熱等比較明顯的質(zhì)量缺陷可通過觀看和觸摸來檢查，對于無法用眼睛或放大鏡來分辨的質(zhì)量問題，則需要利用無損檢測來完成對應(yīng)工作內(nèi)容。射線、滲透、超聲與磁粉是無損檢測經(jīng)常使用方法。利用此方式，能夠最早檢查出壓力容器質(zhì)量情況，隨后盡快采取針對性措施，最大程度減少設(shè)備的返修率。

4.4 制造工藝的管控

與其他機械類型有所不同，壓力容器加工為“多品種、單臺套”，而為了對壓力容器的制造過程進行有效指導(dǎo)，應(yīng)該針對每一臺套壓力容器都編制專門的工藝。等到工藝確定后，要保證整體生產(chǎn)過程都必須嚴格遵循工藝規(guī)程。不同工序執(zhí)行結(jié)束之后，工序操作員與質(zhì)量檢測員務(wù)必在工藝流程卡上進行簽字確認，并隨同產(chǎn)品一同進入到下道工序中。這一過程中需要注意以下幾點：首先，鉚裝時依據(jù)容器的主焊縫分布圖設(shè)置安裝筒節(jié)對接焊縫位置，清理焊縫上的孔洞；其次，墊板和容器角焊接縫兩側(cè)要利用間斷焊；再次，采取耐壓試驗過程中，必須具備高度的安全責(zé)任意識，假設(shè)出現(xiàn)滲漏，要依據(jù)相關(guān)流程，先卸壓再補焊或加固螺栓；最后，合理確定試驗壓力值。

此外，筒體成型，第一，筒體焊接接頭的對口錯邊量需要嚴格控制，這是確保焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)。以厚度16 mm 的鋼板來制作筒體舉例，其中A 類焊縫對接錯邊量標(biāo)準需≤3 mm；B 類焊縫對口錯邊量標(biāo)準需≤1/4δs，即≤4 mm。第二，筒體卷筒過程中，焊接接頭環(huán)向、軸向產(chǎn)生的棱角度非常關(guān)鍵，同樣為卷簡程序的主要步驟。需要有效控制卷筒過程中預(yù)留壓頭規(guī)格，利用二次校圓來實施調(diào)整，使得筒節(jié)棱角度控制在合理范圍內(nèi)。筒體組對，第一，直線度控制。首先筒體組對直線度要符合圖紙要求，而筒體直線度合理偏差應(yīng)≤簡體長度(L) 的1%；針對直立容器來講，筒體直線度應(yīng)≤(0.5L/1 000)+15 mm。直線度檢查需由筒節(jié)斷面的水平和垂直平分線的中心4 個位置進行測量，測量位置需偏離縱向接頭焊縫中心線最少100 mm 距離，方可保證測量數(shù)據(jù)的精準性與代表性。第二，焊接接頭控制。筒體組裝過程中，不可利用十字焊縫，此種焊接方法在設(shè)計早期需要避免，緊鄰?fù)补?jié)相互間A 類接頭需錯開位置，且在筒節(jié)外表面上的弧長長度應(yīng)該大于筒體母材厚度3 倍，同時≥100 mm，整體的筒體當(dāng)中，單獨筒節(jié)長度不可小于300 mm。

4.5 焊接工藝質(zhì)量控制

影響壓力容器質(zhì)量的主要原因為焊接工藝，需在嚴把焊接材料質(zhì)量，嚴密審查操作人員資質(zhì)，需要持證上崗，且在施工前期，對焊接工藝實施測評，需要符合NB/T 7014—2011 規(guī)范技術(shù)標(biāo)準，才能操作施工；尤其在焊接過程中，應(yīng)嚴格執(zhí)行設(shè)計工藝，禁止亂改工藝數(shù)值。針對焊縫質(zhì)量檢查內(nèi)容主要包括：第一，焊縫余高；第二，C/D 類接頭焊腳高；第三，焊縫表面裂紋、氣孔、飛濺物等問題；第四，焊縫咬邊狀況。針對不符合工藝標(biāo)準的，則要實施焊縫返修，且要控制返修次數(shù)，對返修情況進行記錄，設(shè)計返修工藝。最后，針對焊后熱質(zhì)量進行檢查控制，由責(zé)任工程師負責(zé)審核，檢查熱處理的記錄曲線，出具熱處理報告。

4.6 無損檢測控制

壓力容器無損檢測為質(zhì)量控制的關(guān)鍵檢測方案，當(dāng)焊縫表面質(zhì)量檢查合格后，則要采取無損探傷測試。具體方式包括了射線、超聲、著色滲透、磁粉等方式。壓力容器無損檢測在標(biāo)準規(guī)范中給出了明確闡述，作為質(zhì)量控制的關(guān)鍵要素，為產(chǎn)品的質(zhì)量控制提供了有效的數(shù)據(jù)記錄和依據(jù)。無損檢測人員需要依據(jù)相關(guān)規(guī)范技術(shù)標(biāo)準、技術(shù)要求嚴格執(zhí)行，以提供真實可靠的數(shù)據(jù)作為參考，進行更好的質(zhì)量管控。無損檢測歸檔需要儲存完好，存儲期限不可小于容器設(shè)計正常使用年限，隨時查閱做好準備。

此外，依據(jù)JB/T 4730.1-4730.5—2005 標(biāo)準規(guī)定，針對產(chǎn)品實施射線檢測或超聲波檢測，得到檢查結(jié)果必須符合設(shè)計圖紙標(biāo)準。無損檢查的要點包括：第一，檢測需遵照JB/T 4730.1-4730.5—2005 標(biāo)準規(guī)范，且符合相關(guān)圖紙設(shè)計要求；第二，檢測比例需符合有關(guān)技術(shù)規(guī)范標(biāo)準；第三，采取TOFD 超聲檢測技術(shù)過程中，需按照雙方約定，實施縱向與橫向問題檢測，進行縱向問題檢測過程中，超聲波束腰由鋼管橫截面中心一旁傾斜射入，實施橫向檢測過程中，則需要沿著軸向方向傾斜射入；第四，在檢測過程中，務(wù)必針對焊縫交接位置實施100% 線檢測；第五，無損檢測工作要有具備檢測資質(zhì)的操作人員來操控完成，貫徹執(zhí)行初評與復(fù)審機制，確保記載與監(jiān)測報告的整體性，待無損檢測報告實施審查之后，隨后歸檔于產(chǎn)品品質(zhì)文檔中儲存起來。

5 結(jié)語

總而言之，在石油化工領(lǐng)域中，壓力容器長期處于高溫高壓的工作環(huán)境中，同時儲存的物質(zhì)大多數(shù)為易燃易爆、易腐蝕的特性，因此針對壓力容器密封性及其耐腐蝕性能提出了更高的要求。要想確保壓力容器安全性，需強化制造工藝控制，采取有效措施保證制造質(zhì)量，確保各項指標(biāo)都符合規(guī)定的標(biāo)準，避免發(fā)生安全問題，為促進工業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造有利條件。