壓力容器制造工藝及質(zhì)量控制措施

靳志宇

關(guān)鍵詞：壓力容器；生產(chǎn)制造；制造工藝；質(zhì)量控制

在生產(chǎn)制造壓力容器的過(guò)程中，相關(guān)單位與技術(shù)人員一定要根據(jù)具體情況明確基本需求，采取合理的措施開(kāi)展材料選擇、主要部件制作和裝配焊接等操作。在此過(guò)程中，相關(guān)單位與技術(shù)人員應(yīng)針對(duì)具體的問(wèn)題制定質(zhì)量控制措施，保障壓力容器的生產(chǎn)制造質(zhì)量，充分滿(mǎn)足其實(shí)際應(yīng)用需求。

1 項(xiàng)目概況

本研究主要討論一個(gè)儲(chǔ)氣罐的生產(chǎn)加工。該儲(chǔ)氣罐為二類(lèi)壓力容器，規(guī)格為φ 1 000 mm×2 410 mm×10 mm，設(shè)計(jì)溫度為40 ℃，設(shè)計(jì)壓力為1.78 MPa。為保障其具體生產(chǎn)制造質(zhì)量，本研究特對(duì)其制造工藝和質(zhì)量控制措施進(jìn)行分析。

2 壓力容器主要制造工藝

本項(xiàng)目所用壓力容器的制造工藝主要包括4個(gè)步驟：第一，合理選擇主要材料；第二，采取合理的技術(shù)措施制作筒節(jié)；第三，采取合理的技術(shù)方案制作封頭；第四，對(duì)壓力容器整體進(jìn)行裝配焊接加工處理。

2.1 主要材料選擇

在壓力容器生產(chǎn)制造中，材料選擇是一個(gè)基礎(chǔ)且關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，只有材料恰當(dāng)，才可以確保后續(xù)的生產(chǎn)加工質(zhì)量?；诖耍狙芯拷Y(jié)合壓力容器的實(shí)際設(shè)計(jì)與應(yīng)用需求，對(duì)其主要材料進(jìn)行了合理選擇。綜合考慮各方面因素，最終決定將支承式支座選作容器支座，將Q235B型低合金16MnR鋼板用作筒體材料和筒頭材料[1]。

2.2 筒節(jié)制作

在制作筒節(jié)前，首先要用機(jī)械矯正法對(duì)鋼板進(jìn)行校正處理，通過(guò)化學(xué)法和機(jī)械法除去鋼板表面的氧化皮、鐵銹以及其他污物。其次是劃線(xiàn)和下料，本項(xiàng)目主要采用CNC-4A型數(shù)控切割機(jī)，通過(guò)氧乙炔火焰對(duì)筒節(jié)進(jìn)行切割加工。因此，其下料方法選擇的是熱切割法。在下料過(guò)程中，需按照實(shí)際的板材尺寸進(jìn)行筒體排板和下料處理，并按照以下方式完成排板圖繪制。（1）嚴(yán)格按要求控制好筒節(jié)長(zhǎng)度。（2）下料時(shí)，對(duì)同一個(gè)筒節(jié)應(yīng)盡可能減少縱向拼接焊縫的數(shù)量，合理控制相鄰縱縫之間的弧長(zhǎng)距離。（3）筒節(jié)和筒節(jié)、筒節(jié)和封頭的焊縫不可設(shè)置為十字交叉形式，且焊縫一定要錯(cuò)開(kāi)設(shè)置，錯(cuò)開(kāi)量應(yīng)在筒節(jié)設(shè)計(jì)厚度的兩倍以上。（4）對(duì)于筒體內(nèi)件和筒體之間的焊縫，下料時(shí)應(yīng)盡量不在筒體自身環(huán)焊縫邊緣設(shè)置。（5）該壓力容器屬于臥式容器，因此，其環(huán)焊縫需要盡量設(shè)置到支座以外，縱向焊縫應(yīng)盡量設(shè)置到筒體下方一定范圍內(nèi)。（6）筒體上縱向焊縫以及環(huán)向焊縫的設(shè)置應(yīng)盡量避開(kāi)補(bǔ)強(qiáng)圈和孔位置。（7）筒體下料一定要嚴(yán)格按照實(shí)際的排板圖，并檢查每一塊板料的產(chǎn)品編號(hào)、質(zhì)量標(biāo)記、筒節(jié)號(hào)、件號(hào)、焊縫編號(hào)、幾何尺寸、板厚度以及坡口方向等是否合格，確定完全合格之后才可以下料。（8）筒體周長(zhǎng)全部按照中徑展開(kāi)，且需要按封頭外周長(zhǎng)實(shí)際尺寸確定。（9）在筒節(jié)下料劃線(xiàn)過(guò)程中，需要將檢查線(xiàn)、切割線(xiàn)以及實(shí)際用料線(xiàn)明確標(biāo)注在板上。（10）嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)控制筒節(jié)的切割余量、邊緣加工余量以及展開(kāi)長(zhǎng)度等。本次壓力容器劃線(xiàn)下料中的主要參數(shù)控制情況如表1所示。

本項(xiàng)目主要通過(guò)對(duì)稱(chēng)式三輥卷板機(jī)進(jìn)行筒節(jié)卷制加工，在具體加工過(guò)程中主要采用以下4項(xiàng)技術(shù)措施：（1）對(duì)于鋼板兩端不能卷彎的平直段需要提前按所需曲率通過(guò)彎胎預(yù)彎法進(jìn)行彎曲處理，其中，預(yù)彎胎板厚度設(shè)為20 mm，曲率半徑設(shè)為900 mm，預(yù)彎長(zhǎng)度設(shè)為240 mm。（2）為避免卷制過(guò)程中出現(xiàn)鋼板扭斜、軸線(xiàn)方向錯(cuò)邊等情況，需要在滾卷前將鋼板擺正，并與卷板機(jī)保持對(duì)中，本項(xiàng)目采用的對(duì)中方法為輥上槽線(xiàn)法，在對(duì)中過(guò)程中先將中線(xiàn)劃在鋼板上，再將下輥表面的槽線(xiàn)與之對(duì)正，以此達(dá)到良好的對(duì)中效果[2]。（3）完成對(duì)中后便可進(jìn)行滾卷加工。加工時(shí)需要將上輥下壓，使鋼板產(chǎn)生相應(yīng)的曲率彎曲。在冷卷過(guò)程中，變形率不可超出材料允許限值，同時(shí)應(yīng)控制好上輥下壓壓力，防止發(fā)生打滑情況，下壓量不可超出卷板機(jī)功率額定值。當(dāng)卷制到規(guī)定曲率時(shí)，還需要在該曲率條件下進(jìn)行多次卷制處理，使其內(nèi)應(yīng)力充分釋放，以此確保其變形的均勻性，減少回彈。（4）完成滾圓并裝配焊接好焊縫之后，需再一次對(duì)筒節(jié)進(jìn)行滾圓處理，使其圓度符合規(guī)定。在具體處理過(guò)程中，應(yīng)先逐漸加載到校正曲率最大值，再對(duì)正焊縫區(qū)域?qū)嵤┲攸c(diǎn)矯正，測(cè)量合格之后再逐漸卸載，一直到卷制結(jié)束為止[3]。

2.3 封頭制作

封頭劃線(xiàn)下料之前，要按以下公式進(jìn)行坯料直徑計(jì)算：

因?yàn)槊鞯闹睆捷^大，所以本項(xiàng)目決定通過(guò)拼板法制作毛坯料。在制作過(guò)程中，為防止十字交叉焊縫的出現(xiàn)，將壓力容器封頭制作成兩塊左右對(duì)稱(chēng)形式的鋼板，將其對(duì)接焊縫和封頭中心距離控制在毛坯直徑的1/4及以?xún)?nèi)。內(nèi)筒封頭由兩塊板材焊接組成，其外部板材規(guī)格為2 850 mm×1 750 mm×8 mm，內(nèi)部板材規(guī)格為2 850 mm×1 100 mm×8 mm。

封頭壓制的工藝方法有很多，包括爆炸成型、沖壓成型以及人工錘擊成型等，本次選擇的是沖壓成型工藝。封頭壓制整體上屬于加熱拉延過(guò)程，通過(guò)拉延模具對(duì)空心半成品或平板毛坯進(jìn)行拉延處理，最終使其形成開(kāi)口零件。封頭加熱拉延之前需要先加熱板材，以此提升其韌性，減小其變形壓力，為后續(xù)的拉延成型提供足夠的便利。在加熱拉延時(shí)，通過(guò)室式加熱爐進(jìn)行加熱處理，將起始沖壓溫度控制在900～1 050 ℃，將終止沖壓溫度控制在700 ℃及以上。若期間的溫度低于700 ℃，沖壓后必須實(shí)施回火處理，以此確保加熱拉延效果。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，該儲(chǔ)氣罐封頭是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的橢圓形結(jié)構(gòu)。在具體壓制過(guò)程中，需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的壓延力來(lái)合理設(shè)置壓力機(jī)噸位，并根據(jù)設(shè)計(jì)好的沖壓直徑來(lái)合理選擇沖壓機(jī)。綜合考慮各方面因素，本項(xiàng)目決定使用500 t噸位的四柱式油壓機(jī)進(jìn)行封頭的壓延加工。在壓延加工過(guò)程中，考慮到成型工藝中存在很多不穩(wěn)定因素，封頭的準(zhǔn)確形狀及其變形等都難以掌控，所以在毛坯下料時(shí)特地預(yù)留出100 mm寬的修邊余量，以供后續(xù)加工修整。為提升加工效率，鋼板二次切割以及坡口加工工作可同步進(jìn)行。在加工過(guò)程中，通過(guò)可旋轉(zhuǎn)形式的回轉(zhuǎn)平臺(tái)夾持封頭，使其開(kāi)口向上，將割槍夾持到平臺(tái)側(cè)面支架上并與切割線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)為回轉(zhuǎn)平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)提供驅(qū)動(dòng)力。為確保切割的穩(wěn)定性，在具體切割過(guò)程中，特通過(guò)導(dǎo)向滾輪連接割嘴的方式將彈簧壓緊到封頭壁上實(shí)施切割處理。

2.4 裝配焊接

本項(xiàng)目壓力容器及其相關(guān)部件的裝配焊接技術(shù)要點(diǎn)包括以下3項(xiàng)：（1）通過(guò)臥式法在焊接滾輪架上裝配筒節(jié)，將兩個(gè)筒節(jié)放到焊接滾輪架上，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求預(yù)留焊接縫隙，之后便可實(shí)施定位焊。完成接頭裝配后，其錯(cuò)邊量應(yīng)控制在容器壁厚度的15%及以?xún)?nèi)，最大錯(cuò)邊量控制在5 mm。（2）對(duì)于筒體和封頭，在裝配過(guò)程中，需要將內(nèi)筒放到焊接滾輪架上，通過(guò)吊車(chē)將封頭吊運(yùn)到裝配位置，再通過(guò)定位焊進(jìn)行焊接，其焊接工藝和筒節(jié)焊接工藝完全相同[5]。（3）壓力容器上的其他配件應(yīng)嚴(yán)格按照具體設(shè)計(jì)進(jìn)行裝配，之后通過(guò)電弧焊實(shí)施定位焊接。為保障焊接效率及其質(zhì)量，施工單位需要對(duì)其環(huán)境條件加以良好控制，除了雨雪等惡劣天氣條件下不可實(shí)施焊接施工，施工單位還需要按照表2中的參數(shù)做好其焊接環(huán)境質(zhì)量控制。

3 壓力容器制造質(zhì)量控制措施

為進(jìn)一步確保壓力容器的生產(chǎn)制造質(zhì)量，在具體制造過(guò)程中，相關(guān)單位和技術(shù)人員應(yīng)通過(guò)合理的措施實(shí)施質(zhì)量控制，主要包括設(shè)計(jì)和焊接質(zhì)量控制、熱處理質(zhì)量控制、檢測(cè)質(zhì)量控制3項(xiàng)內(nèi)容。

3.1 設(shè)計(jì)和焊接質(zhì)量控制

在壓力容器的加工制造過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)其整體質(zhì)量的良好控制，相關(guān)單位首先應(yīng)控制好其設(shè)計(jì)和焊接質(zhì)量。設(shè)計(jì)單位應(yīng)全面掌握壓力容器的主要特征，根據(jù)其實(shí)際應(yīng)用需求以及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)加工條件合理進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)，以此提升其加工效率與質(zhì)量，滿(mǎn)足壓力容器的實(shí)際應(yīng)用需求。壓力容器的焊接一定要由具備相關(guān)資質(zhì)和足夠經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員操作，焊接前需要對(duì)所有材料、設(shè)備等進(jìn)行嚴(yán)格檢查，在確保其完全符合要求的情況下才可以進(jìn)行焊接，且所有焊接操作都必須嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行，防止因設(shè)計(jì)不佳和焊接操作不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致的質(zhì)量問(wèn)題[6]。

3.2 熱處理質(zhì)量控制

對(duì)于壓力容器的生產(chǎn)制造工藝而言，熱處理是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。只有合理控制熱處理質(zhì)量，才能保障壓力容器的元件質(zhì)量。基于此，在對(duì)壓力容器中的元件進(jìn)行熱處理加工時(shí)，相關(guān)單位和技術(shù)人員一定要足夠重視其質(zhì)量控制，始終將其加熱溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)，根據(jù)具體設(shè)計(jì)和操作規(guī)范實(shí)施熱處理。對(duì)于壓力容器工件中的一些復(fù)雜制造部分，相關(guān)單位可采取更加科學(xué)、先進(jìn)的現(xiàn)代化措施來(lái)簡(jiǎn)化工藝，以此降低其熱處理工藝的復(fù)雜程度，提升其熱處理效果。比如可通過(guò)當(dāng)前先進(jìn)的數(shù)字化三維模擬仿真技術(shù)進(jìn)行熱處理加工工藝的仿真模擬，以此判斷簡(jiǎn)化后熱處理工藝的可行性，為其熱處理質(zhì)量的提升奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)[7]。

3.3 檢測(cè)質(zhì)量控制

在壓力容器的生產(chǎn)制造過(guò)程中，質(zhì)量檢測(cè)屬于一項(xiàng)關(guān)鍵的質(zhì)量保障措施。只有控制好檢測(cè)質(zhì)量，才可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力容器制造中存在的質(zhì)量問(wèn)題，使其得到有針對(duì)性的處理，以此保障壓力容器的生產(chǎn)制造質(zhì)量。在目前的壓力容器制造過(guò)程中，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是最常用的質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)，包括超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、磁粉無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、射線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等。在具體檢測(cè)過(guò)程中，相關(guān)單位與技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需求、結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇合適的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，并嚴(yán)格按照其檢測(cè)原理和操作規(guī)范實(shí)施無(wú)損檢測(cè)，如實(shí)記錄具體的檢測(cè)結(jié)果，并對(duì)檢測(cè)誤差進(jìn)行科學(xué)處理，確保壓力容器的實(shí)際制造質(zhì)量得到真實(shí)反饋，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量問(wèn)題，并及時(shí)做出有針對(duì)性的處理，進(jìn)一步保障壓力容器的整體制造質(zhì)量，滿(mǎn)足其實(shí)際應(yīng)用需求，并顯著提升壓力容器運(yùn)行過(guò)程中的安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

壓力容器是當(dāng)前石油化工等領(lǐng)域中的關(guān)鍵設(shè)備，其生產(chǎn)制造質(zhì)量不僅關(guān)系到相關(guān)企業(yè)的運(yùn)行質(zhì)量及其經(jīng)濟(jì)效益，還直接關(guān)系到相關(guān)領(lǐng)域和工程項(xiàng)目的安全性，且與其周邊環(huán)境息息相關(guān)。近年來(lái)，隨著石油化工等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，壓力容器的生產(chǎn)制造也開(kāi)始廣受關(guān)注。為滿(mǎn)足石油化工等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需求，在壓力容器的實(shí)際生產(chǎn)制造中，相關(guān)單位和技術(shù)人員一定將其實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用需求作為依據(jù)，合理制定其加工工藝方案，并通過(guò)科學(xué)、合理、先進(jìn)且具有針對(duì)性的技術(shù)措施來(lái)進(jìn)行壓力容器加工制造。在此過(guò)程中，相關(guān)單位也需要采取合理的措施來(lái)實(shí)施其制造質(zhì)量控制，合理優(yōu)化壓力容器的生產(chǎn)制造工藝，進(jìn)一步提升其生產(chǎn)加工效率與質(zhì)量，滿(mǎn)足壓力容器的實(shí)際應(yīng)用需求，促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域和社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境之間的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。