應用復合鋼板的壓力容器制造工藝

龐 琳

（南寧化工集團有限公司，廣西 南寧 530000）

常用的壓力容器復合鋼板是以某種鋼作為基層，以另一種鋼或有色金屬作為復層，通過熱軋或爆炸成型工藝等方法復合而成的雙金屬板。其基層主要滿足結構強度和剛度的要求，一般用低碳鋼或低合金鋼；而復層主要是滿足耐腐蝕性的要求，一般用鉻或鉻鎳不銹鋼、鎳基合金、銅基合金或鈦板。復層通常只占總厚度的10 %～20 %。因此，復合鋼板既有優質或貴重金屬具備的特殊性能（如耐蝕性），又可以節約大量的不銹鋼或鈦等貴重金屬，在保證技術要求的同時可大幅降低成本，具有很大的經濟價值。因此，復合鋼板在石油、化工、航海、醫療、食品行業和軍工生產中得到越來越廣泛的應用。但是由于壓力容器用復合鋼板一般是在石油化工等具有重大危險的環境中使用，既承受壓力，工作介質幾乎又都是具有強烈腐蝕作用的物質；且由于壓力容器用復合鋼板的制造工藝較為嚴格，一般的廠家因接觸少，工藝不成熟，在制造中經常會出現一些問題，如筒體下料尺寸不合適、焊縫蠕變斷裂等。為此，本文將主要談談壓力容器用復合鋼板的一些制造工藝及要求，以供同行參考。

1 復合前準備

1.1 復合鋼板的準備

復合鋼板基層與復層的材料因需要而定。一般情況下，基層材料為16MnR，復層材料為0Crl8Ni9的不銹鋼復合鋼板較為常用。在復合前，復合鋼板應符合以下條件：

（1）被選用的復合鋼板應具有符合國家現行標準的質量證明書，并確保板面平整。

（2）復合鋼板不得有使用上的有害外觀缺陷。基層與復層的結合面積應占總面積的95 %以上，局部未結合面積不得超過50 cm2。對加工時有較大應力（如沖壓封頭）或使用時有較大負荷（如管板）的復合鋼板要求更嚴。基層與復層表面的淺平缺陷，如果不可磨掉，則復層表面的全部缺陷面積總和不得超過復合面積的20 %。同時，復層材料的表面質量應與復合方法相適應，厚度均勻，公差應符合規定值。

（3）對復合鋼板的機械性能，其抗拉強度和作延伸率原則上應等于或大于母材（基層材料）值；抗彎試驗標準應與總厚度相等的母材相同，抗剪強度對任何總厚度＜100 mm的鋼板應≥20 kgf/mm2；貼合彎曲3個試樣中有兩個試樣彎曲部分兩邊不能有50 mm以上的分層現象。

（4）復合鋼板在進廠時均應進行超聲波探傷試驗，不得有使用上有害的分層現象。對復合板的修補以及標記與標記移值等與一般鋼材壓力容器的原材料控制相同。

1.2 下料、拼接

壓力容器復合鋼板在制造前，廠家應按照要求將16MnR與0Crl8Ni9板材下好料。由于2種板材規格不同，尤其是復層材料不銹鋼板壁厚較薄，板長和板寬都較小，故需要拼接。下料及拼接時應注意：

（1）按容器尺寸確定封頭和簡體實際需要的板材長度 L和寬度B。

（2）L＋100 mm和B＋100 mm為基層板材的最小下料長度及寬度，下料時最好將寬度圓整合到與B＋100 mm最相近的標準寬度。如果要從長度方向截取焊接試板，則下料長度至少為L＋500 mm。

（3）為滿足復合工藝的要求，復層的長度和寬度應比實際所下基層的長度和寬度大50 mm，即每邊大25 mm。

（4）按照實際所需復層板材的長度和寬度以及現有復層板材的規格進行拼接，拼接焊縫應焊透磨平，并作滲透無損檢測，應無裂紋及其他超標缺陷，基層板與復層板應平整。

2 筒體下料

（1）復合鋼板的筒體與封頭對接焊接，二者直徑應一致。

（2）文獻［2］認為，板材在卷圓過程中受到彎曲作用，其中應力為0的那一層稱為中性層，中性層周長不變。按封頭的中性層周長來確定筒體展開長度是合理的。另外，復合板筒體或封頭的中性層所處的直徑小于中徑，簡體展開長度應按下式計算：

L＝π（Di＋2 Yh）

式中，Di：封頭實測內徑；

Yh：封頭中性層離內壁的距離。

（3）無論是縱焊縫還是環焊縫，復合鋼板筒體與封頭對接處的錯邊量不得大于鋼板復層厚度的50 %，且不得大于2 mm。

3 筒體排版

筒體排版，即先將筒體以順時針的方向展開，然后在筒身標出所有接管孔的位置及孔徑，并按縱環焊縫錯開接管孔的原則確定板材的長度和寬度，縱環焊縫距邊緣的距離應大于100 mm。

4 焊接

（1）復合鋼板的焊接方法，可根據材質、接頭厚度、坡口尺寸及施工條件等情況確定，通常可采用手工電弧焊、埋弧自動焊、CO2保護焊或氬弧焊等方法。

（2）復合鋼板基層、復層和過渡層焊條的選擇：如16MnR＋0Crl8Ni9復合鋼板，基層可用J507、J507R焊條，過渡層用A302或者A402焊條，復層用A132焊條較為合適；如lCr18Ni9Ti－l6Mn復合鋼板，基層可選 J507焊條，過渡層選A302、A307焊條，復層選A132、A137焊條較為合適。

（3）焊接順序：對于在焊接時，一般是先焊內側基層焊縫，反過來外側挑焊根，用碳弧氣刨鏟焊根，清除熔渣、夾渣，再將基層焊縫填滿；焊好后在復層側用角砂輪打磨，檢查合格后，再進行內側過渡層焊接，最后焊復層。焊接時，應嚴格控制內側基層焊縫高度，使其距復層界面1 mm～1.5 mm為止，絕對不能焊到復層；過渡層焊縫只焊一層，其熔焊金屬應完全覆蓋基層，并覆蓋復層0.5 mm～1.5 mm，焊過渡層時應該采用較小的線能量，以防止基層金屬滲入復層而引起焊縫缺陷。

5 其他要求

（1）切割、彎曲或深拉加工復合鋼板時，應將復層放在下面，必要時還應設置保護層，以防止放在上面的復層材料表面劃傷。

（2）復合鋼板彎曲或深拉加工時一般應采用冷卷加工，當不得不采用熱加工時，必須注意如下幾點：加熱前應除去油污和附著物；燃料含硫低；加熱時間為2 min/mm，且不超過15 mm；加熱火焰或固體燃料不得直接接觸復層，且溫度要分布均勻，以防滲碳；應避免在敏化溫度范圍（550 ℃～850 ℃）加工，以防產生晶間腐蝕；加熱氣氛應保持弱氧化性，不得采用還原性；根據不同的復層材料應控制加熱溫度范圍，加工之后最好空冷。

（3）由于復合鋼板2種金屬的熱膨脹系數不同，熱處理過程中殘余應力有可能增大，所以必要時應作消除應力退火；但一般不作。當不得已要進行消除應力退火時，必須按容器的用途采用適當的方法。母材為低碳鋼時，其母材厚度≤25 mm時，不需消除應力；當母材厚度＞25 mm～28 mm時，若預熱溫度在100 ℃以上就不需消除應力；當母材厚度＞38 mm時，才進行應力消除。

（4）由于基層焊縫對復層焊縫有稀釋作用，容易降低復層焊縫金屬中的鉻、鎳等合金元素的含量。因此，焊接時，過渡層的焊材應采用高鉻、鎳鋼等焊材，以得到雙向組織的焊縫，避免大量馬氏體組織的產生，出現焊接冷裂紋。

（5）焊前，應先通氣排除管路中的空氣；當CO2氣體保護焊焊接復合鋼板時，應確保有足夠的保護氣體流量，以避免空氣侵入焊接區；焊接結束后，應及時清理焊嘴上的飛濺物；焊絲伸出長度不應太長，以10 mm～15 mm為宜。

（6）除按圖樣規定對復合鋼板焊縫進行射線檢測或超聲波檢測外，對所有的復層焊縫也應作滲透檢測，以檢驗焊縫表面有無裂紋；焊縫檢驗不能在焊后立即進行，最好在退火之前進行，檢驗方法可用著色、磁粉及射線探傷均可。

（7）帶不銹鋼襯里碳鋼接管的端面應有（4±1）mm的堆焊層，不銹鋼接管也應伸入容器內壁（4±1）mm。

（8）對有防腐要求的復層表面應作酸洗鈍化處理，以提高其抗裂能力。

6 復合鋼板壓力容器的檢驗

壓力容器由于密封、承壓及介質等原因，容易發生爆炸、燃燒起火而危及人員、設備和財產的安全甚至污染環境的事故。因此，應用復合鋼板的壓力容器在制造后，應由國家指定的專門機構，按照國家規定的法規和標準實施監督檢查和技術檢驗。其主要的檢驗項目和方法為：

（1）實體檢驗。采用直觀檢查、量具檢查、無損探傷檢測、理化性能檢驗、水壓試驗等方法，壓力容器本體和主要零部件進行外觀和內在質量的檢查。

（2）檢驗的主要項目有：受壓元件材質、外觀尺寸和成形質量、焊縫質量、組裝質量、內部裝置及安全附件是否齊全有效、脹管質量、各受壓元件相互的幾何位置和耐壓性能等。

（3）性能：技術資料審查和實體檢驗合格的壓力容器視需要進行性能檢驗，檢查其規定的技術和經濟指標。

（4）重點檢驗復合層與基層結合部位的焊接缺陷，主要是夾渣和熱裂紋，一旦超標，必須返修直至合格。

（5）檢驗縱焊縫處的向內的角變形問題，一旦超標也應用機械法或局部加熱法予以矯正。

綜上所述，目前我國復合鋼板的生產和研究工作尚處于發展階段，應用于制造壓力容器的時間不長，只有不斷完善復合鋼板壓力容器的制造工藝，保證和提高其制造質量，才能促進復合鋼板壓力容器的良好發展。經實踐證明，按上述要求制造的復合鋼板壓力容器質量穩定，在實際使用中沒有出現過問題。

1 《鋼制壓力容器》（GB150－1998）

2 丑津士、陳維耕.化工煉油設備制造工藝［M］.北京：化學工業出版社，1986

3 林 莉、安建華、張周衛.復合鋼板壓力容器制造工藝［J］.石油化工設備，2003.32（60）

4 李 煜、段滋華、來誠鋒. 復合鋼板壓力容器焊縫界面高溫蠕變研究［J］.化工機械，2009.36（2）

5 何天榮.復合鋼板壓力容器制造質量控制［J］.鍋爐壓力容器安全技術，1992（5）

6 王偉濱、劉桂雙.不銹鋼復合板過渡層的焊接［J］.化工裝備技術，2005.26（2）

7 《壓力容器用爆炸不銹鋼復合鋼板》（JB4733－1996）