旋壓封頭監檢過程中幾個要點的控制

黃誠蔚

（衢州市特種設備檢驗中心）

0 前言

近幾年來，由于旋壓封頭具有設備投資少、模具簡單、用料省、生產成本低、封頭尺寸不受模具限制等優點，在壓力容器行業的應用日益廣泛。但是，旋壓成形封頭相對沖壓成形封頭來說，也存在鋼材減薄量大、封頭形狀偏差較大、操作不當易在旋壓過程中產生裂紋、加工硬化、在使用過程中可能出現時效裂紋等缺點。本文就監檢過程中如何控制上述問題談談筆者個人的觀點。

1 旋壓封頭形狀偏差的控制

目前，旋壓成形分為一步成形法 （即單機成形法）和二步成形法 （即聯機成形法）兩種方法。二步成形法因其適用于中、小型薄壁封頭的制造而被廣泛采用。該種方法是先選用一定尺寸的壓鼓模在壓鼓機上將坯料壓成碟形，然后在翻邊機上翻邊至所需曲率最終成形。在壓鼓成形階段，一般用樣板半徑為R=0.843Di（Di為封頭內徑）模板進行形狀尺寸的控制。在翻邊過程中，通過選用合適r值的成形輪來控制過渡段的半徑，一般選取r=0.14Di，通過測量外圓周長來控制封頭直徑。因此，其生產工藝決定了旋壓成形的橢圓封頭是一個Di／(2h)=2的近似橢圓的碟形封頭，其承載能力與沖壓成形的標準橢圓封頭相比將下降10%～25%。同時，因為受壓鼓模和成形輪尺寸的限制，其選用往往依靠操作工人的實際經驗，在翻邊過程中，直邊傾斜度、封頭高度也不能得到有效控制。如再加上旋壓過程中不能嚴格地執行旋壓工藝，不按標準規程進行檢驗，那么往往造成封頭形狀偏差超標，給日后的使用埋下極大的安全隱患。因此，在監檢中對旋壓封頭形狀偏差的控制，監檢員不能只停留在對廠方檢驗資料的確認上，應經常深入現場，檢查操作工的操作程序和操作方法是否符合工藝要求，生產過程中檢驗是否進行，檢驗用模板是否合乎要求，有無變形翹曲。對于已造成形狀偏差的封頭，應進行修正或按封頭實際形狀重新進行強度計算，如能符合強度要求，可以允許使用；對不能滿足強度要求或無法再次修正的，不可用于壓力容器的制造。

2 對旋壓封頭減簿量的控制

封頭在旋壓過程中，由于壓力輪頂端壓力過大，易使封頭的壁厚減薄，又因其過渡區及r0處拉伸最大，故其壁厚減薄也最嚴重。對于一般的沖壓橢圓封頭，設計壁厚是以封頭頂點的應力值進行控制的 （薄膜應力的最大值出現在該點，且環向與經向應力相等）。雖然過渡區減薄較嚴重，但其實際應力水平比封頭頂點要低得多。因此可以認為，按封頭頂點應力設計計算求得的封頭壁厚，其過渡區必然存在較大的 “富裕度”，因而該部分 “富裕度”可以補償因沖壓導致的減薄。有資料記載表明：當減薄量≤15%計算厚度時，對其內壓承載能力并無什么影響，只有當減薄量≥25%～30%的計算厚度時，破壞部位才出現在減薄最大的過渡區。但旋壓封頭由于實質上是一個近似橢圓的碟形封頭，如按碟形封頭的壁厚計算公式計算，其與同規格、同材質的標準橢圓封頭相比，計算厚度比標準橢圓封頭大11%以上。橢圓封頭的曲率變化是連續的，而旋壓封頭在R及r0過渡段的曲率及應力分布存在突變，其周向應力也比標準橢圓封頭要大得多。因此，對于沖壓封頭的壁厚減薄，我們可以根據具體情況決定其是否允許使用，而對于旋壓封頭，則應該嚴格地控制其減薄量。

在監檢過程中，監檢員可建議封頭生產廠家做到以下幾點：一是積累各種規格封頭的加工減薄量的數據，并告知用戶，以便用戶選擇合適的板厚；二是在旋壓前對每一張坯料鋼板進行測厚，以確定該鋼板是否具有足夠的減薄量裕量；三是沿封頭端面圓周 0°、90°、 180°、270°四個方位，每個方位按照從封頭頂端至直邊段至少測5點的要求進行測厚，并從中得出封頭的最小壁厚。若僅在封頭任一部位測一點，此處壁厚并不一定是最小壁厚，因此不可取、不可信。一般情況下封頭減薄是逐步過渡的，變化是比較均勻的，減薄量如能控制在圖樣要求的封頭最小壁厚范圍內，該封頭即為合格。若出現某些局部范圍減薄量超差的情況，應重新對該封頭的強度按實際尺寸進行計算。同時還應注意以下兩點：一是對于使用壓力較高、存在腐蝕傾向的封頭要慎重；二是對減薄嚴重的部位應增加表面探傷或超聲波探傷，不允許存在表面或內部缺陷 （如材料內部分層等）。

3 對冷旋壓封頭熱處理的控制

封頭在冷旋壓的過程中，由于材料受到不同的力作用，沿著材料的厚度方向產生了不同的變形和應變，其外表面受拉、內表面受壓，表層產生了塑性變形，而中心產生的是彈性變形。由于應變的不同，造成了材料內應力的產生。同時鋼材經加工變形時使金屬晶粒出現滑移層，晶粒之間或晶內不同區域之間的變形不均勻形成了微觀內應力。位錯等晶格缺陷的產生將引起其附近的晶格畸變，從而產生晶格畸變應力。這種內應力是使金屬強化的主要原因，也是變形金屬中的主要內應力。這種內應力還是影響固溶體溶解能力的主要因素，它迫使溶質原子擴散與析出，從而達到晶格平衡。在平衡過程建立的同時，材料的性能也發生變化，即所謂的應變時效。在冷旋壓過程中，最初的旋壓即冷軋過程造成了金屬，尤其是表面金屬的加工硬化現象——硬度和強度顯著升高、塑性和韌性下降。加工硬化與應變時效的主要區別之一是：加工硬化在加工過程中會立刻顯示出來，而應變時效則需要一定的時間，往往是在使用過程中出現。封頭在內應力與外力的共同作用下，封頭外表面及近外表面的晶粒發生第二次滑移，這就導致了封頭外表面破碎晶粒及晶粒間的斷裂部位分開，形成新的裂紋源，并同已形成的微觀裂紋一起擴展和延伸。隨著這種微觀裂紋的擴展與延伸，裂紋與裂紋相遇，就形成了封頭外表面的宏觀網狀裂紋——時效裂紋。這種現象往往發生在低合金鋼的冷加工過程中。當加工變形量（減薄量）接近10%時，材料的延伸率將下降到15%左右，即低于材料的標準要求。

這時，材料是否需要進行熱處理？在原先的JB/T 4746—2002《鋼制壓力容器封頭》中規定：“冷成型的封頭應進行熱處理，當制造單位確保冷成型后的材料性能符合設計、使用要求的不受此限制”。如何 “確保”冷成型后的材料性能，沒有一個明確的說法，何況有些問題是在封頭的制造和使用過程才逐漸反應出來的。而之后替代JB/T 4746—2002的GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》中又規定 “整板成型或先拼后焊成型的鋼制半球型、橢圓型、碟型以及平底型封頭，應于冷成型后進行熱處理”。這一規定又導致很多有成功冷成型使用經驗的封頭原則上都應進行熱處理，增加了設備制造成本。這兩種規定在實際生產過程中都難以完全執行。隨著GB 150.1～4—2011《壓力容器》的頒布，這一問題最終得到了解決。在GB 150.4第8.1.1條中明確地給出了 “碳鋼、低合金鋼，成形后減薄量大于10%者，變形率大于5%”時，應當進行恢復材料性能熱處理。這一要求與ASME中UCS-79《筒節和封頭的成型》中的要求基本一致。

因此，在監檢中，我們應掌握好這一熱處理原則。同時，由于材料變形量的確定，旋壓過程中是否選用合理的旋壓參數及模具等，對產品的最終結果也有著極大的影響。監檢員還應督促生產廠嚴格執行旋壓工藝，進行必要的檢測測驗，收集相關數據，制定出合理的生產指導文件，以生產出合格的封頭。

4 結束語

綜上所述，旋壓封頭與沖壓封頭在結構形式、成形方式、材質變化等方面存在著極大的區別，監檢中應注意區分兩者之間的不同，掌握好生產方法，控制其產生的影響，嚴格各環節的控制，以確保旋壓封頭產品的安全性能。

[1] GB 150.1～4-2011.壓力容器 [S].

[2] GB/T 25198-2010.壓力容器封頭 [S].

[3] JB/T 4746-2002.鋼制壓力容器封頭 [S].

[4] 王成家.冷旋壓封頭在壓力容器中的應用 [J].中國鍋爐壓力容器安全，1997（1）：28.