鍋爐和壓力容器封頭制造技術研究

袁承春

（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046）

0 概 述

球形封頭是鍋爐和壓力容器最常見的主要受壓元件，在各種形式的鍋爐和壓力容器封頭中具有承載能力最高、在相同設計條件下厚度最小、耗材最少的特點。壓制封頭時，封頭材料因邊緣效應，存在增厚和減薄現象。為保證壓制封頭的內直徑尺寸，以往均采用“將壓制增厚分布于封頭外表面”的壓制工藝。現以某批量制造的高壓加熱器（簡稱高加）水室球形封頭（簡稱封頭）為例，通過對壓制工藝進行技術改進和創新，將壓制增厚在內外表面進行適當均勻分配［1］，為了降低制造成本，在減小毛坯下料尺寸的同時，保證壓制封頭的尺寸和外形，解決了以往壓制時存在的問題，進一步提高了壓制封頭的技術水平和成形質量。

1 結構特點和技術要求

1.1 結構特點

高加是典型的U型管換熱設備，結構復雜、技術要求高、制造難度較大。高加主要由管程水室封頭、人孔、進水管、出水管以及管板、U型換熱管、殼程殼體等主要零部件組成，高加結構的布置，如圖1所示。

圖1 高加的主要結構

1.2 技術要求

高加的技術參數，如表1所示。

表1 高加技術參數

2 制造工藝

2.1 水室組件

高加水室組件由封頭、人孔、進出水接管等主要受壓元件組成。主要工藝流程：封頭毛坯劃線→氣割下料→正火→整體熱沖壓→回火熱處理→形狀尺寸檢查→切邊及氣割開孔→裝焊人孔、進出水接管→無損探傷→消除應力熱處理→車封頭環縫坡口→待總裝時與管板環縫焊接。由于封頭制造工藝復雜、存在的問題和難點較多，是高加制造中的關鍵工藝。

2.2 封頭制造工藝

高加水室封頭為半球形封頭，材料牌號DIWA353，公稱直徑Dn或內直徑Di＝1 550mm，內半徑Ri＝775mm，封頭深度H＝775mm，直邊高度h＝0mm，外直徑Dw＝1 770mm，名義厚度δn＝110mm，設計最小成形厚度δmin＝96.5mm，端部為V－U環縫坡口，如圖2所示。

圖2 封頭的基本尺寸

封頭制造工藝主要包括毛坯下料尺寸確定、壓制模具選用、整體熱壓、形狀和尺寸檢查、環縫坡口加工等主要內容。

2.2.1 毛坯下料尺寸確定

根據封頭毛坯下料尺寸計算經驗公式：

式（1）中：

Dp——毛坯下料直徑，mm；

K ——經驗系數，取1.42；

Dn——公稱直徑，取1 550mm；

δn——名義厚度，取110mm；

h——直邊高度，取0mm；

C——經驗常數，取80mm。

得：Dp＝1.42（1550＋110）＋80＝2437≈2 440mm

2.2.2 壓制模具的選用

壓制前，要確定沖模和拉環模具尺寸。為保證封頭內直徑尺寸，按照鋼板1%熱膨脹系數，沖模選用實際外徑?1567mm的球形沖頭；根據鋼板毛坯10%的壓制增厚，選用實際內徑?1812mm的拉環模具。模具間隙為122.5mm，大于封頭毛坯名義厚度11%。

2.2.3 整體熱壓

使用2 000t水壓機壓制封頭，3塊封頭毛坯板疊裝在4m×4m加熱爐內一起加熱，加溫至930±15℃，保溫后打開爐門，將毛坯板依次鏟出爐外，放置在拉環模具上，利用定位塊找正后壓制成形。最后用擋塊使封頭脫模，然后將封頭加熱至630±15℃，保溫3h，進行回火處理。

有時，封頭壓制后難以脫模，說明封頭抱緊力過大。需再次加熱，經熱膨脹后脫模，此時，封頭的內直徑尺寸會大于正常脫模的封頭尺寸，引起超差。

造成脫模困難主要有設備故障、模具間隙過小或毛坯尺寸過大等原因。經測量，鋼板材料厚度δs＝113mm，表明采購的鋼板是以＋3mm厚度正偏差供貨的，而且實際上拉環與沖模間隙僅大于鋼板實際厚度的8.4%，小于10%模具間隙的基本要求。由于存在邊緣效應，必然要預留一定的環縫余量，但過大的余量不但增加了材料成本、也加大了對沖模的抱緊力，也是導致脫模困難的重要原因。

經多次使用后，拉環模具出現了局部損壞，封頭內直徑尺寸變大和超差，對多件封頭的內表進行了局部堆焊或采用機加工返修，產生了不小的制造費用。

2.2.4 形狀和尺寸檢查

通常情況下，封頭被壓制成形后，封頭的端部平面及環縫余量內表面均有點傾斜。壓制后的增厚區位于封頭外表面，最大壁厚為124mm（比名義厚度大14mm），壓制后的增厚區，如圖3所示。

圖3 壓制后封頭的增厚區

根據標準要求，封頭圓度符合GB／T 25198《壓力容器封頭》（簡稱《封頭》）及JB／T4746－2002《鋼制壓力容器用封頭》不大于0.5%Dn（即8mm）規定；內表面形狀偏差符合《封頭》外凸不大于1.25%Dn（即19mm）、內凹不大于0.625%Dn（即10mm）的要求［2，3］。

2.2.5 環縫坡口加工

按照“封頭與管板外徑尺寸一致和平齊”的要求，對封頭坡口進行機加工。機加工封頭坡口時，既要保證封頭內外的直徑尺寸，還要使封頭機加工表面有過渡性結構，否則，容易引起二次應力和峰值應力的增加。機加工后，封頭的局部不連續結構，如圖4所示。這類結構問題很具有普遍性，設計封頭時，很容易忽視厚壁封頭的邊緣增厚，也沒考慮坡口加工后的突出面與封頭面的連續過渡。

圖4 封頭外表面的不連續結構

3 技術改進

3.1 封頭內外表面的壓制增厚

為充分利用現有模具，減少封頭毛坯下料尺寸。采用“將壓制增厚在封頭內外表面均勻分布”技術，對封頭的壓制工藝進行改進和創新，壓制封頭的技術改進思路，如圖5所示。

圖5 封頭制造技術改進示意圖

（1）改變毛坯下料尺寸

將“Dp＝2 440mm”改為“Dp＝2 410mm”，通過減變毛坯下料尺寸，降低封頭材料成本和壓機的壓制力，減輕封頭對沖模的抱緊力，改善脫模困難的狀況，端面余量也將進一步減小。

（2）改進模具尺寸，調整模具間隙，實現壓制增厚在封頭內外表面的均勻分布。

為了將約11mm（不包含鋼板3mm厚度正偏差）的增厚，均勻分布在封頭的內外表面，在不影響其它厚度封頭壓制的情況下，選用現有?1 800拉環模具，經機加工后，將尺寸修整為?1 806mm，代替?1 812拉環模具，將現有?1 567mm沖模，加工后修整尺寸為?1555mm。改進模具后，壓制封頭的內直徑約為?1 540mm，封頭增厚區的分布更加均勻，端面余量、端面傾斜度也有相應變化。壓制時，因模具間隙過小使封頭脫模困難的狀況有了明顯改善。

（3）封頭坡口的加工

封頭壓制成形后，可對環縫坡口內表面增厚余量進行機加工，或對內外表面進行局部不大于1：3斜度的坡口過渡加工，有利于減小封頭圓度和環縫錯邊，保證內直徑尺寸和環縫處壁厚均勻相等，環縫坡口外表面的局部不連續結構不再出現。

該項技術改進已落實在實際制造中，短期內完成了20多件封頭的壓制，并取得了令人滿意的效果。壓制模具也得到優化和利用，環縫余量及材料消耗明顯減少，形狀和尺寸符合相關要求，提高了封頭的制造質量。

對模具進行了修整，即使仍有脫模困難的現象，經加熱脫模后，封頭的內直徑尺寸還能滿足圖紙要求。

對用于壓制直徑相同、厚度相近的厚壁封頭，要分析具體情況后，才能確定沖模的最終尺寸。增厚能在封頭內外表面均攤是比較理想的，但應根據實際情況，也可以在內表面多些或在外表面多些，這比過去僅把增厚分布于外表面的單一做法更靈活，也給壓制工藝帶來更大的便利和進步。

3.2 對標準的新理解

壓制封頭的公差要求，如表2所示。

表2 封頭成形后內直徑公差

以壓制某球形封頭為例，球形封頭的Dn1 300 mm，δs＝50mm，內直徑公差應為－5～＋6mm。如壁厚10%的壓制增厚（共5mm，恰與內半徑公差變動范圍5.5mm相當）在封頭內外表面均布，則該球形封頭沖模的實際尺寸應為?1 308mm，成形后內直徑偏差應為－5mm；一旦發生脫模困難，封頭內直徑最大將增至?1 306mm，也符合＋6mm公差要求。即使壓制成形后封頭內直徑偏差小于－5 mm，也可以通過機加工修整，達到不小于－5mm的公差要求。

可此可見，壓制封頭標準中，包含著允許壓制增厚在內外表面均勻分布及余量合理分配的含義。在封頭壓制標準中，對δs＞60mm壁厚的內直徑公差作相應規定，也具有同樣的指導意義。

壓制增厚在封頭內外表面均勻分布技術，比較適用于同一沖模僅壓制封頭直徑相同、厚度相近的若干情況，封頭越厚，效果越好；不太適用于壓制直徑相同、薄厚相差太大的封頭。

4 結 語

通過對某型高壓加熱器水室SR775×110球形封頭制造工藝技術改進，對于降低封頭制造成本、優化工藝、提高封頭制造技術水平和質量具有重要的意義。不僅符合國家標準和規范，還為進一步提高我國鍋爐和壓力容器各種形式封頭的制造技術水平和質量開拓了思路，具有明顯的實踐應用價值和借鑒意義。