淺析壓力容器制造工藝新進展

耿雪峰 魯紅亮 薛小龍

摘要：在工業生產過程中壓力容器是不可或缺的一種承壓設備，廣泛應用于人們的日常生活、科學研究以及工業生產中，經常被應用到有毒、易爆與易燃的工況中，在一定腐蝕介質和溫度下，可以破壞設備，甚至令其失效，造成事故。我國是使用壓力容器最大的國家，但是由于目前制造能力與技術水平與發達國家存在著較大的差距，今后對壓力容器制造工藝的發展至關重要。本文主要分析了壓力容器制造特點，壓力容器制造工藝，壓力容器制造技術發展新方向。

關鍵詞：壓力容器;制造工藝;新進展

1.壓力容器制造特點

1.1產品結構、參數的多樣性

壓力容器產品出現了廣泛的適用范圍，應用不同行業，也會形成不同的用途，因此該產品特點是品種繁多，即便是相同產品，也會由于客戶的不同需求，形成不同的產品結構，進一步產生多樣化的制造工藝。

1.2有較高的安全性要求

壓力容器開始制造，需要遵守很多強制的準則，并且這些規范與準則突出了時效性。由于在高溫、高壓、真空和腐蝕環境中壓力容器長時間運行，其所盛放的介質一般是易燃、易爆、有害物質，因此必須將產品安全放在第一位，在設計產品初期就必須遵守強制性準則。隨著不斷發展的科學技術，逐漸采用新技術、新工藝、新材料以及新的管理方法，加快了更新準則的速度。

1.3制造過程中存在著許多相似的信息

在統計制造壓力容器過程中，發現了很多類似的信息，例如相似的工藝流程，零部件相似的幾何形狀，相似的產品結構，處理事物相似的過程。利用這些信息，可以有效提升企業的競爭實力。

1.4設計具有較強的專業性

壓力容器與通用機械產品不同，在利用軟件技術以及設計產品時，不但需要人員掌握科學的計算機技術，更加需要擁有比較完善的設計思路。

2.壓力容器制造工藝

2.1制造工藝概述

2.1.1壓力容器部件的制造

2.1.1.1壓力容器材料

壓力容器材料不但會受到很多因素的限制，還需要的豐富經驗等。

目前世界各國基本利用Mn-Mo-Ni型低合金高強度鋼作為壓力容器的材料，其擁有很好的韌性。壓力容器材料的一個關鍵指標是沖擊韌性，壓力容器的材料需要具備充足的沖擊與斷裂韌性。為了確保壓力容器的質量，在提升材料韌性與抗中子輻照脆化方面各國都做大量工作。

2.1.1.2制造鍛件

壓力容器整體利用鍛焊結構。除了封頭部件應用板焊結構之外，其余通常使用鍛件。制造大型鍛件采用超過200噸級的鋼錠材料。在加工鋼錠之前應進爐加熱，嚴格控制爐溫與保溫。在鍛造過程中，尤其是環形大型鍛件，先通過鍛壓機把鋼錠鐓粗、總體鍛壓，再鐓粗，之后，鍛件熱沖孔，同時在鍛壓機的芯棒上制造需要的尺寸與形狀。鍛造鋼種溫度應當控制在800-1200℃之間。熱加工鍛件之后，為了避免鍛件產生氫致裂紋，通常退火或正火加回火處理鍛件，之后調質處理經過粗機械加工的鍛件，確保其機械性能。

一般采用單獨的鍛件作為壓力容器的筒體法蘭與冷卻劑接管段。近些年來，產生了整體鍛造筒體法蘭與接管補強段的趨勢。壓力容器筒體一般利用板焊結構，其較多應用于美國與日本。為了方便制造壓力容器以及對其實施檢查，在設計壓力容器過程中，應用了鍛造筒體結構。

2.1.1.3制造封頭

通常利用板材沖壓制造壓力容器。一般熱成形厚鋼板。之后必須對材料實施熱處理，并且規定試驗機械性能，以便保證實現性能要求。

近些年來，少數國家制造企業開始應用鍛件制造封頭，通常采取了模鍛工藝。這一制造技術，可以利用比較厚的鍛件坯料板，也可以利用比較薄并且直徑較大的鍛件坯料板，通過陰陽模將鍛件坯料鍛造成形。

2.1.1.4制造壓力容器支撐與冷卻劑

壓力容器的支撐，能夠將金屬墊板安裝在冷卻劑接管下方，或者將一個支撐裙焊在底封頭上。可以將金屬墊板和冷卻劑接管鍛造成為一個整體。通常情況下，將墊板看作是一個比較大的焊接金屬加強體進行處理，這時，應當采取整體的無損檢測，并且實行應力消除熱處理。

2.1.2壓力容器的組裝

制造壓力容器全部部件之后，就開始整體組裝。第一，在各個部件內部表面堆焊不銹鋼或者鎳基合金等耐腐蝕材料。第二，對接筒體和筒體、筒體和筒體法蘭、筒體和底封頭等，結束整體組裝之后，實現應力消除熱處理。第三，安裝壓力容器的堆芯儀表、控制棒驅動接管。第四，對壓力容器抗蝕密封面進行精機械加工。

假如安裝壓力容器現場受限，僅能采取到安裝現場裝配制造半組合件的方法。因為壓力容器的上下兩部分對中精確度要求極高，所以至少一部分需要在安裝現場實行機械加工。壓力容器能夠劃分為兩個大的半組合件實行運輸，那么在安裝現場僅需要一條焊接環縫并且熱處理局部，如此，就不會對法蘭密封區域造成影響。在安裝現場制造，還會出現焊接與消除應力熱處理之后的尺寸問題。在制造廠內，可以利用熱處理全部表面殘留的少量加工余量方法有效解決;在安裝現場，焊接兩個半組合件，焊縫距離公差尺寸應當保證足夠遠的區域，避免這些區域出現變形。結束壓力容器組裝工作之后，根據相關要求嚴格檢驗不同部位。

2.2制造工藝現狀及問題

2.2.1工藝過程中出現了很多重復性工作。例如焊接工藝文件中編制焊接試板工藝，進一步發展為以臺代批。

2.2.2編制工藝的復雜性，是指員工自身水平對編制工藝的合理性造成了影響。編制焊接工藝水平直接對焊接質量與焊縫返修數量造成了影響，進一步決定了產品質量的好壞，以及縮短加工產品的時間。

2.2.3重復編制產品或者零部件工藝，造成延長了壓力容器產品制造時間。

2.2.4不同工藝之間彼此脫節，阻塞的信息導致產品流通不暢。

2.3制造工藝的特點和作用

在制造壓力容器整個過程中形成了制造工藝，對生產產品過程中發揮了指導作用，其任務是轉化產品設計中的數據為制造中的相關指令。壓力容器制造工藝特點為：

2.3.1壓力容器制造過程并不是簡單由一個工藝覆蓋的，具體包含了焊接、檢驗、加工工藝等。

2.3.2壓力容器制造過程中的重要工藝為焊接工藝。產品的薄弱環節便是焊縫，包含了焊縫的零部件，也就成為生產廠家與客戶關心的問題。

2.3.3壓力容器生產遵守制造要求。

2.3.4壓力容器制造工藝具有開放特點，要求具備可追溯性。

3.壓力容器制造技術發展新方向

3.1下料數控化和集約化

壓力容器制造的第一道工序是下料，雖然工作簡單，但是具有較大影響。它不僅與容器成形尺寸關系密切，還與制造進度、材料成本甚至產品質量形成了直接聯系。尤其是大型化容器之后，利用材料效率以及后續的加工量成為制造設備成本的主要因素。從前，由于手工下料尺寸缺乏標準、浪費余料較大、速度緩慢，導致其在制造中成為絆腳工序。特別是利用材料效率低下，成本消耗高。近些年來，由于大量應用高效、自動化的下料設備，迅速提高了利用材料效率，并且促使切口表面光滑、平整，不需要打磨就能組對焊接，有效節省了后續加工成本。因此，不管是從節省成本、加快制造速度，還是從工人減輕工作強度、減少環境污染考慮，應用推廣自動化、電腦化切割下料設備是壓力容器制造技術今后的主要發展方向。誠然，對于一些規模較大的工程，由于切割板材規模很大，數控大型切割機工作量日趨飽和，可以獲得可觀的經濟效益;但是對于一些規模不大的小廠，下料工作量并不大，采用數控切割機就不劃算。那么下料配送和專業封頭制造廠就成為壓力容器專業生產分工的關鍵角色。目前已經出現了這樣的行業，應當推動其發展。當前市場上下料切割費用大概是16-20元/m，通常一臺數控等離子切割機的速度是3.6m/min，可以實現14000元的產值。每年按照200天工作計算，除去人工、水電等成本，可以獲得160萬元的毛利潤。不超過1年可以收回設備的投資，因此，專業切割下料公司的前途十分廣闊。

圖1激光切割機

3.2形成因地制宜和節能化

壓力容器擁有各種形式，但是基本上包含了殼體、封頭、管件、管板、緊固件等。需要專業的技術設備使它們成形或者加工。各個廠家由于具備不同的設備條件，也形成了不同的成形加工方法。我國地域廣闊，相對資源貧乏，怎樣對各種資源有效應用，在盡量節省資源的基礎上，因地制宜的發展各類需求的壓力容器成形技術。

3.2.1筒體成形

結構設計決定了筒體的形狀，其還與廠家的設備條件相關。接下來從不同結構形式對其實施分析。

鍛焊結構：鍛焊大型結構已經實現了超過300t的筒節，壁厚達到了450mm，需要超過500t級的鋼錠實行鍛制。假如利用傳統技術，鋼錠-去冒口-鉆孔-鍛造擴孔-成型的方法，不僅降低了利用材料效率，還不能實現現有的設備，所以必須采取中空鑄錠技術。由于大型筒節鍛造需要萬噸級別的鍛造水壓機、重型起重設備等，我國目前擁有以上條件的廠家還不多。但是我國正處在經濟迅速發展時期，建設石油工業與煤氣化裝置需要很多重厚型的壓力容器鍛件，僅僅依靠這些工廠還無法滿足需求。

圖2萬噸水壓機實行后壁筒節制造

鍛造需要大小消耗能源，我國又是一個能源缺乏的國家，除了依靠自身能源之外，從國外直接進口鍛件或者加工好的筒節，讓一些大型壓力容器制造廠實行重厚型壓力容器的制造，也不失為一種很好的選擇。近些年來，一些廠家已經積累了一些進口外國大型筒節制造壓力容器的成功經驗。國外一些生產大型鋼錠的工程，也擁有中空澆鑄技術，這也是鑄造特大型容器的必備條件，對其資源價值的有效利用值得深入探討。

熱套結構：這一方法可以不采用大型卷板機，將一種制造后壁容器的方法提供給中小型壓力容器制造廠。聯系需要確定套合層數，最多可以設計四層，各個層次采用不同的材料，每層板厚達到了50-75mm或者更厚。在我國很多制造廠都已經掌握了熱套技術，只要設備條件與設計水平達到要求就行，幾乎不會限制結構尺寸與重量。

同心包扎結構或者繞板結構：我國目前最大的同心包扎機可以包扎4000mm的最大外徑。假如有需求，還可以設計更大的包扎機。多層包扎由于具有較大工作強度，效率不高，比單層卷焊的制造成本也高，但是在一些特殊環境下，例如耐腐蝕襯里的高壓容器、現場制造后壁容器中將體現其優勢。尤其是成功研制的層板同心包扎環焊縫軸向錯開連續包扎技術之后，縮減了深環焊縫，加強了安全性能，還提升了制造深度，節省了成本。僅包扎裝置對這一結構總厚度進行了限制，在我國還有一定的發展前景。今后，應當加大力度研究高溫應用場合的功能理論和更新實踐工藝裝備，促使其更大發揮作用。

圖3纏繞多層式筒體包扎

圖4卡鉗式多層式筒體包扎機

圖5無環深焊縫多層包扎式高壓容器

卷焊結構：這也是各種壓力容器制造普遍使用的技術。它的主要設備就是卷板機或者壓彎機，其能力通常作為壓力容器制造能力的標志。國外可以彎壓厚板350mm級。容器重量一般為50-600t。我國最大卷板機基本上可以達到焊接厚板結構壓力容器的要求。因為當前我國還不能供應超過250mm厚的壓力容器，還需要進口特厚鋼板，倒不如采取更經濟的方法直接進口厚壁筒節，一些大廠已經采取了從國外進口厚壁容器筒節的方法，進一步對制造大型厚壁容器問題很好進行了解決，并且得到了極好的效果。從節省能源方面考慮，卷焊筒節應當盡可能利用冷卷成形，不能利用熱成形。

3.2.2封頭成形

在壓力容器這種不定型、非批量生產產品中封頭是少有的幾種可以實行標準化、系列化的生產零件。因此，它需要具備專業化和集約化的技術。封頭成形可以劃分為模壓與旋壓成形兩種。通常中型壓力容器廠都擁有自己的水壓機或者油壓機，有些廠還擁有封頭旋壓機。假如對外不提供封頭或者承擔制造球形容器的話，這些設備不會滿負荷運作，極大浪費了資源。專業化的封頭廠按照市場原則積極制造各種規格的封頭，促使容器制造廠能夠并行操作，有效提升了制造效率。

3.2.3板式換熱器的板片壓制成形

板式換熱器單片面積超過2m2，需要超過2萬t的壓力油壓機實施板片成形。我國目前成功研制了超過1m2的板片，并且供不應求，但是依然進口超過2m2的板片。今后需要著重發展這一高附加值的產品。

3.2.4其它成形技術

由于傳統成形技術的限制，其技術經濟指標為：最小厚度和直徑的比例是8/1000，不能制造超薄球形殼體;制造橢球等曲率有變化的容器十分困難，因為需要不同模具壓制不同曲率分片，加大了投資成本。大型封閉殼體內壓成形技術，打破了傳統技術的限制，徹底解決了依賴大型壓力機與大型模具的問題，已經得到球形、橢球形容器和彎頭、殼體的有效成形方法。通過研究，在理論與實踐方面這一技術不斷成熟，實現了制造超薄球形容器的目標。

3.3加工專業化

需要機械加工壓力容器零部件具體包括后壁筒體、封頭焊接坡口與開孔、法蘭、密封蓋、接管等。我國壓力容器制造廠已經擁有對應的加工設施，可以達到制造核電反應器外殼、煤液化反應器等加工大型壓力容器的要求。但是當前很多制造廠加工難題是連接接管與筒體的馬鞍型結構開孔以及球形封頭斜插管等，必須要求高精度的數控鏜銑床或者專業設備才可以解決，如果可以在這方面加強專業化加工協作，勢必有效提升利用設備效率。

大型列管式換熱器與管殼式反應器的大型管板直徑超過6m，形成了大量的管孔，加工管板鉆孔直接影響了制造設備的質量與進度。傳統加工方法無法達到更高的進度與效率要求。龍門式平面鉆床能夠在一部機床上完成上述工作，不需要轉工序，降低了工人的勞動強度，提升了管孔質量。

3.4焊接機械化和智能化

3.4.1將窄間隙自動焊大量推廣應用到焊接厚壁容器中，條件允許的情況下還能夠利用電子束焊，以便節約焊接金屬及減少工作量。

3.4.2積極利用自動馬鞍型坡口焊對大型厚壁接管和筒體封頭進行焊接，減少人體的體力勞動，完善工作環境。

3.4.3將自動氬弧焊除了積極應用于管殼式換熱器的焊接中之外，還應當對管板內孔焊的技術與設備積極發展與完善，以便達到高溫、高壓制造要求。

3.4.4在管子-管板焊接中已經成功應用了激光焊，其優勢為速度較快、效率極高、焊接強度高，能夠有效延長使用時間，逐漸推廣運用。

3.4.5在現場組裝或者不能轉動工件的場合，要對剛性與柔性焊接小車與焊接機器人積極應用，以便很好代替手工操作，最終完善勞動條件。

隨著不斷大型化發展的壓力容器，現場阻焊特大型壓力容器零部件出現了新的發展形勢，必須相應改變焊接方式。我們都知道，在車間中焊接生產容器環焊縫一般利用工件旋轉、不動焊槍的方式，這一方式可以保證熔池處于平焊位置，形成了良好的焊接條件，有利于確保焊縫質量。但是針對現場組對的不能轉動的大型容器，需要采取全位置焊接。從前大部分利用焊條電弧焊對其進行焊接，不僅勞動環境惡劣、效率低下，還無法確保質量。為了對熔池條件有效改善，需要聯系電弧運動實際位置不斷變化焊接參數，必須利用計算機控制技術。

4.結論

總而言之，壓力容器產品與其他機械產品特點不同，為了保證在惡劣環境下安全運行壓力容器，迫切需要對其提出很多的限制條件，將焊接質量作為關注重點。為了利用合理措施，實現大批量定制生產壓力容器，需要全面了解壓力容器，便于更好的符合客戶的需求，促使壓力容器緊跟全球經濟發展步伐，進而提高壓力容器應對市場的能力。

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作者簡介：耿雪峰（1980-），男，上海，工程師，碩士，長期從事承壓特種設備的檢驗、檢測研究工作。