超大薄壁橢圓封頭正火處理

苑怡，叢軼，曲萍，葛樹濤，劉明亮

某國外用戶訂購的壓力容器，其橢圓 封頭材料為SA516Gr.70，規格為φ7150mm×25mm，重約12t，堅持要求冷成形后正火。正火存在的主要問題是高溫變形難以控制，封頭尺寸超出現有熱處理設備有效加熱區范圍。此外正火所需費用和封頭材料費用相當，制造成本增加。

1. 熱處理方案論證和確定

經過調研，共有3個加熱方案可供選擇。

（1）用7.5m×7.8m×25m燃氣爐加熱正火 由于封頭尺寸超出燃氣爐有效加熱區，需將封頭墊高至距臺車面大于1000mm，以使燃燒器噴出的火焰遠離封頭，并留出足夠空間，使氣流均勻流動，使封頭能實現均勻加熱。同時，由于供氣方改變了氣源成分，需對加熱爐進行測試，確定加熱爐的能力能滿足1～2只封頭加熱至正火溫度。

（2）外委專業熱處理機構進行正火 經招標詢價，10個封頭熱處理服務費需28萬元，工期26天。能源費除外，并提供電源，作業場地和起重設備。總費用約需35萬元。

（3）自制加熱裝備 需自行設計制造，需外購部分設備和材料，總費用約需32萬元，雖然設備可重復使用，但周期長，不能保證產品交貨期。

分析比較3個加熱方案，據燃氣爐調試結果，現有燃氣爐加熱正火能滿足工藝需要，對工期有保證。根據調試結果估算（每爐加熱1只封頭）約需33萬元。

2. 防變形措施

在3個加熱方案中，燃氣加熱比電加熱更易引起變形。燃氣加熱屬對流傳熱，由于封頭直徑超出加熱爐的有效均溫區和爐氣流動受阻，再加上金屬高溫強度急劇下降，易發生蠕變，因此防變形是正火的關鍵問題。

（1）每爐加熱1只封頭防變形支撐 用寬50mm、厚30mm鋼板按圖1焊接防變形支撐，封頭端部墊離臺車面大于1000mm。

（2）每爐加熱2只封頭的防變形支撐 為提高效率，降低成本，并能實現均勻加熱，采取圖2所示2只封頭同爐加熱正火，上下封頭直邊相對點固在一起，增大剛度，上下封頭在產品接管處預開工藝孔，改善爐氣流動的均勻性，保證加熱和冷卻均勻，用加強圈增加開孔處剛度，防止變形。用支座和墊鐵墊離臺車面大于1000mm，并在900℃以上承受兩個封頭的重力。

圖1 單個封頭正火傘形防變形支撐

圖2 雙封頭正火燈籠形防變形支撐

3. 實際正火效果

正火現場圖片見圖3，正火加熱溫度均勻，滿足工藝要求。圖4為正火后金相組織，鐵素體+珠光體，晶粒度7級。試樣力學性能見附表。

經濟效果分析：10只封頭分5爐正火，每爐消耗燃氣2020m3，總計消耗10100m3，能源費總計50500元，只有外協費用的1/7（外協總費用約35萬元），加上工時和材料費，每只封頭正火成本約6000元，且工期得到保證。

4. 存在問題

正火后有兩爐下封頭做鼓部位變形超標（見圖5箭頭所指部位）。造成變形超差的原因是支座制造時，封頭重力集中于橢圓支座短軸處，接觸部位內凸。由于封頭是點壓做鼓，即使支座不橢圓，也不可能與做鼓部位均勻接觸。

5. 兩次防變形改進的效果

針對正火時下封頭變形超差，進行了兩次改進，一是在支座與封頭縫隙處加焊墊板，增多支撐點，使重力分散，二是在上下封頭直邊處增加支柱，使上封頭重力分散到支柱上（見圖6），雖有改善，但最后一爐下封頭變形仍然超差。

6. 修形

由于無專用設備，修形非常困難，只能將兩只超差封頭外委專業廠家修形（見圖7），增加了制造費用，且一般封頭廠也很少具備大跨距大行程的修形設備。兩只封頭外委修形及往返運費總計30000元。

7. 變形分析及改進建議

5只上封頭正火均未變形，說明封頭的剛度足以承受自重可能引發的高溫蠕變。兩只相連封頭自重達23t，集中于支座上，由于不能與支座均勻接觸，重力集中在與支座接觸處，材料在900℃以上屈服強度很低，從而造成接觸部位變形。支座設計雖滿足高溫承重需要，但僅置于封頭做鼓部位是欠妥的。

支座與封頭間加墊板雖能增加接觸面積，但墊板與封頭和支座相焊，增加了應力和變形。

在封頭直邊相連處加焊支柱，雖能分擔支座承重，但熱脹冷縮方向與封頭不同，支柱僅上下方向脹縮，封頭既上下方向脹縮，又水平方向脹縮，導致支柱彎曲，起不到支撐作用。鑒于以正火封頭母材和焊接試板力學性能上分析，建議采用圖8所示支撐結構。帶托板的支座僅與封頭點固，焊接應力小，脹縮方向與封頭一致。上下封頭的自重分散由托板和封頭不同部位承受，可避免封頭局部變形。

項目 Rm/MPa Rp0.2 /MPa A（%）母材 555 360 30拼縫487/495 — —

1.墊鐵 2.加強圈 3.托板 4.固定板5.上封頭 6.下封頭 7.支座

8. 結語

超大薄壁封頭正火，在國內外都是罕見的，既涉及設備能力、變形控制，又要顧及經濟成本，最主要的是保證均勻加熱，確保力學性能和金相組織合格。我公司超大薄壁封頭正火解決了生產急需，滿足了用戶要求，經濟效果是明顯的。