快開盲板與壓力容器筒體焊接變形的控制

趙學(xué)朋，張新紅

（江蘇盛偉過濾設(shè)備有限公司，江蘇常州213102）

1 快開盲板簡介

快開盲板用于壓力管道或壓力容器的圓形開口上，是實現(xiàn)快速開啟或關(guān)閉的一種裝置，由筒體法蘭、頭蓋、勾圈或卡箍、密封圈、安全聯(lián)鎖機構(gòu)、開閉機構(gòu)、轉(zhuǎn)臂或短節(jié)（需要時）等部件構(gòu)成[1]。快開盲板一直是制約國內(nèi)壓力容器及壓力管道的核心部件，2009年前95%依靠進(jìn)口，價格高、周期長、嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。2015年大口徑、高壓力快開盲板國產(chǎn)化的成功研制標(biāo)志著我國壓力容器及管道核心部件國產(chǎn)化取得了重大突破。

目前快開盲板產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，摒棄傳統(tǒng)法蘭螺栓連接形式，解決了高壓力、大規(guī)格法蘭的拆裝螺栓費時費力的問題，使得打開或關(guān)閉壓力容器更加輕松、快捷。隨著國內(nèi)快開盲板技術(shù)經(jīng)驗的不斷成熟，快開盲板的需求量越來越大，目前掌握的快開盲板結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 快開盲板結(jié)構(gòu)形式

2 快開盲板焊接

2.1 快開盲板式壓力容器

以天然氣行業(yè)常用的快開盲板式壓力容器過濾器為例，快開盲板式多濾芯過濾器如圖2所示。特點是：能快速打開和關(guān)閉門蓋，在清洗、更換濾芯或設(shè)備維護(hù)時，比其他形式盲板更快捷、輕松，可極大降低勞動強度、節(jié)省維護(hù)時間。

圖2 快開盲板式多濾芯過濾器

2.2 快開盲板焊接準(zhǔn)備工作

快開盲板焊接前，應(yīng)先在平放狀況下進(jìn)行筒體法蘭的拆卸工作，如果有2臺以上同時進(jìn)行，應(yīng)做好記號，以免零部件相互換錯影響密封質(zhì)量。

2.3 快開盲板焊接端材料

快開盲板常見的材料有：16MnⅢ、16MnDⅢ、SA-350 LF2、SA-105、A694 F60、A694 F70 等 。

2.4 焊接工藝評定及焊接工藝

依據(jù)TSGR0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[2]和 GB150.4-2011《壓力容器》[3]標(biāo)準(zhǔn)要求，壓力容器產(chǎn)品施焊前，受壓元件焊縫應(yīng)按NB/T47014-2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》[4]進(jìn)行焊接工藝評定或者由具有經(jīng)過評定合格的焊接工藝支持。

境外牌號用于焊接結(jié)構(gòu)壓力容器受壓元件的材料，壓力容器制造單位在首次使用前應(yīng)掌握材料的焊接性能并進(jìn)行焊接工藝評定，按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行母材歸類。

2.5 焊前清理與準(zhǔn)備

快開盲板焊接坡口應(yīng)依據(jù)設(shè)計圖樣要求或選用廠家標(biāo)準(zhǔn)坡口或自行設(shè)計，常用坡口形式如圖3所示。

圖3 常用坡口形式

組裝施焊前，應(yīng)清除坡口及兩側(cè)母材表面至少20mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污及其他有害雜質(zhì)。

筒體法蘭與筒體組裝前技術(shù)部門應(yīng)制定嚴(yán)格的組裝工藝，車間鉚焊人員在技術(shù)交底后進(jìn)行相關(guān)的裝配工作。由于該部件有開門方向的區(qū)分，裝配前必須再次確認(rèn)規(guī)格、型號、開門方向、壓力等級等重要參數(shù)。嚴(yán)格禁止強制組裝，避免造成很大的應(yīng)力集中。

組裝錯變量、棱角度、同軸度按相關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗。

2.6 焊接變形控制

焊接工藝人員應(yīng)依據(jù)評定合格的焊接工藝，結(jié)合設(shè)計文件規(guī)定和現(xiàn)場施焊條件，編制焊接作業(yè)指導(dǎo)書。

施焊焊工取得技術(shù)監(jiān)督部門頒發(fā)的《特種設(shè)備焊接操作人員證》后方能上崗，擔(dān)任相應(yīng)項目的焊接工作。選用水平較高的焊工，嚴(yán)格按照焊接工藝文件進(jìn)行焊接，提高焊接一次合格率，減少焊縫返修變形。

筒體法蘭與筒體定位焊長度應(yīng)不小于30mm，兩個點固焊縫間隔距離應(yīng)不大于400mm，周向最少有3點。點固焊縫應(yīng)足夠牢固，以保證裝配尺寸和坡口間隙。

筒體法蘭與筒體焊接時，為減小焊接變形或者使焊接變形均勻化，焊接過程中必須嚴(yán)格控制層間溫度（小于等于150℃為宜）、焊接線能量、焊接順序（對稱焊接）等。

筒體法蘭與筒體焊縫的焊后消應(yīng)力熱處理，采用局部焊后消應(yīng)力熱處理，熱處理前筒體法蘭的密封面要進(jìn)行涂油或耐火泥保護(hù)。

3 快開盲板焊接變形原因及預(yù)防措施

3.1 快開盲板焊接變形

快開盲板焊接變形是指快開盲板結(jié)構(gòu)的壓力容器制造檢驗過程中，快開盲板的某一部件的外形尺寸與圖樣要求及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不一致，且誤差超出圖樣及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定。

根據(jù)產(chǎn)生原因，快開盲板焊接變形分為兩類：一類是應(yīng)力引發(fā)的變形，包括火焰加工變形、加工失穩(wěn)變形、焊接變形和熱處理變形；一類是加工誤差引發(fā)的變形，包括下料誤差變形、成型誤差變形、組裝誤差變形，設(shè)計缺陷引起的變形[5]。

快開盲板與筒體焊接形式如圖4所示，快開盲板的主要變形位置為密封面A處焊后平面度超標(biāo)。

圖4 快開盲板與筒體焊接形式

3.2 應(yīng)力變形及預(yù)防

3.2.1 火焰切割變形

筒體下料時，其兩端的坡口火焰加工時易發(fā)生變形。因切割高溫冷卻后加工邊產(chǎn)生收縮，直線邊變?yōu)榛【€邊，筒體卷圓后，其端口不在一個水平面上。誤差較大時會造成環(huán)縫局部組對間隙超標(biāo)，應(yīng)采取機械加工方法避免產(chǎn)生變形。

3.2.2 加工失穩(wěn)變形

加工失穩(wěn)變形往往是在已經(jīng)成型的筒體上開大型孔（如容器的進(jìn)出氣孔），開孔區(qū)及其附近穩(wěn)定性減弱，造成筒體端部橢圓度超差。由于快開盲板是車加工零件，與筒體端組對尺寸很準(zhǔn)確，如果筒體橢圓度超標(biāo)，會造成錯變量超差，應(yīng)盡量在快開盲板焊接后再開筒體焊接端附近的大孔。

3.2.3 焊接變形

焊接工藝指導(dǎo)書是快開盲板焊接的技術(shù)要求和操作規(guī)定，包括：焊接方法、焊接坡口、焊材種類及直徑、焊接工藝參數(shù)、焊接順序、焊道層數(shù)、焊前和焊后的處理、焊接環(huán)境要求及防變形、反變性措施等。根據(jù)快開盲板與筒體焊接條件和焊接量，預(yù)先分析焊接變形大小和形態(tài)，有針對性地制定控制措施：

（1）壓力容器筒體下料時，與快開盲板連接的筒體直徑展開尺寸應(yīng)依據(jù)快開盲板的焊接端數(shù)據(jù)表進(jìn)行計算并適當(dāng)放出焊接收縮量，以避免焊后直徑變小。

（2）快開盲板與筒體焊縫焊接后，焊縫內(nèi)的殘余內(nèi)應(yīng)力會引發(fā)快開盲板密封面發(fā)生較大變形，因此對尺寸精度和穩(wěn)定性要求高的結(jié)構(gòu)不容忽視[6]。

（3）快開盲板焊接后必須嚴(yán)格控制密封面A處的焊接變形，A處的水平度不超過0～1mm才能達(dá)到密封性要求。

（4）快開盲板與筒體焊縫返修時，質(zhì)量部門應(yīng)足夠重視，制定合理的返修工藝，確保一次返修合格，避免焊縫超2次返修。

3.2.4 熱處理變形的預(yù)防措施

（1）熱處理爐必須符合GB/T30583-2014《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》要求，爐內(nèi)溫度均勻準(zhǔn)確，爐壁火焰噴嘴處設(shè)擋火墻，嚴(yán)禁火焰直接接觸或接近快開盲板。

（2）快開盲板與筒體組裝后應(yīng)對組裝焊縫進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，采用局部消應(yīng)力熱處理為宜。

（3）對壓力低、直徑較大、厚度較薄的快開盲板，熱處理時應(yīng)進(jìn)行內(nèi)部支撐加強。

（4）快開盲板熱處理時密封面必須采取保護(hù)措施，如涂耐火泥等。

3.3 加工誤差變形及控制

3.3.1 下料誤差變形

由于筒體下料尺寸不準(zhǔn)，使成型后的直徑超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。下料尺寸不準(zhǔn)主要是計算錯誤，除了提高下料人員的技術(shù)水平，還應(yīng)施行下料尺寸校對制，并盡可能采取數(shù)控下料。

3.3.2 成型誤差變形

筒體在卷圓軋制加工中，因操作不當(dāng)而產(chǎn)生直邊、橢圓度變形，主要預(yù)防措施有：（1）筒體成型操作嚴(yán)格按工藝技術(shù)要求進(jìn)行。（2）用檢查樣板嚴(yán)格控制筒體形狀。（3）筒體熱成型時需考慮成型件冷卻后的收縮量。

3.3.3 組裝誤差變形

組裝變形為筒體與快開盲板組裝時因錯邊量或不直度誤差等超標(biāo)所產(chǎn)生的變形。其預(yù)防措施為：

（1）筒體與快開盲板組裝時，應(yīng)使用定位卡具，直徑較大、厚度較薄的殼體，組裝時筒節(jié)還要加支撐。嚴(yán)格控制殼體對接邊的錯變量。

（2）快開盲板與筒體組裝時一般選擇臥式組裝，應(yīng)在專用胎架上進(jìn)行，先檢查快開盲板與筒體的同軸度（小于2mm），再用鉛垂線檢查快開盲板鉸鏈體焊接件上下螺栓孔平行度（小于2mm），最后檢查快開盲板的開門方向是否裝配正確。

3.4 設(shè)計缺陷及控制

在設(shè)計快開盲板設(shè)計壓力、直徑、壁厚、坡口形式時，設(shè)計人員必須認(rèn)真核對壓力容器圖紙，或提前與壓力容器設(shè)計單位進(jìn)行設(shè)計條件確認(rèn)。由于快開盲板和壓力容器一般在兩個不同單位制成，如果信息傳遞不及時，容易造成快開盲板與筒體組裝尺寸不符。

設(shè)計壓力小于2.0MPa時，對于筒體薄壁且直徑較大的容器，設(shè)計時剛度考慮不足會出現(xiàn)橢圓度超標(biāo)，建議筒體在設(shè)計強度計算合格情況下，選材適當(dāng)加厚，一般控制在與快開盲板相焊筒體厚度不小于10mm為宜。

4 結(jié)論

快開盲板式壓力容器具有開啟閉合快捷輕便的特點，便于機電一體化的自動化操作，可提高勞動效率，降低勞動強度，在國內(nèi)得到推廣應(yīng)用[7]。近年來，隨著天然氣管網(wǎng)在國內(nèi)的大量建設(shè)、“西氣東輸”工程的實施、燃?xì)庑袠I(yè)的快速發(fā)展，對快開盲板需求量越來越大，通過近10年的經(jīng)驗積累，解決了其密封、強度、安全聯(lián)鎖等問題，產(chǎn)品技術(shù)性能和指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。探討快開盲板與壓力容器筒體的焊接變形控制具有較大的經(jīng)濟(jì)價值和社會意義。

[1]SY/T0556-2010，快速開關(guān)盲板技術(shù)規(guī)范[S].

[2]TSGR0004-2009，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[3]GB150.4-2011，壓力容器[S].

[4]NB/T47014-2011，承壓設(shè)備焊接工藝評定[S].

[5]湯偉.壓力容器制造變形原因分析及預(yù)防措施[J].特種設(shè)備安全技術(shù) 2014（6）：12-13.

[6]高良，高玲麗.建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接應(yīng)力應(yīng)變控制基本要素[J].電焊機，2016，46（5）：82-87.

[7]趙志鵬.快開門式壓力容器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J].特種設(shè)備安全技術(shù)，2004（3）：8-9.