小直徑厚壁球形容器的制造技術研究

李 祺，馬秀清，張 崢，徐 成，魏業奇

(1. 上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518； 2. 機械工業上海藍亞石化設備檢測所有限公司，上海 201518)

在國內壓力容器事故中，相當多的事故與焊縫的焊接質量有關。壓力容器設計和制造時，應根據壓力高低、介質特性、是否低溫以及交變載荷與疲勞破壞問題等來選擇合理的焊接結構。為了保證壓力容器焊縫質量，焊縫常采用全熔透結構。壓力容器焊縫表面不得有表面裂紋、未焊透、未熔合、夾渣、表面氣孔、弧坑、咬邊、未填滿和肉眼可見的缺陷；焊縫與母材應圓滑過渡；角焊縫的外形應當凹形圓滑過渡；采用疲勞分析設計的壓力容器，應當去除縱、環焊縫的余高，使焊縫表面與母材齊平【1-2】。

焊縫表面裂紋具有擴展性，在一定的工作條件下，會不斷長大，直至金屬產生斷裂；焊縫未焊透和未熔合會降低焊接接頭的機械強度，在未焊透和未熔合處端部容易形成應力集中點，導致焊縫在承受載荷時開裂；夾渣和氣孔破壞了金屬的致密性，減小了焊縫金屬的有效截面積，導致焊縫強度降低；焊縫余高過高及焊瘤常引起應力集中，在交變載荷作用下容易誘發焊縫脆性破壞和疲勞破壞。

因此壓力容器在焊接制造過程中應當嚴格控制焊接質量，盡量避免焊縫表面和內部產生各種缺陷，對于承受交變載荷的容器，還應嚴格控制材料表面的形狀突變，減緩應力集中的程度，防止產生疲勞破壞。

對于殼體和接管直徑都較小的容器，由于焊接操作空間受限，焊縫成形不易控制，表面不易修磨，因此焊接質量不易保證。通過編制合理的制造工藝方案，合理安排焊接順序，對接管與殼體角焊縫采用氬弧焊打底、焊條電弧焊填充和蓋面的焊接工藝，保證焊縫單面焊接雙面成形，同時采用機加工工裝對焊縫背面產生的焊瘤及焊縫余高進行切削去除，實現了小直徑厚壁高壓球形容器的焊接制造，保證了產品焊縫外觀質量，可為小直徑厚壁高壓球形容器的焊接制造提供參考。

1 設備結構參數及制造難點

我公司為國內某石化公司制造的壓縮機二級排氣緩沖器外形為球形結構， 按照JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》【3】進行疲勞分析設計。正常操作運行時持續不斷的充氣和排氣使該容器需要承受交變載荷的作用， 因此焊縫表面不允許存在焊瘤及焊縫余高， 以免引起應力集中。容器儲存介質為CH4等， 設計溫度為180 ℃， 殼體材料為Q345R， 設計壓力為37 MPa， 水壓試驗壓力為59.1 MPa； 殼體內徑為φ750 mm， 厚度為70 mm； 殼體表面有5個接管， 其尺寸和壁厚見表1。二級排氣緩沖器外觀見圖1。

此臺容器制造難點主要為：

1) 殼體直徑較小且壁厚大，表面無代替人孔的接管孔，內部操作空間較小，不具備在殼體內部焊接的條件，使得殼體對接焊縫和接管角焊縫無法采用雙面焊接進行操作。

表1 容器接管尺寸及接管壁厚 單位：mm

圖1 二級排氣緩沖器

2) 焊縫表面質量要求高，不能保留焊縫余高，但焊接成形后，殼體內部焊縫表面檢查和補焊修磨等操作受限，表面成形質量不易保證。

2 制造工藝方案的選擇

1) 設備殼體采用2個球形封頭拼接成形，即先將鋼板壓制成2個內徑為φ750 mm的球形封頭，然后將其組對在一起并點焊牢固，使之形成球形殼體。

2) 按照圖紙給定的接管位置對殼體進行劃線開孔。在選定接管位置時應注意合理布局，使各接管開孔位置避開殼體拼接焊縫。先組裝b、c、d、e 4個接管，并按照焊接工藝對接管和殼體的角焊縫進行焊接。接管a開孔后預留為檢查殼體內部焊縫的檢查孔，因此對接管a暫時只進行劃線開孔，但不組裝接管。

3) 對2個封頭的對接位置進行標記后,去除2個封頭之間的點焊點，并將坡口點焊處打磨干凈。對b、c、d、e 4個接管與殼體的角焊縫正面和背面進行目視檢查和磁粉檢測，并對接管d與殼體的角焊縫進行超聲檢測，修磨和補焊焊縫外觀成形較差處，保證焊縫表面及內部無超標缺陷。

4) 依據封頭標記位置重新組對殼體，并按照焊接工藝焊接殼體環縫，焊后通過接管a開孔檢查2個封頭對接環縫內表面的焊縫外觀質量。對殼體環縫內、外表面的飛濺及焊瘤進行修磨處理，并對焊縫咬邊處進行補焊和修磨過渡，保證焊縫內、外表面無超標缺陷。然后對環縫進行射線檢測和超聲檢測。

5) 按照焊接工藝焊接接管a與殼體角焊縫， 組裝時增大接管與殼體間隙， 保證焊縫全焊透。焊后采用內窺鏡檢查殼體內接管a角焊縫外觀質量， 并將焊縫全熔透形成的焊瘤和余高采用機加工方法去除。最后對接管a角焊縫進行無損檢測。

6) 設備安裝并焊接附件后，入爐進行焊后消應力熱處理，最后按照GB/T 150.1～150.4—2011《壓力容器》進行水壓試驗，檢查焊縫及殼體的耐壓情況。水壓試驗檢查合格后，再次對焊縫外表面進行超聲檢測；超聲檢測合格后，對設備進行噴砂除銹和噴涂油漆。

3 焊接工藝的制定

對于殼體直徑較大且有人孔的容器，其接管與殼體角焊縫采用雙面焊接較為方便，焊縫正面焊接后，再在背面進行清根焊接，能夠保證焊縫質量。但是當容器直徑較小時，焊工焊接操作條件受限，無法從殼體內部進行清根焊接，因此應當選用單面焊接雙面成形的焊接結構形式，例如氬弧焊打底或帶墊板的坡口等形式。根據此臺產品的結構特點，殼體對接焊縫采用氬弧焊打底、手工電弧焊填充、埋弧焊蓋面的焊接方法；接管a與殼體的角接焊縫采用氬弧焊打底、手工電弧焊填充和蓋面的方式進行焊接。

焊接工藝見表2和表3。

表2 封頭對接焊縫焊接工藝

表3 接管與殼體角焊縫焊接工藝

4 焊接質量的控制和檢測

1) 嚴格按照工藝方案制定的工序進行制造。封頭壓制成形嚴格按照GB/T 25198—2011《壓力容器封頭》【4】標準執行，并且要求封頭的橢圓度小于2 mm，避免封頭拼接成球形時出現焊縫錯邊。封頭對接焊縫錯邊量應控制在3 mm以內。

2) 封頭坡口及接管開孔坡口采用機加工成形，保證坡口表面干凈；施焊前，清除坡口及兩側母材表面200 mm范圍內的氧化皮、油污、熔渣及其他有害雜質。

3) 施焊過程嚴格按照焊接工藝要求進行。焊前采用火焰對坡口周邊200 mm范圍進行加熱，預熱至100 ℃以上再開始進行焊接；焊接保護氣做到提前送氣，滯后停氣。焊接過程中采用測溫槍測量焊縫層間溫度，保證其被控制在100～250 ℃；焊接時注意控制電流和焊接速度。焊接過程采用多層多道焊接，嚴格控制焊接線能量的輸出。焊縫完全凝固后進行清渣，各層各道間將熔渣清理干凈后再焊下一層，有缺陷時，及時處理。焊后對殼體進行焊后消應力熱處理，熱處理溫度620 ℃，保溫2 h。

4) 焊前和焊后無損檢測要求如下：施焊前坡口表面進行100%的MT檢測，Ⅰ級合格。殼體A類焊縫焊后進行100%MT和UT檢測，Ⅰ級合格；MT和UT檢測合格后再進行100%RT檢測，Ⅱ級合格，質量等級AB級。接管與殼體D類焊縫焊后進行100%MT檢測，Ⅰ級合格；直徑大于等于80 mm 的接管與殼體角焊縫增加100%UT檢測，Ⅰ級合格。所有無損檢測均按照NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》【5】標準進行。

5) 焊縫周邊及母材表面在制造過程中采用油漆筆進行標記移植，在焊縫編號圖上記錄施焊焊工鋼印，不在容器表面采用硬印進行標記。

5 小直徑接管角焊縫機加工的實現

產品制造過程中制作了一件L形車刀工裝。車刀與車刀工裝采用垂直方式進行連接。車刀工裝夾持在車床夾頭上，其使用示意見圖2。接管與殼體焊縫焊接后，借助內窺鏡對焊縫內表面進行檢查，對檢查發現的焊縫背部焊瘤及焊縫余高過高等缺陷的位置在殼體外部進行標記；然后將車刀從接管口伸入殼體，通過調整車床夾頭位置，將車刀調整至合適位置，并用內窺鏡進行位置確認；最后啟動車床將焊縫內表面的焊瘤及過高的焊肉切削去除。通過不斷調整車刀位置完成整道焊縫內表面多余焊肉的去除，使焊縫表面與殼體母材齊平。焊縫機加工后表面見圖3。

圖2 接管與殼體焊縫背部機加工工裝示意

圖3 接管與殼體焊縫背部機加工后外觀

6 結語

1) 采用2個壓制球形封頭進行小直徑球形容器的制造；

2) 制定合理的制造工藝方案，確保了主體焊縫的對口錯邊量，并有效地控制了容器的焊接變形；

3) 嚴格控制焊前預熱溫度、層間溫度及焊接線能量，確定了最佳的焊后熱處理工藝，實現了產品制造過程的全面質量控制，保障了產品的長周期安全運行；

4) 小直徑接管機加工工裝的設計實現了小直徑封閉焊縫的背面加工，確保達到設計要求，并為保證小直徑容器制造質量提供了新的質量控制手段。