大直徑厚壁球形封頭的制造

摘 要：簡要介紹大直徑厚壁球形封頭的壓制和組焊的加工方法，總結了有關的制造工藝。

關鍵詞：厚壁球形封頭;制造;焊接;防變形

近年來隨著制造技術的發展，大型設備廣泛應用，封頭的公稱直徑也越來越大，球形封頭在厚壁容器中的應用逐漸增多。我廠為寧夏寶豐能源集團有限公司制造一臺甲醇合成塔設備，該設備重量達到340噸，筒體直徑為4000mm，筒體厚度達到80mm，是20萬噸/ 年甲醇工程項目的核心設備，而其上的球形封頭為主要受壓元件，其高質量的制造對于設備安全穩定的運行起著至關重要的作用。該封頭是我廠首次制造的直徑最大和最厚的球形封頭。為此，我廠將大直徑厚壁球形封頭的制造作為一項重要的技術課題。

1、主要參數和制造要求

半球形封頭的尺寸為SR2008mm，δ=69mm，材料為15CrMoR，封頭無直段。材料15CrMoR鋼板的P、S含量分別為P≤0.025%，S≤0.010%。

主要制造技術要求：

（1）???? 用弦長2 米的檢驗樣板檢查瓣片的曲率允許間隙e≤3mm。

（2）???? 瓣片組對錯邊量b不應大于鋼板名義厚度的1/4，且不大于3mm。

（3）???? 封頭的外圓周長公差為-12～+18mm。

甲醇合成塔的球形封頭直徑為φ4000mm，由于直徑較大，我們采用瓣片成型方法。制造主要分為下料與壓形、放樣劃線與凈料切割、封頭組對、焊接、熱處理、無損檢測。

2、下料與壓形

封頭采用尺寸相同左右對稱的6 片瓜形瓣片和φ1740mm中心頂圓板組焊而成。瓣片成形的封頭坯料尺寸與整體成形的封頭坯料尺寸計算方法不同，其號料樣板的計算和制作可用坐標法或放大樣法。為防止損傷模具和母材，切割后要把瓣片坯料周邊的熔渣打磨干凈。

因球形封頭瓣片的曲率一致，而且瓣片成形中的變形量較小，所以封頭瓣片采用了冷成形。采用點壓冷成形法，可以大大降低成本，效率可以提高，而且成形和外觀質量較好。首先，壓制模具的曲率要合適，應考慮鋼板冷壓后的回彈量。在實際壓制中，我們把壓制模具曲率適當加大，根據制造廠多年壓制封頭的經驗參數，鋼板的回彈量E一般應控制在球體名義半徑R的15%-19%。這樣用此模具壓制的瓣片成形后封頭曲率能符合設計要求。

其次，封頭瓣片壓制的順序應由坯料的一端開始，依次橫向排列壓形，采用S方向順序壓制，相鄰間的受壓面要互相搭接。這個搭接面沿壓制順序方向盡量保持一致，以使其曲面均勻。

瓣片的壓制過程是一個邊壓制邊校形的過程，初壓時寬度方向的曲率帶比別的方向要小，壓時要注意在壓形胎間適當加墊板予以校正。這樣經幾次壓制和局部調整，對瓣片的曲率進行校正，壓形中要不斷用曲率樣板檢查壓制質量，開始用檢驗樣板測量，直到曲率合格為止，檢驗樣板與瓣片間隙≤3mm。

3、放樣劃線與凈料切割

對壓形合格的封頭瓣片采用薄鐵皮制成的柔性凈料樣板凈料劃線，按照劃線用氧乙炔切割機加工瓣片和中心頂圓板，先凈封頭瓣片的兩條縱邊，所有瓜瓣片組對點焊成一體后，再凈瓜瓣片與封頭頂圓板相接的小端。切割時需預留2mm的組對修磨余量。在制作放樣樣板時，要充分考慮了外圓周長的誤差的不確定性。圖紙要求球形封頭大端口距離中心線為180mm，在制作樣板時我們把一這距離縮小到了150mm，這樣就能在不超出封頭深度公差范圍內，瓜瓣片與頂圓板組對所有焊道焊完后，再對封頭的大端口進行切割凈料。

4、封頭組對

在鋼平臺上劃出組裝基準圓線，并在基準圓線內外側每個瓣片點兩對定位板，然后在基準圓內安放好組對胎具。按編號把所有瓣片預組裝，使瓣片固定，經調整并修磨后組對并點焊成一體，再按頂圓板上標記的位置和角度將頂圓板與各瓣片組對，點焊固定。頂圓板與瓣片間的間隙為均勻的2mm左右，從而能保證好下一步的焊接質量。

5、焊接

封頭瓣片的組對焊接應在組焊胎具上進行，組對后用固定塊和卡具整體固定。焊接施工前，我們根據工藝設計要求和材質的特殊性做完備的焊接工藝評定，確定使用的的焊材、焊接工藝參數、預后熱溫度以及焊工資格。

焊接材料選用R307焊條，焊工資格為SMAW-Ⅱ-3G-12-F3J，焊接電壓22-24V，打底層焊接電流100-120A，填充蓋面層電流140-160A。

施焊前坡口表面及兩側50mm范圍內除油銹，打磨到呈現金屬光澤為止。在焊接、點焊及碳弧氣刨清根等工作前，均應進行預熱，預熱溫度為150～250℃，預熱范圍是坡口兩側各≥150mm。焊接層間溫度為200℃-250℃，后熱溫度為300℃-350℃，同時，焊后要立即用石棉氈裹住焊縫，保溫緩冷1h以上。焊接封頭的點焊應均勻、牢固，不能出現焊點崩裂現象。

6、防止焊接變形措施

由于球形封頭厚度大、焊縫長，焊接量很大，很容易產生變形。所以我們為防止焊接變形，采取如下措施：

（1）???? 采用多人對稱方向施焊。首先焊接頂圓板與各瓣片的對接焊縫，然后焊接各瓣片之間的對接焊縫，各瓣片之間的焊接從底部向頂部進行，焊接要對稱操作，焊完一條焊縫后，施焊與其相對的焊縫，然后再錯開焊縫焊接，以減少焊接變形。

（2）???? 封頭材料厚度達到69mm，如采用單面坡口會大大增加焊接工作量，并會產出較高線能量集中。為盡量減少焊接變形，封頭的焊縫采用X坡口。

（3）???? 封頭在焊接外坡口焊縫時，需在如圖3 所示的支撐上進行。在焊接內坡口焊縫時，球形封頭要翻轉焊接，需放在弧度與封頭相一致的焊接胎具上且封頭外壁與胎具充分接觸。

7、熱處理

所有焊縫焊接完成后在熱處理爐內需做整體熱處理，采用電加熱方式，熱處理曲線如圖1。

8、焊縫無損檢測

焊接完成后對焊縫進行100%射線檢測，按JB/T4730-2005Ⅱ合格。所有焊縫和拆除吊耳、組對刀把的打磨處進行磁粉或滲透檢測，執行JB4730—2005，I級合格。封頭熱處理后，每條焊縫進行20%超聲復驗，按JB4730—2005，I級合格。

7、結束語

（1）???? 通過嚴格控制瓣片的壓制曲率保證了幾何尺寸符合要求。

（2）???? 采用合理的焊接方法、焊接預后熱溫度，并采取相應的防變形措施能保證球形封頭的整體成型質量。

（3）???? 該球形封頭的制造成功，運用的工藝得當，使我廠在大直徑厚壁球形封頭的制造上積累了較多的經驗，為今后在大直徑球形封頭制造和發展奠定了良好的基礎。

作者簡介：

王立平（1979-），男，漢族，黑龍江望奎人，本科學歷，黑龍江省大慶職業學院機電工程系焊接技術及自動化專業教師，研究方向：焊接結構生產與質量檢測，壓力容器制造與檢驗。