復合鋼板壓力容器的制造方法

□ 景夢陽 □ 張正棠

甘肅省特種設備檢驗檢測研究院 蘭州 730050

1 復合鋼板概述

所謂復合鋼板，指主體材料以某種鋼作為基層,用另外一種鋼或其它有色金屬作為復層的雙金屬板,通常采用爆炸成型的工藝方法將兩種材料復合成型。一般在能滿足生產需要的情況下,用戶在不銹鋼和復合鋼板之間往往都會選擇復合鋼板。復合鋼板不僅基層可以滿足強度和剛度要求,而且復層也能滿足耐腐蝕性的要求,這樣在保證技術要求的情況下,可以節約大量金屬,降低生產成本[1]。目前,復合鋼板在很多行業,如石油、化工、航空、航海、醫療器械等都得到了廣泛應用。由于復合鋼板不存在固定的規格和型號,因此往往需要外協加工,延長了生產周期。另外,目前復合鋼板的制造工藝還不夠成熟,復合完后可能存在一定缺陷,影響壓力容器的制造質量。筆者根據復合鋼板壓力容器制造經驗,結合所在單位目前正在制造的復合鋼板壓力容器,對復合鋼板壓力容器制造工藝及注意事項進行介紹。

2 復合鋼板壓力容器制造工藝難點

2.1 筒體卷制過程控制

筒體所用復合鋼板在卷板機卷制過程中會產生較大的延展量,為了保證筒體卷制完成內徑符合要求,需要精確計算下料尺寸。復合鋼板在制造過程中對環境要求很高,高于一般碳鋼和不銹鋼材料的制造環境,因此在制造、轉運、卷制、焊接、打磨等環節需要做好對復層的保護。

2.2 錯邊量控制

一般情況下,在壓力容器的生產和制造過程中,焊縫錯邊會在筒體或封頭對接的位置出現[2-3],也會在筒節之間或筒體和封頭之間出現[4]。考慮介質的強氧化性和高腐蝕性,用戶及設計單位對設備筒節組對錯邊量要求很嚴。

根據設計要求,復合鋼板筒體縱縫錯邊量一般不大于0.8～1.5 mm,筒體環縫、筒體與封頭環縫錯邊量一般不大于1.0～1.5 mm[5-7]。

2.3 開孔精確度控制

壓力容器直徑、壁厚很大,筒體、封頭上開的孔較多,為了保證開孔精確度,需要使用軟件或工裝精確定位開孔輪廓線及坡口加工線。

2.4 焊接過程控制

壓力容器的焊接順序為基層、過渡層、表層,焊接過程中焊接參數控制不嚴、操作人員熟練水平不高都會導致熱裂紋和氣孔等缺陷。

3 復合前準備工作

3.1 質量與性能要求

壓力容器所用復合鋼板,其基層和復層材料選擇時一般都根據實際需要確定。對于基層材料,大多選擇Q345R鋼板,復層材料則多為不銹鋼。由于目前與復合鋼板相關的標準還較少,用戶所使用的復合鋼板規格也都各不相同,因此復合鋼板并沒有形成統一的標準[8]。

所選用的復合鋼板應具有符合國家現行標準的質量證明書,并保證復合鋼板表面平整,無明顯瑕疵。復合鋼板不應有妨礙使用的有害外觀缺陷,基層和復層的接合面積應占總面積的95%以上,局部未接合面積不得大于50 cm2。對加工時有較大應力或使用時有較大負荷的復合鋼板,要求更為嚴格。如果基層與復層表面的淺平缺陷未能磨掉,那么復層表面的全部缺陷面積總和不得大于復合面積的20%。同時,復層材料的表面質量應與復合方法相適應,厚度均勻,公差應符合規定值。

對于復合鋼板的機械性能,其抗拉強度和延伸率原則上應等于或大于基層材料,抗彎試驗標準應與相等總厚度的基層材料相同,抗剪強度對任何總厚度小于100 mm的鋼板應不小于196 MPa[9-11]。貼合彎曲三個試樣中,有兩個試樣彎曲部分兩邊不能有50 mm以上的分層現象。

復合鋼板在進廠時均應進行超聲探傷試驗,不得有妨礙使用的有害分層現象。對復合鋼板的修補、標記與標記移植等,與一般鋼材壓力容器的原材料控制相同。

3.2 下料、拼接控制

復合鋼板由兩種材質不同的板材組成,一般不銹鋼復層板材的厚度很薄,板長和板寬都較小,大多數需要拼接。下料及拼接時,一般根據壓力容器規格計算封頭和筒體展開的實際尺寸。根據多年的制造經驗,筆者所在單位技術人員總結出筒體和橢圓形封頭、球形封頭、球缺形封頭的下料尺寸計算方法及所留余量,以方便后續制造。

按照壓力容器筒體、封頭尺寸,根據投料厚度、材料伸縮性考慮是否留直邊,確定筒體、封頭實際需要的板材長度L和寬度B。

對于基層板材下料的長度和寬度,最小值分別控制為L+100 mm、B+100 mm,各留100 mm余量。下料時最好將板材寬度圓整至與B+100 mm接近的標準寬度。

為了滿足復合工藝的要求,復層下料時長度和寬度應在實際計算的投料長度和寬度上加50 mm,即單邊加25 mm。

如果壓力容器需要焊接試板,那么下料時還應考慮在長度方向上加試板所需量。

按照實際計算尺寸,對現有的復層板材進行拼接,焊接完成后焊縫應焊透并打磨平整,同時根據要求進行無損檢測,保證焊縫無裂紋、氣孔、夾雜等缺陷,復合完成的板材應保證平整。

4 筒體排版原則

根據設計圖紙及管口方位圖,將筒體及接管在計算機輔助設計軟件中按1∶1放樣,得到接管在筒體及封頭上的具體位置。

接管根據大小在放樣圖上按1∶1進行繪制,接管邊緣兩側向外延伸100 mm,確定環焊縫位置。

根據卷板機的卷制能力,確定復合鋼板在卷板機上的最大卷制寬度。

根據卷板機的最大卷制寬度、接管在筒體上的位置,以及縱縫、環縫位置確定板材的寬度。

5 復合鋼板下料尺寸計算方法

5.1 筒體

筒體復合鋼板下料尺寸主要根據筒體復合鋼板的寬度和卷板機的卷制能力來確定,目的是保證筒體與封頭組合后內平齊。對于均質復合鋼板,筒體下料尺寸按照封頭中徑展開,基本可以保證筒體與封頭環縫錯邊量在允許范圍之內。復合鋼板筒體和封頭板厚不一樣時,按照封頭中徑展開會導致筒體與封頭組對時錯邊量超標。根據經驗,筒體復合鋼板的厚度不大于40 mm時,板材直徑按照筒體中徑展開,卷板及校圓時隨時測量筒體周長,保證筒體內徑符合要求;筒體復合鋼板的厚度大于40 mm時,筒體下料尺寸在中徑展開的基礎上加直邊余量,一般為60～200 mm。

5.2 封頭

封頭由一塊正方形鋼板沖壓成型。

對于橢圓形封頭,封頭下料尺寸[12-13]為:

L=1.2Di+d

(1)

式中:Di為封頭復合鋼板中徑,即筒體內徑加封頭壁厚;d為封頭沖壓成型時的減薄量,一般為2～3 mm。

對于球形封頭,封頭下料尺寸為:

L=1.42Di+d

(2)

對于球缺形封頭,封頭下料尺寸為:

L=1.4Di+d

(3)

6 筒體組對控制

6.1 筒體縱縫組對控制

復合鋼板在卷板機上卷制完成后,使用專用工具將縱縫錯邊調整至合適位置,利用引收弧板對縱縫兩邊進行點焊固定,如圖1所示。

▲圖1 引收弧板點焊固定

6.2 圓度控制

為了保證筒節端口圓度在標準范圍內,在經過卷板機卷制、焊接、無損檢測合格后,將筒節放置至卷板機上進行校圓。

測量合格后,將筒節從卷板機上取下。對于大直徑薄壁筒節,校圓后為了防止變形,在筒節內部安裝支撐,如圖2所示。

▲圖2 筒節內部安裝支撐

7 焊接

7.1 焊接方法

復合鋼板通常采用的焊接方法有手工電弧焊、埋弧自動焊、二氧化碳氣體保護焊等,根據具體材質、板料厚度、坡口形狀來確定焊接方法。焊接時,一般從外側基層開始,基層焊接完成以后焊接過渡層,最后焊接表層。

7.2 預熱

為了防止厚壁筒體焊接過程中產生裂紋,在進行基層焊接前對筒體進行預熱,并根據實際需要制作筒體預熱工裝,如圖3所示。圖3中,R0為分度圓半徑。

▲圖3 筒體預熱工裝

8 焊縫檢測

復合鋼板焊縫無損檢測一般有兩種方法。一種是基層、過渡層、表層全部焊接完成后,根據設計文件要求進行檢測。另一種是基層焊縫焊接完成后,按照設計要求先進行檢測,檢測合格后進行過渡層和表層焊接,焊接完成后再對表層進行檢測。根據不銹鋼的焊接性能,可選擇不同的檢測方法。對于馬氏體不銹鋼,焊接性能差,焊接工藝控制不佳,很容易產生裂紋,一般選擇第一種檢測方法[14]。

9 結束語

筆者介紹了復合鋼板壓力容器制造方法。通過將理論知識與經驗公式相結合,計算筒體和封頭的下料尺寸,能夠保證下料準確和制造質量。

應用計算機輔助設計軟件對接管在筒體上的開孔具體位置及焊縫與接管邊緣的最小距離進行精確放樣,保證開孔準確,降低施工難度。

使用自制的預熱工裝,在筒體環縫焊接之前將焊接溫度控制在合理的范圍內,避免產生裂紋,進而提高制造效率和質量。