壓力容器封頭制造中存在的問題及技術分析

林忠拉

（浙江沈泰特種設備有限公司，浙江 溫州 325025）

壓力容器是指密閉設備通過加壓處理存儲一定量的液體或氣體，以滿足工業生產、日常生活等需求。壓力容器材料的選取必須具備穩定性，且符合特種作業環境的工作需求，以保證設備在使用過程中不會產生破損的問題。從壓力容器整體構造來看，其中最易發生破損的位置為封頭處，因為壓力容器罐體屬于一體壓縮工藝制造的，封頭處則屬于罐體密封部位，其呈現出參數與罐體存在一定的差異，如封頭處的承壓部件需經過多道熱塑工藝，保證部件符合設備使用需求。但在封頭部件制造過程中，受工藝、操作行為等因素的影響，使部件本體面臨著嚴重的質量問題，間接加大壓力容器的不合格率。為減少加工缺陷問題的產生，必須分析出封頭部件制造過程中可能存在的問題，然后，制定相關防止舉措，以提高封頭部件的質量性能。

1 壓力容器封頭制造中存在的問題

1.1 封頭鼓包問題

封頭部件制造過程中產生的鼓包問題一般是發生在部件熱成型環節。在部件受熱拉伸時，部件圓滑過渡部位所受到的壓縮力呈現出一定的切向特性，如果切向力大于部件內應力時，則將產生部件失穩效應，令原材料發生鼓包現象。此外，封頭部件原材料在爐內加熱處理時，如發生受熱不均的現象（材料上部溫度低于下部溫度），金屬材料各區域的承壓值參數將形成誤差，此時，材料無法因為受熱而形成均衡式體積增大，這就導致在后期壓塑過程中彎角平滑處的過渡區間面積加大，當金屬組織呈現出相對較軟的現象時，硬值區域所產生的應力高于軟值區域，進而產生鼓包現象。一般來講，封頭部件鼓包區域一般為彎角過渡區間。

1.2 封頭裂紋問題

金屬材料裂紋產生的原因主要是內應力無法滿足外界環境壓力的需求，進而導致材料本體產生裂痕的現象。在壓力容器封頭部件制造過程中，裂紋產生的主要環節為沖壓工藝、旋壓工藝中。從內應力產生形式來看，封頭部件所產生應力主要分為兩種：（1）是因為金屬材料內部的晶格所產生畸變現象，令原有金屬軟組織硬化，進而產生多余的應力；（2）金屬材料內、外表面的拉伸形變量存在較大的參數差異，導致部件所能承受的壓力值具有較高的變動性，當外界壓力在內、外應力的差值之間部件不會產生形變，一旦數值高于或小于材料的極限值時，則封頭材料將產生裂紋。一般來講，封頭部件裂紋產生區域一般為焊縫處、端口處，當材料存在應力無法承接外部作用力時，如部件沖壓時所產生的間隙作

用力，如果應力不集中，或者是橫切面不平滑，都將造成局部應力小于外部應力的情況，進而令部件產生裂紋。

1.3 封頭減薄問題

壓力容器封頭部件在塑形過程中，由于屬于壓縮工藝，部件將受到拉伸力、摩擦力等，此時，封頭部件的上部與底部所受到的力學參數將存在一定的差異，且底部受到的各類作用力相對較小，這就造成底部壁厚減薄數值相對較小。而對于封頭部件的直邊區域來講，由于上部區域所承接的作用力具有綜合特性，邊緣區域的作用力大于彎角過渡區域所呈現出延伸拉力，部件此處厚度將增加。彎角過渡區域在壓縮過程中承受的是模具沖擊所帶來的外部作用力、材料內部拉伸所形成的延展力，在上述兩種應力共同作用下，壁體的減薄程度將增大。封頭減薄問題的成因主要分為以下三點：（1）部件壓鼓工藝在具體施行過程中未能控制好力度，導致壁體在減薄過程產生不均勻現象，但在系統參數的設定下，減薄工藝將以壁體最薄處作為基準，進而導致壁體減薄超標；（2）模具、材料表面不平滑，則部件壓塑過程中產生的摩擦力系數將加大，降低原材料的拉伸系數，如果材料拉伸效果不明顯，需加大壓縮作用力，這就造成部件成型后的參數無法滿足預期設定需求；（3）邊緣壓力過大，材料在固定空間所能承受的拉伸度將呈現出一定的局限性，如果材料的切向自由度小于內應力所能承受的最大值時，將造成材料的減薄超標問題。

2 壓力容器封頭制造問題的技術解決方案

壓力容器封頭制造過程中，受到作用力環境的影響，將產生不同類型的缺陷問題，例如，部件拉裂、劃傷、凹坑、鼓包、過燒等問題。為此，必須找到解決問題的合理辦法，分析出不同缺陷問題的主要成因，結合封頭部件的性能制定出較為精準的解決方案。

2.1 鼓包問題的技術解決

針對鼓包問題，為盡量避免封頭材料內部存在的殘余應力問題，可以對材料進行二次拉伸處理，利用一次拉伸與二次拉伸的作用力抵消殘余應力，以提高材料的韌性值。從金屬材料的力學特性來看，在一定的參數范圍內，材料本體的應力與徐變力呈線性關系，這就令材料本體產生上部和下部兩種屈服強度。當對材料進行二次拉伸時，一次拉伸所產生的殘余應力將被二次優化處理，通過外部作用力抵消殘余應力，可有效提高材料的質量性能。此外，為防止因溫度受熱不均所導致的材料承壓值出現變化的問題，在爐內對材料進行加工時，可以對材料進行翻轉受熱，或者是利用加熱設備來均衡上部與下部的溫度，這樣便可有效避免因金屬組織發生硬化的現象，以降低封頭部件鼓包問題的產生。

2.2 裂紋問題的技術解決

裂紋問題對于封頭部件所產生的危害較大，如果壓力容器在使用過程中，封頭部件裂紋處所產生的應力值難以承受罐體設備內部的壓力值時，將使封頭部件沿著裂紋處產生損毀的現象，罐體爆炸將對周邊環境造成嚴重危害。考慮到裂紋產生的原因，需采用多類別的操作舉措，排除裂紋問題。針對封頭部件直邊位置所產生裂紋來講，需通過旋邊速度或壓力的控制，對材料加工形式進行管控，這樣便可有效將材料加工參數約束在可控范圍內，保證封頭部件所產生的應力值符合整體壓塑需求。在對切割工藝進行控制時，需對材料邊口處進行打磨處理，特別是對彎角過渡區域，通過參數系數的測定，保證材料加工面的參數符合待加工需求，以避免出現端口裂紋的現象。在對焊縫區域進行處理時，由于焊縫位置的參數值呈現出較大變動特性，為避免外部作用力、內部應力對焊縫連接處造成沖擊影響，必須針對部件承載壓力，設定嚴格的焊接工藝系數，且在實際焊接時，必須保證勻速狀態，放慢冷卻速度，以此來提高焊縫位置的穩定性，一般來講，針對封頭部件的精細焊化處理，需采用小電流逐層焊接工藝，將焊縫中心所受到的集中應力進行分散，避免中心產生裂紋分化效應。同時，應防止焊接過程產生咬邊現象，及時清理焊渣，并對焊縫區域進行二次熱處理。

2.3 封頭減薄問題的技術解決

封頭減薄問題是部件質量監控的重要環節，如果壁厚減薄超標，則將造成部件在使用過程中，內部應力值小于系統設定的基準值，無法令容器在固定容積下承載更大的壓力，如果壓力值高于封頭部件的承載值時，將令部件產生損毀的嚴重現象。對于此，在對部件進行整體減薄處理時，必須考慮到胚料本體的厚度是否滿足待加工需求，即材料在加工過程中是否留有足夠的厚度供后續加工使用，如壓邊寬度。此外，必須對與封頭部件加工相關聯的各項工藝進行測定，如壓鼓工藝、開裂控制工藝等，工藝執行所具備的參數必須符合封頭設備制造需求。還需對操作人員進行專業度分析，保證崗位工作人員具備工藝施行的基本技能與職業素養等，其可正確對待崗位工作，以確保承擔加工的工藝操作不會因為人為問題而造成工業生產誤差。

3 結語

綜上所述，壓力容器封頭部件的制造對力學特性要求度較高，為避免因工藝操作而帶來的缺陷問題，必須從多個角度分析出產生缺陷問題的本質原因，然后，采取合適的工藝行為制定出精準的解決策略，以提高設備的應用性能。期待在未來發展過程中，技術部門以及管理部門嚴格把控原材料的應用程序，制定出更為精細的制造方案，從內部、外部兩方面解決封頭設備的缺陷問題。