壓力容器制造中的常見質(zhì)量問題與處理策略

李其偉

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無錫分院，無錫 214000）

壓力容器在封閉性和安全性等方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于化工和航天等領(lǐng)域。結(jié)合實(shí)際調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，近年來壓力容器的種類日漸豐富，但壓力容器制造問題仍較為常見，由此引發(fā)的質(zhì)量問題很可能威脅生產(chǎn)安全。為解決相關(guān)問題，本文圍繞壓力容器制造開展了具體的研究。

1 壓力容器制造中的常見質(zhì)量問題

1.1 材料選擇問題

不同于普通容器，壓力容器制造需應(yīng)用高安全性和高質(zhì)量材料，以保證其安全性和綜合質(zhì)量。但是，結(jié)合實(shí)際調(diào)研發(fā)現(xiàn)，部分企業(yè)為獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，會(huì)選用質(zhì)量較差和較薄的材料制造壓力容器或擅自改變材料品種。這類行為嚴(yán)重影響壓力容器的制造質(zhì)量和使用性能，大幅增加了相關(guān)安全事故的發(fā)生幾率[1]。

1.2 制造變形問題

壓力容器制造過程很容易出現(xiàn)變形問題，影響壓力容器的使用性能，造成安全隱患。結(jié)合相關(guān)研究可以發(fā)現(xiàn)，壓力容器制作變形與其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、較多的部件焊縫存在直接關(guān)聯(lián)。在較為集中的應(yīng)力作用下，焊接后的壓力容器出現(xiàn)變形的幾率較大。此外，受壓元件的強(qiáng)力對(duì)接也可能引發(fā)制造變形問題[2]。

1.3 焊接質(zhì)量問題

壓力容器制造中焊接屬于必要工序。壓力容器的制造質(zhì)量直接受焊接技術(shù)水平的影響，如焊接過程中焊接人員未能嚴(yán)格遵循技術(shù)規(guī)范要求，或具體焊接過程存在電流大小控制不準(zhǔn)確情況，導(dǎo)致焊接部位承受強(qiáng)度能力將出現(xiàn)顯著下降，同時(shí)出現(xiàn)較高的安全隱患。存在這類問題的焊接部位往往會(huì)很快在腐蝕性工作環(huán)境下出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生[3]。

2 壓力容器制造質(zhì)量問題的處理策略

2.1 嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量

壓力容器的制造和使用對(duì)安全性要求較高，因此制造前必須做好相應(yīng)材料的質(zhì)量把關(guān)工作。這一工作需重點(diǎn)關(guān)注原材料化學(xué)成分和壓力容器壁厚設(shè)計(jì)合理性。結(jié)合實(shí)際調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，部分企業(yè)在壓力容器制造中存在私自使用碳鋼替換低合金鋼的問題。碳鋼與低合金鋼幾乎具有相同的機(jī)械性能，但由于在抗腐蝕性和焊接性等方面存在不足，使用碳鋼制造的壓力容器很容易在高壓、高溫以及高腐蝕環(huán)境下出現(xiàn)損壞而引發(fā)安全問題。壓力容器壁厚設(shè)計(jì)不合理問題帶來的影響也較為深遠(yuǎn)。部分企業(yè)存在私自增加壓力容器壁厚的情況，會(huì)導(dǎo)致制造成本增加和材料浪費(fèi)，隨之增加焊接負(fù)擔(dān)。例如，波紋管和膨脹節(jié)采用較厚的材料制作，導(dǎo)致壓力容器存在與設(shè)計(jì)要求不符的剛性，同樣可能引發(fā)安全問題。為規(guī)避材料相關(guān)的壓力容器制造質(zhì)量問題，企業(yè)在原材料的進(jìn)貨環(huán)節(jié)需要檢測(cè)材料的力學(xué)性能和化學(xué)性能，并保證原材料的選用完全遵循設(shè)計(jì)要求，有效規(guī)避原材料不合格引發(fā)的質(zhì)量問題。此外，需要開展精準(zhǔn)計(jì)算與合理設(shè)計(jì)，以保證壓力容器的壁厚和強(qiáng)度滿足要求，并設(shè)法降低壓力容器質(zhì)量，從而降低制造、安裝以及焊接成本，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益[4]。

2.2 科學(xué)規(guī)范技術(shù)流程

壓力容器制造過程很容易出現(xiàn)變形問題。解決這類問題可從規(guī)范技術(shù)流程入手，如保證相關(guān)人員的具體操作嚴(yán)格遵循程序要求，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)督壓力容器制造過程中的各種情況。設(shè)計(jì)時(shí)考慮壓力容器生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的各類誤差，如考慮冷模具的熱脹和熱模具的冷縮，從而規(guī)避變形引發(fā)的計(jì)算誤差。熱加工程序在壓力容器制造中較為常見，其中巨大強(qiáng)制力會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而增加壓力容器裂縫和變形幾率。具體的壓力容器制造需要設(shè)法消除內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)需嚴(yán)格控制處理階段的溫度。為隔絕火焰溫度，優(yōu)化熱處理，可在爐壁火焰噴嘴位置設(shè)置擋火墻。外殼厚度不足的壓力容器，其內(nèi)部厚度需適當(dāng)強(qiáng)化，以保證內(nèi)部環(huán)境的穩(wěn)定。

2.3 強(qiáng)化焊接工序控制

焊接工序?qū)儆趬毫θ萜髦圃斓年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。作為最常見的制造工序，焊接工序?qū)|(zhì)量的影響極為深遠(yuǎn)。焊接操作需要得到合格焊接工藝和高資質(zhì)焊工的支持。相應(yīng)焊接工藝設(shè)備和材料也直接影響焊接質(zhì)量。焊接前預(yù)熱對(duì)壓力容器焊接質(zhì)量有決定性作用。焊接預(yù)熱能夠降低焊接后的冷卻速度，且能夠有效減緩淬硬傾向，預(yù)防焊接裂紋。在焊接件預(yù)熱溫度較低時(shí)進(jìn)行焊接，能夠提高焊接工作效率，但會(huì)增加焊接裂紋出現(xiàn)的幾率。這種情況下焊接人員需刨除焊縫重新焊接，不僅浪費(fèi)時(shí)間和材料，還影響了整體的生產(chǎn)進(jìn)度。因此，必須保證焊工認(rèn)識(shí)到焊接預(yù)熱的重要性，輔以適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)和技術(shù)交底，積極引進(jìn)新型焊接工藝和設(shè)備，同時(shí)嚴(yán)格檢查焊接質(zhì)量，從而為提高壓力容器制造質(zhì)量提供支持。壓力容器焊接質(zhì)量檢查中，需及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患。此外，要做好良焊縫返修工作，以壓縮制造成本，同時(shí)保證制造質(zhì)量[5]。

3 實(shí)例分析

3.1 材料選擇

為提升研究的實(shí)踐價(jià)值，本文以某企業(yè)生產(chǎn)的異形冷卻器作為研究對(duì)象。該異形冷卻器由不銹鋼板殼體（δ6 mm）和6組不銹鋼管束組成，采用的不銹鋼材料均為S30408，其電阻率、密度、抗拉強(qiáng)度、延伸率分別為0.73 Ω·mm2·m-1、7.93 kg·dm-3、520 MPa、40%。

3.2 外形結(jié)構(gòu)分析

圖1為案例異形冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖。基于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求，相較于傳統(tǒng)碳鋼換熱器，案例異形冷卻器無需優(yōu)先開展客體組焊和管束安裝，而是按照先局部后整體、先零件后部件、先加固再施焊的順序，由里到外、先下后上開展小坡口小電流的異形冷卻器制造。這一壓力容器制造具備較高的特殊性和借鑒價(jià)值。

圖1 異形冷卻器示意圖

3.3 殼體制造要點(diǎn)

在異形冷卻器的殼體制造環(huán)節(jié)，需先加工天圓地方零件。天圓地方展開料尺寸需結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙開展模擬計(jì)算。為得到尺寸方便組裝的圓形口部，需要留出高度余量在圓形口部處，具體為10～20 mm。同時(shí)，設(shè)計(jì)拼接焊縫2道于零部件兩側(cè)，且在加工焊接零件完成后需要去除口部余量。在加工方型法蘭的過程中，方型法蘭存在28 mm的厚度。相較于碳鋼，不銹鋼存在大出40%的線膨脹系數(shù)，受到溫度升高的影響，存在不斷提升的線膨脹系數(shù)值。此外，不銹鋼存在碳鋼1/3的導(dǎo)熱率和5倍于碳鋼的電阻率，使得焊接過程中的不銹鋼很容易出現(xiàn)變形問題。因此，方型法蘭加工基于設(shè)計(jì)圖紙要求采用如圖2所示的設(shè)計(jì)。

圖2 方型法蘭設(shè)計(jì)示意圖

基于圖2設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)及坡口，利用帶90°拐角結(jié)構(gòu)的下料短邊，開展不留間隙的對(duì)接部位處理，可有效規(guī)避焊接變形過大問題。在具體焊接過程中，采用E308-16規(guī)格的焊條，基于12～15 cm·min-1控制焊接速度，層間溫度需控制在150 ℃以內(nèi)。焊接時(shí)采用平臺(tái)螺栓或弓形卡在平臺(tái)上固定法蘭，上面一層焊完后進(jìn)行翻面焊接。為增加焊層需要反復(fù)翻面，下一層焊接需要在上一層拼縫處冷卻后進(jìn)行。焊接過程不允許施焊，需要對(duì)稱施焊，以控制法蘭變形。方型法蘭采用銑床加工螺栓孔臺(tái)階，按照2 mm留出密封面余量。法蘭密封面加工需要在組焊方型筒節(jié)后進(jìn)行。在加工側(cè)板的過程中，尺寸拼料計(jì)算需結(jié)合如圖3所示的設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行。在焊縫拼接環(huán)節(jié)，為規(guī)避焊接變形問題，焊接前需開展多點(diǎn)定位，適當(dāng)預(yù)留反向焊接變形量，保證存在最大1.5 mm的對(duì)口錯(cuò)邊量。具體采用氬弧焊打底焊接方法，焊條電弧焊蓋面，焊條、焊絲分別選擇Φ2.0 mm的E308-16和S308，層間溫度需保證不超過150 ℃。焊接速度需分別控制為8～12 cm·min-1、12～15 cm·min-1。側(cè)板拼接焊縫需通過100RT檢測(cè)，方形孔及半圓孔需基于工藝文件尺寸開設(shè)，方型法蘭及側(cè)板內(nèi)隔板在開孔后組焊。

圖3 設(shè)備側(cè)板示意圖

需基于設(shè)計(jì)圖紙要求嚴(yán)格開展管束的組裝、焊接以及檢驗(yàn)，特別關(guān)注存在5°夾角的下集箱和上集箱。通過制圖軟件模擬換熱管長(zhǎng)度、上下集箱開孔尺寸及方位。逐件配換熱管管長(zhǎng)應(yīng)基于定位后實(shí)測(cè)尺寸開展，通過去除端頭余量、制管頭相貫線，保證筒體內(nèi)換熱管伸出2 mm長(zhǎng)度。沿中心線將上、下集箱割開，上、下集箱管頭與換熱管焊接合格后，將上、下集箱半管組焊為整管并開展針對(duì)性的無損檢測(cè)。打壓合格后的單獨(dú)管束，方可開展總裝。具體開始前需要酸洗，鈍化處理各零部件組件內(nèi)表面。具體組裝過程需按照由里至外、由下至上的順序開展。

4 結(jié)語(yǔ)

壓力容器制造會(huì)受到多方面因素的影響，因此需嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量，科學(xué)規(guī)范技術(shù)流程、強(qiáng)化焊接工序控制以及殼體制造，以提供可行性較高的壓力容器制造質(zhì)量控制路徑。此外，為更好地保證壓力容器制造質(zhì)量，相關(guān)人員應(yīng)重視PDCA循環(huán)管理法的引入、無損檢驗(yàn)的有序開展以及新型材料與技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用。