論如何提高承壓類特種設(shè)備制造過程中的能效

齊 會，宋前進(jìn)

(河南省化工壓力容器檢測中心站，河南鄭州 450016)

0 前言

當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入一個高速發(fā)展的良性軌道，但能源問題卻日益突出，如何使經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境的承載力相匹配，是擺在我們面前的一個新課題，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本國策是節(jié)約能源，是實(shí)現(xiàn)科學(xué)發(fā)展觀的必要條件。承壓類特種設(shè)備制造行業(yè)，有成套的設(shè)備工裝、成熟的工藝、質(zhì)量穩(wěn)定的原材料，節(jié)能降耗無從談起。傳統(tǒng)行業(yè)的節(jié)能降耗，不能指望經(jīng)一兩項(xiàng)技術(shù)革新，就可以看到非常明顯的效果，得到較大改善，而應(yīng)從制定相應(yīng)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)等最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)出發(fā)，從源頭做起，把好第一道關(guān)口，從點(diǎn)滴做起，做好每一道工序，從每一個細(xì)節(jié)做起，最終落實(shí)到節(jié)能、減少成本。本人結(jié)合從事鍋爐壓力容器產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)的經(jīng)歷，舉例闡述自己的一些觀點(diǎn)。

1 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的基礎(chǔ)

1.1 制定法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要結(jié)合國情

新頒布的GB/T9222－2008，《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》標(biāo)準(zhǔn)中允許“無氬弧焊打底的單面焊有坡口的對接焊縫”用于鍋爐制造。而1999年的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(以下簡稱《容規(guī)》)表3－5中將手工焊條電弧焊面單面焊雙面行成方法列入不屬于“相當(dāng)于全熔透的雙面焊”的范圍，即這種方法不能用于壓力容器的對接焊縫的焊接。

相對于雙面焊，因最初打底焊道，在背面清根時(shí)幾乎被全部清除，焊縫質(zhì)量容易保證。手工電弧焊面成形的打底焊要求焊工既要考慮規(guī)范大可能造成打底余高超標(biāo)甚至產(chǎn)生焊瘤，又要注意規(guī)范小可能產(chǎn)生未熔合、未焊透，操作不當(dāng)還會產(chǎn)生根部凹陷，對焊工操作技能要求高。相對于氬弧焊，手工電焊具有設(shè)備簡單、焊接效率高、成蹦低廉的特點(diǎn)?，F(xiàn)行的《鍋爐壓力容器壓力管道焊工考試與管理規(guī)定》中，都規(guī)定采用單面焊雙面成形方法對手工電弧焊焊工進(jìn)行考試。要求高，必然增加培訓(xùn)和考試成本，然而這種工藝方法卻不能用于壓力容器制造，顯然是不合理的。筆者認(rèn)為，法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的制定既要鼓勵采用先進(jìn)的、節(jié)能的新技術(shù)，逐步淘汰落后的、耗能大的舊工藝，也應(yīng)充分考慮國情。鍋爐領(lǐng)域可以使用，壓力容器領(lǐng)域一般也可以使用。就算是鍋爐與壓力容器有比較大的不同，也可以考慮有限制地允許在壓力容器對接焊縫上使用手工焊條電弧焊，以節(jié)約制造成本。

1.2 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)盡可能協(xié)調(diào)一致

蒸汽鍋爐主蒸汽管道上使用的分汽缸，既可以按《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(以下簡稱《蒸規(guī)》)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造，也可以按《容規(guī)》的要求設(shè)計(jì)、制造。國家質(zhì)監(jiān)局便字【1999】2155號文件規(guī)定:“凡在鍋爐房內(nèi)的分汽(水)缸屬鍋爐系統(tǒng)內(nèi)的部件，按《蒸規(guī)》的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)，對于工業(yè)裝置系統(tǒng)內(nèi)的分氣缸，按《容規(guī)》的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)”。鍋爐房內(nèi)的分汽缸可按鍋爐部件制造，是為解決部分鍋爐制造企業(yè)沒有壓力容器制造資格，用戶在采購時(shí)設(shè)備配套不方便而提出的。但在設(shè)計(jì)制造過程中發(fā)現(xiàn)，不同的規(guī)范制造成本差異很大:比如，用直徑273/20鋼管作筒身，設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa的分氣缸，按《容規(guī)》和《蒸規(guī)》要求設(shè)計(jì)制造，主要區(qū)別見表1。

表1 《容規(guī)》和《蒸規(guī)》設(shè)計(jì)制造要求

總體來講，按《蒸規(guī)》設(shè)計(jì)制造較《容規(guī)》要求高。這還只限于用碳素鋼，如使用16Mn之類的鋼管，《蒸規(guī)》還要求做環(huán)焊縫的焊接試板，成本就更大了。設(shè)計(jì)和制造要求不一樣，導(dǎo)致生產(chǎn)成本不一樣，僅僅取決于設(shè)備是否安裝在鍋爐房內(nèi)，理由不充分。本人認(rèn)為，像分汽缸這種既可按容器設(shè)計(jì)制造，又可按鍋爐設(shè)計(jì)制造的設(shè)備，選用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不應(yīng)該差異太大，甚至可以規(guī)定就用一個標(biāo)準(zhǔn)，至于制造單位的制造資格，有其一就可以了。

1.3 為節(jié)能降耗獻(xiàn)言獻(xiàn)策

通常一般的容器，采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)。其基本理念就是在受壓元件上找出最危險(xiǎn)點(diǎn)，設(shè)法滿足該點(diǎn)的強(qiáng)度條件，就能保證設(shè)備安全質(zhì)量。容器的焊縫系數(shù)是根據(jù)焊縫接頭形式和探傷比例選取，一臺容器固定一個焊縫系數(shù);鍋爐的焊縫(減弱)系數(shù)只按焊縫形式選取，可以視不同部件選擇不同的探傷比例。筆者認(rèn)為鍋爐強(qiáng)度計(jì)算的思路較容器科學(xué)。受壓內(nèi)的筒形容器，環(huán)向應(yīng)力的2倍，如果我們按照等強(qiáng)的原則，不同位置的焊縫選用不同的焊縫系數(shù)，就可以在選擇焊材和探傷比例以及探傷的合格級別上有更大的靈活性，有利于降低制造成本。

一般而言，圓筒形元件環(huán)焊縫的長度比縱焊縫長得多，如一臺Ф1800 mm×3500 mm的圓筒，縱縫長度不足3000 mm，按20%比例探傷，拍片數(shù)量2張。3條環(huán)縫長度3 mm ×3.14 mm ×(1700～1800)mm，拍片數(shù)量12張，直徑越大環(huán)縫拍片數(shù)量越多。雖然環(huán)縫拍片比例與縱焊縫相同，但因環(huán)焊縫強(qiáng)度裕度遠(yuǎn)大于縱焊縫，缺陷危及安全運(yùn)行的幾率比縱焊縫小得多，因此建議可以根據(jù)制造企業(yè)焊接生產(chǎn)中的焊縫質(zhì)量的穩(wěn)定性，適當(dāng)減少環(huán)焊縫探傷數(shù)量。

生產(chǎn)實(shí)踐中，常有選擇大口徑無縫鋼管做較小直徑容器筒體的情況，以提高生產(chǎn)效率，但壁厚裕度往往比較大。以設(shè)計(jì)壓力為1 MPa、內(nèi)徑250 mm左右的分汽缸為例，計(jì)算壁厚不足1.2 mm。如用Ф273 mm的鋼管制作，最小壁厚也在6.5 mm以上，如此大的厚度裕量是否可以考慮恢復(fù)不射線探傷的環(huán)焊縫系數(shù)選0.6的規(guī)定呢(GB150－89，曾有對不加墊板，不能進(jìn)行射線探傷的環(huán)焊縫，焊縫系數(shù)選0.6 的規(guī)定)。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)是節(jié)能降耗的關(guān)鍵

一臺容器，可以設(shè)計(jì)的細(xì)長，也可以設(shè)計(jì)的短粗。增加容器的直徑，容器相同時(shí)，長度可以減小，但為了保證強(qiáng)度要求，就要選擇更加優(yōu)質(zhì)材料或增加材料厚度;為保證和提高設(shè)備的耐壓強(qiáng)度，可以采取減小直徑的方法獲得，這時(shí)設(shè)備的長度就安增加，顯而易見的，制造成本是不一樣的。優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是在設(shè)備的安全性能和使用性能與制造成本之間選擇最佳方案。

Ф1800 mm直徑的低溫容器，計(jì)算厚度14.91 mm，選用名義厚度為18 mm的16MnDR鋼板制作。按照GB150附錄C的規(guī)定，大于16 mm鋼板，必須進(jìn)行焊后惹處理，減小直徑到Ф1600 mm，就可選用名義厚度為16 mm的16MnDR，避開厚度＞16 mm鋼板必須進(jìn)行熱處理的規(guī)定，但整個筒體長度將增加，哪個方案更佳?需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

額定壓力為0.4 MPa的電熱熱水鍋爐，鍋筒規(guī)格為Ф800 mm，根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算，板厚選6 mm，如果在前封頭上布置人孔，就需要補(bǔ)強(qiáng)，如采用整體補(bǔ)強(qiáng)，前封頭至少選用8 mm的鋼板。開設(shè)人孔，便于制造時(shí)最后一道環(huán)縫采用雙面焊，同時(shí)方便以后對鍋爐內(nèi)部進(jìn)行清洗和檢查。《熱水鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對直徑大于1000 mm的鍋殼鍋爐的筒體才規(guī)定設(shè)置人孔，Ф800 mm直徑為什么要開人孔?如果最后一道環(huán)縫采用單面焊雙面成型工藝，或采用單面焊也能滿足強(qiáng)度要求，利用電熱管管座作為檢查孔、清洗孔，豈不是就可以減輕鍋筒質(zhì)量嗎?

一臺臥式儲罐，橢圓形封頭上焊有DN80 mm接管，管座與筒體連接補(bǔ)強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)，另一端焊接外徑為200 mm的平焊法蘭，法蘭密封面至封頭開孔中心外表距離80 mm，要求雙面全焊透。接管太短，接管與補(bǔ)強(qiáng)板焊縫，連看到都很困難，如何保證焊接質(zhì)量?如果采用接管補(bǔ)強(qiáng)，加大接管長度，既改善受力狀況，又便于焊接，何樂而不為呢?

《容規(guī)》第54條規(guī)定了7種條件下，接管與筒體連接焊縫必須全焊透，監(jiān)檢中發(fā)現(xiàn)不論什么情況，設(shè)計(jì)圖紙一律要求全焊透，應(yīng)該摒棄這種不分青紅皂白、不計(jì)成本的做法。

《容規(guī)》規(guī)定，設(shè)計(jì)壓力不得低于最高工作壓力，正常情況，兩者數(shù)值應(yīng)比較接近。筆者認(rèn)為，一般的容器，設(shè)計(jì)壓力頂多為1.05～1.1倍最高工作壓力。監(jiān)檢中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙上設(shè)計(jì)壓力遠(yuǎn)高于最高工作壓力的設(shè)備9(在用設(shè)備除外)，如設(shè)計(jì)壓力 1 MPa，工作壓力 0.4 MPa。

我們知道容器強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)是設(shè)計(jì)壓力，如果設(shè)計(jì)壓力和工作壓力接近，既避免設(shè)備出力不足的現(xiàn)象，又降低了制造成本，如果最高工作壓力不足0.1 MPa，按常壓容器制造成本更是大大降低。

大容器的液化氣體汽車罐車，多用球形封頭代替原來的橢圓封頭，板厚減少近1/2，一般的筒體板厚14 mm，封頭選用10 mm鋼板，因板厚偏差＞3 mm，按照GB150的規(guī)定，必須對厚板削薄或在薄板上堆焊，如果設(shè)計(jì)采用中心對齊就可不必對厚板削薄或在薄板上堆焊了(這與GB150的規(guī)定還是不一致的，但從GB150對允許錯邊的規(guī)定，筆者認(rèn)為上述處理方法是可行的)。

3 制造過程中的節(jié)能降耗

3.1 認(rèn)真組織圖紙會審和技術(shù)交底

一臺容器，人孔設(shè)在筒體鞍座截面(時(shí)鐘)2～3點(diǎn)位置上。補(bǔ)強(qiáng)圈與支座墊板發(fā)生沖突，墊板可以裁去一個角，支座立板如何處理?如果事先企業(yè)技術(shù)人員能認(rèn)真進(jìn)行圖紙會審，或許就能發(fā)現(xiàn)問題，將人孔向上或向內(nèi)移動一些就不會出現(xiàn)這種問題。一批容器，設(shè)計(jì)要求選用某廠制造的法蘭，這種要求是無法出現(xiàn)在設(shè)計(jì)圖上的，只有通過技術(shù)交底才能交代清楚。因此，下料前進(jìn)行圖紙會審和技術(shù)交底，可以最大程度消除設(shè)計(jì)缺陷，最大程度體現(xiàn)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想。

3.2 編制制造工藝

必須認(rèn)識到制造工藝是企業(yè)制造過程中的各個工序都必須執(zhí)行的“法律”文件。監(jiān)檢發(fā)現(xiàn)，要么是生產(chǎn)工人沒有嚴(yán)格按工藝制造，想怎么干就怎么干，工藝規(guī)定雙面手工電弧焊，實(shí)際采用氬弧焊打底，手工電弧焊填充、蓋面;要么就是所有工藝千篇一律，根本沒有體現(xiàn)產(chǎn)品的特點(diǎn)。沒有排版圖，焊縫位置不確定，工序間缺乏溝通，造成支座壓焊縫而未在被覆蓋焊縫處進(jìn)行100%射線探傷，或者是接管無法避開焊縫，在接管附近不得不額外地增加探傷數(shù)量，制造成本提高。如果我們在編工藝時(shí)作出調(diào)整，盡量使開孔位置避開焊縫，就可以最大限度地減少焊縫射線探傷的數(shù)量。

一臺立式鍋爐，產(chǎn)品焊成后，發(fā)現(xiàn)鍋筒與上封頭連接焊縫因人無法進(jìn)入鍋筒內(nèi)布片，無法用外透法探傷，雙壁單投，因鍋筒內(nèi)還有爐膽，射線需要透過4層鋼板(射線機(jī)放不進(jìn)爐膽內(nèi))，不但規(guī)程上不允許，設(shè)備能力也有限，假如去我們能在編工藝時(shí)就發(fā)現(xiàn)，在鍋筒內(nèi)的適當(dāng)部位增加檢查孔或手機(jī)，這種情況就完全可以避免出現(xiàn)。

3.3 提倡盡量采用雙面焊

為保證受壓元件的焊縫質(zhì)量，盡量采用雙面焊，是最便捷的辦法。一臺奧氏體不銹鋼換熱器，官箱筒節(jié)直徑只有400 mm。工藝規(guī)定采用手工氬弧焊打底，單面焊雙面呈成形，單面焊雙面成型，手工焊條電弧焊填充蓋面。焊完后發(fā)現(xiàn)氬弧焊打底有缺陷，工人又從內(nèi)側(cè)用手工焊條電弧焊補(bǔ)了一層，幾乎完全覆蓋氬弧焊焊道。假如采用雙面焊工藝，工人先從內(nèi)側(cè)用手工焊條電弧焊焊上一兩道，外側(cè)清根，用手工焊條電弧焊填滿破口，成本會低得多。

單面焊雙面成形工藝，是因?yàn)榇嬖谧詈笠坏拉h(huán)焊縫，人無法入內(nèi)作業(yè)的情況，是一種不得已而為之的方法，但相對于雙面焊，工藝復(fù)雜、效率低，對操作技能要求高，質(zhì)量不容易保證。從保障工人身體健康的角度考慮，人在外操作，工作環(huán)境好一些，但如果單面焊質(zhì)量無法保證，與其返修就不如直接雙面焊了，況且本例中工人只需探身進(jìn)去就能解決問題。

總之節(jié)能降耗是一個系統(tǒng)工程，需要各個環(huán)節(jié)綜合考慮，密切合作，才能生產(chǎn)出質(zhì)優(yōu)價(jià)廉、使用性能好的產(chǎn)品。