-35℃冷凍水罐的制造工藝

黃景星

(南寧廣發(fā)重工集團(tuán)有限公司，廣西 南寧530001)

-35℃冷凍水罐是某氯堿化工項(xiàng)目的冷卻用關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備介質(zhì)主要為冷卻水。罐體材料為16MnDR，由于罐體直徑較大且壁薄，因此罐的整體制造難度大。南寧廣發(fā)重工集團(tuán)壓力容器分公司為完成該項(xiàng)目設(shè)備的整體制造，嚴(yán)把品質(zhì)關(guān)，從材料的采購到設(shè)備的制造，均嚴(yán)格按設(shè)計(jì)院提供的施工圖紙和技術(shù)協(xié)議進(jìn)行，最后圓滿完成冷凍水罐的制造，設(shè)備完全達(dá)到設(shè)計(jì)要計(jì)，本文就該設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)和制造工藝作簡單介紹。

1 設(shè)備技術(shù)特性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該冷凍水罐的技術(shù)特性如表1所示，其外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 -35℃冷凍水罐的技術(shù)特性

圖1 罐體外形結(jié)構(gòu)

該罐內(nèi)徑為準(zhǔn)5 000 mm，壁厚為8 mm，總高度為6 693 mm，主要受壓原件材料為16MnDR。整罐總重約為10.205 T，充滿水后總重為128.065 T。

2 制造難點(diǎn)分析

由于該設(shè)備直徑較大且壁薄，自重產(chǎn)生的變形很大，所以在卷板、組對工序等必須控制橢圓度。為防止焊接接管產(chǎn)生的局部圓度超標(biāo)，在罐體組對前、對罐體筒節(jié)進(jìn)行支撐后組對，焊后進(jìn)行接管的開孔處理和焊接；低溫鋼為焊接工藝有一定的難度，并在水壓試驗(yàn)時(shí)，要有完整可靠的水壓試驗(yàn)方案。

2.1 材料需求

-35℃冷凍水罐的筒體、上封頭、底板的材料為16MnDR，鋼板供貨狀態(tài)為正火加回火處理細(xì)化晶粒，均化組織而獲得良好的低溫韌性。因此，可按表2鋼板理化技術(shù)條件進(jìn)行鋼板采購。

表2 鋼板采購技術(shù)條件

2.2 制造工藝措施

2.2.1 焊接工藝擬定

（1）焊接坡口型式的選擇：為保證焊縫低溫沖擊的性能，盡量避免采用單層焊和單道焊，以免對焊縫造成的不良影響，在坡口的選擇中，盡量加大坡口的角度，這樣更有利于實(shí)現(xiàn)焊縫的多層多道焊接，改善其韌性，保證焊縫品質(zhì)。坡口型式如圖2所示。

圖2 坡口形式

（2）焊接參數(shù)的選擇

焊接參數(shù)的選擇如表3所示。

表3 焊條牌號及焊接工藝參數(shù)

2.2.2 16MnDR鋼板及焊條的工藝評定

為了確保獲得良好焊接頭的力學(xué)性能，特別是在低溫下的沖擊韌性，在生產(chǎn)前必須進(jìn)行焊接工藝評定。

（1）焊材的選擇：在滿足產(chǎn)品技術(shù)要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，選擇低溫焊材的原則是：焊縫金屬的性能應(yīng)高于或等于相應(yīng)母材料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，特別是焊縫的低溫沖擊性能不低于母材料規(guī)定的最低使用溫度條件下的規(guī)定值，這樣就能夠保證在產(chǎn)品制造過程中，具有足夠的韌性余量，滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求和使用要求，焊條牌號及焊接工藝參數(shù)的選擇如表3所示。

根據(jù)表3的焊接參數(shù)，首先采用多層多道快速焊，焊接d=8 mm，d=10 mm兩種規(guī)格的工藝試板，然后按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行取樣，分別做拉伸、壓彎、沖擊等力學(xué)性能，均達(dá)到低溫鋼板焊縫接頭的評定值，證明所選用的焊接參數(shù)是滿足要求的。

3 冷凍水罐的制造

3.1 罐體的制造

（1）下料

當(dāng)材料到廠后，根據(jù)材質(zhì)證書及GB3531-1996規(guī)定并逐張進(jìn)行超聲波檢測且應(yīng)符合JB4730-2005中Ⅱ級規(guī)定后，方可進(jìn)行下料、切割。

（2）卷圓弧

罐體的下料按筒體中徑下料，并根據(jù)平時(shí)積累的經(jīng)驗(yàn)考慮一定的焊縫收縮量，對角線之差不大于2.5 mm。由于筒體的鋼板厚度為8 mm，而且直徑較大，故分二分之一進(jìn)行刨邊和卷制，刨邊坡口如圖2所示。刨邊在本廠12 mm刨邊機(jī)上進(jìn)行機(jī)加工，以保證下料的準(zhǔn)確性和鋼板邊的垂直度。在卷板前，需對鋼板兩端用油壓機(jī)進(jìn)行預(yù)壓頭，在卷制時(shí)，用吊車吊住已卷好的部分，以減少自重的影響而改變筒體的圓度，吊出卷板機(jī)后即刻把半圓弧的筒體側(cè)立，以防自重作用破壞了圓度。

（3）組圓

在兩圓弧筒體進(jìn)行整圓組對時(shí)，在較大的工作平臺或者在平整的地板上鋪設(shè)鋼板作為平臺，首先對接一邊縱縫，并用準(zhǔn)5 000的樣板卡進(jìn)行檢查圓度，然后進(jìn)行一條縱縫的對接，同樣用樣板卡進(jìn)行檢查。

（4）加撐

組圓后的筒節(jié)用75×75×8的角鋼進(jìn)行十字加撐，防止吊裝或整體臥放時(shí)筒體發(fā)生變形。

3.2 封頭的制造

（1）模具

上封頭為球形封頭，因?yàn)槌叽巛^大而且鋼板?。? mm），不容易采購，因此只能由本公司設(shè)計(jì)模具并進(jìn)行壓制。根據(jù)材料規(guī)格及整體尺寸，分成12等分見圖3示意圖，壓模分為上下模，考慮到16MnDR的彈性系數(shù)較大，故在模具設(shè)計(jì)時(shí)，要解決在壓模時(shí)掌握和控制5%的回彈量。在壓制過程中，進(jìn)行分段壓制，壓制的順序、排列和移動方向的控制方法如圖4所示。

圖3 上封頭分瓣示意圖

圖4 球瓣壓制順序和移動方向示意圖

經(jīng)過在首塊板上的試驗(yàn)，其壓制順序和移動方向如圖4所示。在壓片過程中，用1.5 m內(nèi)控樣板檢查球片曲率，求出片幾何尺寸，坡口檢查結(jié)果最大曲率公差為5 mm；弦長方向?qū)挾茸畲蠊?.5 mm；長度公差最大為3mm；對角線長度公差為3.5 mm。

當(dāng)球片在壓制完成后需進(jìn)行校形，由于胎具上下球面存在差異，故在壓制時(shí)會形成局部凹凸面，影響外觀美感，因此需進(jìn)行手工工校形。

中心球片采用整體壓制，壓制效果較好，符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。

（2）封頭的組裝

由于封頭系由12等分的瓣?duì)詈椭行那蚱M成見圖3，因此，根據(jù)封頭的高度及球冠特點(diǎn)見圖5，制作一個圓形支架，以便于封頭的組裝。將制作好的筒體加強(qiáng)角鋼圓置于平整的工作臺上，并與角鋼圓同中心，防止圓形支架在筒體加強(qiáng)角鋼圓和圓形支架上組對球瓣，當(dāng)組裝合格后方可進(jìn)行點(diǎn)焊，將12份球瓣和加強(qiáng)角鋼之間點(diǎn)焊成形，最后再裝中心球瓣，如圖6所示。

圖5 球冠剖面圖

圖6 上封頭組裝示意圖

3.3 焊接工藝

16MnDR低溫鋼的焊接是設(shè)備制造中的重點(diǎn)，為了得到合格的焊接街頭的力學(xué)性能，特別是低溫沖擊韌性，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）焊材的選擇。在滿足技術(shù)要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的前提下，選擇低溫焊材的原則是：焊縫機(jī)械性能應(yīng)高于或等于相應(yīng)母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，特別是焊縫的低溫沖擊性能不低于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低使用溫度條件下的規(guī)定值，這樣能夠保證在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中具有足夠的韌性。

（2）坡口形式的選擇。為保證焊縫低溫沖擊性能，盡量避免由于單層或單道焊對焊縫韌性的不良影響，在坡口形式的選擇中，特別是加大坡口角度，盡管焊接工作量加大了，但有利于實(shí)現(xiàn)焊縫的多層多道焊，改善韌性，提高力學(xué)性能。

（3）焊接過程中的主意事項(xiàng)。根據(jù)低溫鋼的焊接特點(diǎn)，為保證焊接接頭組織的韌性，在焊接過程中必須嚴(yán)格控制焊接線能量，在產(chǎn)品施焊過程中，盡可能采用小電流快速多層多道焊，降低焊縫間隙中的熱輸入，控制層間溫度以細(xì)化晶粒，提高韌性。

3.4 無損檢測

在本產(chǎn)品組焊完畢后，分別對A、B焊縫進(jìn)行100%射線檢測，以JB/T4730.2-2005中規(guī)定的達(dá)到Ⅱ級才合格的標(biāo)準(zhǔn)，分別對C、D類焊縫及底板與罐壁之角焊縫進(jìn)行100%MT檢查，合格級別為JB/T47302-2005中Ⅰ級。

4 結(jié)束語

通過上述分析，我們得出：

（1）大型薄壁立式罐雖然變形量大，但只要采對得當(dāng)?shù)拇胧?，變形還可以控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍的。

（2）在焊接時(shí)，必須嚴(yán)格按照焊接工藝施焊，使得焊接接頭力學(xué)性能滿足要求。

該設(shè)備在生產(chǎn)完成后，運(yùn)行了一年時(shí)間無任何品質(zhì)問題的出現(xiàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

[1]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會編.焊接手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[2]畢龍生.低溫容器應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展前景（三）[J].真空與低溫，2006，6（1）：1-7.

[3]卜華全，方國愛，李云福，等.–50℃15MnNiNbDR鋼制藥2000乙烯球罐的安裝工藝[J].壓力容器，2010（4），27-31.