超大薄壁橢圓封頭正火處理

苑怡，叢軼，曲萍，葛樹(shù)濤，劉明亮

某國(guó)外用戶訂購(gòu)的壓力容器，其橢圓 封頭材料為SA516Gr.70，規(guī)格為φ7150mm×25mm，重約12t，堅(jiān)持要求冷成形后正火。正火存在的主要問(wèn)題是高溫變形難以控制，封頭尺寸超出現(xiàn)有熱處理設(shè)備有效加熱區(qū)范圍。此外正火所需費(fèi)用和封頭材料費(fèi)用相當(dāng)，制造成本增加。

1. 熱處理方案論證和確定

經(jīng)過(guò)調(diào)研，共有3個(gè)加熱方案可供選擇。

（1）用7.5m×7.8m×25m燃?xì)鉅t加熱正火 由于封頭尺寸超出燃?xì)鉅t有效加熱區(qū)，需將封頭墊高至距臺(tái)車(chē)面大于1000mm，以使燃燒器噴出的火焰遠(yuǎn)離封頭，并留出足夠空間，使氣流均勻流動(dòng)，使封頭能實(shí)現(xiàn)均勻加熱。同時(shí)，由于供氣方改變了氣源成分，需對(duì)加熱爐進(jìn)行測(cè)試，確定加熱爐的能力能滿足1～2只封頭加熱至正火溫度。

（2）外委專業(yè)熱處理機(jī)構(gòu)進(jìn)行正火 經(jīng)招標(biāo)詢價(jià)，10個(gè)封頭熱處理服務(wù)費(fèi)需28萬(wàn)元，工期26天。能源費(fèi)除外，并提供電源，作業(yè)場(chǎng)地和起重設(shè)備。總費(fèi)用約需35萬(wàn)元。

（3）自制加熱裝備 需自行設(shè)計(jì)制造，需外購(gòu)部分設(shè)備和材料，總費(fèi)用約需32萬(wàn)元，雖然設(shè)備可重復(fù)使用，但周期長(zhǎng)，不能保證產(chǎn)品交貨期。

分析比較3個(gè)加熱方案，據(jù)燃?xì)鉅t調(diào)試結(jié)果，現(xiàn)有燃?xì)鉅t加熱正火能滿足工藝需要，對(duì)工期有保證。根據(jù)調(diào)試結(jié)果估算（每爐加熱1只封頭）約需33萬(wàn)元。

2. 防變形措施

在3個(gè)加熱方案中，燃?xì)饧訜岜入娂訜岣滓鹱冃?。燃?xì)饧訜釋賹?duì)流傳熱，由于封頭直徑超出加熱爐的有效均溫區(qū)和爐氣流動(dòng)受阻，再加上金屬高溫強(qiáng)度急劇下降，易發(fā)生蠕變，因此防變形是正火的關(guān)鍵問(wèn)題。

（1）每爐加熱1只封頭防變形支撐 用寬50mm、厚30mm鋼板按圖1焊接防變形支撐，封頭端部墊離臺(tái)車(chē)面大于1000mm。

（2）每爐加熱2只封頭的防變形支撐 為提高效率，降低成本，并能實(shí)現(xiàn)均勻加熱，采取圖2所示2只封頭同爐加熱正火，上下封頭直邊相對(duì)點(diǎn)固在一起，增大剛度，上下封頭在產(chǎn)品接管處預(yù)開(kāi)工藝孔，改善爐氣流動(dòng)的均勻性，保證加熱和冷卻均勻，用加強(qiáng)圈增加開(kāi)孔處剛度，防止變形。用支座和墊鐵墊離臺(tái)車(chē)面大于1000mm，并在900℃以上承受兩個(gè)封頭的重力。

圖1 單個(gè)封頭正火傘形防變形支撐

圖2 雙封頭正火燈籠形防變形支撐

3. 實(shí)際正火效果

正火現(xiàn)場(chǎng)圖片見(jiàn)圖3，正火加熱溫度均勻，滿足工藝要求。圖4為正火后金相組織，鐵素體+珠光體，晶粒度7級(jí)。試樣力學(xué)性能見(jiàn)附表。

經(jīng)濟(jì)效果分析：10只封頭分5爐正火，每爐消耗燃?xì)?020m3，總計(jì)消耗10100m3，能源費(fèi)總計(jì)50500元，只有外協(xié)費(fèi)用的1/7（外協(xié)總費(fèi)用約35萬(wàn)元），加上工時(shí)和材料費(fèi)，每只封頭正火成本約6000元，且工期得到保證。

4. 存在問(wèn)題

正火后有兩爐下封頭做鼓部位變形超標(biāo)（見(jiàn)圖5箭頭所指部位）。造成變形超差的原因是支座制造時(shí)，封頭重力集中于橢圓支座短軸處，接觸部位內(nèi)凸。由于封頭是點(diǎn)壓做鼓，即使支座不橢圓，也不可能與做鼓部位均勻接觸。

5. 兩次防變形改進(jìn)的效果

針對(duì)正火時(shí)下封頭變形超差，進(jìn)行了兩次改進(jìn)，一是在支座與封頭縫隙處加焊墊板，增多支撐點(diǎn)，使重力分散，二是在上下封頭直邊處增加支柱，使上封頭重力分散到支柱上（見(jiàn)圖6），雖有改善，但最后一爐下封頭變形仍然超差。

6. 修形

由于無(wú)專用設(shè)備，修形非常困難，只能將兩只超差封頭外委專業(yè)廠家修形（見(jiàn)圖7），增加了制造費(fèi)用，且一般封頭廠也很少具備大跨距大行程的修形設(shè)備。兩只封頭外委修形及往返運(yùn)費(fèi)總計(jì)30000元。

7. 變形分析及改進(jìn)建議

5只上封頭正火均未變形，說(shuō)明封頭的剛度足以承受自重可能引發(fā)的高溫蠕變。兩只相連封頭自重達(dá)23t，集中于支座上，由于不能與支座均勻接觸，重力集中在與支座接觸處，材料在900℃以上屈服強(qiáng)度很低，從而造成接觸部位變形。支座設(shè)計(jì)雖滿足高溫承重需要，但僅置于封頭做鼓部位是欠妥的。

支座與封頭間加墊板雖能增加接觸面積，但墊板與封頭和支座相焊，增加了應(yīng)力和變形。

在封頭直邊相連處加焊支柱，雖能分擔(dān)支座承重，但熱脹冷縮方向與封頭不同，支柱僅上下方向脹縮，封頭既上下方向脹縮，又水平方向脹縮，導(dǎo)致支柱彎曲，起不到支撐作用。鑒于以正火封頭母材和焊接試板力學(xué)性能上分析，建議采用圖8所示支撐結(jié)構(gòu)。帶托板的支座僅與封頭點(diǎn)固，焊接應(yīng)力小，脹縮方向與封頭一致。上下封頭的自重分散由托板和封頭不同部位承受，可避免封頭局部變形。

項(xiàng)目 Rm/MPa Rp0.2 /MPa A（%）母材 555 360 30拼縫487/495 — —

1.墊鐵 2.加強(qiáng)圈 3.托板 4.固定板5.上封頭 6.下封頭 7.支座

8. 結(jié)語(yǔ)

超大薄壁封頭正火，在國(guó)內(nèi)外都是罕見(jiàn)的，既涉及設(shè)備能力、變形控制，又要顧及經(jīng)濟(jì)成本，最主要的是保證均勻加熱，確保力學(xué)性能和金相組織合格。我公司超大薄壁封頭正火解決了生產(chǎn)急需，滿足了用戶要求，經(jīng)濟(jì)效果是明顯的。