復(fù)合鋼板壓力容器的制造

劉　娟　丁大偉　于鴻飛

（大連金州重型機(jī)器集團(tuán)有限公司）

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復(fù)合鋼板壓力容器的制造

劉娟*丁大偉于鴻飛

（大連金州重型機(jī)器集團(tuán)有限公司）

摘要主要闡述兩個方面的問題：一是爆炸復(fù)合鋼板制封頭、筒體的毛坯厚度選擇及其成形減薄率控制；二是復(fù)合鋼板制筒體錯邊量的合理要求。

關(guān)鍵詞復(fù)合鋼板筒體封頭錯邊量壓力容器

*劉娟，女，1977年生，工程師。大連市，116100。

近年來，壓力容器殼體越來越多地采用不銹鋼為覆層、低合金鋼為基層的復(fù)合鋼板。這種復(fù)合鋼板不僅具有不銹鋼的良好的耐腐蝕性，還具有低合金鋼的良好的機(jī)械強(qiáng)度和加工性能，可采用熱壓、冷彎、切割和焊接等工藝進(jìn)行加工制造。此外，它還具有良好的耐磨性、抗磁性和導(dǎo)熱性等性能。采用復(fù)合鋼板制壓力容器能節(jié)約不銹鋼的消耗，大幅度降低造價，實(shí)現(xiàn)低成本高性能的完美結(jié)合，產(chǎn)生良好的社會效益。與堆焊結(jié)構(gòu)相比，采用復(fù)合鋼板能減少堆焊的工作量，縮短工程時間。在采用復(fù)合鋼板制作壓力容器時，有一些過程細(xì)節(jié)不容忽視，那就是采用板材復(fù)合時要預(yù)留余量，成形過程中要注意厚度減薄量和對口錯邊量的控制等。

1　板材復(fù)合、成形過程中厚度余量的控制

1.1板材復(fù)合過程中厚度余量

板材復(fù)合的方式有兩種：（1）熱軋復(fù)合，即兩板表面狀態(tài)純凈，在高度真空的室內(nèi)軋制，軋制過程中兩種金屬擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)牢固的冶金結(jié)合。（2）爆炸焊接，通過高壓撞擊，產(chǎn)生高溫高壓，使兩種材料的界面實(shí)現(xiàn)固相焊接。這兩種方式最終形成的界面都是鋸齒形的咬合面，如圖1所示。復(fù)合鋼板復(fù)合后其厚度已經(jīng)不是兩種材料厚度的疊加A+B。覆層的有效厚度也不是單板時的毛坯厚度，應(yīng)是自鋸齒中位到覆層表面的距離L，如圖2所示。

圖1　復(fù)合鋼板的鋸齒形咬合面

距離L的測量通常采用超聲測量，測量結(jié)果只是一個大致的數(shù)值。較準(zhǔn)確的測量應(yīng)當(dāng)是采用實(shí)物測量，即取一塊復(fù)合鋼板拋光橫截面，在顯微鏡下測量L取平均值。那么采用單板去復(fù)合板廠家進(jìn)行復(fù)合時，留多少厚度余量才合適？這個問題按照不同廠家的加工工藝答案是不相同的，且各廠家都有自己的經(jīng)驗(yàn)值。我們可以采用他們的經(jīng)驗(yàn)值，也可以按復(fù)合板爆炸復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算厚度余量。

圖2　覆層的有效厚度

現(xiàn)以2013年某公司制造的一臺?2200加氫精制反應(yīng)器（見表1）為例，來說明復(fù)合板厚度余量的選擇。

表1　加氫精制反應(yīng)器主要參數(shù)

筒體、封頭毛坯厚度的選擇：施工圖中給出的筒體和封頭名義厚度分別為66 mm+3 mm和40 mm+3 mm。該產(chǎn)品筒節(jié)采用整板冷卷成形，不考慮制造減薄量，毛坯厚度為66 mm+3 mm。封頭采用整體下料熱壓成形，選用毛坯厚度為46 mm+3 mm。通常，在采購?fù)搀w、封頭材料時，除要求符合NB/T 47002.1—2009 B1外，并沒有指出所給的厚度是爆炸復(fù)合后的最小厚度。板材購回公司后，須按要求進(jìn)行驗(yàn)收。實(shí)測筒體板總厚度68.1 mm，覆層厚2.7 mm，封頭板總厚度48.2 mm，覆層厚2.7 mm。按照復(fù)合板標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47002.1—2009中7.7.1條的要求，復(fù)合板的減薄量如表2所示。

表2　復(fù)合板的減薄量

下面計(jì)算爆炸后的復(fù)合板的最小厚度。

（1）覆層厚度允許偏差

覆層厚度允許偏差＝10％覆層厚度=10％×3=0.3 mm，覆層實(shí)測厚度為2.7 mm，滿足要求。

（2）基層厚度允許偏差

基層材料是14Cr1MoR（H），標(biāo)準(zhǔn)為GB 713，其厚度負(fù)偏差是-0.3 mm，則有

基材厚度允許偏差=-0.3-0.5=-0.8 mm

（3）復(fù)合板總厚度允許偏差

復(fù)合板總厚度允許偏差=覆層厚度允許偏差+基材厚度允許偏差=0.3+0.8=1.1 mm

（4）復(fù)合板爆炸后的最小厚度

復(fù)合板爆炸后的最小厚度=毛坯厚度-總厚度允許偏差

對于筒體：66+3-1.1=67.9 mm。

對于封頭：46+3-1.1=47.9 mm。

（5）實(shí)際測量厚度與計(jì)算最小厚度的比較

48.2 mm＞47.9 mm，68.1 mm＞67.9 mm。結(jié)論：爆炸后的復(fù)合板厚度符合復(fù)合板標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.2復(fù)合鋼板制作殼體時的成形余量

成形的封頭按經(jīng)驗(yàn)值其厚度減薄量為5％～10％。筒體冷壓成形過程中的減薄量可以不考慮。

圖樣技術(shù)要求表示：“圖中所標(biāo)注的筒體和封頭的厚度系指設(shè)備交貨時設(shè)備成品的名義厚度，不包括制造減薄量，在保證其最小成形厚度（最小成形厚度=名義厚度-鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的負(fù)偏差）的前提下，投料鋼板的厚度由制造廠決定”。按此要求，筒體制成產(chǎn)品后，筒體最小成形厚度=66+3-0.3= 68.7 mm，封頭最小成形厚度=40+3-0.3=42.7 mm。

比較筒體厚度實(shí)測值與計(jì)算值，68.1 mm＜68.7 mm,很顯然這時的筒體厚度不符合圖樣要求。

圖3　封頭成形尺寸

再來看看封頭。綜合工藝要求封頭整板熱壓成形，給出的封頭成形尺寸如圖3所示，形狀偏差按GB/T 25198—2010確定。成形工藝為加熱到915～930℃，保溫1.5 h，然后吊出熱壓。熱壓后進(jìn)行正火+回火處理。正火溫度940℃，保溫1.5 h；回火溫度690℃，保溫2.33 h。成形后封頭尺寸測量總厚度最小值47 mm，覆層厚度最小值2.4 mm。比較封頭的實(shí)測厚度與按圖樣要求計(jì)算的成形后的最小厚度，47 mm＞42.7 mm，而覆層厚度2.4 mm＜2.7 mm?？梢姺忸^成形后總厚度滿足要求，而覆層厚度達(dá)不到要求。

1.3問題分析

（1）未考慮爆炸后鋼板的減薄，因此沒有注明所給的厚度為爆炸后的厚度。由圖1可知，爆炸焊接的復(fù)合板是通過外力瞬間擠壓貼合的，在交界面形成鋸齒形咬合，具有一定的剪切強(qiáng)度。實(shí)際測量厚度時，是取鋸齒中位（齒高的一半）至表面的距離作為基層和覆層的厚度的。這樣測量出來的厚度與復(fù)合前的板材厚度就有了差異，覆層產(chǎn)生了厚度減薄。原先的覆層材料厚度不同，鋸齒高度也會不同。通常3 mm厚的覆層爆炸復(fù)合后鋸齒高度h為0.3～0.5 mm，6 mm厚的覆層鋸齒高度h達(dá)0.8 mm。

（2）選擇封頭成形工藝時考慮不周，認(rèn)為覆層不參與強(qiáng)度計(jì)算，封頭熱成形時只考慮了基層減薄，沒有考慮覆層減薄。封頭熱壓時，是利用了金屬纖維受拉延伸而壓制成形的。由于基層與覆層界面是鋸齒形咬合的，若鋸齒高度較小，即剪切強(qiáng)度低，在壓形的過程中基層與覆層就會分離；若剪切強(qiáng)度足夠，在壓形時基層必定帶著覆層一起延伸，造成了基層與覆層同時減薄。

1.4解決方案

確定毛坯厚度時，在給出基層減薄量的同時，應(yīng)按相同的減薄率給出覆層減薄量。針對本文的反應(yīng)器產(chǎn)品，首先根據(jù)上述封頭的實(shí)際測量值來計(jì)算封頭的壓形減薄率，然后再反算封頭的覆層厚度。

封頭的壓形減薄率=（復(fù)合后成形前厚度-復(fù)合后成形后厚度）/復(fù)合后成形前厚度。

復(fù)合后成形前厚度即為從爆炸復(fù)合廠購回的封頭板覆層厚度2.7 mm。復(fù)合后成形后厚度則是封頭熱壓后測量的覆層厚度2.4 mm。此時，覆層減薄率=（2.7-2.4）/2.7=11％。

根椐圖樣要求，腐蝕裕量是3 mm。為了保證封頭成形后最小覆層厚度為3 mm，設(shè)復(fù)合前覆層材料的厚度為S，按覆層減薄率（S-0.3-3）/（S-0.3）=11％，求得S=3.67 mm。將S圓整為4.0 mm，即覆層材料厚度選擇4 mm才能保證在爆炸復(fù)合和成形后覆層厚度滿足圖樣要求。

2復(fù)合鋼板制筒體和封頭的對口錯邊量控制

用復(fù)合鋼板制作筒體和封頭時，對錯邊量的要求是很嚴(yán)格的。在本臺設(shè)備中，設(shè)計(jì)者根據(jù)GB 150關(guān)于“復(fù)合鋼板的對口錯邊量b（見圖4）不大于鋼板覆層厚度的50％，且不大于2 mm”的要求，確定縱環(huán)縫對口錯邊量為3×50％=1.5 mm。這些要求對縱縫來說相對容易些，而對于環(huán)縫則不那么好控制，往往會超差。本產(chǎn)品按GB 150設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)。筒體的圓度按GB 150等于內(nèi)徑的1％，且不大于25 mm。對于筒體的內(nèi)徑及外圓周長的偏差沒有額外的要求。單個筒節(jié)下料時內(nèi)徑會有誤差，此誤差各不相同，并且內(nèi)徑又不進(jìn)行加工，所以要保證環(huán)縫錯邊量在1.5 mm之內(nèi)非常困難。

圖4　復(fù)合鋼板的對口錯邊量

對此，筆者認(rèn)為應(yīng)從以下兩方面進(jìn)行控制。

（1）筒體下料時應(yīng)當(dāng)進(jìn)行尺寸控制。每個筒節(jié)下料均應(yīng)控制其長度、寬度，對角線長度應(yīng)相同。筒體卷圓后焊接應(yīng)采用相同的電流、電壓、焊接速度，即熱輸入要相同。校圓時圓度值要盡量小。

（2）筒體先成形焊接，然后再依據(jù)其內(nèi)徑進(jìn)行封頭的下料成形，最后配車封頭總高度、內(nèi)外徑，使封頭與筒體形成的環(huán)縫錯邊量在要求的范圍內(nèi)。

通過上述控制手段，最終使得筒體環(huán)縫的錯邊量滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求。

3　結(jié)語

通過?2200加氫精制反應(yīng)器的制造積累了經(jīng)驗(yàn)。采用復(fù)合鋼板制造壓力容器時，制造工藝人員應(yīng)當(dāng)考慮下述問題：在選取材料毛坯時，必須加上爆炸復(fù)合余量和加工成形余量；在車間生產(chǎn)時，要整體把握下料、組對、裝配、焊接、配車等對錯邊量的影響。只有把這些因素考慮全了，才不至于產(chǎn)生因厚度不滿足圖樣要求而導(dǎo)致筒體的報(bào)廢，錯邊量也不會由于超差而需要削邊補(bǔ)焊。產(chǎn)生這些問題既耽誤了生產(chǎn)進(jìn)度，也影響了產(chǎn)品質(zhì)量。

Manufacture of Pressure Vessel with Clad Steel Plate

Liu Juan Ding Dawei Yu Hongfei

Abstract：Two issues are discussed in this article.First is the selection of the workblank thickness of the head and shell that made up of the explosive clad steel plate and the control of its molding thinning ratio.Second is the reasonable requirement of the edge offset of the shell that made up of clad steel plate.

Key words:Clad steel plate; Shell; Head; Edge offset; Pressure vessel

收稿日期：（2015－08－08）

中圖分類號TQ 050.6

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.04.015