袁承春

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046）

0 概 述

球形封頭是鍋爐和壓力容器最常見的主要受壓元件，在各種形式的鍋爐和壓力容器封頭中具有承載能力最高、在相同設(shè)計(jì)條件下厚度最小、耗材最少的特點(diǎn)。壓制封頭時(shí)，封頭材料因邊緣效應(yīng)，存在增厚和減薄現(xiàn)象。為保證壓制封頭的內(nèi)直徑尺寸，以往均采用“將壓制增厚分布于封頭外表面”的壓制工藝?，F(xiàn)以某批量制造的高壓加熱器（簡(jiǎn)稱高加）水室球形封頭（簡(jiǎn)稱封頭）為例，通過對(duì)壓制工藝進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新，將壓制增厚在內(nèi)外表面進(jìn)行適當(dāng)均勻分配［1］，為了降低制造成本，在減小毛坯下料尺寸的同時(shí)，保證壓制封頭的尺寸和外形，解決了以往壓制時(shí)存在的問題，進(jìn)一步提高了壓制封頭的技術(shù)水平和成形質(zhì)量。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

高加是典型的U型管換熱設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)要求高、制造難度較大。高加主要由管程水室封頭、人孔、進(jìn)水管、出水管以及管板、U型換熱管、殼程殼體等主要零部件組成，高加結(jié)構(gòu)的布置，如圖1所示。

圖1 高加的主要結(jié)構(gòu)

1.2 技術(shù)要求

高加的技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 高加技術(shù)參數(shù)

2 制造工藝

2.1 水室組件

高加水室組件由封頭、人孔、進(jìn)出水接管等主要受壓元件組成。主要工藝流程：封頭毛坯劃線→氣割下料→正火→整體熱沖壓→回火熱處理→形狀尺寸檢查→切邊及氣割開孔→裝焊人孔、進(jìn)出水接管→無損探傷→消除應(yīng)力熱處理→車封頭環(huán)縫坡口→待總裝時(shí)與管板環(huán)縫焊接。由于封頭制造工藝復(fù)雜、存在的問題和難點(diǎn)較多，是高加制造中的關(guān)鍵工藝。

2.2 封頭制造工藝

高加水室封頭為半球形封頭，材料牌號(hào)DIWA353，公稱直徑Dn或內(nèi)直徑Di＝1 550mm，內(nèi)半徑Ri＝775mm，封頭深度H＝775mm，直邊高度h＝0mm，外直徑Dw＝1 770mm，名義厚度δn＝110mm，設(shè)計(jì)最小成形厚度δmin＝96.5mm，端部為V－U環(huán)縫坡口，如圖2所示。

圖2 封頭的基本尺寸

封頭制造工藝主要包括毛坯下料尺寸確定、壓制模具選用、整體熱壓、形狀和尺寸檢查、環(huán)縫坡口加工等主要內(nèi)容。

2.2.1 毛坯下料尺寸確定

根據(jù)封頭毛坯下料尺寸計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式：

式（1）中：

Dp——毛坯下料直徑，mm；

K ——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取1.42；

Dn——公稱直徑，取1 550mm；

δn——名義厚度，取110mm；

h——直邊高度，取0mm；

C——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，取80mm。

得：Dp＝1.42（1550＋110）＋80＝2437≈2 440mm

2.2.2 壓制模具的選用

壓制前，要確定沖模和拉環(huán)模具尺寸。為保證封頭內(nèi)直徑尺寸，按照鋼板1%熱膨脹系數(shù)，沖模選用實(shí)際外徑?1567mm的球形沖頭；根據(jù)鋼板毛坯10%的壓制增厚，選用實(shí)際內(nèi)徑?1812mm的拉環(huán)模具。模具間隙為122.5mm，大于封頭毛坯名義厚度11%。

2.2.3 整體熱壓

使用2 000t水壓機(jī)壓制封頭，3塊封頭毛坯板疊裝在4m×4m加熱爐內(nèi)一起加熱，加溫至930±15℃，保溫后打開爐門，將毛坯板依次鏟出爐外，放置在拉環(huán)模具上，利用定位塊找正后壓制成形。最后用擋塊使封頭脫模，然后將封頭加熱至630±15℃，保溫3h，進(jìn)行回火處理。

有時(shí)，封頭壓制后難以脫模，說明封頭抱緊力過大。需再次加熱，經(jīng)熱膨脹后脫模，此時(shí)，封頭的內(nèi)直徑尺寸會(huì)大于正常脫模的封頭尺寸，引起超差。

造成脫模困難主要有設(shè)備故障、模具間隙過小或毛坯尺寸過大等原因。經(jīng)測(cè)量，鋼板材料厚度δs＝113mm，表明采購的鋼板是以＋3mm厚度正偏差供貨的，而且實(shí)際上拉環(huán)與沖模間隙僅大于鋼板實(shí)際厚度的8.4%，小于10%模具間隙的基本要求。由于存在邊緣效應(yīng)，必然要預(yù)留一定的環(huán)縫余量，但過大的余量不但增加了材料成本、也加大了對(duì)沖模的抱緊力，也是導(dǎo)致脫模困難的重要原因。

經(jīng)多次使用后，拉環(huán)模具出現(xiàn)了局部損壞，封頭內(nèi)直徑尺寸變大和超差，對(duì)多件封頭的內(nèi)表進(jìn)行了局部堆焊或采用機(jī)加工返修，產(chǎn)生了不小的制造費(fèi)用。

2.2.4 形狀和尺寸檢查

通常情況下，封頭被壓制成形后，封頭的端部平面及環(huán)縫余量?jī)?nèi)表面均有點(diǎn)傾斜。壓制后的增厚區(qū)位于封頭外表面，最大壁厚為124mm（比名義厚度大14mm），壓制后的增厚區(qū)，如圖3所示。

圖3 壓制后封頭的增厚區(qū)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，封頭圓度符合GB／T 25198《壓力容器封頭》（簡(jiǎn)稱《封頭》）及JB／T4746－2002《鋼制壓力容器用封頭》不大于0.5%Dn（即8mm）規(guī)定；內(nèi)表面形狀偏差符合《封頭》外凸不大于1.25%Dn（即19mm）、內(nèi)凹不大于0.625%Dn（即10mm）的要求［2，3］。

2.2.5 環(huán)縫坡口加工

按照“封頭與管板外徑尺寸一致和平齊”的要求，對(duì)封頭坡口進(jìn)行機(jī)加工。機(jī)加工封頭坡口時(shí)，既要保證封頭內(nèi)外的直徑尺寸，還要使封頭機(jī)加工表面有過渡性結(jié)構(gòu)，否則，容易引起二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力的增加。機(jī)加工后，封頭的局部不連續(xù)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。這類結(jié)構(gòu)問題很具有普遍性，設(shè)計(jì)封頭時(shí)，很容易忽視厚壁封頭的邊緣增厚，也沒考慮坡口加工后的突出面與封頭面的連續(xù)過渡。

圖4 封頭外表面的不連續(xù)結(jié)構(gòu)

3 技術(shù)改進(jìn)

3.1 封頭內(nèi)外表面的壓制增厚

為充分利用現(xiàn)有模具，減少封頭毛坯下料尺寸。采用“將壓制增厚在封頭內(nèi)外表面均勻分布”技術(shù)，對(duì)封頭的壓制工藝進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，壓制封頭的技術(shù)改進(jìn)思路，如圖5所示。

圖5 封頭制造技術(shù)改進(jìn)示意圖

（1）改變毛坯下料尺寸

將“Dp＝2 440mm”改為“Dp＝2 410mm”，通過減變毛坯下料尺寸，降低封頭材料成本和壓機(jī)的壓制力，減輕封頭對(duì)沖模的抱緊力，改善脫模困難的狀況，端面余量也將進(jìn)一步減小。

（2）改進(jìn)模具尺寸，調(diào)整模具間隙，實(shí)現(xiàn)壓制增厚在封頭內(nèi)外表面的均勻分布。

為了將約11mm（不包含鋼板3mm厚度正偏差）的增厚，均勻分布在封頭的內(nèi)外表面，在不影響其它厚度封頭壓制的情況下，選用現(xiàn)有?1 800拉環(huán)模具，經(jīng)機(jī)加工后，將尺寸修整為?1 806mm，代替?1 812拉環(huán)模具，將現(xiàn)有?1 567mm沖模，加工后修整尺寸為?1555mm。改進(jìn)模具后，壓制封頭的內(nèi)直徑約為?1 540mm，封頭增厚區(qū)的分布更加均勻，端面余量、端面傾斜度也有相應(yīng)變化。壓制時(shí)，因模具間隙過小使封頭脫模困難的狀況有了明顯改善。

（3）封頭坡口的加工

封頭壓制成形后，可對(duì)環(huán)縫坡口內(nèi)表面增厚余量進(jìn)行機(jī)加工，或?qū)?nèi)外表面進(jìn)行局部不大于1：3斜度的坡口過渡加工，有利于減小封頭圓度和環(huán)縫錯(cuò)邊，保證內(nèi)直徑尺寸和環(huán)縫處壁厚均勻相等，環(huán)縫坡口外表面的局部不連續(xù)結(jié)構(gòu)不再出現(xiàn)。

該項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)已落實(shí)在實(shí)際制造中，短期內(nèi)完成了20多件封頭的壓制，并取得了令人滿意的效果。壓制模具也得到優(yōu)化和利用，環(huán)縫余量及材料消耗明顯減少，形狀和尺寸符合相關(guān)要求，提高了封頭的制造質(zhì)量。

對(duì)模具進(jìn)行了修整，即使仍有脫模困難的現(xiàn)象，經(jīng)加熱脫模后，封頭的內(nèi)直徑尺寸還能滿足圖紙要求。

對(duì)用于壓制直徑相同、厚度相近的厚壁封頭，要分析具體情況后，才能確定沖模的最終尺寸。增厚能在封頭內(nèi)外表面均攤是比較理想的，但應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，也可以在內(nèi)表面多些或在外表面多些，這比過去僅把增厚分布于外表面的單一做法更靈活，也給壓制工藝帶來更大的便利和進(jìn)步。

3.2 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的新理解

壓制封頭的公差要求，如表2所示。

表2 封頭成形后內(nèi)直徑公差

以壓制某球形封頭為例，球形封頭的Dn1 300 mm，δs＝50mm，內(nèi)直徑公差應(yīng)為－5～＋6mm。如壁厚10%的壓制增厚（共5mm，恰與內(nèi)半徑公差變動(dòng)范圍5.5mm相當(dāng)）在封頭內(nèi)外表面均布，則該球形封頭沖模的實(shí)際尺寸應(yīng)為?1 308mm，成形后內(nèi)直徑偏差應(yīng)為－5mm；一旦發(fā)生脫模困難，封頭內(nèi)直徑最大將增至?1 306mm，也符合＋6mm公差要求。即使壓制成形后封頭內(nèi)直徑偏差小于－5 mm，也可以通過機(jī)加工修整，達(dá)到不小于－5mm的公差要求。

可此可見，壓制封頭標(biāo)準(zhǔn)中，包含著允許壓制增厚在內(nèi)外表面均勻分布及余量合理分配的含義。在封頭壓制標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)δs＞60mm壁厚的內(nèi)直徑公差作相應(yīng)規(guī)定，也具有同樣的指導(dǎo)意義。

壓制增厚在封頭內(nèi)外表面均勻分布技術(shù)，比較適用于同一沖模僅壓制封頭直徑相同、厚度相近的若干情況，封頭越厚，效果越好；不太適用于壓制直徑相同、薄厚相差太大的封頭。

4 結(jié) 語

通過對(duì)某型高壓加熱器水室SR775×110球形封頭制造工藝技術(shù)改進(jìn)，對(duì)于降低封頭制造成本、優(yōu)化工藝、提高封頭制造技術(shù)水平和質(zhì)量具有重要的意義。不僅符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，還為進(jìn)一步提高我國(guó)鍋爐和壓力容器各種形式封頭的制造技術(shù)水平和質(zhì)量開拓了思路，具有明顯的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值和借鑒意義。