倪德重

裝備中國創(chuàng)造卓越——從中國二重壓力容器的制造能力淺談壓力容器制造的發(fā)展趨勢

倪德重

1. 概述

壓力容器是我國重要的基礎(chǔ)工業(yè)之一，在石油化工、能源工業(yè)、制藥、軍工、航天等領(lǐng)域都有著重要作用，是體現(xiàn)我國工業(yè)水平的重要標(biāo)志。近年來我國壓力容器行業(yè)取得飛速發(fā)展，壓力容器制造也隨之成為中國二重主打板塊和新的利潤增長點(diǎn)。中國二重核電石化事業(yè)部以承制重型核電、石化容器為主導(dǎo)產(chǎn)品，依托各類自動(dòng)化程度較高的焊接設(shè)備、高水平焊接作業(yè)隊(duì)伍、高素質(zhì)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，不斷向用戶輸出質(zhì)量可靠的壓力容器產(chǎn)品。

2. 壓力容器發(fā)展趨勢

圖1　160MN水壓機(jī)

圖2　125MN水壓機(jī)注：加氫反應(yīng)器筒體鍛件材料：2.25Cr-1Mo；尺寸：φ5 050mm×φ4 450mm×3 500mm；重量：123t。

圖3　聯(lián)合數(shù)控加工中心注：φ260mm數(shù)控落地鏜床：立柱行程28 000mm，主軸箱行程8 000mm；數(shù)控16m立車：最大車削直徑16m，最大車削高度12.5m，最大承重600t。

圖4　數(shù)控三輥卷板機(jī)注：最大冷卷能力：厚度180mm，板寬4 000mm，δs=360MPa。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，壓力容器制造技術(shù)的水平也越來越高，發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）壓力容器向大型化發(fā)展隨著經(jīng)濟(jì)的增長和制造技術(shù)的進(jìn)步，用戶對壓力容器設(shè)備生產(chǎn)能力提出更高要求，壓力容器大型化能夠降低投資，節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。中國二重承制的鍛焊容器最大壁厚為530mm，板焊設(shè)備壁厚最大為204mm，其中揚(yáng)子石化超大直徑超大壁厚加氫反應(yīng)器國產(chǎn)化攻關(guān)研發(fā)項(xiàng)目單臺重量達(dá)1 050t，直徑為5 400mm，鍛件壁厚340mm，代表了當(dāng)今反應(yīng)器制造技術(shù)的最高水平。為了適應(yīng)大型壓力容器產(chǎn)品的制造，制造裝備也得到了極大發(fā)展。目前，二重行車具備1 600t重件起吊能力，160MN/125MN水壓機(jī)（見圖1、圖2）最大鍛件重量500t、最大環(huán)形件直徑7 500mm，數(shù)控三輥卷板機(jī)最大冷卷能力為厚度180mm、板寬4 000mm、δs=360MPa，9～12MeV直線加速器透照厚度為76～450mm（見圖3～圖5），無不體現(xiàn)中國二重在極限裝備制造領(lǐng)域的突出優(yōu)勢。

圖5　局部熱處理爐注：30m長度以內(nèi)使用臺車式熱處理爐。

（2）壓力容器用鋼發(fā)展由于壓力容器的大型化以及生產(chǎn)過程中的工藝條件越來越苛刻，導(dǎo)致對壓力容器用鋼的要求日益嚴(yán)格，促使材料技術(shù)不斷發(fā)展。冶金工業(yè)整體技術(shù)水平和裝備水平的提高，極大地提高了材料的純凈度，提高了壓力容器用材料的力學(xué)性能指標(biāo)，提高了壓力容器的整體安全性。中國二重具備一次性冶煉1 000t級優(yōu)質(zhì)鋼液、可提供700t級優(yōu)質(zhì)鑄件、650t真空鋼錠、鍛造400t級優(yōu)質(zhì)鍛件的能力。近年來研發(fā)出超純凈鋼冶煉和鑄錠技術(shù)，嚴(yán)格控制鋼中wP≤0.004%、wS≤0.001%、氧wO≤15ppm（1ppm=10-6）等有害元素和夾雜物的含量，冶煉和鑄錠水平已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平（見圖6）。掌握了防止特大型鋼錠凝固過程的偏析方法，確保特大型核電、容器用鋼錠的均質(zhì)性。

3. 焊接自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

自動(dòng)焊接技術(shù)使大型容器的焊接實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，提高了焊接質(zhì)量和效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。焊接自動(dòng)化技術(shù)包括硬件因素和軟件因素。硬件因素主要指壓力容器自動(dòng)焊接設(shè)備和方法；軟件因素主要指計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及信息技術(shù)等進(jìn)入壓力容器焊接領(lǐng)域而形成的焊接控制技術(shù)、人工智能技術(shù)及專家系統(tǒng)等。

（1）自動(dòng)焊接設(shè)備壓力容器焊接過程中，涉及到多種焊接設(shè)備的應(yīng)用，如埋弧焊機(jī)、電渣焊機(jī)、氬弧焊機(jī)、CO2氣體保護(hù)焊機(jī)等，而逆變焊機(jī)以其高效、節(jié)能、工藝性能優(yōu)良、焊縫成形美觀、抗拉強(qiáng)度高及電磁干擾較小等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)壓力容器制造領(lǐng)域應(yīng)用前景十分樂觀。

（2）自動(dòng)化焊接方法埋弧焊是目前壓力容器制造中最常用的焊接方法之一，其特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量高且穩(wěn)定、焊接表面美觀平整、勞動(dòng)條件良好等。而隨著壓力容器殼體厚度的增加，坡口的體積也隨之增加，單位長度上的焊縫金屬填充量急劇增加，不僅焊接效率降低，而且焊材消耗量明顯增加，因此發(fā)展了窄間隙埋弧焊。與寬坡口埋弧焊相比，窄間隙埋弧焊具有坡口窄、焊材消耗量少、焊接時(shí)間短、熱輸入量低、焊接變形和焊接應(yīng)力小等特點(diǎn)，不僅降低了本體應(yīng)力開裂傾向，而且實(shí)現(xiàn)了低成本、高效率、高質(zhì)量焊接。

圖6　400t以上超純凈鋼鍛件鋼錠的澆注　

圖7　窄間隙埋弧焊作業(yè)

窄間隙埋弧焊的自動(dòng)化程度較高，其控制系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了焊接參數(shù)的設(shè)置、實(shí)時(shí)檢測、動(dòng)態(tài)顯示等，并設(shè)有高度和橫向自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，提高了焊接參數(shù)的穩(wěn)定控制程度，保證了焊接質(zhì)量（見圖7）。該工藝方法主要應(yīng)用在本體厚度＞50mm的容器產(chǎn)品筒節(jié)及封頭的環(huán)、縱縫焊接，壁厚較大的產(chǎn)品開I形或U形坡口，間隙在28mm左右。我廠近年成功實(shí)施了對深度530mm，U形坡口最大間隙32mm的容器產(chǎn)品的窄間隙埋弧焊。

雙絲窄間隙埋弧焊機(jī)是厚壁壓力容器的專用焊接設(shè)備，具有焊接效率高、消耗焊接材料少、

焊接質(zhì)量可靠、焊接自動(dòng)化高等優(yōu)點(diǎn)，所焊接的焊縫坡口寬度一般為22～24mm（坡口底部），坡口角度（總角）1°～2°。

中國二重使用的雙絲窄間隙埋弧焊機(jī)采用的是兩根焊絲縱向串列的布置形式，使用不等徑前絲、后絲，兩根焊絲共同形成一個(gè)熔池，其中一根焊絲（彎絲）指向側(cè)壁，確保側(cè)壁熔合，因此熱輸入量低，接頭的力學(xué)性能，特別是熱影響區(qū)的韌性比常規(guī)埋弧焊提高一倍。雙絲設(shè)備的焊接效率比單絲窄間隙埋弧焊提高一倍多，焊絲熔化速度為9～10kg/ h，而且接頭力學(xué)性能不低于單絲窄間隙埋弧焊，是容器產(chǎn)品主體焊縫焊接方法的發(fā)展趨勢。

馬鞍形自動(dòng)焊機(jī)可實(shí)現(xiàn)接管與殼體、封頭相貫焊縫的埋弧焊接（見圖8、圖9）。采用該方法焊接時(shí)，確定合理的坡口形式、控制接管的裝配精度、選擇合理焊接參數(shù)能獲得性能優(yōu)良的焊接接頭，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。而對于特殊結(jié)構(gòu)的斜交、偏交相貫接頭，需借助計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算出運(yùn)動(dòng)軌跡，選用多軸聯(lián)動(dòng)馬鞍形焊機(jī)實(shí)現(xiàn)焊槍的空間曲線運(yùn)動(dòng)，得到合格焊接接頭。

帶極堆焊是一種效率極高的堆焊方法，分為：帶極埋弧堆焊和帶極電渣堆焊（見圖10）。由于采用了薄板式寬電極和高的焊接電流，故在稀釋率和熔敷速度上比絲極埋弧焊有了長足的進(jìn)步，在壓力容器行業(yè)得到迅速發(fā)展和較普遍的應(yīng)用。焊帶的寬度也從窄帶向90mm、120mm、150mm的寬帶方向發(fā)展。

彎管內(nèi)壁堆焊（見圖11）可使用彎管內(nèi)壁自動(dòng)堆焊機(jī)進(jìn)行，采用CO2藥芯焊絲堆焊工藝，堆焊采用沿彎管內(nèi)壁縱向母線排列焊道的方式。此方法可應(yīng)用于彎管曲率半徑450～750mm的內(nèi)壁堆焊，較高的自動(dòng)化程度降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了焊接效率，大大提高了焊接質(zhì)量。

4. 焊接材料的發(fā)展

隨著壓力容器用鋼的迅速發(fā)展，高純凈度、高性能的壓力容器用鋼得到大量使用，對壓力容器焊接材料提出了更高的要求。目前，壓力容器行業(yè)使用的高技術(shù)和高性能的焊接材料主要依賴進(jìn)口，國產(chǎn)焊接材料主要應(yīng)用在非受壓元件的焊縫。經(jīng)過國內(nèi)各大焊材制造廠多年努力，國產(chǎn)焊材在技術(shù)指標(biāo)、質(zhì)量控制、類別品種方面逐步縮小與進(jìn)口焊材的差距，也在逐步贏得設(shè)計(jì)院和制造廠的認(rèn)可和信任。中國二重加釩鋼容器主體焊接材料年使用量為200t左右，堆焊焊材用量為600t左右。

圖8　容器筒身接管的馬鞍自動(dòng)焊接

圖9　全封閉容器內(nèi)部異形接管的馬鞍焊接

圖10　筒體內(nèi)壁不銹鋼堆焊　

圖11　90°彎管內(nèi)壁堆焊

5. 結(jié)語

中國二重堅(jiān)持大力加強(qiáng)企業(yè)自主創(chuàng)新，加強(qiáng)技術(shù)改造和企業(yè)管理，在推動(dòng)極限石化容器及其他大型石化容器國產(chǎn)化攻關(guān)中發(fā)揮著重要作用，為中國從裝備大國走向裝備強(qiáng)國做出不懈努力。

20150729

作者簡介：倪德重，中國二重重裝股份公司總經(jīng)理助理，二重核電石化事業(yè)部總裁、黨委副書記，二重鎮(zhèn)江公司執(zhí)行董事、經(jīng)理、法人代表。