耿雪峰 魯紅亮 薛小龍

摘要：在工業(yè)生產(chǎn)過程中壓力容器是不可或缺的一種承壓設(shè)備，廣泛應(yīng)用于人們的日常生活、科學(xué)研究以及工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常被應(yīng)用到有毒、易爆與易燃的工況中，在一定腐蝕介質(zhì)和溫度下，可以破壞設(shè)備，甚至令其失效，造成事故。我國是使用壓力容器最大的國家，但是由于目前制造能力與技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家存在著較大的差距，今后對壓力容器制造工藝的發(fā)展至關(guān)重要。本文主要分析了壓力容器制造特點，壓力容器制造工藝，壓力容器制造技術(shù)發(fā)展新方向。

關(guān)鍵詞：壓力容器;制造工藝;新進(jìn)展

1.壓力容器制造特點

1.1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、參數(shù)的多樣性

壓力容器產(chǎn)品出現(xiàn)了廣泛的適用范圍，應(yīng)用不同行業(yè)，也會形成不同的用途，因此該產(chǎn)品特點是品種繁多，即便是相同產(chǎn)品，也會由于客戶的不同需求，形成不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步產(chǎn)生多樣化的制造工藝。

1.2有較高的安全性要求

壓力容器開始制造，需要遵守很多強制的準(zhǔn)則，并且這些規(guī)范與準(zhǔn)則突出了時效性。由于在高溫、高壓、真空和腐蝕環(huán)境中壓力容器長時間運行，其所盛放的介質(zhì)一般是易燃、易爆、有害物質(zhì)，因此必須將產(chǎn)品安全放在第一位，在設(shè)計產(chǎn)品初期就必須遵守強制性準(zhǔn)則。隨著不斷發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，逐漸采用新技術(shù)、新工藝、新材料以及新的管理方法，加快了更新準(zhǔn)則的速度。

1.3制造過程中存在著許多相似的信息

在統(tǒng)計制造壓力容器過程中，發(fā)現(xiàn)了很多類似的信息，例如相似的工藝流程，零部件相似的幾何形狀，相似的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，處理事物相似的過程。利用這些信息，可以有效提升企業(yè)的競爭實力。

1.4設(shè)計具有較強的專業(yè)性

壓力容器與通用機械產(chǎn)品不同，在利用軟件技術(shù)以及設(shè)計產(chǎn)品時，不但需要人員掌握科學(xué)的計算機技術(shù)，更加需要擁有比較完善的設(shè)計思路。

2.壓力容器制造工藝

2.1制造工藝概述

2.1.1壓力容器部件的制造

2.1.1.1壓力容器材料

壓力容器材料不但會受到很多因素的限制，還需要的豐富經(jīng)驗等。

目前世界各國基本利用Mn-Mo-Ni型低合金高強度鋼作為壓力容器的材料，其擁有很好的韌性。壓力容器材料的一個關(guān)鍵指標(biāo)是沖擊韌性，壓力容器的材料需要具備充足的沖擊與斷裂韌性。為了確保壓力容器的質(zhì)量，在提升材料韌性與抗中子輻照脆化方面各國都做大量工作。

2.1.1.2制造鍛件

壓力容器整體利用鍛焊結(jié)構(gòu)。除了封頭部件應(yīng)用板焊結(jié)構(gòu)之外，其余通常使用鍛件。制造大型鍛件采用超過200噸級的鋼錠材料。在加工鋼錠之前應(yīng)進(jìn)爐加熱，嚴(yán)格控制爐溫與保溫。在鍛造過程中，尤其是環(huán)形大型鍛件，先通過鍛壓機把鋼錠鐓粗、總體鍛壓，再鐓粗，之后，鍛件熱沖孔，同時在鍛壓機的芯棒上制造需要的尺寸與形狀。鍛造鋼種溫度應(yīng)當(dāng)控制在800-1200℃之間。熱加工鍛件之后，為了避免鍛件產(chǎn)生氫致裂紋，通常退火或正火加回火處理鍛件，之后調(diào)質(zhì)處理經(jīng)過粗機械加工的鍛件，確保其機械性能。

一般采用單獨的鍛件作為壓力容器的筒體法蘭與冷卻劑接管段。近些年來，產(chǎn)生了整體鍛造筒體法蘭與接管補強段的趨勢。壓力容器筒體一般利用板焊結(jié)構(gòu)，其較多應(yīng)用于美國與日本。為了方便制造壓力容器以及對其實施檢查，在設(shè)計壓力容器過程中，應(yīng)用了鍛造筒體結(jié)構(gòu)。

2.1.1.3制造封頭

通常利用板材沖壓制造壓力容器。一般熱成形厚鋼板。之后必須對材料實施熱處理，并且規(guī)定試驗機械性能，以便保證實現(xiàn)性能要求。

近些年來，少數(shù)國家制造企業(yè)開始應(yīng)用鍛件制造封頭，通常采取了模鍛工藝。這一制造技術(shù)，可以利用比較厚的鍛件坯料板，也可以利用比較薄并且直徑較大的鍛件坯料板，通過陰陽模將鍛件坯料鍛造成形。

2.1.1.4制造壓力容器支撐與冷卻劑

壓力容器的支撐，能夠?qū)⒔饘賶|板安裝在冷卻劑接管下方，或者將一個支撐裙焊在底封頭上?？梢詫⒔饘賶|板和冷卻劑接管鍛造成為一個整體。通常情況下，將墊板看作是一個比較大的焊接金屬加強體進(jìn)行處理，這時，應(yīng)當(dāng)采取整體的無損檢測，并且實行應(yīng)力消除熱處理。

2.1.2壓力容器的組裝

制造壓力容器全部部件之后，就開始整體組裝。第一，在各個部件內(nèi)部表面堆焊不銹鋼或者鎳基合金等耐腐蝕材料。第二，對接筒體和筒體、筒體和筒體法蘭、筒體和底封頭等，結(jié)束整體組裝之后，實現(xiàn)應(yīng)力消除熱處理。第三，安裝壓力容器的堆芯儀表、控制棒驅(qū)動接管。第四，對壓力容器抗蝕密封面進(jìn)行精機械加工。

假如安裝壓力容器現(xiàn)場受限，僅能采取到安裝現(xiàn)場裝配制造半組合件的方法。因為壓力容器的上下兩部分對中精確度要求極高，所以至少一部分需要在安裝現(xiàn)場實行機械加工。壓力容器能夠劃分為兩個大的半組合件實行運輸，那么在安裝現(xiàn)場僅需要一條焊接環(huán)縫并且熱處理局部，如此，就不會對法蘭密封區(qū)域造成影響。在安裝現(xiàn)場制造，還會出現(xiàn)焊接與消除應(yīng)力熱處理之后的尺寸問題。在制造廠內(nèi)，可以利用熱處理全部表面殘留的少量加工余量方法有效解決;在安裝現(xiàn)場，焊接兩個半組合件，焊縫距離公差尺寸應(yīng)當(dāng)保證足夠遠(yuǎn)的區(qū)域，避免這些區(qū)域出現(xiàn)變形。結(jié)束壓力容器組裝工作之后，根據(jù)相關(guān)要求嚴(yán)格檢驗不同部位。

2.2制造工藝現(xiàn)狀及問題

2.2.1工藝過程中出現(xiàn)了很多重復(fù)性工作。例如焊接工藝文件中編制焊接試板工藝，進(jìn)一步發(fā)展為以臺代批。

2.2.2編制工藝的復(fù)雜性，是指員工自身水平對編制工藝的合理性造成了影響。編制焊接工藝水平直接對焊接質(zhì)量與焊縫返修數(shù)量造成了影響，進(jìn)一步?jīng)Q定了產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，以及縮短加工產(chǎn)品的時間。

2.2.3重復(fù)編制產(chǎn)品或者零部件工藝，造成延長了壓力容器產(chǎn)品制造時間。

2.2.4不同工藝之間彼此脫節(jié)，阻塞的信息導(dǎo)致產(chǎn)品流通不暢。

2.3制造工藝的特點和作用

在制造壓力容器整個過程中形成了制造工藝，對生產(chǎn)產(chǎn)品過程中發(fā)揮了指導(dǎo)作用，其任務(wù)是轉(zhuǎn)化產(chǎn)品設(shè)計中的數(shù)據(jù)為制造中的相關(guān)指令。壓力容器制造工藝特點為：

2.3.1壓力容器制造過程并不是簡單由一個工藝覆蓋的，具體包含了焊接、檢驗、加工工藝等。

2.3.2壓力容器制造過程中的重要工藝為焊接工藝。產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)便是焊縫，包含了焊縫的零部件，也就成為生產(chǎn)廠家與客戶關(guān)心的問題。

2.3.3壓力容器生產(chǎn)遵守制造要求。

2.3.4壓力容器制造工藝具有開放特點，要求具備可追溯性。

3.壓力容器制造技術(shù)發(fā)展新方向

3.1下料數(shù)控化和集約化

壓力容器制造的第一道工序是下料，雖然工作簡單，但是具有較大影響。它不僅與容器成形尺寸關(guān)系密切，還與制造進(jìn)度、材料成本甚至產(chǎn)品質(zhì)量形成了直接聯(lián)系。尤其是大型化容器之后，利用材料效率以及后續(xù)的加工量成為制造設(shè)備成本的主要因素。從前，由于手工下料尺寸缺乏標(biāo)準(zhǔn)、浪費余料較大、速度緩慢，導(dǎo)致其在制造中成為絆腳工序。特別是利用材料效率低下，成本消耗高。近些年來，由于大量應(yīng)用高效、自動化的下料設(shè)備，迅速提高了利用材料效率，并且促使切口表面光滑、平整，不需要打磨就能組對焊接，有效節(jié)省了后續(xù)加工成本。因此，不管是從節(jié)省成本、加快制造速度，還是從工人減輕工作強度、減少環(huán)境污染考慮，應(yīng)用推廣自動化、電腦化切割下料設(shè)備是壓力容器制造技術(shù)今后的主要發(fā)展方向。誠然，對于一些規(guī)模較大的工程，由于切割板材規(guī)模很大，數(shù)控大型切割機工作量日趨飽和，可以獲得可觀的經(jīng)濟效益;但是對于一些規(guī)模不大的小廠，下料工作量并不大，采用數(shù)控切割機就不劃算。那么下料配送和專業(yè)封頭制造廠就成為壓力容器專業(yè)生產(chǎn)分工的關(guān)鍵角色。目前已經(jīng)出現(xiàn)了這樣的行業(yè)，應(yīng)當(dāng)推動其發(fā)展。當(dāng)前市場上下料切割費用大概是16-20元/m，通常一臺數(shù)控等離子切割機的速度是3.6m/min，可以實現(xiàn)14000元的產(chǎn)值。每年按照200天工作計算，除去人工、水電等成本，可以獲得160萬元的毛利潤。不超過1年可以收回設(shè)備的投資，因此，專業(yè)切割下料公司的前途十分廣闊。

圖1激光切割機

3.2形成因地制宜和節(jié)能化

壓力容器擁有各種形式，但是基本上包含了殼體、封頭、管件、管板、緊固件等。需要專業(yè)的技術(shù)設(shè)備使它們成形或者加工。各個廠家由于具備不同的設(shè)備條件，也形成了不同的成形加工方法。我國地域廣闊，相對資源貧乏，怎樣對各種資源有效應(yīng)用，在盡量節(jié)省資源的基礎(chǔ)上，因地制宜的發(fā)展各類需求的壓力容器成形技術(shù)。

3.2.1筒體成形

結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了筒體的形狀，其還與廠家的設(shè)備條件相關(guān)。接下來從不同結(jié)構(gòu)形式對其實施分析。

鍛焊結(jié)構(gòu)：鍛焊大型結(jié)構(gòu)已經(jīng)實現(xiàn)了超過300t的筒節(jié)，壁厚達(dá)到了450mm，需要超過500t級的鋼錠實行鍛制。假如利用傳統(tǒng)技術(shù)，鋼錠-去冒口-鉆孔-鍛造擴孔-成型的方法，不僅降低了利用材料效率，還不能實現(xiàn)現(xiàn)有的設(shè)備，所以必須采取中空鑄錠技術(shù)。由于大型筒節(jié)鍛造需要萬噸級別的鍛造水壓機、重型起重設(shè)備等，我國目前擁有以上條件的廠家還不多。但是我國正處在經(jīng)濟迅速發(fā)展時期，建設(shè)石油工業(yè)與煤氣化裝置需要很多重厚型的壓力容器鍛件，僅僅依靠這些工廠還無法滿足需求。

圖2萬噸水壓機實行后壁筒節(jié)制造

鍛造需要大小消耗能源，我國又是一個能源缺乏的國家，除了依靠自身能源之外，從國外直接進(jìn)口鍛件或者加工好的筒節(jié)，讓一些大型壓力容器制造廠實行重厚型壓力容器的制造，也不失為一種很好的選擇。近些年來，一些廠家已經(jīng)積累了一些進(jìn)口外國大型筒節(jié)制造壓力容器的成功經(jīng)驗。國外一些生產(chǎn)大型鋼錠的工程，也擁有中空澆鑄技術(shù)，這也是鑄造特大型容器的必備條件，對其資源價值的有效利用值得深入探討。

熱套結(jié)構(gòu)：這一方法可以不采用大型卷板機，將一種制造后壁容器的方法提供給中小型壓力容器制造廠。聯(lián)系需要確定套合層數(shù)，最多可以設(shè)計四層，各個層次采用不同的材料，每層板厚達(dá)到了50-75mm或者更厚。在我國很多制造廠都已經(jīng)掌握了熱套技術(shù)，只要設(shè)備條件與設(shè)計水平達(dá)到要求就行，幾乎不會限制結(jié)構(gòu)尺寸與重量。

同心包扎結(jié)構(gòu)或者繞板結(jié)構(gòu)：我國目前最大的同心包扎機可以包扎4000mm的最大外徑。假如有需求，還可以設(shè)計更大的包扎機。多層包扎由于具有較大工作強度，效率不高，比單層卷焊的制造成本也高，但是在一些特殊環(huán)境下，例如耐腐蝕襯里的高壓容器、現(xiàn)場制造后壁容器中將體現(xiàn)其優(yōu)勢。尤其是成功研制的層板同心包扎環(huán)焊縫軸向錯開連續(xù)包扎技術(shù)之后，縮減了深環(huán)焊縫，加強了安全性能，還提升了制造深度，節(jié)省了成本。僅包扎裝置對這一結(jié)構(gòu)總厚度進(jìn)行了限制，在我國還有一定的發(fā)展前景。今后，應(yīng)當(dāng)加大力度研究高溫應(yīng)用場合的功能理論和更新實踐工藝裝備，促使其更大發(fā)揮作用。

圖3纏繞多層式筒體包扎

圖4卡鉗式多層式筒體包扎機

圖5無環(huán)深焊縫多層包扎式高壓容器

卷焊結(jié)構(gòu)：這也是各種壓力容器制造普遍使用的技術(shù)。它的主要設(shè)備就是卷板機或者壓彎機，其能力通常作為壓力容器制造能力的標(biāo)志。國外可以彎壓厚板350mm級。容器重量一般為50-600t。我國最大卷板機基本上可以達(dá)到焊接厚板結(jié)構(gòu)壓力容器的要求。因為當(dāng)前我國還不能供應(yīng)超過250mm厚的壓力容器，還需要進(jìn)口特厚鋼板，倒不如采取更經(jīng)濟的方法直接進(jìn)口厚壁筒節(jié)，一些大廠已經(jīng)采取了從國外進(jìn)口厚壁容器筒節(jié)的方法，進(jìn)一步對制造大型厚壁容器問題很好進(jìn)行了解決，并且得到了極好的效果。從節(jié)省能源方面考慮，卷焊筒節(jié)應(yīng)當(dāng)盡可能利用冷卷成形，不能利用熱成形。

3.2.2封頭成形

在壓力容器這種不定型、非批量生產(chǎn)產(chǎn)品中封頭是少有的幾種可以實行標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的生產(chǎn)零件。因此，它需要具備專業(yè)化和集約化的技術(shù)。封頭成形可以劃分為模壓與旋壓成形兩種。通常中型壓力容器廠都擁有自己的水壓機或者油壓機，有些廠還擁有封頭旋壓機。假如對外不提供封頭或者承擔(dān)制造球形容器的話，這些設(shè)備不會滿負(fù)荷運作，極大浪費了資源。專業(yè)化的封頭廠按照市場原則積極制造各種規(guī)格的封頭，促使容器制造廠能夠并行操作，有效提升了制造效率。

3.2.3板式換熱器的板片壓制成形

板式換熱器單片面積超過2m2，需要超過2萬t的壓力油壓機實施板片成形。我國目前成功研制了超過1m2的板片，并且供不應(yīng)求，但是依然進(jìn)口超過2m2的板片。今后需要著重發(fā)展這一高附加值的產(chǎn)品。

3.2.4其它成形技術(shù)

由于傳統(tǒng)成形技術(shù)的限制，其技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)為：最小厚度和直徑的比例是8/1000，不能制造超薄球形殼體;制造橢球等曲率有變化的容器十分困難，因為需要不同模具壓制不同曲率分片，加大了投資成本。大型封閉殼體內(nèi)壓成形技術(shù)，打破了傳統(tǒng)技術(shù)的限制，徹底解決了依賴大型壓力機與大型模具的問題，已經(jīng)得到球形、橢球形容器和彎頭、殼體的有效成形方法。通過研究，在理論與實踐方面這一技術(shù)不斷成熟，實現(xiàn)了制造超薄球形容器的目標(biāo)。

3.3加工專業(yè)化

需要機械加工壓力容器零部件具體包括后壁筒體、封頭焊接坡口與開孔、法蘭、密封蓋、接管等。我國壓力容器制造廠已經(jīng)擁有對應(yīng)的加工設(shè)施，可以達(dá)到制造核電反應(yīng)器外殼、煤液化反應(yīng)器等加工大型壓力容器的要求。但是當(dāng)前很多制造廠加工難題是連接接管與筒體的馬鞍型結(jié)構(gòu)開孔以及球形封頭斜插管等，必須要求高精度的數(shù)控鏜銑床或者專業(yè)設(shè)備才可以解決，如果可以在這方面加強專業(yè)化加工協(xié)作，勢必有效提升利用設(shè)備效率。

大型列管式換熱器與管殼式反應(yīng)器的大型管板直徑超過6m，形成了大量的管孔，加工管板鉆孔直接影響了制造設(shè)備的質(zhì)量與進(jìn)度。傳統(tǒng)加工方法無法達(dá)到更高的進(jìn)度與效率要求。龍門式平面鉆床能夠在一部機床上完成上述工作，不需要轉(zhuǎn)工序，降低了工人的勞動強度，提升了管孔質(zhì)量。

3.4焊接機械化和智能化

3.4.1將窄間隙自動焊大量推廣應(yīng)用到焊接厚壁容器中，條件允許的情況下還能夠利用電子束焊，以便節(jié)約焊接金屬及減少工作量。

3.4.2積極利用自動馬鞍型坡口焊對大型厚壁接管和筒體封頭進(jìn)行焊接，減少人體的體力勞動，完善工作環(huán)境。

3.4.3將自動氬弧焊除了積極應(yīng)用于管殼式換熱器的焊接中之外，還應(yīng)當(dāng)對管板內(nèi)孔焊的技術(shù)與設(shè)備積極發(fā)展與完善，以便達(dá)到高溫、高壓制造要求。

3.4.4在管子-管板焊接中已經(jīng)成功應(yīng)用了激光焊，其優(yōu)勢為速度較快、效率極高、焊接強度高，能夠有效延長使用時間，逐漸推廣運用。

3.4.5在現(xiàn)場組裝或者不能轉(zhuǎn)動工件的場合，要對剛性與柔性焊接小車與焊接機器人積極應(yīng)用，以便很好代替手工操作，最終完善勞動條件。

隨著不斷大型化發(fā)展的壓力容器，現(xiàn)場阻焊特大型壓力容器零部件出現(xiàn)了新的發(fā)展形勢，必須相應(yīng)改變焊接方式。我們都知道，在車間中焊接生產(chǎn)容器環(huán)焊縫一般利用工件旋轉(zhuǎn)、不動焊槍的方式，這一方式可以保證熔池處于平焊位置，形成了良好的焊接條件，有利于確保焊縫質(zhì)量。但是針對現(xiàn)場組對的不能轉(zhuǎn)動的大型容器，需要采取全位置焊接。從前大部分利用焊條電弧焊對其進(jìn)行焊接，不僅勞動環(huán)境惡劣、效率低下，還無法確保質(zhì)量。為了對熔池條件有效改善，需要聯(lián)系電弧運動實際位置不斷變化焊接參數(shù)，必須利用計算機控制技術(shù)。

4.結(jié)論

總而言之，壓力容器產(chǎn)品與其他機械產(chǎn)品特點不同，為了保證在惡劣環(huán)境下安全運行壓力容器，迫切需要對其提出很多的限制條件，將焊接質(zhì)量作為關(guān)注重點。為了利用合理措施，實現(xiàn)大批量定制生產(chǎn)壓力容器，需要全面了解壓力容器，便于更好的符合客戶的需求，促使壓力容器緊跟全球經(jīng)濟發(fā)展步伐，進(jìn)而提高壓力容器應(yīng)對市場的能力。

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作者簡介：耿雪峰（1980-），男，上海，工程師，碩士，長期從事承壓特種設(shè)備的檢驗、檢測研究工作。