段曉健

(山西陽煤化工機械(集團)有限公司，山西 太原 030032)

隨著社會的發(fā)展、科技的進步，壓力容器在化工、食品、醫(yī)療等方面得到了廣泛的應(yīng)用。因其使用工況、介質(zhì)、壓力等不同，所用的材料及規(guī)格也不相同。常用的材料可分為碳鋼(碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼等)、不銹鋼、不銹鋼復合板。不銹鋼復合板由不銹鋼板和碳鋼復合而成，常見的復合方法有軋制復合、爆炸復合、爆炸軋制復合等[1]。不銹鋼復合板集合了不銹鋼板和碳鋼板兩種不同材料的特性，既有不銹鋼耐腐蝕、耐磨、抗磁等性能，又有碳鋼良好的可焊性、成型性、拉伸性、導熱性等特點，在壓力容器制造中得到了廣泛的應(yīng)用。不銹鋼復合板壓力容器制造過程中，錯邊量是最難的控制點之一。錯邊不僅會影響焊縫的外觀，還會導致焊縫應(yīng)力集中，直接影響壓力容器的安全運行[2]。國家標準對不銹鋼復合板錯邊量有嚴格的要求，GB150—2011規(guī)定“復合鋼板的錯邊量不大于鋼板覆層厚度的50%，且不大于2 mm”[3]，比碳鋼、不銹鋼壓力容器的要求嚴很多，尤其對于厚復合板容器，制作過程控制不好極容易出現(xiàn)錯邊明顯及超差現(xiàn)象。

1 產(chǎn)生錯邊的原因分析

壓力容器產(chǎn)品制作過程中，對口錯邊明顯及超差現(xiàn)象常出現(xiàn)在筒節(jié)與筒節(jié)、筒節(jié)與錐體、筒節(jié)與封頭等環(huán)縫焊接接頭對口位置，縱縫焊接接頭對口位置出現(xiàn)的情況較少[2]。對口錯邊明顯及超差現(xiàn)象主要受以下幾方面因素影響：一是對口位置筒節(jié)、錐體、封頭等對接件的周長尺寸偏差大；二是筒體、錐體、封頭成型時未控制好，造成局部棱角度明顯、直邊明顯、圓度偏差大、端口翻邊等現(xiàn)象；三是焊接操作不當導致焊縫位置外凸或內(nèi)凹。

2 控制錯邊量的措施

不銹鋼復合板壓力容器制作過程中若想控制好筒節(jié)、錐體、封頭等部件的對口錯邊量，需進行整體規(guī)劃并安排好各部件的制作順序。制作過程中需規(guī)范操作并及時掌握各部件的尺寸，出現(xiàn)尺寸偏差較大時要及時調(diào)整相關(guān)部件下料尺寸或合理調(diào)整部件的裝配方向及位置，以控制好各部件間的對口錯邊量，避免對口錯邊超差現(xiàn)象的發(fā)生。

2.1 封頭成型及控制

封頭按照加工工藝一般分為整體成型和分瓣成型。整體成型常采用沖壓、旋壓、爆炸等成型技術(shù)，分瓣成型常用于大型厚壁壓力容器封頭的制作，常由一個較大的圓缺頂和幾個弧形瓣組成，制作時先對圓缺頂和弧形瓣冷作沖壓成型，之后再預(yù)制坡口，最后在胎體上裝焊成型[4]。因封頭制作工藝種類多，制作難度也很高，一般壓力容器廠家常將封頭外委至專業(yè)的封頭廠家進行制作。選擇合適的封頭廠家對于封頭的制作質(zhì)量尤為關(guān)鍵，必要時可安排監(jiān)造人員進行監(jiān)造，對于封頭成型有特殊要求時需重點把控。

2.2 進行整體排版

不銹鋼復合板壓力容器上下封頭成型后存在尺寸偏差，為減少該尺寸偏差對產(chǎn)品制作的影響，在筒節(jié)、錐體等部件制作前，需根據(jù)上下封頭尺寸進行整體排版，通過調(diào)整上下封頭之間筒節(jié)、錐體等部件的尺寸將上下封頭的尺寸偏差通過中間各部件逐漸過渡，使各對接部件間的尺寸偏差控制在比較小的范圍內(nèi)，避免對口錯邊明顯及超差現(xiàn)象的發(fā)生。詳見“3 整體排版和下料尺寸控制的示例說明”。

2.3 筒體下料尺寸的控制

不銹鋼復合板筒節(jié)下料前，需考慮卷制延展量、組對間隙、焊接收縮量等因素的影響，并結(jié)合整體排版確定的理論尺寸最終確定其下料尺寸。

2.3.1 筒體下料經(jīng)驗公式

復合板筒體下料經(jīng)驗公式：

L下料=L理論-ΔL-nC1+nC2[5～7]

(1)

式中:L下料—最終下料尺寸,mm；L理論—整體排版確定的理論展開尺寸,mm；ΔL—筒體卷制延展量,mm；n—焊縫數(shù)量；C1—組對間隙，通常為2 mm左右；C2—焊接收縮量，通常為2 mm左右。

因C1≈C2，上式可簡化為：

L下料=L理論-ΔL

(2)

2.3.2 卷制延展量經(jīng)驗公式

復合板筒體卷制延展量經(jīng)驗公式：

ΔL=Kπδn(1+δn/Di)[8，9]

(3)

式中:K—卷制系數(shù)(根據(jù)所卷筒體的規(guī)格、尺寸及材質(zhì)，所用的卷制設(shè)備性能以及操作人員技能并集合實際操作情況來確定)；δn為筒體的名義厚度mm；Di為筒節(jié)的內(nèi)徑mm。

因δn?Di，δn/Di可忽略不計，上式可簡化為:

ΔL=Kπδn

(4)

2.3.3 經(jīng)驗公式分析

根據(jù)公式(2)、(4)，可知影響筒節(jié)下料的主要因素是整體排版確定的理論展開尺寸L理論和筒體卷制延展量ΔL，而ΔL主要受筒體名義厚度δn和卷制系數(shù)K的影響。

2.3.4K值的選取

因K值的影響因素較多，操作人員在不確定K值時，為避免因K值選取過大，導致筒體周長偏小明顯的情況發(fā)生，可先選取比較保守的一個K值，進行首節(jié)筒節(jié)的試制，若卷制后筒體已基本成型，則后續(xù)校圓操作不會有明顯延展，若卷制后筒體還存在明顯的直邊段時，需考慮后續(xù)校圓操作的延展量。通過試制確定好K值后再進行后續(xù)筒體的下料，如試制筒體周長比預(yù)想尺寸偏大明顯，則需將差量割除后再進行后續(xù)焊接及校圓操作。

2.4 筒體成型控制

筒體成型控制對于控制產(chǎn)品錯邊量尤為重要，壓力容器產(chǎn)品制作過程中常因筒體成型控制不好，導致筒體棱角度超差，甚至形成明顯折棱和直邊段，直接影響筒體組對時錯邊量的控制，往往錯邊明顯及超差現(xiàn)象均出現(xiàn)在以上筒體成型的缺陷位置。

2.4.1 卷制設(shè)備的選用

為了控制好筒體成型，首先必須選擇合適的卷制設(shè)備進行規(guī)范卷制。常見的卷制設(shè)備有對稱式三輥卷板機、不對稱式三輥卷板機、對稱式四輥卷板機等。

2.4.2 卷制合口控制

筒體卷制合口時應(yīng)盡量平齊，必要時可根據(jù)坡口形式留一定的反焊接變形量[10，11]，如坡口為內(nèi)坡則適當內(nèi)凹，外坡則適當外凸，避免合口的焊接變形導致焊縫位置明顯內(nèi)凹或外凸。

2.4.3 校圓質(zhì)量控制

筒體校圓時需拿筒體內(nèi)樣板或外樣板對筒體成型情況進行測量，控制好筒體棱角度，避免產(chǎn)生折棱及直邊段。

2.4.4 焊接過程控制

筒體合口焊縫焊接對于筒體成型及產(chǎn)品組對質(zhì)量也非常重要。合口焊縫焊接操作不當常導致焊縫位置形成明顯內(nèi)凹或外凸[11]，不僅影響產(chǎn)品的外觀，還往往導致筒體組對后焊縫位置錯邊明顯及超差。

2.5 錐體成型控制

錐體作為壓力容器主要部件之一，其成型控制也非常重要。實際中常因錐體成型控制不好導致錐體小口偏大、大口偏小現(xiàn)象，進而導致錐體與其他部件組對后出現(xiàn)錯邊明顯及超差現(xiàn)象。

2.5.1 下料留余量

為避免錐體成型后小口偏大、大口偏小現(xiàn)象的發(fā)生，在進行錐體卷制時需根據(jù)操作經(jīng)驗增加相應(yīng)余量，錐體成型后若余量明顯再將其割除。

2.5.2 兩側(cè)筒體后制作

錐體兩側(cè)的筒節(jié)在錐體成型后再進行下料卷制，其目的在于錐體成型后若存在小口偏大、大口偏小時可通過適當調(diào)整其兩側(cè)筒體尺寸以減小組對錯邊量。

2.6 組對質(zhì)量控制

壓力容器筒節(jié)、錐體、封頭等部件的組對質(zhì)量是錯邊控制最為關(guān)鍵的一步，前期部件成型的控制均是為組對工序做準備，即使各部件制作質(zhì)量控制的再好，如果組對工序控制不好，依然會出現(xiàn)錯邊明顯及超差現(xiàn)象。

2.6.1 組對前準備工作

組對前，需測量好筒節(jié)、錐體、封頭等部件的周長尺寸，按照整體排版情況進行合理排序及組對。

2.6.2 組對時定位點控制

組對時，需精準定位0°、90°、180°、270°的定位點，使組對部件的錯邊量控制在較小范圍內(nèi)。

2.6.3 局部錯邊修整

出現(xiàn)局部位置錯邊明顯時，可利用工裝及千斤頂對所組對部件的局部進行修整，減少該位置的錯邊量。

2.7 其他控制措施

不銹鋼復合板壓力容器制作過程中，需及時記錄各部件的尺寸，當有部件尺寸出現(xiàn)比較大的偏差時，需及時調(diào)整相關(guān)部件的下料尺寸，以減少各連接部件間的尺寸偏差，避免錯邊明顯及超差現(xiàn)象的發(fā)生。

3 整體排版和下料尺寸控制的示例說明

為更好地對整體排版和下料尺寸控制進行說明，現(xiàn)以我公司為哈密廣匯項目制作的一批復合板塔器為例，具體以“甲醇—水精餾塔”制作過程進行示例，該產(chǎn)品總長約49 850 mm，主要受壓元件所用板材為S30403(固溶)+Q345R(熱軋)，圖1為該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及整體排版示意圖。

圖1 “甲醇—水精餾塔”結(jié)構(gòu)及整體排版示意圖Fig.1 Structure and overall layout of methanol-water-distillation column

3.1 封頭尺寸測量

該產(chǎn)品制作時首先外委進行了封頭的制作，并在封頭加工完成后測量了其上下封頭的內(nèi)周長(可通過測量其外周長和壁厚推算內(nèi)周長)，如圖1所示，上封頭內(nèi)周長為11 316 mm，比理論尺寸大6 mm，下封頭內(nèi)周長為12 254 mm，比理論尺寸大2 mm，上下封頭偏差值的平均值為+4 mm。

3.2 計算筒體、錐體等部件理想狀態(tài)內(nèi)周長

理想狀態(tài)時，上下封頭偏差量可通過其間筒節(jié)、錐體等部件的尺寸進行逐漸過渡調(diào)整。本示例產(chǎn)品上下封頭內(nèi)周長增大量相差僅4 mm，其間筒節(jié)、錐體部件理想狀態(tài)的內(nèi)周長尺寸為圖紙理論尺寸和上下封頭偏差值的平均值之和，即圖紙理論尺寸+4 mm，具體數(shù)值見圖1所示。當上下封頭內(nèi)周長偏差量相差較大時，需采用多個部件逐漸調(diào)整過渡。

3.3 計算理論展開尺寸

理論展開尺寸即筒節(jié)、錐體等部件的中徑尺寸。根據(jù)理想狀態(tài)各部件內(nèi)周長尺寸和部件厚度計算得部件理論展開尺寸，對于筒節(jié)理論展開尺寸為理想狀態(tài)內(nèi)周長尺寸+筒體厚度×π。

3.4 筒體延展量的控制

復合板筒體卷制時，延展量是其最大的影響因素。根據(jù)該項目這批復合板塔器的制作經(jīng)驗，一般情況下，復合板厚度≤20 mm時，筒體延展量約10 mm；復合板厚度20～40 mm時，筒體延展量約12 mm；復合板厚度40～60 mm時，筒體延展量約14 mm。

3.5 確定筒體下料尺寸

根據(jù)筒體理論展開尺寸和筒體延展量，可確定筒體的下料尺寸，即下料尺寸=理論展開尺寸-延展量。為避免錐體成型后出現(xiàn)小口偏大、大口偏小的現(xiàn)象，與其連接的兩段筒節(jié)在錐體成型后再進行下料。

3.6 控制效果

通過以上整體排版及下料尺寸控制，將該產(chǎn)品各對接部件間的理論尺寸偏差控制在比較小的范圍內(nèi)，有效避免對口錯邊明顯及超差現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)語

通過以上一系列不銹鋼復合板壓力容器錯邊量控制措施，我公司為哈密廣匯項目制作的一批復合板塔器，錯邊量均得到了有效控制，未出現(xiàn)錯邊明顯及超差現(xiàn)象。以上控制措施對不銹鋼復合板壓力容器的制作有指導意義，值得推廣。