□ 景夢陽 □ 張正棠

甘肅省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院 蘭州 730050

1 復(fù)合鋼板概述

所謂復(fù)合鋼板，指主體材料以某種鋼作為基層,用另外一種鋼或其它有色金屬作為復(fù)層的雙金屬板,通常采用爆炸成型的工藝方法將兩種材料復(fù)合成型。一般在能滿足生產(chǎn)需要的情況下,用戶在不銹鋼和復(fù)合鋼板之間往往都會(huì)選擇復(fù)合鋼板。復(fù)合鋼板不僅基層可以滿足強(qiáng)度和剛度要求,而且復(fù)層也能滿足耐腐蝕性的要求,這樣在保證技術(shù)要求的情況下,可以節(jié)約大量金屬,降低生產(chǎn)成本[1]。目前,復(fù)合鋼板在很多行業(yè),如石油、化工、航空、航海、醫(yī)療器械等都得到了廣泛應(yīng)用。由于復(fù)合鋼板不存在固定的規(guī)格和型號,因此往往需要外協(xié)加工,延長了生產(chǎn)周期。另外,目前復(fù)合鋼板的制造工藝還不夠成熟,復(fù)合完后可能存在一定缺陷,影響壓力容器的制造質(zhì)量。筆者根據(jù)復(fù)合鋼板壓力容器制造經(jīng)驗(yàn),結(jié)合所在單位目前正在制造的復(fù)合鋼板壓力容器,對復(fù)合鋼板壓力容器制造工藝及注意事項(xiàng)進(jìn)行介紹。

2 復(fù)合鋼板壓力容器制造工藝難點(diǎn)

2.1 筒體卷制過程控制

筒體所用復(fù)合鋼板在卷板機(jī)卷制過程中會(huì)產(chǎn)生較大的延展量,為了保證筒體卷制完成內(nèi)徑符合要求,需要精確計(jì)算下料尺寸。復(fù)合鋼板在制造過程中對環(huán)境要求很高,高于一般碳鋼和不銹鋼材料的制造環(huán)境,因此在制造、轉(zhuǎn)運(yùn)、卷制、焊接、打磨等環(huán)節(jié)需要做好對復(fù)層的保護(hù)。

2.2 錯(cuò)邊量控制

一般情況下,在壓力容器的生產(chǎn)和制造過程中,焊縫錯(cuò)邊會(huì)在筒體或封頭對接的位置出現(xiàn)[2-3],也會(huì)在筒節(jié)之間或筒體和封頭之間出現(xiàn)[4]。考慮介質(zhì)的強(qiáng)氧化性和高腐蝕性,用戶及設(shè)計(jì)單位對設(shè)備筒節(jié)組對錯(cuò)邊量要求很嚴(yán)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,復(fù)合鋼板筒體縱縫錯(cuò)邊量一般不大于0.8～1.5 mm,筒體環(huán)縫、筒體與封頭環(huán)縫錯(cuò)邊量一般不大于1.0～1.5 mm[5-7]。

2.3 開孔精確度控制

壓力容器直徑、壁厚很大,筒體、封頭上開的孔較多,為了保證開孔精確度,需要使用軟件或工裝精確定位開孔輪廓線及坡口加工線。

2.4 焊接過程控制

壓力容器的焊接順序?yàn)榛鶎?、過渡層、表層,焊接過程中焊接參數(shù)控制不嚴(yán)、操作人員熟練水平不高都會(huì)導(dǎo)致熱裂紋和氣孔等缺陷。

3 復(fù)合前準(zhǔn)備工作

3.1 質(zhì)量與性能要求

壓力容器所用復(fù)合鋼板,其基層和復(fù)層材料選擇時(shí)一般都根據(jù)實(shí)際需要確定。對于基層材料,大多選擇Q345R鋼板,復(fù)層材料則多為不銹鋼。由于目前與復(fù)合鋼板相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還較少,用戶所使用的復(fù)合鋼板規(guī)格也都各不相同,因此復(fù)合鋼板并沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[8]。

所選用的復(fù)合鋼板應(yīng)具有符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量證明書,并保證復(fù)合鋼板表面平整,無明顯瑕疵。復(fù)合鋼板不應(yīng)有妨礙使用的有害外觀缺陷,基層和復(fù)層的接合面積應(yīng)占總面積的95%以上,局部未接合面積不得大于50 cm2。對加工時(shí)有較大應(yīng)力或使用時(shí)有較大負(fù)荷的復(fù)合鋼板,要求更為嚴(yán)格。如果基層與復(fù)層表面的淺平缺陷未能磨掉,那么復(fù)層表面的全部缺陷面積總和不得大于復(fù)合面積的20%。同時(shí),復(fù)層材料的表面質(zhì)量應(yīng)與復(fù)合方法相適應(yīng),厚度均勻,公差應(yīng)符合規(guī)定值。

對于復(fù)合鋼板的機(jī)械性能,其抗拉強(qiáng)度和延伸率原則上應(yīng)等于或大于基層材料,抗彎試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與相等總厚度的基層材料相同,抗剪強(qiáng)度對任何總厚度小于100 mm的鋼板應(yīng)不小于196 MPa[9-11]。貼合彎曲三個(gè)試樣中,有兩個(gè)試樣彎曲部分兩邊不能有50 mm以上的分層現(xiàn)象。

復(fù)合鋼板在進(jìn)廠時(shí)均應(yīng)進(jìn)行超聲探傷試驗(yàn),不得有妨礙使用的有害分層現(xiàn)象。對復(fù)合鋼板的修補(bǔ)、標(biāo)記與標(biāo)記移植等,與一般鋼材壓力容器的原材料控制相同。

3.2 下料、拼接控制

復(fù)合鋼板由兩種材質(zhì)不同的板材組成,一般不銹鋼復(fù)層板材的厚度很薄,板長和板寬都較小,大多數(shù)需要拼接。下料及拼接時(shí),一般根據(jù)壓力容器規(guī)格計(jì)算封頭和筒體展開的實(shí)際尺寸。根據(jù)多年的制造經(jīng)驗(yàn),筆者所在單位技術(shù)人員總結(jié)出筒體和橢圓形封頭、球形封頭、球缺形封頭的下料尺寸計(jì)算方法及所留余量,以方便后續(xù)制造。

按照壓力容器筒體、封頭尺寸,根據(jù)投料厚度、材料伸縮性考慮是否留直邊,確定筒體、封頭實(shí)際需要的板材長度L和寬度B。

對于基層板材下料的長度和寬度,最小值分別控制為L+100 mm、B+100 mm,各留100 mm余量。下料時(shí)最好將板材寬度圓整至與B+100 mm接近的標(biāo)準(zhǔn)寬度。

為了滿足復(fù)合工藝的要求,復(fù)層下料時(shí)長度和寬度應(yīng)在實(shí)際計(jì)算的投料長度和寬度上加50 mm,即單邊加25 mm。

如果壓力容器需要焊接試板,那么下料時(shí)還應(yīng)考慮在長度方向上加試板所需量。

按照實(shí)際計(jì)算尺寸,對現(xiàn)有的復(fù)層板材進(jìn)行拼接,焊接完成后焊縫應(yīng)焊透并打磨平整,同時(shí)根據(jù)要求進(jìn)行無損檢測,保證焊縫無裂紋、氣孔、夾雜等缺陷,復(fù)合完成的板材應(yīng)保證平整。

4 筒體排版原則

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及管口方位圖,將筒體及接管在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件中按1∶1放樣,得到接管在筒體及封頭上的具體位置。

接管根據(jù)大小在放樣圖上按1∶1進(jìn)行繪制,接管邊緣兩側(cè)向外延伸100 mm,確定環(huán)焊縫位置。

根據(jù)卷板機(jī)的卷制能力,確定復(fù)合鋼板在卷板機(jī)上的最大卷制寬度。

根據(jù)卷板機(jī)的最大卷制寬度、接管在筒體上的位置,以及縱縫、環(huán)縫位置確定板材的寬度。

5 復(fù)合鋼板下料尺寸計(jì)算方法

5.1 筒體

筒體復(fù)合鋼板下料尺寸主要根據(jù)筒體復(fù)合鋼板的寬度和卷板機(jī)的卷制能力來確定,目的是保證筒體與封頭組合后內(nèi)平齊。對于均質(zhì)復(fù)合鋼板,筒體下料尺寸按照封頭中徑展開,基本可以保證筒體與封頭環(huán)縫錯(cuò)邊量在允許范圍之內(nèi)。復(fù)合鋼板筒體和封頭板厚不一樣時(shí),按照封頭中徑展開會(huì)導(dǎo)致筒體與封頭組對時(shí)錯(cuò)邊量超標(biāo)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),筒體復(fù)合鋼板的厚度不大于40 mm時(shí),板材直徑按照筒體中徑展開,卷板及校圓時(shí)隨時(shí)測量筒體周長,保證筒體內(nèi)徑符合要求;筒體復(fù)合鋼板的厚度大于40 mm時(shí),筒體下料尺寸在中徑展開的基礎(chǔ)上加直邊余量,一般為60～200 mm。

5.2 封頭

封頭由一塊正方形鋼板沖壓成型。

對于橢圓形封頭,封頭下料尺寸[12-13]為:

L=1.2Di+d

(1)

式中:Di為封頭復(fù)合鋼板中徑,即筒體內(nèi)徑加封頭壁厚;d為封頭沖壓成型時(shí)的減薄量,一般為2～3 mm。

對于球形封頭,封頭下料尺寸為:

L=1.42Di+d

(2)

對于球缺形封頭,封頭下料尺寸為:

L=1.4Di+d

(3)

6 筒體組對控制

6.1 筒體縱縫組對控制

復(fù)合鋼板在卷板機(jī)上卷制完成后,使用專用工具將縱縫錯(cuò)邊調(diào)整至合適位置,利用引收弧板對縱縫兩邊進(jìn)行點(diǎn)焊固定,如圖1所示。

▲圖1 引收弧板點(diǎn)焊固定

6.2 圓度控制

為了保證筒節(jié)端口圓度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),在經(jīng)過卷板機(jī)卷制、焊接、無損檢測合格后,將筒節(jié)放置至卷板機(jī)上進(jìn)行校圓。

測量合格后,將筒節(jié)從卷板機(jī)上取下。對于大直徑薄壁筒節(jié),校圓后為了防止變形,在筒節(jié)內(nèi)部安裝支撐,如圖2所示。

▲圖2 筒節(jié)內(nèi)部安裝支撐

7 焊接

7.1 焊接方法

復(fù)合鋼板通常采用的焊接方法有手工電弧焊、埋弧自動(dòng)焊、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊等,根據(jù)具體材質(zhì)、板料厚度、坡口形狀來確定焊接方法。焊接時(shí),一般從外側(cè)基層開始,基層焊接完成以后焊接過渡層,最后焊接表層。

7.2 預(yù)熱

為了防止厚壁筒體焊接過程中產(chǎn)生裂紋,在進(jìn)行基層焊接前對筒體進(jìn)行預(yù)熱,并根據(jù)實(shí)際需要制作筒體預(yù)熱工裝,如圖3所示。圖3中,R0為分度圓半徑。

▲圖3 筒體預(yù)熱工裝

8 焊縫檢測

復(fù)合鋼板焊縫無損檢測一般有兩種方法。一種是基層、過渡層、表層全部焊接完成后,根據(jù)設(shè)計(jì)文件要求進(jìn)行檢測。另一種是基層焊縫焊接完成后,按照設(shè)計(jì)要求先進(jìn)行檢測,檢測合格后進(jìn)行過渡層和表層焊接,焊接完成后再對表層進(jìn)行檢測。根據(jù)不銹鋼的焊接性能,可選擇不同的檢測方法。對于馬氏體不銹鋼,焊接性能差,焊接工藝控制不佳,很容易產(chǎn)生裂紋,一般選擇第一種檢測方法[14]。

9 結(jié)束語

筆者介紹了復(fù)合鋼板壓力容器制造方法。通過將理論知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合,計(jì)算筒體和封頭的下料尺寸,能夠保證下料準(zhǔn)確和制造質(zhì)量。

應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對接管在筒體上的開孔具體位置及焊縫與接管邊緣的最小距離進(jìn)行精確放樣,保證開孔準(zhǔn)確,降低施工難度。

使用自制的預(yù)熱工裝,在筒體環(huán)縫焊接之前將焊接溫度控制在合理的范圍內(nèi),避免產(chǎn)生裂紋,進(jìn)而提高制造效率和質(zhì)量。