趙志強(qiáng)，于鵬祖，張鵬林，劉 祎

(1.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 ，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州蘭石重型裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

封頭是壓力容器的重要結(jié)構(gòu)和組成部分，不同結(jié)構(gòu)和型式的封頭受力特點(diǎn)和最小厚度各不相同，不同型式的封頭受結(jié)構(gòu)和受力狀況影響，最小厚度往往是確保封頭安全可靠性和經(jīng)濟(jì)適用性的重要指標(biāo)，其值受不同標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的設(shè)計(jì)要求指導(dǎo)。封頭的成型主要有熱壓、冷壓、旋壓和爆炸等方式。熱壓是在高溫下進(jìn)行，易加工，塑性好，但成型后壁厚不均勻，形狀尺寸和精度較難控制，且有嚴(yán)重的表面氧化；冷壓是在常溫下進(jìn)行，有形變硬化現(xiàn)象，加工成型后封頭硬度和強(qiáng)度都有所提高，尺寸精度較高，但有對(duì)稱性區(qū)域性減薄，甚至鼓包和褶皺現(xiàn)象；旋壓是鋼材在模具上隨主軸高速旋轉(zhuǎn)并用旋輪等進(jìn)行加壓成型，可加工較復(fù)雜的零件，可代替翻邊、拉深、縮口、脹形等工藝[1]。凸形容器封頭是壓力容器常用的封頭型式，大致可分為半球形、橢圓形、蝶形、球冠形等幾種類型?？傮w來講，從受力狀況和安全角度考慮，半球形最好，橢圓形次之，依次是蝶形和球冠形，而從材料加工性能方面講，順序正好相反。由于形狀和受力狀況不同，封頭在加工成型過程中都會(huì)產(chǎn)生不同程度的材料減薄[2]。

封頭最小厚度值的確定需綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)效益的因素，也受厚度的測量工藝制定、質(zhì)量監(jiān)督區(qū)域確定、人員質(zhì)量意識(shí)素質(zhì)的影響。

筆者針對(duì)壓力容器封頭厚度控制的需要，重點(diǎn)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中采取蝶形、橢圓形、球冠形等三類典型凸型封頭進(jìn)行合理的厚度測量和結(jié)果分析，采用超聲波測厚點(diǎn)分布和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等工藝方式，得出凸型封頭在成型和檢測中的重要影響因素，確定封頭測厚重點(diǎn)部位和內(nèi)部質(zhì)量控制的重點(diǎn)部位，為同類產(chǎn)品的成型、設(shè)計(jì)及檢測提供實(shí)踐性參考，進(jìn)一步提高測厚檢測的有效性和封頭成型質(zhì)量。

1 最小厚度的安全意義和經(jīng)濟(jì)意義

按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的封頭，一般要求成形封頭實(shí)測的最小厚度不得小于封頭名義厚度減去鋼板厚度負(fù)偏差，因名義厚度包含了鋼板規(guī)格的向上圓整值，但這樣往往造成封頭的人為增厚，毛坯重量和材料成本增加[3]。一般毛坯厚度包括名義厚度加加工減薄量和圓整值，名義厚度為設(shè)計(jì)厚度加鋼板負(fù)偏差和設(shè)計(jì)圓整值，設(shè)計(jì)厚度為計(jì)算厚度加腐蝕裕量。一般單位傳統(tǒng)方式取用封頭毛坯厚度構(gòu)成如圖1所示。封頭成形減薄量與材料、規(guī)格、方法等因素有關(guān)，而設(shè)計(jì)時(shí)給出的最小厚度值可作為封頭質(zhì)量保證和安全控制的重要參數(shù)[4]。如果取設(shè)計(jì)給出的最小厚度作為封頭成形厚度的最小控制值，在制造過程中采用超聲波探傷儀或測厚儀做好厚度測量和監(jiān)測，就既可保證材料的合理利用，又能滿足開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算要求，同時(shí)保護(hù)制造單位的合法利益。

圖1 一般單位封頭材料毛坯厚度構(gòu)成

2 最小厚度的計(jì)算方法及相關(guān)規(guī)定

目前，國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)主要有3種，包括我國的GB150、美國的ASME Boiler and Pressure Vessel Code及歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN13445等。ASME標(biāo)準(zhǔn)和EN13445對(duì)薄壁成型封頭采用定量計(jì)算的方法，通過導(dǎo)出公式來確定最小壁厚。其中，EN13445定義了蝶形封頭詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)包括球冠部分、過渡圓角、直邊連接段等的量化規(guī)定，結(jié)果取上述三部分的最大值作為有效厚度值[5]。

近些年，許多標(biāo)準(zhǔn)只強(qiáng)調(diào)實(shí)際厚度不小于名義厚度減鋼板厚度負(fù)偏差，而把調(diào)節(jié)封頭減薄量的權(quán)限交給制造單位根據(jù)自己工藝條件和成型能力來控制，這樣也引起了各制造單位加工減薄后的探傷“臨界”爭議等問題[6]。因此，國家多個(gè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)紛紛與國際接軌，越來越強(qiáng)調(diào)封頭成形中要用最小厚度來保證制造質(zhì)量。其中，《壓力容器封頭》(GB/T25198-2010)中規(guī)定“根據(jù)制造工藝確定封頭的投料厚度，以確保封頭的成品最小厚度不小于設(shè)計(jì)要求的成形厚度”[7]，《壓力容器》(GB150.4-2011)規(guī)定“制造單位應(yīng)根據(jù)制造工藝確定加工余量，以確保設(shè)計(jì)受壓元件成形后的實(shí)際厚度不小于設(shè)計(jì)圖樣標(biāo)注的最小成形厚度”。兩套新標(biāo)準(zhǔn)均使用“不小于最小成形厚度”代替“最小厚度不小于名義厚度減鋼板負(fù)偏差”的表述[8]。相關(guān)學(xué)者針對(duì)GB150的規(guī)定內(nèi)容，用公式擬合的方式提出了一種由封頭材料的許用應(yīng)力與計(jì)算壓力來確定封頭有效厚度是否按內(nèi)徑0.15%取值的方法。即利用Pg=0.00301[σ]t計(jì)算出判斷壓力，當(dāng)計(jì)算壓力小于判斷壓力時(shí)，封頭有效厚度按照內(nèi)徑的0.15%得出，這為更加合理地確定最小厚度提供了新方法。

3 超聲測厚在封頭質(zhì)量控制中的應(yīng)用

目前，容器封頭厚度測量多采用超聲測厚儀或超聲波探傷儀等設(shè)備。超聲波測厚是利用超聲波儀器進(jìn)行材料厚度測量的一種方法。測量時(shí)探頭發(fā)射的超聲波信號(hào)穿過被測物體到達(dá)材料分界面或材料另一表面后被反射回探頭，設(shè)備能較精確測量波在材料中傳播的時(shí)間并換算成被測材料的厚度。凡能使超聲波以一恒定速度在其內(nèi)部傳播的材料，均可采用超聲波原理進(jìn)行測量[9]。針對(duì)壓力容器制造及其質(zhì)量控制工作中，經(jīng)常使用該法對(duì)各類封頭進(jìn)行厚度測量和質(zhì)量監(jiān)測的情況，我們將超聲波測厚技術(shù)在三類典型封頭測量工作中進(jìn)行工程實(shí)踐應(yīng)用，并對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行分析研究，確定不同形制封頭的重點(diǎn)厚度控制區(qū)和質(zhì)量監(jiān)測區(qū)，為封頭質(zhì)量控制提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3.1 典型封頭的超聲波測厚案例

這里選取了半球形封頭、橢圓封頭、蝶形封頭等三種類型封頭的測量結(jié)果。檢測設(shè)備采用CTS-1010超聲波探傷儀，2.5P14單晶直探頭，統(tǒng)一按照母材完好部位進(jìn)行聲速調(diào)校，測量時(shí)都按照通用技術(shù)要求，各選取了17個(gè)點(diǎn)，其中1點(diǎn)為頂點(diǎn)，其余以頂點(diǎn)為中心沿4條相互垂直的母線依次測4點(diǎn)。測試點(diǎn)部位分布與封頭的超聲波探傷儀測厚如圖2、3所示。

圖2 三種封頭測厚點(diǎn)徑向布局情況

【案例1】反應(yīng)器碟形封頭：結(jié)果表明，頂部及其周邊大部分面積區(qū)域?yàn)榇笃矫鎱^(qū)，厚度穩(wěn)定，靠近封頭外邊緣的R區(qū)(4區(qū))有明顯減薄，且厚度從中心0～4點(diǎn)依次緩慢過度趨薄。中心厚度為36 mm。厚度變化情況見圖4。

圖3 封頭的超聲波探傷儀測厚

圖4 碟形封頭厚度變化趨勢

【案例2】反應(yīng)器橢圓封頭：結(jié)果表明，頂部0～3區(qū)域有一定程度的減薄，R區(qū)外側(cè)直邊附近厚度有所增加，其他區(qū)域厚度沒有明顯減薄，且厚度從中心0點(diǎn)～4點(diǎn)依次緩慢過度趨厚。中心厚度為28.9 mm。厚度變化情況見圖5。

圖5 橢圓封頭厚度變化趨勢

【案例3】換熱器球形封頭：結(jié)果表明，封頭外緣至中心0點(diǎn)的各個(gè)區(qū)域厚度都減薄明顯，且厚度從中心0～4點(diǎn)依次明顯過度趨厚。中心厚度為46 mm。厚度變化情況見圖6。

圖6 球形封頭厚度變化趨勢

3.2 測量結(jié)果分析

從以上三類典型封頭的測厚實(shí)例來看，最小厚度都滿足各自要求。究其原因，減薄情況是金屬材料力學(xué)性能、工藝性能及設(shè)備條件的綜合體現(xiàn)，形變狀態(tài)整體趨勢呈現(xiàn)出顯著的規(guī)律性：①從圖4、5、6的A圖來看，球形封頭的1點(diǎn)區(qū)為最大變形區(qū)，橢圓封頭的0點(diǎn)區(qū)為最大變形區(qū)，蝶形封頭的4點(diǎn)區(qū)為最大變形區(qū)。說明在封頭成型過程中，橢圓封頭頂點(diǎn)部位塑性變形最大，區(qū)域金屬材料流動(dòng)性最強(qiáng)，減薄量也大，是容易發(fā)生變形缺陷和厚度不足的重點(diǎn)部位；球形封頭的近中心區(qū)域的環(huán)形面區(qū)域塑性變形最大，區(qū)域金屬材料流動(dòng)性最強(qiáng)，減薄量也大，是容易發(fā)生變形缺陷和厚度不足的重點(diǎn)部位；蝶形封頭近邊緣區(qū)域的環(huán)形面區(qū)域塑性變形最大，區(qū)域金屬材料流動(dòng)性最強(qiáng)，減薄量也大，是容易發(fā)生變形缺陷和厚度不足的重點(diǎn)部位；②從圖4、5、6的B圖來看，若略去檢測人員測試點(diǎn)選定誤差，周向厚度變化情況能直接反映封頭加工過程的周向受力均勻程度。然而，由于人為因素導(dǎo)致測厚位置同心度誤差引起的厚度變化還是較為明顯，如果對(duì)結(jié)果認(rèn)識(shí)不足或處理不當(dāng)，可能會(huì)引起重點(diǎn)區(qū)域厚誤判。但總體而言，各自周向四點(diǎn)的平均厚度變化規(guī)律基本一致；③從中心0點(diǎn)～4點(diǎn)區(qū)域，橢圓封頭和球形封頭厚度依次趨厚，而蝶形封頭厚度依次趨薄，反映出在封頭成型過程中，材料受拉、受壓部位力學(xué)分布和形變規(guī)律?？傊陨蠀^(qū)域，應(yīng)作為封頭測厚、表面缺陷和內(nèi)部分層等缺陷檢測和質(zhì)量控制的重點(diǎn)區(qū)域，需引起設(shè)計(jì)、工藝、檢測、監(jiān)督等人員的高度關(guān)注。

4 結(jié)論及建議

由以上分析測量結(jié)果，我們提出以下結(jié)論和工藝改進(jìn)措施。

(1)超聲測厚法可較準(zhǔn)確地測定三種典型封頭的厚度，特別是能有效鎖定封頭薄弱區(qū)，便于在厚度測量和相關(guān)缺陷探傷時(shí)予以重點(diǎn)檢測。典型案例分析表明，球形封頭的1點(diǎn)區(qū)、橢圓封頭的0點(diǎn)區(qū)、蝶形封頭的4點(diǎn)區(qū)是該類封頭的重點(diǎn)檢測區(qū)和質(zhì)量控制部位。

(2)環(huán)向各測量點(diǎn)是否在同心圓上，雖不直接影響結(jié)果的徑向變化趨勢，但其位置因素差異是影響測厚有效性重要影響因素，建議檢測人員在檢測點(diǎn)周向控制方面，要嚴(yán)格控制4個(gè)檢測點(diǎn)的共圓，使得同一受力維度封頭厚度檢測的準(zhǔn)確性。

(3)通過大量產(chǎn)品封頭測厚數(shù)據(jù)分析，表明各點(diǎn)測厚和數(shù)據(jù)記錄的順序，是反映區(qū)域厚度的變化趨勢及質(zhì)量信息的重要因素，特別是規(guī)律有序的徑向測厚和記錄順序，利于質(zhì)量信息和加工工藝的追溯，建議制造單位和檢測部門增加關(guān)于測厚順序和數(shù)據(jù)記錄的工藝條款，并督促檢測人員嚴(yán)格按工藝進(jìn)行測量和記錄。