浅析压力容器制造工艺新进展

耿雪峰 鲁红亮 薛小龙

摘要：在工业生产过程中压力容器是不可或缺的一种承压设备，广泛应用于人们的日常生活、科学研究以及工业生产中，经常被应用到有毒、易爆与易燃的工況中，在一定腐蚀介质和温度下，可以破坏设备，甚至令其失效，造成事故。我国是使用压力容器最大的国家，但是由于目前制造能力与技术水平与发达国家存在着较大的差距，今后对压力容器制造工艺的发展至关重要。本文主要分析了压力容器制造特点，压力容器制造工艺，压力容器制造技术发展新方向。

关键词：压力容器;制造工艺;新进展

1.压力容器制造特点

1.1产品结构、参数的多样性

压力容器产品出现了广泛的适用范围，应用不同行业，也会形成不同的用途，因此该产品特点是品种繁多，即便是相同产品，也会由于客户的不同需求，形成不同的产品结构，进一步产生多样化的制造工艺。

1.2有较高的安全性要求

压力容器开始制造，需要遵守很多强制的准则，并且这些规范与准则突出了时效性。由于在高温、高压、真空和腐蚀环境中压力容器长时间运行，其所盛放的介质一般是易燃、易爆、有害物质，因此必须将产品安全放在第一位，在设计产品初期就必须遵守强制性准则。随着不断发展的科学技术，逐渐采用新技术、新工艺、新材料以及新的管理方法，加快了更新准则的速度。

1.3制造过程中存在着许多相似的信息

在统计制造压力容器过程中，发现了很多类似的信息，例如相似的工艺流程，零部件相似的几何形状，相似的产品结构，处理事物相似的过程。利用这些信息，可以有效提升企业的竞争实力。

1.4设计具有较强的专业性

压力容器与通用机械产品不同，在利用软件技术以及设计产品时，不但需要人员掌握科学的计算机技术，更加需要拥有比较完善的设计思路。

2.压力容器制造工艺

2.1制造工艺概述

2.1.1压力容器部件的制造

2.1.1.1压力容器材料

压力容器材料不但会受到很多因素的限制，还需要的丰富经验等。

目前世界各国基本利用Mn-Mo-Ni型低合金高强度钢作为压力容器的材料，其拥有很好的韧性。压力容器材料的一个关键指标是冲击韧性，压力容器的材料需要具备充足的冲击与断裂韧性。为了确保压力容器的质量，在提升材料韧性与抗中子辐照脆化方面各国都做大量工作。

2.1.1.2制造锻件

压力容器整体利用锻焊结构。除了封头部件应用板焊结构之外，其余通常使用锻件。制造大型锻件采用超过200吨级的钢锭材料。在加工钢锭之前应进炉加热，严格控制炉温与保温。在锻造过程中，尤其是环形大型锻件，先通过锻压机把钢锭镦粗、总体锻压，再镦粗，之后，锻件热冲孔，同时在锻压机的芯棒上制造需要的尺寸与形状。锻造钢种温度应当控制在800-1200℃之间。热加工锻件之后，为了避免锻件产生氢致裂纹，通常退火或正火加回火处理锻件，之后调质处理经过粗机械加工的锻件，确保其机械性能。

一般采用单独的锻件作为压力容器的筒体法兰与冷却剂接管段。近些年来，产生了整体锻造筒体法兰与接管补强段的趋势。压力容器筒体一般利用板焊结构，其较多应用于美国与日本。为了方便制造压力容器以及对其实施检查，在设计压力容器过程中，应用了锻造筒体结构。

2.1.1.3制造封头

通常利用板材冲压制造压力容器。一般热成形厚钢板。之后必须对材料实施热处理，并且规定试验机械性能，以便保证实现性能要求。

近些年来，少数国家制造企业开始应用锻件制造封头，通常采取了模锻工艺。这一制造技术，可以利用比较厚的锻件坯料板，也可以利用比较薄并且直径较大的锻件坯料板，通过阴阳模将锻件坯料锻造成形。

2.1.1.4制造压力容器支撑与冷却剂

压力容器的支撑，能够将金属垫板安装在冷却剂接管下方，或者将一个支撑裙焊在底封头上。可以将金属垫板和冷却剂接管锻造成为一个整体。通常情况下，将垫板看作是一个比较大的焊接金属加强体进行处理，这时，应当采取整体的无损检测，并且实行应力消除热处理。

2.1.2压力容器的组装

制造压力容器全部部件之后，就开始整体组装。第一，在各个部件内部表面堆焊不锈钢或者镍基合金等耐腐蚀材料。第二，对接筒体和筒体、筒体和筒体法兰、筒体和底封头等，结束整体组装之后，实现应力消除热处理。第三，安装压力容器的堆芯仪表、控制棒驱动接管。第四，对压力容器抗蚀密封面进行精机械加工。

假如安装压力容器现场受限，仅能采取到安装现场装配制造半组合件的方法。因为压力容器的上下两部分对中精确度要求极高，所以至少一部分需要在安装现场实行机械加工。压力容器能够划分为两个大的半组合件实行运输，那么在安装现场仅需要一条焊接环缝并且热处理局部，如此，就不会对法兰密封区域造成影响。在安装现场制造，还会出现焊接与消除应力热处理之后的尺寸问题。在制造厂内，可以利用热处理全部表面残留的少量加工余量方法有效解决;在安装现场，焊接两个半组合件，焊缝距离公差尺寸应当保证足够远的区域，避免这些区域出现变形。结束压力容器组装工作之后，根据相关要求严格检验不同部位。

2.2制造工艺现状及问题

2.2.1工艺过程中出现了很多重复性工作。例如焊接工艺文件中编制焊接试板工艺，进一步发展为以台代批。

2.2.2编制工艺的复杂性，是指员工自身水平对编制工艺的合理性造成了影响。编制焊接工艺水平直接对焊接质量与焊缝返修数量造成了影响，进一步决定了产品质量的好坏，以及缩短加工产品的时间。

2.2.3重复编制产品或者零部件工艺，造成延长了压力容器产品制造时间。

2.2.4不同工艺之间彼此脱节，阻塞的信息导致产品流通不畅。

2.3制造工艺的特点和作用

在制造压力容器整个过程中形成了制造工艺，对生产产品过程中发挥了指导作用，其任务是转化产品设计中的数据为制造中的相关指令。压力容器制造工艺特点为：

2.3.1压力容器制造过程并不是简单由一个工艺覆盖的，具体包含了焊接、检验、加工工艺等。

2.3.2压力容器制造过程中的重要工艺为焊接工艺。产品的薄弱环节便是焊缝，包含了焊缝的零部件，也就成为生产厂家与客户关心的问题。

2.3.3压力容器生产遵守制造要求。

2.3.4压力容器制造工艺具有开放特点，要求具备可追溯性。

3.压力容器制造技术发展新方向

3.1下料数控化和集约化

压力容器制造的第一道工序是下料，虽然工作简单，但是具有较大影响。它不仅与容器成形尺寸关系密切，还与制造进度、材料成本甚至产品质量形成了直接联系。尤其是大型化容器之后，利用材料效率以及后续的加工量成为制造设备成本的主要因素。从前，由于手工下料尺寸缺乏标准、浪费余料较大、速度缓慢，导致其在制造中成为绊脚工序。特别是利用材料效率低下，成本消耗高。近些年来，由于大量应用高效、自动化的下料设备，迅速提高了利用材料效率，并且促使切口表面光滑、平整，不需要打磨就能组对焊接，有效节省了后续加工成本。因此，不管是从节省成本、加快制造速度，还是从工人减轻工作强度、减少环境污染考虑，应用推广自动化、电脑化切割下料设备是压力容器制造技术今后的主要发展方向。诚然，对于一些规模较大的工程，由于切割板材规模很大，数控大型切割机工作量日趋饱和，可以获得可观的经济效益;但是对于一些规模不大的小厂，下料工作量并不大，采用数控切割机就不划算。那么下料配送和专业封头制造厂就成为压力容器专业生产分工的关键角色。目前已经出现了这样的行业，应当推动其发展。当前市场上下料切割费用大概是16-20元/m，通常一台数控等离子切割机的速度是3.6m/min，可以实现14000元的产值。每年按照200天工作计算，除去人工、水电等成本，可以获得160万元的毛利润。不超过1年可以收回设备的投资，因此，专业切割下料公司的前途十分广阔。

图1激光切割机

3.2形成因地制宜和节能化

压力容器拥有各种形式，但是基本上包含了壳体、封头、管件、管板、紧固件等。需要专业的技术设备使它們成形或者加工。各个厂家由于具备不同的设备条件，也形成了不同的成形加工方法。我国地域广阔，相对资源贫乏，怎样对各种资源有效应用，在尽量节省资源的基础上，因地制宜的发展各类需求的压力容器成形技术。

3.2.1筒体成形

结构设计决定了筒体的形状，其还与厂家的设备条件相关。接下来从不同结构形式对其实施分析。

锻焊结构：锻焊大型结构已经实现了超过300t的筒节，壁厚达到了450mm，需要超过500t级的钢锭实行锻制。假如利用传统技术，钢锭-去冒口-钻孔-锻造扩孔-成型的方法，不仅降低了利用材料效率，还不能实现现有的设备，所以必须采取中空铸锭技术。由于大型筒节锻造需要万吨级别的锻造水压机、重型起重设备等，我国目前拥有以上条件的厂家还不多。但是我国正处在经济迅速发展时期，建设石油工业与煤气化装置需要很多重厚型的压力容器锻件，仅仅依靠这些工厂还无法满足需求。

图2万吨水压机实行后壁筒节制造

锻造需要大小消耗能源，我国又是一个能源缺乏的国家，除了依靠自身能源之外，从国外直接进口锻件或者加工好的筒节，让一些大型压力容器制造厂实行重厚型压力容器的制造，也不失为一种很好的选择。近些年来，一些厂家已经积累了一些进口外国大型筒节制造压力容器的成功经验。国外一些生产大型钢锭的工程，也拥有中空浇铸技术，这也是铸造特大型容器的必备条件，对其资源价值的有效利用值得深入探讨。

热套结构：这一方法可以不采用大型卷板机，将一种制造后壁容器的方法提供给中小型压力容器制造厂。联系需要确定套合层数，最多可以设计四层，各个层次采用不同的材料，每层板厚达到了50-75mm或者更厚。在我国很多制造厂都已经掌握了热套技术，只要设备条件与设计水平达到要求就行，几乎不会限制结构尺寸与重量。

同心包扎结构或者绕板结构：我国目前最大的同心包扎机可以包扎4000mm的最大外径。假如有需求，还可以设计更大的包扎机。多层包扎由于具有较大工作强度，效率不高，比单层卷焊的制造成本也高，但是在一些特殊环境下，例如耐腐蚀衬里的高压容器、现场制造后壁容器中将体现其优势。尤其是成功研制的层板同心包扎环焊缝轴向错开连续包扎技术之后，缩减了深环焊缝，加强了安全性能，还提升了制造深度，节省了成本。仅包扎装置对这一结构总厚度进行了限制，在我国还有一定的发展前景。今后，应当加大力度研究高温应用场合的功能理论和更新实践工艺装备，促使其更大发挥作用。

图3缠绕多层式筒体包扎

图4卡钳式多层式筒体包扎机

图5无环深焊缝多层包扎式高压容器

卷焊结构：这也是各种压力容器制造普遍使用的技术。它的主要设备就是卷板机或者压弯机，其能力通常作为压力容器制造能力的标志。国外可以弯压厚板350mm级。容器重量一般为50-600t。我国最大卷板机基本上可以达到焊接厚板结构压力容器的要求。因为当前我国还不能供应超过250mm厚的压力容器，还需要进口特厚钢板，倒不如采取更经济的方法直接进口厚壁筒节，一些大厂已经采取了从国外进口厚壁容器筒节的方法，进一步对制造大型厚壁容器问题很好进行了解决，并且得到了极好的效果。从节省能源方面考虑，卷焊筒节应当尽可能利用冷卷成形，不能利用热成形。

3.2.2封头成形

在压力容器这种不定型、非批量生产产品中封头是少有的几种可以实行标准化、系列化的生产零件。因此，它需要具备专业化和集约化的技术。封头成形可以划分为模压与旋压成形两种。通常中型压力容器厂都拥有自己的水压机或者油压机，有些厂还拥有封头旋压机。假如对外不提供封头或者承担制造球形容器的话，这些设备不会满负荷运作，极大浪费了资源。专业化的封头厂按照市场原则积极制造各种规格的封头，促使容器制造厂能够并行操作，有效提升了制造效率。

3.2.3板式换热器的板片压制成形

板式换热器单片面积超过2m2，需要超过2万t的压力油压机实施板片成形。我国目前成功研制了超过1m2的板片，并且供不应求，但是依然进口超过2m2的板片。今后需要着重发展这一高附加值的产品。

3.2.4其它成形技术

由于传统成形技术的限制，其技术经济指标为：最小厚度和直径的比例是8/1000，不能制造超薄球形壳体;制造椭球等曲率有变化的容器十分困难，因为需要不同模具压制不同曲率分片，加大了投资成本。大型封闭壳体内压成形技术，打破了传统技术的限制，彻底解决了依赖大型压力机与大型模具的问题，已经得到球形、椭球形容器和弯头、壳体的有效成形方法。通过研究，在理论与实践方面这一技术不断成熟，实现了制造超薄球形容器的目标。

3.3加工专业化

需要机械加工压力容器零部件具体包括后壁筒体、封头焊接坡口与开孔、法兰、密封盖、接管等。我国压力容器制造厂已经拥有对应的加工设施，可以达到制造核电反应器外壳、煤液化反应器等加工大型压力容器的要求。但是当前很多制造厂加工难题是连接接管与筒体的马鞍型结构开孔以及球形封头斜插管等，必须要求高精度的数控镗铣床或者专业设备才可以解决，如果可以在这方面加强专业化加工协作，势必有效提升利用设备效率。

大型列管式换热器与管壳式反应器的大型管板直径超过6m，形成了大量的管孔，加工管板钻孔直接影响了制造设备的质量与进度。传统加工方法无法达到更高的进度与效率要求。龙门式平面钻床能够在一部机床上完成上述工作，不需要转工序，降低了工人的劳动强度，提升了管孔质量。

3.4焊接机械化和智能化

3.4.1将窄间隙自动焊大量推广应用到焊接厚壁容器中，条件允许的情况下还能够利用电子束焊，以便节约焊接金属及减少工作量。

3.4.2积极利用自动马鞍型坡口焊对大型厚壁接管和筒体封头进行焊接，减少人体的体力劳动，完善工作环境。

3.4.3将自动氩弧焊除了积极应用于管壳式换热器的焊接中之外，还应当对管板内孔焊的技术与设备积极发展与完善，以便达到高温、高压制造要求。

3.4.4在管子-管板焊接中已经成功应用了激光焊，其优势为速度较快、效率极高、焊接强度高，能够有效延长使用时间，逐渐推广运用。

3.4.5在现场组装或者不能转动工件的场合，要对刚性与柔性焊接小车与焊接机器人积极应用，以便很好代替手工操作，最终完善劳动条件。

随着不断大型化发展的压力容器，现场阻焊特大型压力容器零部件出现了新的发展形势，必须相应改变焊接方式。我们都知道，在车间中焊接生产容器环焊缝一般利用工件旋转、不动焊枪的方式，这一方式可以保证熔池处于平焊位置，形成了良好的焊接条件，有利于确保焊缝质量。但是针对现场组对的不能转动的大型容器，需要采取全位置焊接。从前大部分利用焊条电弧焊对其进行焊接，不仅劳动环境恶劣、效率低下，还无法确保质量。为了对熔池条件有效改善，需要联系电弧运动实际位置不断变化焊接参数，必须利用计算机控制技术。

4.结论

总而言之，压力容器产品与其他机械产品特点不同，为了保证在恶劣环境下安全运行压力容器，迫切需要对其提出很多的限制条件，将焊接质量作为关注重点。为了利用合理措施，实现大批量定制生产压力容器，需要全面了解压力容器，便于更好的符合客户的需求，促使压力容器紧跟全球经济发展步伐，进而提高压力容器應对市场的能力。

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作者简介：耿雪峰（1980-），男，上海，工程师，硕士，长期从事承压特种设备的检验、检测研究工作。