复合钢板压力容器的制造方法

2021-01-22景梦阳张正棠

机械制造 2021年1期

□ 景梦阳 □ 张正棠

甘肃省特种设备检验检测研究院兰州 730050

1 复合钢板概述

所谓复合钢板，指主体材料以某种钢作为基层,用另外一种钢或其它有色金属作为复层的双金属板,通常采用爆炸成型的工艺方法将两种材料复合成型。一般在能满足生产需要的情况下,用户在不锈钢和复合钢板之间往往都会选择复合钢板。复合钢板不仅基层可以满足强度和刚度要求,而且复层也能满足耐腐蚀性的要求,这样在保证技术要求的情况下,可以节约大量金属,降低生产成本[1]。目前,复合钢板在很多行业,如石油、化工、航空、航海、医疗器械等都得到了广泛应用。由于复合钢板不存在固定的规格和型号,因此往往需要外协加工,延长了生产周期。另外,目前复合钢板的制造工艺还不够成熟,复合完后可能存在一定缺陷,影响压力容器的制造质量。笔者根据复合钢板压力容器制造经验,结合所在单位目前正在制造的复合钢板压力容器,对复合钢板压力容器制造工艺及注意事项进行介绍。

2 复合钢板压力容器制造工艺难点

2.1 筒体卷制过程控制

筒体所用复合钢板在卷板机卷制过程中会产生较大的延展量,为了保证筒体卷制完成内径符合要求,需要精确计算下料尺寸。复合钢板在制造过程中对环境要求很高,高于一般碳钢和不锈钢材料的制造环境,因此在制造、转运、卷制、焊接、打磨等环节需要做好对复层的保护。

2.2 错边量控制

一般情况下,在压力容器的生产和制造过程中,焊缝错边会在筒体或封头对接的位置出现[2-3],也会在筒节之间或筒体和封头之间出现[4]。考虑介质的强氧化性和高腐蚀性,用户及设计单位对设备筒节组对错边量要求很严。

根据设计要求,复合钢板筒体纵缝错边量一般不大于0.8～1.5 mm,筒体环缝、筒体与封头环缝错边量一般不大于1.0～1.5 mm[5-7]。

2.3 开孔精确度控制

压力容器直径、壁厚很大,筒体、封头上开的孔较多,为了保证开孔精确度,需要使用软件或工装精确定位开孔轮廓线及坡口加工线。

2.4 焊接过程控制

压力容器的焊接顺序为基层、过渡层、表层,焊接过程中焊接参数控制不严、操作人员熟练水平不高都会导致热裂纹和气孔等缺陷。

3 复合前准备工作

3.1 质量与性能要求

压力容器所用复合钢板,其基层和复层材料选择时一般都根据实际需要确定。对于基层材料,大多选择Q345R钢板,复层材料则多为不锈钢。由于目前与复合钢板相关的标准还较少,用户所使用的复合钢板规格也都各不相同,因此复合钢板并没有形成统一的标准[8]。

所选用的复合钢板应具有符合国家现行标准的质量证明书,并保证复合钢板表面平整,无明显瑕疵。复合钢板不应有妨碍使用的有害外观缺陷,基层和复层的接合面积应占总面积的95%以上,局部未接合面积不得大于50 cm2。对加工时有较大应力或使用时有较大负荷的复合钢板,要求更为严格。如果基层与复层表面的浅平缺陷未能磨掉,那么复层表面的全部缺陷面积总和不得大于复合面积的20%。同时,复层材料的表面质量应与复合方法相适应,厚度均匀,公差应符合规定值。

对于复合钢板的机械性能,其抗拉强度和延伸率原则上应等于或大于基层材料,抗弯试验标准应与相等总厚度的基层材料相同,抗剪强度对任何总厚度小于100 mm的钢板应不小于196 MPa[9-11]。贴合弯曲三个试样中,有两个试样弯曲部分两边不能有50 mm以上的分层现象。

复合钢板在进厂时均应进行超声探伤试验,不得有妨碍使用的有害分层现象。对复合钢板的修补、标记与标记移植等,与一般钢材压力容器的原材料控制相同。

3.2 下料、拼接控制

复合钢板由两种材质不同的板材组成,一般不锈钢复层板材的厚度很薄,板长和板宽都较小,大多数需要拼接。下料及拼接时,一般根据压力容器规格计算封头和筒体展开的实际尺寸。根据多年的制造经验,笔者所在单位技术人员总结出筒体和椭圆形封头、球形封头、球缺形封头的下料尺寸计算方法及所留余量,以方便后续制造。

按照压力容器筒体、封头尺寸,根据投料厚度、材料伸缩性考虑是否留直边,确定筒体、封头实际需要的板材长度L和宽度B。

对于基层板材下料的长度和宽度,最小值分别控制为L+100 mm、B+100 mm,各留100 mm余量。下料时最好将板材宽度圆整至与B+100 mm接近的标准宽度。

为了满足复合工艺的要求,复层下料时长度和宽度应在实际计算的投料长度和宽度上加50 mm,即单边加25 mm。

如果压力容器需要焊接试板,那么下料时还应考虑在长度方向上加试板所需量。

按照实际计算尺寸,对现有的复层板材进行拼接,焊接完成后焊缝应焊透并打磨平整,同时根据要求进行无损检测,保证焊缝无裂纹、气孔、夹杂等缺陷,复合完成的板材应保证平整。

4 筒体排版原则

根据设计图纸及管口方位图,将筒体及接管在计算机辅助设计软件中按1∶1放样,得到接管在筒体及封头上的具体位置。

接管根据大小在放样图上按1∶1进行绘制,接管边缘两侧向外延伸100 mm,确定环焊缝位置。

根据卷板机的卷制能力,确定复合钢板在卷板机上的最大卷制宽度。

根据卷板机的最大卷制宽度、接管在筒体上的位置,以及纵缝、环缝位置确定板材的宽度。

5 复合钢板下料尺寸计算方法

5.1 筒体

筒体复合钢板下料尺寸主要根据筒体复合钢板的宽度和卷板机的卷制能力来确定,目的是保证筒体与封头组合后内平齐。对于均质复合钢板,筒体下料尺寸按照封头中径展开,基本可以保证筒体与封头环缝错边量在允许范围之内。复合钢板筒体和封头板厚不一样时,按照封头中径展开会导致筒体与封头组对时错边量超标。根据经验,筒体复合钢板的厚度不大于40 mm时,板材直径按照筒体中径展开,卷板及校圆时随时测量筒体周长,保证筒体内径符合要求;筒体复合钢板的厚度大于40 mm时,筒体下料尺寸在中径展开的基础上加直边余量,一般为60～200 mm。

5.2 封头

封头由一块正方形钢板冲压成型。

对于椭圆形封头,封头下料尺寸[12-13]为:

L=1.2Di+d

(1)

式中:Di为封头复合钢板中径,即筒体内径加封头壁厚;d为封头冲压成型时的减薄量,一般为2～3 mm。

对于球形封头,封头下料尺寸为:

L=1.42Di+d

(2)

对于球缺形封头,封头下料尺寸为:

L=1.4Di+d

(3)

6 筒体组对控制

6.1 筒体纵缝组对控制

复合钢板在卷板机上卷制完成后,使用专用工具将纵缝错边调整至合适位置,利用引收弧板对纵缝两边进行点焊固定,如图1所示。

▲图1 引收弧板点焊固定

6.2 圆度控制

为了保证筒节端口圆度在标准范围内,在经过卷板机卷制、焊接、无损检测合格后,将筒节放置至卷板机上进行校圆。

测量合格后,将筒节从卷板机上取下。对于大直径薄壁筒节,校圆后为了防止变形,在筒节内部安装支撑,如图2所示。

▲图2 筒节内部安装支撑

7 焊接

7.1 焊接方法

复合钢板通常采用的焊接方法有手工电弧焊、埋弧自动焊、二氧化碳气体保护焊等,根据具体材质、板料厚度、坡口形状来确定焊接方法。焊接时,一般从外侧基层开始,基层焊接完成以后焊接过渡层,最后焊接表层。

7.2 预热

为了防止厚壁筒体焊接过程中产生裂纹,在进行基层焊接前对筒体进行预热,并根据实际需要制作筒体预热工装,如图3所示。图3中,R0为分度圆半径。

▲图3 筒体预热工装

8 焊缝检测

复合钢板焊缝无损检测一般有两种方法。一种是基层、过渡层、表层全部焊接完成后,根据设计文件要求进行检测。另一种是基层焊缝焊接完成后,按照设计要求先进行检测,检测合格后进行过渡层和表层焊接,焊接完成后再对表层进行检测。根据不锈钢的焊接性能,可选择不同的检测方法。对于马氏体不锈钢,焊接性能差,焊接工艺控制不佳,很容易产生裂纹,一般选择第一种检测方法[14]。