复合不锈钢材料的压力容器制造与设计的质量控制

（抚顺石油机械有限责任公司，辽宁 抚顺 113004）

摘　要：因为压力容器所处的环境具有多样性,所以对制造与设计的质量有着非常高的技术要求。作为制造压力容器的企业，最终的追求就是要能制造出符合设计要求和国家规程、标准的产品。本文以变换器脱硫塔的制造为实例,论述了使用不锈钢复合板为材料,如何控制和提高压力容器的制造质量。

关键词：复合板；不锈钢；压力容器；质量控制 

引 言

不锈钢复合板是利用如热轧成形、爆炸成形等一定的方式，把低合金钢与碳素钢或不锈钢板结合成一个整体，通常把低合金钢或碳素钢称作基层，而把不锈钢称为复层。因为在设计时，不锈钢复层仅仅用作耐氧化、抗腐蚀，并没有计入到强度计算中，所以一般取复层的厚度为3mm。通常使用爆炸不锈钢复合钢板来作为压力容器的不锈钢复合板，要求基层和复层的结合率达到BZ级板以上。因为在设计和结构上，不锈钢复合板容器和一般的单一材质的压力容器不同，所以本文拟对不锈钢复合板容器的设计和制造过程中的技术关键要点，如无损检测及热处理、焊接接头设计、壳体壁厚的设计等相关问题进行分析，以期对建造不锈钢复合板容器有一定的借鉴作用。

1 设备概况

变换器脱硫塔的筒体是φ2800×(18+2),是Ⅱ类容器,各由一个椭圆形的封头构成了两头。此容器的介质是烤胶液体、变换气, 最高的操作温度是450,最高的工作压力是1.1Mpa,选用的主体材料是Q345R+S32168。设备的制造检验及验收根据GB150-98进行,同时必须要接受《固定式压力容器安全技术监察规程》的监督；根据JB/T4730-2005《承压设备无损检测》对复合钢板进行100%UT检查，对全部复层焊缝进行100%PT检查，对A、B类焊缝进行20%RT检查。

技术要求：①根据劳动部门颁发的《固定式压力容器安全技术监察规程》(2009版)进行监督，②根据SH3524—1999《石油化工钢制塔类容器现场组焊施工工艺标准》、CDl30A3—1984《不锈钢复合钢板焊制压力容器技术条件》和JB/T4710—2005《钢制塔式容器》进行制造，试验及验收；③依据JB／T4730—2005《压力容器无损检测》的要求对设备上的A、B类焊缝进行20％RT检查，Ⅲ级为合格；应对复层焊缝进行100％渗透检查，I级为合格；④不锈钢复层和内件在试验合格后均应进行酸洗钝化处理。

2 筒体成型质量控制

2.1 控制错边量

必须对筒节板的下料尺寸进行严格的控制，因为两对接筒节板的下料尺寸偏大会导致错边量的超标。控制错边量不超标的关键就是使相邻筒节的下料误差小于1.5π。

2.1.1 卷制筒节

应把筒节卷制成略比图样要求小的曲率，同时对板头200mm内变形度的控制要特别注意，再者要使采用卷制，焊接及校圆一次成型的工艺。为了保证筒体的圆度，焊完后就应立即在筒节内使用米字形支撑加固。

复合钢板弯曲或深拉加工时一般应采用冷卷加工,当不得不采用热加工时,必须注意如下几点:加热前应除去油污和附着物;燃料含硫低;加热时间为2 min/mm,且不超过15 mm;加热火焰或固体燃料不得直接接触复层,且温度要分布均匀,以防渗碳;应避免在敏化温度范围(550 ℃～850 ℃)加工,以防产生晶间腐蚀;加热气氛应保持弱氧化性,不得采用还原性;根据不同的复层材料应控制加热温度范围,加工之后最好空冷。

2.1.2 组对筒体

环缝组对是组对筒体的关键,可以使用圆环形径向的找圆装置来确保环缝的错边量不超标。利用固定圈的支撑作用和顶丝把力作用在弧形的顶板上，从而达到全圆周方向顶紧。根据图样筒节的内径曲率制作弧形顶板,每块顶板均可顶紧1/6圆周段的圆弧,而且还能分别灵活调节。

2.2 控制筒节下料的展开尺寸

通常都是根据筒节中径展开计算容器的筒节下料尺寸,但由于复合板容器的错边量有严格的要求,所以我们必须对焊缝的收缩量、焊接时的对口间隙及卷制板材时的伸长量等影响因素进行综合的考虑。

2.3 焊接

2.3.1 选择焊接材料

按照母材化学成份和力学性能,根据GB983-85《不锈钢焊条》和GB5117-85《碳钢焊条》分别选择了过渡层、复层及基层的焊条为A302、A132、J507。

2.3.2 选择坡口形式

严格区分开基层和复层,为避免出现未熔合和夹渣缺陷，在复层侧增加了30℃斜角。在基层刨去了0.5—1.0mm,增加了复层厚度,进而为复层和过渡层的焊接质量提供了保障。

2.3.3 产品施焊

应该对焊接顺序进行合理的选择，以控制容器的焊接变形。此外可使用以下办法避免在局部区域形成较多的马氏体组织，从而避免焊接接头韧度的降低:

第一，堆焊过渡层之前,必须打磨平整基层焊缝组织的堆焊面,不能出现凸起和凹槽,必须进行100%PT的渗透检查；

第二，必须根据工艺文件的要求执行焊接电流,在确保焊道熔合的前提下,尽可能加快焊接速度。

第三，焊过渡层时应该采用较小的线能量,以防止基层金属渗入复层而引起焊缝缺陷。

2.3.4 检查焊缝质量

按照图样技术的要求,在堆焊复层的前后均需要进行100%PT检查,须对对接焊缝进行20%RT检查,考虑到不锈钢复合钢板制压力容器结构所具有的特点,在焊接完基层后要先进行20%RT检查,如果发现存在超标缺陷就必须立刻进行返修,待探伤合格后,必须打磨平整复层侧的基层焊接接头表面。待100%PT检查合格后,再对复层和过渡层进行堆焊,完成堆焊后,磨平复层的焊缝表面，且不能低于母材,此外还要进行100%UT检查,以对其贴合度进行检查,最后再进行100%PT检查,这样能够使基层、过渡层和复层严格区分开,方便焊缝返修。

3  焊缝质量受成型缺陷的影响

由于复合板的复层比较薄,如果成型的质量不好,就会导致棱角度和错边量超标,从而给焊缝的质量带来不良的影响:

（1）棱角度导致焊缝的余高超标,造成应力集中,使焊缝的疲劳寿命被降低。本设备要求，对接焊接接头的错边量不能大于1.5mm。

（2）焊接过渡层时,错边量造成的外形突变会在焊接的接头部位产生局部高应力,同时线膨胀系数相对较大,使焊接裂纹产生的可能性加大了。

（3）使焊缝的耐蚀性降低及焊缝接头的强度减弱。

4  无损检测要求

确保压力容器产品安全运行的重要控制手段之一就是无损检测，设计者的重要责任之一就是对无损检测的检测比例和方法进行正确的选择。对于相关标准法规中对无损检测的所做出的各项规定，设计者应该做到非常明确。尤其是对于一些重要的压力容器而言，设计者应按照容器的所用材质以及结构、操作条件等因素来对无损检测的检测比例和方法来进行确定。无损检测的程序和方法对于不锈钢复合板的容器来说显得特别重要。通常可以使用两种方法来进行不锈钢复合板容器的无损检测。

方法一:

(1)对基层的A、B类焊接接头进行射线检测或超声检测，由设计人员来确定合格级别与检测比例，待合格后再焊复层和过渡层；

(2)应对复层的表面进行100%的渗透检测。该方法的缺点是过渡层漏检，容易给产品埋下隐患，优点是返修很方便，可以分别在复层和基层进行返修，特点是能够确保基层满足强度的要求。

它的操作工艺流程是:坡口加工-卷圆-纵焊缝基层焊接-基层射线检测-焊接过渡层-焊接复层-复层表面渗透检测-校圆。

方法二:

(1)完成基层焊接后进行射线检测或超声检测；

(2)待基层检测合格后，进行基层焊缝打磨，完成打磨后在焊缝表面进行磁粉检测，等待合格后再进行过渡层的焊接；

(3)对过渡层的表面进行渗透检测合格后再进行复层的焊接；

(4)最后要对复层的表面进行渗透检测，如果有必要可以再对整个焊缝(含复层、过渡层与基层)进行射线检测。它的优点是能够防止复层和过渡层的漏检问题，使产品的质量在全过程中得到控制，所以很受设计者的青睐；它的缺点是使产品的成本和制造的工序增加了。    

其操作工艺流程是:加工坡口-卷圆-焊接纵焊缝基层-对基层进行射线检测-对基层焊道进行修磨-对基层的表面进行渗透检测-对过渡层进行焊接-对过渡层的表面进行渗透检测-对复层进行焊接-对复层的表面进行渗透检测-(必要时再整体焊缝射线检测)-校圆。

再者，设计者可以按照容器的重要等级和具体情况，针对容器的C、D类焊接接头，确定C、D类焊缝合格级别与表面检测方法。对受压元件和非受压元件(接管、封头、筒体等)相连接的焊接接头，例如支架、吊耳、裙座和筒体或封头的连接，筒体和鞍座垫板的连接等。设计者可以结合容器的重要等级和具体情况，对此类焊接接头的合格级别和表面检测方法进行确定。　

5 热处理要求

由于复合钢板2种金属的热膨胀系数不同,热处理过程中残余应力有可能增大,所以必要时应作消除应力退火;但一般不作。当不得已要进行消除应力退火时,必须按容器的用途采用适当的方法。母材为低碳钢时,其母材厚度≤25 mm时,不需消除应力;当母材厚度﹥25 mm～28 mm时,若预热温度在100 ℃以上就不需消除应力;当母材厚度﹥38 mm时,才进行应力消除。

当不锈钢复合板的基层需要预热时，基层焊接应按基层要求进行预热，但预热的厚度参数应按复合钢板的总厚度考虑。

当基层或复层需要预热时，施焊过渡层焊缝也必须进行预热，过渡层焊缝应按材质预热温度要求较高一种材质选取。

6 结束语

从近两年时间该产品的安全正常使用情况来看,产品的制造质量良好,和设计要求完全符合。作为特种设备,压力容器在各行各业都被广泛的应用,所处的工况不仅复杂而且恶劣。特别是石油化工企业所采用的介质具有特殊性,所以对工艺设备的耐蚀性能有很高的要求。近些年，由于具备低廉的价格、良好的耐蚀性和足够的强度,所以不锈钢复合钢板已经越来越广泛的被应用。

参考文献

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[3] 李波,任洪娥,潘俊萍,尹婧. 多功能试验用木材干燥机的设计研究[J]. 机电产品开发与创新, 2010,(06) . 

       来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第11期  在线投稿  >>