不銹鋼壓力容器封頭研究

引言壓力容器封頭是壓力容器的主要受壓元件之一，奧氏體不銹鋼是制造壓力容器封頭的優(yōu)質(zhì)材料。但從近年的制造和使用情況來看，奧氏體不銹鋼封頭產(chǎn)品產(chǎn)生了裂紋、鼓包、過燒、折皺、減薄超標(biāo)、劃傷、拉裂、凹坑等缺陷。為了減少缺陷的產(chǎn)生，有必要對(duì)其產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并提出控制缺陷產(chǎn)生的主要措施，對(duì)能修復(fù)的缺陷制定合理的返修工藝。1奧氏體不銹鋼封頭缺陷及原因分析奧氏體不銹鋼封頭的加工成形過程包括材料驗(yàn)收、表面處理、校平、劃線、切割、焊接、焊高修磨、壓制成型、無損檢測(cè)、熱處理、切邊等工序。但是，在加工過程中，材料、厚度、加工工藝的變化以及工人操作的熟練程度都有可能產(chǎn)生各種缺陷。從各工序的檢驗(yàn)情況對(duì)封頭缺陷及原因分析如下。1.1裂紋缺陷及產(chǎn)生原因分析奧氏體不銹鋼封頭產(chǎn)生的裂紋原因主要有以下幾個(gè)方面：一是封頭翻直邊過程中引起加工硬化，產(chǎn)生第三種殘余應(yīng)力，直邊段內(nèi)表面承受較大的拉應(yīng)力產(chǎn)生宏觀內(nèi)應(yīng)力，翻直邊過程中冷旋壓工藝的旋壓速度過快、旋壓施加的壓力過高以及冷沖壓工藝的沖壓速度過快、上下模間隙控制不當(dāng)都有可能產(chǎn)生裂紋；二是端口裂紋的產(chǎn)生主要是由于坯料切割過程中，切割面不平整，在壓制過程中，產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成的；三是焊縫熱影響區(qū)熔合線晶粒粗大，受外力作用產(chǎn)生裂紋，另外，焊縫咬邊的部位在封頭壓鼓和沖壓過程中應(yīng)力集中，也會(huì)沿熔合線形成裂紋。1.2鼓包缺陷及產(chǎn)生原因分析封頭鼓包是指封頭表面局部區(qū)域向外凸起變形，一般是在熱成形工藝中產(chǎn)生。原因分析：一是拉伸中圓滑過渡區(qū)受到切向壓縮應(yīng)力的作用，使板材失穩(wěn)產(chǎn)生鼓包；二是封頭坯料的受熱不均勻，導(dǎo)致金屬不均勻變形增大，從而產(chǎn)生鼓包。1.3過燒缺陷及產(chǎn)生原因分析過燒指封頭熱成形時(shí)局部加熱溫度超過始?jí)簻囟龋a(chǎn)生的板材燒損現(xiàn)象。在熱成形工藝中，因加熱爐溫度場(chǎng)不均，容易導(dǎo)致封頭局部過燒。使用煤爐、焦炭爐加熱時(shí)，爐內(nèi)溫度不易控制，過燒現(xiàn)象常有發(fā)生，因此對(duì)于不銹鋼封頭不應(yīng)采用焦炭和煤加熱爐加熱。對(duì)于碳鋼封頭，標(biāo)準(zhǔn)雖未作出規(guī)定，但也不宜采用煤爐、焦炭爐加熱。1.4減薄超標(biāo)缺陷及產(chǎn)生原因分析對(duì)于沖壓封頭，封頭底部受到模具壓力和摩擦力，壁厚減薄最??；直邊段上部受到壓邊圈的壓應(yīng)力大于圓滑過渡區(qū)延伸的拉應(yīng)力，厚度增加；圓滑過渡區(qū)在拉伸應(yīng)力和模具壓力共同作用下，壁厚減薄最大。對(duì)于旋壓封頭，壓鼓過程中，坯料受到壓鼓頭的不斷捶打，減薄量比沖壓封頭更大，壁厚均勻性較差。只要工藝控制得當(dāng)，工藝減薄是可控的。出現(xiàn)減薄超標(biāo)的主要原因有：一是壓邊圈壓力過大，坯料拉伸自由度??；二是坯料和模具光潔度差、潤滑劑效果不佳，造成坯料拉伸阻力大，拉伸效果差；三是壓鼓工藝控制不好導(dǎo)致壁厚減薄不均。1.5劃傷缺陷及產(chǎn)生原因分析封頭劃傷是封頭加工過程中產(chǎn)生表面損傷缺陷，內(nèi)外表面都可能出現(xiàn)劃傷現(xiàn)象。劃傷產(chǎn)生的主要原因是：一是模具表面不夠圓滑，有尖銳缺損；二是熱壓時(shí)，坯料表面形成較厚的氧化層，壓制過程中脫落造成劃傷；三是轉(zhuǎn)運(yùn)過程中不當(dāng)操作也會(huì)引起外表面劃傷。1.6拉裂缺陷及產(chǎn)生原因分析拉裂是拉伸力超過材料的強(qiáng)度極限導(dǎo)致開裂。產(chǎn)生拉裂的原因有：一是材料延伸率低，硫磷含量超標(biāo)；二是壓邊圈的壓力過大，沖壓時(shí)造成將毛坯拉裂；三是潤滑效果差，模具與坯料間摩擦力不均造成封頭的拉裂；四是沖壓時(shí)模具行程過快，旋壓翻邊時(shí)旋壓速度過快，圓滑過渡區(qū)已造成橫向拉裂。1.7凹坑缺陷及產(chǎn)生原因分析凹坑是封頭加工過程中形成的局部或整周凹陷。產(chǎn)生凹坑主要原因是：一是模具位置不正。沖壓工藝中，模具如果偏心，兩邊間隙大小不一，間隙小的一側(cè)，坯料不易被壓下，模具運(yùn)行到該部位被卡，強(qiáng)行下壓，就會(huì)導(dǎo)致該側(cè)局部嚴(yán)重減薄形成凹坑；二是旋壓時(shí)，壓鼓工藝不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致凹坑產(chǎn)生，特別是薄壁封頭，封頭變形量大，鼓頭捶打不均就有可能導(dǎo)致局部凹坑。2不銹鋼壓力容器封頭缺陷的預(yù)防措施不銹鋼壓力容器封頭壓制過程中，受力復(fù)雜，容易產(chǎn)生各種各樣的缺陷。根據(jù)不同缺陷形成的原因，做好相應(yīng)的預(yù)防措施，是保證封頭質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。2.1裂紋缺陷的預(yù)防措施針對(duì)不銹鋼壓力容器封頭裂紋產(chǎn)生的不同情況采取不同的措施，直邊段裂紋主要通過旋邊速度和壓力、沖壓速度來控制；嚴(yán)格控制切割工藝，坯料邊緣打磨光滑防止端口裂紋產(chǎn)生；焊縫及熱影響區(qū)裂紋，要嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)、減慢冷卻速度、適當(dāng)提高焊縫形狀系數(shù)、盡可能采用小電流多層多道焊，以避免焊縫中心產(chǎn)生裂紋，防止咬邊，控制焊高，對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行合理的熱處理等。2.2鼓包缺陷的預(yù)防措施防止鼓包產(chǎn)生的措施包括：采用二次拉伸工藝，減少殘余應(yīng)力；采用錐面壓邊圈；改善毛坯的加熱質(zhì)量，使坯料受熱均勻。防止過燒產(chǎn)生采取的措施包括：采用溫度場(chǎng)均勻的電爐、氣爐和油爐，爐內(nèi)封頭盡量放在中心位置，電爐的熱電偶、油氣爐的噴嘴布置均勻，對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行定期檢測(cè)。防止折皺的產(chǎn)生要采取以下措施：加裝壓力圈，特別是自制封頭的壓力容器廠，缺乏專業(yè)設(shè)備；控制好上下模間隙；控制好加工工藝，不易成形的材料，可以進(jìn)行多次拉伸成形。2.3減薄超標(biāo)缺陷的預(yù)防措施減薄的控制主要在制造工藝上，整體減薄要考慮配料厚度是否足夠，坯料尺寸能不能確保有足夠的壓邊寬度；對(duì)局部減薄的控制要確保壓鼓工藝正確性及工人操作的熟練。2.4劃傷缺陷的預(yù)防措施為了減少劃傷缺陷，壓制封頭前，應(yīng)將毛坯表面清掃干凈，避免附著硬物在沖壓過程中劃傷表面；定期對(duì)上下模進(jìn)行清理，減少氧化皮粘附；定期檢查模具有無破損。2.5開裂及凹坑缺陷的預(yù)防措施開裂控制采取的措施有：嚴(yán)格控制材料質(zhì)量，材料的機(jī)械性能、化學(xué)成份、金相組織和工藝性能指標(biāo)符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；工人熟練掌握加工工藝，控制好沖壓速度和壓力，經(jīng)常在上下壓圈的接觸面上涂潤滑油，防止封頭的拉裂。防止凹坑的產(chǎn)生主要是保證上模在壓邊圈中心位置，防止偏心，現(xiàn)場(chǎng)要有測(cè)量工具，切忌靠眼睛估計(jì)。3不銹鋼壓力容器封頭缺陷的修復(fù)措施分析在不銹鋼壓力容器封頭加工過程中，缺陷的產(chǎn)生不可避免，有些缺陷雖然超標(biāo)，但進(jìn)行修復(fù)后對(duì)其安全性能并無太大影響。本著節(jié)能降耗的原則，在確保封頭質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量進(jìn)行修復(fù)。有些缺陷無法進(jìn)行修復(fù)，或者修復(fù)后無法保證封頭的力學(xué)性能，就要進(jìn)行報(bào)廢處理了。裂紋缺陷可通過打磨消除。采用超聲波無損檢測(cè)確定缺陷位置及長(zhǎng)度，然后用砂輪進(jìn)行打磨，先從裂紋兩端開始打磨，把缺欠位置打磨成U形槽，再進(jìn)行表面探傷檢查缺欠是否完全被清除，直到確認(rèn)完全清除，打磨深度超過鋼材厚度5%或2mm時(shí)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊。鼓包缺陷可采取液壓回頂?shù)姆椒ㄟM(jìn)行修復(fù)，但是嚴(yán)重的鼓包變形會(huì)引起封頭各區(qū)域應(yīng)力水平不均，封頭各部分力學(xué)性能不均，不宜修復(fù)。過燒缺陷可能導(dǎo)致金相組織發(fā)生變化，材料力學(xué)性能下降，過熱、過燒、燒毀界定困難，建議封頭進(jìn)行報(bào)廢處理。輕微的折皺可進(jìn)行打磨消除；劃傷和局部凹坑視情況可進(jìn)行打磨補(bǔ)焊；整周凹坑無法進(jìn)行修復(fù)，應(yīng)報(bào)廢處理。4結(jié)論在不銹鋼壓力容器封頭的制造和使用過程中會(huì)產(chǎn)生裂紋、鼓包、過燒、折皺、減薄超標(biāo)、劃傷、拉裂、凹坑等缺陷。從產(chǎn)生的缺陷主要原因，可以歸納為：材料控制不嚴(yán)