超大薄壁椭圆封头正火处理

苑怡，丛轶，曲萍，葛树涛，刘明亮

某国外用户订购的压力容器，其椭圆 封头材料为SA516Gr.70，规格为φ7150mm×25mm，重约12t，坚持要求冷成形后正火。正火存在的主要问题是高温变形难以控制，封头尺寸超出现有热处理设备有效加热区范围。此外正火所需费用和封头材料费用相当，制造成本增加。

1. 热处理方案论证和确定

经过调研，共有3个加热方案可供选择。

（1）用7.5m×7.8m×25m燃气炉加热正火 由于封头尺寸超出燃气炉有效加热区，需将封头垫高至距台车面大于1000mm，以使燃烧器喷出的火焰远离封头，并留出足够空间，使气流均匀流动，使封头能实现均匀加热。同时，由于供气方改变了气源成分，需对加热炉进行测试，确定加热炉的能力能满足1～2只封头加热至正火温度。

（2）外委专业热处理机构进行正火 经招标询价，10个封头热处理服务费需28万元，工期26天。能源费除外，并提供电源，作业场地和起重设备。总费用约需35万元。

（3）自制加热装备 需自行设计制造，需外购部分设备和材料，总费用约需32万元，虽然设备可重复使用，但周期长，不能保证产品交货期。

分析比较3个加热方案，据燃气炉调试结果，现有燃气炉加热正火能满足工艺需要，对工期有保证。根据调试结果估算（每炉加热1只封头）约需33万元。

2. 防变形措施

在3个加热方案中，燃气加热比电加热更易引起变形。燃气加热属对流传热，由于封头直径超出加热炉的有效均温区和炉气流动受阻，再加上金属高温强度急剧下降，易发生蠕变，因此防变形是正火的关键问题。

（1）每炉加热1只封头防变形支撑 用宽50mm、厚30mm钢板按图1焊接防变形支撑，封头端部垫离台车面大于1000mm。

（2）每炉加热2只封头的防变形支撑 为提高效率，降低成本，并能实现均匀加热，采取图2所示2只封头同炉加热正火，上下封头直边相对点固在一起，增大刚度，上下封头在产品接管处预开工艺孔，改善炉气流动的均匀性，保证加热和冷却均匀，用加强圈增加开孔处刚度，防止变形。用支座和垫铁垫离台车面大于1000mm，并在900℃以上承受两个封头的重力。

图1 单个封头正火伞形防变形支撑

图2 双封头正火灯笼形防变形支撑

3. 实际正火效果

正火现场图片见图3，正火加热温度均匀，满足工艺要求。图4为正火后金相组织，铁素体+珠光体，晶粒度7级。试样力学性能见附表。

经济效果分析：10只封头分5炉正火，每炉消耗燃气2020m3，总计消耗10100m3，能源费总计50500元，只有外协费用的1/7（外协总费用约35万元），加上工时和材料费，每只封头正火成本约6000元，且工期得到保证。

4. 存在问题

正火后有两炉下封头做鼓部位变形超标（见图5箭头所指部位）。造成变形超差的原因是支座制造时，封头重力集中于椭圆支座短轴处，接触部位内凸。由于封头是点压做鼓，即使支座不椭圆，也不可能与做鼓部位均匀接触。

5. 两次防变形改进的效果

针对正火时下封头变形超差，进行了两次改进，一是在支座与封头缝隙处加焊垫板，增多支撑点，使重力分散，二是在上下封头直边处增加支柱，使上封头重力分散到支柱上（见图6），虽有改善，但最后一炉下封头变形仍然超差。

6. 修形

由于无专用设备，修形非常困难，只能将两只超差封头外委专业厂家修形（见图7），增加了制造费用，且一般封头厂也很少具备大跨距大行程的修形设备。两只封头外委修形及往返运费总计30000元。

7. 变形分析及改进建议

5只上封头正火均未变形，说明封头的刚度足以承受自重可能引发的高温蠕变。两只相连封头自重达23t，集中于支座上，由于不能与支座均匀接触，重力集中在与支座接触处，材料在900℃以上屈服强度很低，从而造成接触部位变形。支座设计虽满足高温承重需要，但仅置于封头做鼓部位是欠妥的。

支座与封头间加垫板虽能增加接触面积，但垫板与封头和支座相焊，增加了应力和变形。

在封头直边相连处加焊支柱，虽能分担支座承重，但热胀冷缩方向与封头不同，支柱仅上下方向胀缩，封头既上下方向胀缩，又水平方向胀缩，导致支柱弯曲，起不到支撑作用。鉴于以正火封头母材和焊接试板力学性能上分析，建议采用图8所示支撑结构。带托板的支座仅与封头点固，焊接应力小，胀缩方向与封头一致。上下封头的自重分散由托板和封头不同部位承受，可避免封头局部变形。

项目 Rm/MPa Rp0.2 /MPa A（%）母材 555 360 30拼缝487/495 — —

1.垫铁 2.加强圈 3.托板 4.固定板5.上封头 6.下封头 7.支座

8. 结语

超大薄壁封头正火，在国内外都是罕见的，既涉及设备能力、变形控制，又要顾及经济成本，最主要的是保证均匀加热，确保力学性能和金相组织合格。我公司超大薄壁封头正火解决了生产急需，满足了用户要求，经济效果是明显的。