大直径厚壁球形封头的制造

摘 要：简要介绍大直径厚壁球形封头的压制和组焊的加工方法，总结了有关的制造工艺。

关键词：厚壁球形封头;制造;焊接;防变形

近年来随着制造技术的发展，大型设备广泛应用，封头的公称直径也越来越大，球形封头在厚壁容器中的应用逐渐增多。我厂为宁夏宝丰能源集团有限公司制造一台甲醇合成塔设备，该设备重量达到340吨，筒体直径为4000mm，筒体厚度达到80mm，是20万吨/ 年甲醇工程项目的核心设备，而其上的球形封头为主要受压元件，其高质量的制造对于设备安全稳定的运行起着至关重要的作用。该封头是我厂首次制造的直径最大和最厚的球形封头。为此，我厂将大直径厚壁球形封头的制造作为一项重要的技术课题。

1、主要参数和制造要求

半球形封头的尺寸为SR2008mm，δ=69mm，材料为15CrMoR，封头无直段。材料15CrMoR钢板的P、S含量分别为P≤0.025%，S≤0.010%。

主要制造技术要求：

（1）     用弦长2 米的检验样板检查瓣片的曲率允许间隙e≤3mm。

（2）     瓣片组对错边量b不应大于钢板名义厚度的1/4，且不大于3mm。

（3）     封头的外圆周长公差为-12～+18mm。

甲醇合成塔的球形封头直径为φ4000mm，由于直径较大，我们采用瓣片成型方法。制造主要分为下料与压形、放样划线与净料切割、封头组对、焊接、热处理、无损检测。

2、下料与压形

封头采用尺寸相同左右对称的6 片瓜形瓣片和φ1740mm中心顶圆板组焊而成。瓣片成形的封头坯料尺寸与整体成形的封头坯料尺寸计算方法不同，其号料样板的计算和制作可用坐标法或放大样法。为防止损伤模具和母材，切割后要把瓣片坯料周边的熔渣打磨干净。

因球形封头瓣片的曲率一致，而且瓣片成形中的变形量较小，所以封头瓣片采用了冷成形。采用点压冷成形法，可以大大降低成本，效率可以提高，而且成形和外观质量较好。首先，压制模具的曲率要合适，应考虑钢板冷压后的回弹量。在实际压制中，我们把压制模具曲率适当加大，根据制造厂多年压制封头的经验参数，钢板的回弹量E一般应控制在球体名义半径R的15%-19%。这样用此模具压制的瓣片成形后封头曲率能符合设计要求。

其次，封头瓣片压制的顺序应由坯料的一端开始，依次横向排列压形，采用S方向顺序压制，相邻间的受压面要互相搭接。这个搭接面沿压制顺序方向尽量保持一致，以使其曲面均匀。

瓣片的压制过程是一个边压制边校形的过程，初压时宽度方向的曲率带比别的方向要小，压时要注意在压形胎间适当加垫板予以校正。这样经几次压制和局部调整，对瓣片的曲率进行校正，压形中要不断用曲率样板检查压制质量，开始用检验样板测量，直到曲率合格为止，检验样板与瓣片间隙≤3mm。

3、放样划线与净料切割

对压形合格的封头瓣片采用薄铁皮制成的柔性净料样板净料划线，按照划线用氧乙炔切割机加工瓣片和中心顶圆板，先净封头瓣片的两条纵边，所有瓜瓣片组对点焊成一体后，再净瓜瓣片与封头顶圆板相接的小端。切割时需预留2mm的组对修磨余量。在制作放样样板时，要充分考虑了外圆周长的误差的不确定性。图纸要求球形封头大端口距离中心线为180mm，在制作样板时我们把一这距离缩小到了150mm，这样就能在不超出封头深度公差范围内，瓜瓣片与顶圆板组对所有焊道焊完后，再对封头的大端口进行切割净料。

4、封头组对

在钢平台上划出组装基准圆线，并在基准圆线内外侧每个瓣片点两对定位板，然后在基准圆内安放好组对胎具。按编号把所有瓣片预组装，使瓣片固定，经调整并修磨后组对并点焊成一体，再按顶圆板上标记的位置和角度将顶圆板与各瓣片组对，点焊固定。顶圆板与瓣片间的间隙为均匀的2mm左右，从而能保证好下一步的焊接质量。

5、焊接

封头瓣片的组对焊接应在组焊胎具上进行，组对后用固定块和卡具整体固定。焊接施工前，我们根据工艺设计要求和材质的特殊性做完备的焊接工艺评定，确定使用的的焊材、焊接工艺参数、预后热温度以及焊工资格。

焊接材料选用R307焊条，焊工资格为SMAW-Ⅱ-3G-12-F3J，焊接电压22-24V，打底层焊接电流100-120A，填充盖面层电流140-160A。

施焊前坡口表面及两侧50mm范围内除油锈，打磨到呈现金属光泽为止。在焊接、点焊及碳弧气刨清根等工作前，均应进行预热，预热温度为150～250℃，预热范围是坡口两侧各≥150mm。焊接层间温度为200℃-250℃，后热温度为300℃-350℃，同时，焊后要立即用石棉毡裹住焊缝，保温缓冷1h以上。焊接封头的点焊应均匀、牢固，不能出现焊点崩裂现象。

6、防止焊接变形措施

由于球形封头厚度大、焊缝长，焊接量很大，很容易产生变形。所以我们为防止焊接变形，采取如下措施：

（1）     采用多人对称方向施焊。首先焊接顶圆板与各瓣片的对接焊缝，然后焊接各瓣片之间的对接焊缝，各瓣片之间的焊接从底部向顶部进行，焊接要对称操作，焊完一條焊缝后，施焊与其相对的焊缝，然后再错开焊缝焊接，以减少焊接变形。

（2）     封头材料厚度达到69mm，如采用单面坡口会大大增加焊接工作量，并会产出较高线能量集中。为尽量减少焊接变形，封头的焊缝采用X坡口。

（3）     封头在焊接外坡口焊缝时，需在如图3 所示的支撑上进行。在焊接内坡口焊缝时，球形封头要翻转焊接，需放在弧度与封头相一致的焊接胎具上且封头外壁与胎具充分接触。

7、热处理

所有焊缝焊接完成后在热处理炉内需做整体热处理，采用电加热方式，热处理曲线如图1。

8、焊缝无损检测

焊接完成后对焊缝进行100%射线检测，按JB/T4730-2005Ⅱ合格。所有焊缝和拆除吊耳、组对刀把的打磨处进行磁粉或渗透检测，执行JB4730—2005，I级合格。封头热处理后，每条焊缝进行20%超声复验，按JB4730—2005，I级合格。

7、结束语

（1）     通过严格控制瓣片的压制曲率保证了几何尺寸符合要求。

（2）     采用合理的焊接方法、焊接预后热温度，并采取相应的防变形措施能保证球形封头的整体成型质量。

（3）     该球形封头的制造成功，运用的工艺得当，使我厂在大直径厚壁球形封头的制造上积累了较多的经验，为今后在大直径球形封头制造和发展奠定了良好的基础。

作者简介：

王立平（1979-），男，汉族，黑龙江望奎人，本科学历，黑龙江省大庆职业学院机电工程系焊接技术及自动化专业教师，研究方向：焊接结构生产与质量检测，压力容器制造与检验。