压力容器制造工艺及其质量控制

李健，赵博(青岛中油华东院安全环保有限公司，山东 青岛 266000)

0 引言

目前，压力容器在化工行业被广泛应用，其盛装的化学物质具有一定的温度和压力，一些物质甚至有毒有害，工作环境较复杂。随着我国装备制造业的发展，压力容器的加工制造工艺和水平也得到了大幅提升，其质量技术标准也愈发严格。因此，务必制定合理的控制对策，方可全面提升压力容器的制造质量，最终给化工行业提供质量可靠、安全性高的压力容器，为化工企业维持正常的生产经营活动，及确保行业的安全生产创建更有利的装备保障条件。

1 压力容器制造工艺

1.1 安全性要求

因为压力容器长期处于高温高压、极易被侵蚀与真空等环境中，并且一般都盛放易燃、易爆与有害物质，因此针对压力容器的安全性能有更高的要求。尤其在加工制作过程中，必须要严格按照规范标准操作，这也是压力容器加工制作的强制性准则，以确保相关产品的制作质量。

1.2 压力容器原料选择

压力容器制造的关键步骤为原料的选择，同时也是保证制造质量的重要因素。因此务必全面分析不同原料的化学元素成分，保证不同化学元素符合相关生产要求。对性能不达标的原材料一律不得投入使用，针对不相同原材料应采取最佳的应用方式。现阶段，世界各地会采取Mn-Mo-Ni 型低合金高强度钢来作为压力容器制造的原材料，因其具有较强的冲击韧性，同时能够确保压力容器的制造质量[1]。

1.3 零件加工制作

当压力容器不同部件在制造过程中，除了封头部件需要采取板焊结构外，其余制造环节会选择锻焊结构。尤其在制造大型锻件过程中，率先把钢锭进炉内加热，此阶段则要操控好炉内温度。尤其在锻造过程中，需要参照不同部件的形状特性，利用锻压机、热冲孔、芯棒等设施来进行形状成行处理。尤其在热加工过程中，为了避免裂纹，通常会利用退火或正火加回火来处理，随后针对锻件进行粗机械加工，方可保证锻件良好的机械性能。针对压力容器的筒体，通常会利用板焊结构。

1.4 封头制造

压力容器中的封头通常会采取板材冲压工艺，针对热成形的厚钢板，也需要进行热处理，按照相关技术标准，保证封头的机械性能。目前，部分国家采取了锻件制造封头，利用模锻工艺，既可以使用非常厚的坯料板材，也可使用非常薄的坯料板，通过阴阳模将锻件坯料锻造成型。

1.5 压力容器的组装

当压力容器各个部件制造完成后，就需要将各部件进行组装。压力容器需在制造厂内完成组装，同时针对组装流程中的表面残留的少量加工余量进行热处理，从而保证组装整体质量。首先，需在各个部件内侧外部堆焊不锈钢或镍基合金等抗腐蚀性较强的原材料，随后进行筒体、筒体与筒体法兰、筒体与底封头等部件的对接，等到完全连接之后，采取热处理来排除应力，随后再对压力容器堆芯仪表、控制棒驱动接管，最后对压力容器的抗腐蚀密封面采取精加工处理。如果受到压力容器运行环境的限制，可以到安装现场装配制造半组合件，因为压力容器组装针对各个部件的精确度有较高的要求，所以必须保证绝大部分组装在制造厂内来完成。如果把压力容器组装分成两部分组合件再运输到安装现场，那仅需一条焊接环缝并进行局部热处理就可完成组装，可最大程度的避免法兰密封不严的问题。在安装现场组装时，需要严格控制焊接缝隙的偏差范围，防止发生形状改变等问题。待组装完毕之后，要对整个压力容器的各个部位进行检查，确保组装质量。

2 压力容器的制造特点

2.1 对压力容器安全性能要求高

通常状况下，压力容器在使用过程中，其工作条件较为特殊，具体分为两个方面：一方面，压力容器中气体或液体一般具备易燃、易爆的特性，同时会兼具毒性的特征；另一方面，压力容器在实际使用时所处的工作环境较为恶劣，且绝大多数处于高压、高温及腐蚀性较高的环境中。综上所述，制造质量对压力容器安全性能有较高的要求。在设计、制造、组装与监督检查过程中，必须将相关行业规范与标准作为压力容器制造的关键进行落实。尤其在科学技术水平高速发展的背景下，创新生产技术与制造工艺发展全面推动了国内压力容器领域的技术规范与技术标准获得前所有未有的优化，进一步提升了压力容器的安全性与经济性。

2.2 压力容器的结构多样化

压力容器结构样式各异，其特定样式则受到领域特性的制约，尤其在工业行业中被相关单位普及使用，然而不相同领域针对压力容器的要求完全不相同。根据压力容器在工业制作中的不同作用，把压力容器划分为下述种类：分离压力容器、反应压力容器、储存压力容器与换热容器等。因为压力容器品类多样，尤其在不同工业领域的制造过程中，其内部结构和使用参数多种多样，致使压力容器在制造、使用和管理过程中，在规范体系的统一管理增加了较大的难度[2]。

3 压力容器制造过程中遇到的问题

3.1 工艺过程的控制问题

压力容器在制作过程中，必须按照相关工艺流程贯彻执行，且优先选择符合规定的原材料、加工、制造成型。无论其中哪个步骤出现了违规操作与不符合国家标准的情况，极易导致压力容器一连串的质量问题，最终出现意外事件的概率大大增加。生产过程中没有建立完善的生产流程，操作人员对流程不熟悉，没有质量观念和责任观念，再加上选择了不达标的原材料，操作不规范，生产理念落后，随意操作，在制造过程中出现各种失误，必将造成产品缺陷和质量问题。此外，相关企业无完整的监督与培训机制，人员职责划分含糊不清，易形成不规范操作。

3.2 压力容器变形问题

压力容器因为自身整体结构出现异常，其中一个部件或几个部件大小规格与图形标准不一致，或其部件不符合国家标准而引发变形问题。一种变形主要因为应力而形成，具体包含了火焰切割、加工失稳及其焊接与热处理变形等；一种是因制作中形成了偏差，具体包含了下料误差、成型与组装误差等。有些变形能够快速纠正，还有一些则不可补救，从而导致过度消耗。以钢材举例，其自身硬度较大、耐高温、不易形变，其为制造钢制压力容器的主原料，假设在运送途中出现弯曲与损坏的问题，则在切割过程中就会影响部件精准度，同时影响了压力容器本身的整体质量，导致原材料浪费。压力容器绝大部分采用机械加工，组装过程中也会产生较大强制力，强制力积累极易产生内应力，最终导致变行，严重情况下会出现裂缝。

3.3 焊接后热处理出现问题

压力容器质量取决于压力容器焊接质量的优劣，因此，压力容器制造过程中焊接质量以及焊接后热处理非常重要。焊接后热处理的主要工作需要面临焊接接头及总体结构两方面。这两个方面的工作有一个共同的目标，即将残余应力去除掉，以便于保证焊接位置组织性能的整体性。然而，由于当下压力容器制造过程中，发现了焊接后热处理存在很大的问题。由于生产流程中选择的材料不同，因此，出现了不同金属焊接标准与密度等。

3.4 原材料问题

制造压力容器制造过程中，有时会采用优良的、层级较高的、性能较强的材料替代劣质、层级低、性能差的材料，来提高压力容器的质量和安全性。可是一味地利用优质材料并不意味着任何情况下都可以获得良好的性能，因此用优质材料全部替换性能较差的材料并不是科学合理的。此外，另一现象就是利用规格较厚材料替代规格较薄的材料，目的则是把压力容器强度大幅度提高。可是这样的情况下直接导致了压力容器平面应力状况产生改变，造成原先受力状况发生了不良变化。

4 压力容器制作的质量控制措施

4.1 压力容器原材料质量控制

压力容器制作质量过程中首要环节就是原材料控制，需要保证原材料的质量符合规范要求，方可为后续质量控制工作创造基础条件。对原材料的选用、代用、购入、验收、复验、存储、保管、发放及标注移植等都应该有严格的规范流程，确保材料的整体质量。因为压力容器的运行环境及盛装物质极为特殊，所以对材料化学及物理属性有着更为严格的规范要求，从材料的生产到出厂应该保证其具有可追踪性和可靠性。

此外，压力容器在制造过程中，必须科学合理的选择原材料。首先，相关设计与制造人员必须参照压力容器性质特点选择制造材料，严格把关材料质量，落实材料准入机制，且每种原料务必要做好质量检查，保证材料质量达标之后方才能进入市场。当材料进入施工现场之后，则需供货商给予相关的质量证明，保证材料质量符合相关技术标准。其次，对进场材料做好相应编号登记，建立材料入库档案，更有利于工作人员全方位掌握不同材料的特性与出入库状况。此外，要想防治材料发生锈蚀，可以对相关材料采取防腐蚀处理，进一步延长材料使用寿命。

4.2 热处理质量控制

预防压力容器变形，就要让压力容器处于可操控状态，按照制造工艺和材料特性严格规范生产活动，且遵照相关操作标准，最大程度地防止变形的产生。压力容器制造过程中，为确保图样与国家标准要求相统一，则要经过不同环节的质量控制来提高产品质量。尤其对材料实施切割操作时，要对称切割，完成切割之后进行平整矫形处置。在实际操作环节中，高效调整焊接热输入需要依据工艺规范标准施工，完成焊接达后尽早展开应力热处理，从而更好地把控压力容器的变形问题。

此外，在压力容器制造过程中，由于工艺或材料等原因的影响，会造成变行或者残余应力等问题，直接影响压力容器的制造质量。要想避免相关质量问题，则需采取热处理技术，其中调质热处理、清除焊接残余应力热处理、固熔化热处理、正火热处理为常用的热处理方法。在热处理过程中，需严格控制炉温度，保证炉内热度均衡，禁止外火焰与热处理有所接触。尤其在热处理之前，制定科学合理的热处理工艺，保证不同工艺数据的精准性与科学性。做好热处理工艺流程控制，保证材料的完整性，有效防止压力容器变形等质量问题[3]。

4.3 压力容器工艺及其检测质量控制

为了保证压力容器的制造质量，其在制造过程中，需要严密按照规定流程执行，加强各个环节的质量监督，确保质量符合规定标准，做好各个环节工作的质量对接。为了保证压力容器的质量，则要尽早开展质量检查工作，具体包含了内部与外部检查，对于容易表面的裂纹、变形、泄漏、局部过热等比较明显的质量缺陷可通过观看和触摸来检查，对于无法用眼睛或放大镜来分辨的质量问题，则需要利用无损检测来完成对应工作内容。射线、渗透、超声与磁粉是无损检测经常使用方法。利用此方式，能够最早检查出压力容器质量情况，随后尽快采取针对性措施，最大程度减少设备的返修率。

4.4 制造工艺的管控

与其他机械类型有所不同，压力容器加工为“多品种、单台套”，而为了对压力容器的制造过程进行有效指导，应该针对每一台套压力容器都编制专门的工艺。等到工艺确定后，要保证整体生产过程都必须严格遵循工艺规程。不同工序执行结束之后，工序操作员与质量检测员务必在工艺流程卡上进行签字确认，并随同产品一同进入到下道工序中。这一过程中需要注意以下几点：首先，铆装时依据容器的主焊缝分布图设置安装筒节对接焊缝位置，清理焊缝上的孔洞；其次，垫板和容器角焊接缝两侧要利用间断焊；再次，采取耐压试验过程中，必须具备高度的安全责任意识，假设出现渗漏，要依据相关流程，先卸压再补焊或加固螺栓；最后，合理确定试验压力值。

此外，筒体成型，第一，筒体焊接接头的对口错边量需要严格控制，这是确保焊接质量的基础。以厚度16 mm 的钢板来制作筒体举例，其中A 类焊缝对接错边量标准需≤3 mm；B 类焊缝对口错边量标准需≤1/4δs，即≤4 mm。第二，筒体卷筒过程中，焊接接头环向、轴向产生的棱角度非常关键，同样为卷简程序的主要步骤。需要有效控制卷筒过程中预留压头规格，利用二次校圆来实施调整，使得筒节棱角度控制在合理范围内。筒体组对，第一，直线度控制。首先筒体组对直线度要符合图纸要求，而筒体直线度合理偏差应≤简体长度(L) 的1%；针对直立容器来讲，筒体直线度应≤(0.5L/1 000)+15 mm。直线度检查需由筒节断面的水平和垂直平分线的中心4 个位置进行测量，测量位置需偏离纵向接头焊缝中心线最少100 mm 距离，方可保证测量数据的精准性与代表性。第二，焊接接头控制。筒体组装过程中，不可利用十字焊缝，此种焊接方法在设计早期需要避免，紧邻筒节相互间A 类接头需错开位置，且在筒节外表面上的弧长长度应该大于筒体母材厚度3 倍，同时≥100 mm，整体的筒体当中，单独筒节长度不可小于300 mm。

4.5 焊接工艺质量控制

影响压力容器质量的主要原因为焊接工艺，需在严把焊接材料质量，严密审查操作人员资质，需要持证上岗，且在施工前期，对焊接工艺实施测评，需要符合NB/T 7014—2011 规范技术标准，才能操作施工；尤其在焊接过程中，应严格执行设计工艺，禁止乱改工艺数值。针对焊缝质量检查内容主要包括：第一，焊缝余高；第二，C/D 类接头焊脚高；第三，焊缝表面裂纹、气孔、飞溅物等问题；第四，焊缝咬边状况。针对不符合工艺标准的，则要实施焊缝返修，且要控制返修次数，对返修情况进行记录，设计返修工艺。最后，针对焊后热质量进行检查控制，由责任工程师负责审核，检查热处理的记录曲线，出具热处理报告。

4.6 无损检测控制

压力容器无损检测为质量控制的关键检测方案，当焊缝表面质量检查合格后，则要采取无损探伤测试。具体方式包括了射线、超声、着色渗透、磁粉等方式。压力容器无损检测在标准规范中给出了明确阐述，作为质量控制的关键要素，为产品的质量控制提供了有效的数据记录和依据。无损检测人员需要依据相关规范技术标准、技术要求严格执行，以提供真实可靠的数据作为参考，进行更好的质量管控。无损检测归档需要储存完好，存储期限不可小于容器设计正常使用年限，随时查阅做好准备。

此外，依据JB/T 4730.1-4730.5—2005 标准规定，针对产品实施射线检测或超声波检测，得到检查结果必须符合设计图纸标准。无损检查的要点包括：第一，检测需遵照JB/T 4730.1-4730.5—2005 标准规范，且符合相关图纸设计要求；第二，检测比例需符合有关技术规范标准；第三，采取TOFD 超声检测技术过程中，需按照双方约定，实施纵向与横向问题检测，进行纵向问题检测过程中，超声波束腰由钢管横截面中心一旁倾斜射入，实施横向检测过程中，则需要沿着轴向方向倾斜射入；第四，在检测过程中，务必针对焊缝交接位置实施100% 线检测；第五，无损检测工作要有具备检测资质的操作人员来操控完成，贯彻执行初评与复审机制，确保记载与监测报告的整体性，待无损检测报告实施审查之后，随后归档于产品品质文档中储存起来。

5 结语

总而言之，在石油化工领域中，压力容器长期处于高温高压的工作环境中，同时储存的物质大多数为易燃易爆、易腐蚀的特性，因此针对压力容器密封性及其耐腐蚀性能提出了更高的要求。要想确保压力容器安全性，需强化制造工艺控制，采取有效措施保证制造质量，确保各项指标都符合规定的标准，避免发生安全问题，为促进工业经济的可持续发展创造有利条件。