压力容器制造质量的控制

吕延茂*

（中石化集团南京化工机械有限公司）

0 前言

压力容器中的介质属性常为腐蚀性、有毒、易燃成易爆。若压力容器发生事故，可能危及人民生命和财产安全，且对环境造成污染。因此，必须控制压力容器的制造质量，使其符合设计要求，确保使用安全。

压力容器性能包括原材料的性能和焊接接头的性能。合格的材料是压力容器制造质量的基础。因而，在招投标阶段，要明确主要材料的性能，尤其是特殊用途的材料，例如高强度、耐高温、耐低温或耐腐蚀等用钢，必须充分了解钢厂提供的材料技术文件。材料的化学成分、金相组织、晶粒度，材料性能以及采取的热处理措施等均为编制投标书的基础资料。

压力容器主要制造工序包括下料、成形、组装、焊接和热处理。压力容器制造过程中温度不断变化，会使材料金相组织发生变化，并产生应力形变。金相组织变化会影响材料的性能，应力形变则会对其几何形状尺寸产生影响。

根据国家颁布的标准、规定、规程等采编制、执行焊接工艺、制造工艺、热处理工艺等技术性工艺文件；贯彻落实企业制度、质量保证体系等管理性文件。

压力容器制造性能的合格性和几何形状尺寸的符合性，是压力容器使用的安全性和功效性的可靠保证。因此压力容器制造质量控制主要是压力容器的性能和几何形状尺寸控制。

1 材料质量控制

按照设计文件编制采购材料清单，材料来源应该是可靠的，材料性能必须是合格的。

1.1 材料性能

材料的性能主要包括力学性能、化学性能、物理性能和工艺性能等。力学性能包括强度、硬度、塑性、韧性和断裂韧性能等。化学性能包括耐腐蚀性能、抗氧化性能和抗热稳定性能等。物理性能指密度、熔点、导热系数、热膨胀系数、导电性、磁性、弹性模量、泊松比等。加工性能包括冷加工性能和热加工性能，即机加工性能、塑性加工性能、铸造性能、锻造性能、焊接性能和热处理性能等。

1.2 影响材料性能的主要因素

影响材料性能主要因素包括化学成分、金相组织、冶炼成型方法和热处理状态。材料性能关联情况如图 1 所示。其中， 金相组织是影响材料性能的关键因素。

图1 材料性能关联图

1.3 材料试样复验

受压元件材料进行复验时，应该确保试验数据的真实性。只有真实的数据，才能正确反映材料性能。

影响试样性能真实性的主要因素包括坯料、试样、装备和操作。试样性能关联情况如图2 所示。

图2 试样性能关联图

1.4 备料

材料制造时要依据工艺要求，经过加工、成形、焊接等工序，由应力应变造成的几何形状尺寸变化应在可接受范围内，可以合理地增加工艺余量。

备料和下料工序相关联，有相互匹配要求的材料，要采用合理的尺寸偏差。一般两管板正面之间的距离取负偏差，定尺的换热管长度取正偏差；折流板孔径取正偏差，换热管外径取负偏差；塔体内径取正偏差，塔盘外径、塔盘支持圈等内件的外径取负偏差。

2 焊接质量控制

元件、零部件主要通过焊接连接成容器，因此焊接的工作量较大。焊接时产生的过热区会影响焊接接头的性能，从而影响压力容器性能，焊接质量直接关系到压力容器的运行周期。因此，焊接是压力容器制造质量控制的关键工序。

技术人员应遵照国家颁布实施的焊接工艺评定标准，选择与母材相匹配的焊材，并进行焊接工艺评定，控制焊接线能量，降低过热区对焊接接头性能的影响，确保其满足设计要求。

材料应力应变常发生在焊接全过程中，优秀的焊接技术人员还必须具有预防产品焊接变形的能力和经验。必要时，按照不同材质、厚度、曲率的元件，不同焊接结构等进行焊接试验，或者进行有限元分析等。预防产品焊接变形的措施包括确定每个元件、零部件和整个容器中焊接接头的焊接顺序，预防措施均应写入焊接作业指导书中。

焊接人员需通过培训，并严格按照焊接作业指导书施焊。既要降低焊接应力、减少元件变形，又要降低焊接热影响区对材料性的影响。焊接人员也要有预防焊接变形的意识，加强学习，积累经验，既要确保焊接接头性能的合格，又要降低焊接变形量。

为了减少元件焊接变形，在确保材料焊接性能合格的前提下，尽可能采用较小的线能量施焊之外，常用减小焊接变形的方法包括对称施焊法、分段退焊法、间隔接头施焊法、预留余量法，反变形法、刚性固定法、预热焊接法、焊后热处理法及其组合方法。

3 下料质量控制

常用的下料方法有机械剪切、机械加工、火焰切割、等离子切割等。各种方法的下料温度差别很大，对下料尺寸的影响程度也不同。因此，应当按照材料性能，采用相应的下料方法，保持材料性能、减少变形量。

制造工艺应当考虑元件在下料、成形、组装、焊接、热处理等过程中产生的尺寸变化，还要考虑到相互匹配元件的偏差要求，再进行划线、下料、加工。有的拼焊元件需要进行两次下料，有的元件应适当增加设计厚度，有的元件应缩小或加大展开尺寸，有的元件需按正偏差控制，有的元件应按负偏差加工。

铬钼钢材料的焊接坡口宜采用机械加工。倘若装备能力不足，采用火焰方法切割坡口，那么过热层必须打磨清除，并进行着色检查。

4 成形质量控制

筒体、封头等元件板材成形的过程中，应做好材料表面的保护工作。奥氏体不锈钢除了要预防磕碰划伤外，还要防止被铁离子污染。筒体、封头等成形为塑性变形，不但会改变材料的外形和尺寸，而且会使材料的内部组织和性能发生变化。按成形温度可分为冷成形、温成形和热成形；成形温度越高，材料发生应力应变越显著。

4.1 对材料性能的影响

成形温度不同，会对组织结构造成影响包括产生内应力、加工硬化（形变强化）、力学性能和耐腐蚀性能变化等。因此，元件成形后，必须考虑消应力热处理或恢复材料性能的热处理问题。

较厚的低合金钢板以及其奥氏体不锈钢复合板进行冷卷筒体时存在厚度效应。环境温度低于15 ℃，尤其在5 ℃以下时，材料的断裂韧性明显下降，钢板越厚，发生脆断的概率越大。较厚的双相不锈钢复合板、较厚的不锈钢带极堆焊管板，在较低气温下进行冷校平过程中，也可能发生脆断。

综上所述，在较低的环境温度下，较厚的低合金钢板或不锈钢复合板筒体，应该采取温卷或热卷成形；在较低的环境温度下，较厚的不锈钢复合板、或双相不锈钢复合板、或不锈钢带极堆焊管板的不平度不符合要求时，应该采取温校平或热校平。

钢板筒体较厚时，由于钢板温成形的屈服强度远大于热成形的屈服强度，因而，钢板温成形的减薄量远小于热成形的减薄量，低合金钢温卷筒体在装备能力允许的前提下，可以选用正偏差的钢板。倘若采用热卷，那么筒体钢板厚度裕量，应根据不同材质在热卷温度区间的屈服强度来确定。当钢板较厚，筒体直径较大，且对筒体圆度有较高要求时，应采取合理、科学的方法控制圆度。

若奥氏体不锈钢封头采用冷成形，则会发生位错堆积和马氏体相变，材料呈顺磁性，且曲率变化较大区域易产生微裂纹，因此可对其表面进行渗透检查。

09MnNiDR 钢属于体心立方晶体的低温用钢，广泛应用于石油化工设备。确保材料的低温韧性及其抵抗脆性破坏的能力，是控制制造质量的关键。09MnNiDR 钢板热压成形温度，对压制后的材料力学性能有较大影响。加热温度过高，晶粒长大显著，是造成低温韧性明显降低的主要原因。因此，通过试验和实践证明，钢厂推荐的09MnNiDR 钢板热压成形合适的温度为950～980 ℃。

双相不锈钢具有较高的屈服强度和疲劳强度，良好的耐腐蚀性能如可焊性，热裂倾向小。与奥氏体不锈钢相比，其具有导热系数大，线膨胀系数小等优点，用途广泛。

双相不锈钢共有两个脆性区，西格玛相和475 ℃脆性区，随着铬、钼元素含量增加，其脆化速度加快。双相不锈钢温度/时效时间曲线如图3 所示。

图3 双相不锈钢 温度/时效时间曲线图

依据双相不锈钢温度/时效时间的曲线图，产生西格玛脆性区的时间比产生475 ℃脆性区的时间要短得多。因而在锻造、焊接、热成形和热处理等过程中，该材料最可能产生的缺陷是析出西格玛相。随着西格玛相含量增加，双相钢的冲击功值急剧下降，耐腐蚀性能降低。

由3 图可知，铬、钼含量较高的2507 双相不锈钢更易析出西格玛相。为了保证2507 双相不锈钢的良好性能，必须避免其在加工过程中析出西格玛相。工件进行热成形和热处理之前，应进行操作演练，缩短工件从出炉到成形或处理的辅助时间，确保热成形或热处理正常操作时所需要的温度。工件离开加热炉，到工件开始压制的辅助时间，应不超过5 min；工件离开热处理炉，到工件开始入水的辅助时间，应不超过5 min。

成形方法也会影响材料性能，例如奥氏体不锈钢复合板封头冷旋压成形时，会影响基层和复层的贴合度，尤其在焊缝两侧的热影响区域或位于曲率较大区域的复层容易产生脱壳（复层脱离基层）及裂纹。

直径较小、壁厚较厚的奥氏体不锈钢复合板筒体冷卷成形时，有可能影响基层和复层的贴合度。尤其在冷校该类筒体的圆度时，位于纵焊缝一侧的热影响区域更易产生脱壳现象。X 射线拍片显示：最宽的白色区是纵焊缝；在纵焊缝一侧近似平行，较短、较细的黑线是复层局部脱壳的位置，如图4 所示。

图4 较小直径较厚的不锈钢复合板筒体纵焊缝X射线拍片

纵焊缝施焊时，复层和基层的线膨胀系数不同，板材中存在焊后残余剪切应力；直径较小、厚度较大的复合板筒体，复层和基层卷圆的弯曲剪切应力较大；通常焊缝的强度高于母材，且纵焊缝存在棱角度，因此，在纵焊缝一侧通过纵焊缝的棱角，朝着另一侧进行筒体的校圆时，在筒体纵焊缝先校圆的一侧，进行筒体校圆经过棱角时的剪切应力为最大。此时，卷圆的弯曲剪切应力、焊后残余剪切应力与校圆最大的剪切应力，三者叠加达到不锈钢复合板爆炸贴合剪切应力时，在纵焊缝先校圆的一侧热影响区会产生局部复层脱壳。

4.2 对变形量的影响

4.2.1 成形温度影响变形量

封头成形是体积变形过程，遵循冷成形回弹、热成形冷缩的原理。在相同材料、相同厚度、相同直径元件的条件下，热成形的封头直径冷缩量大于冷成形的回弹量；热成形的冷缩量大于温成形的冷缩量。因此，依据材质、板厚、直径和成形设备的能力，选择成形的温度。例如较大厚度、大直径的封头，因板宽的限制，常采用瓜瓣结构，因此可采用温成形，可以显著降低其冷缩量，且每块瓜瓣的变形量相近，有利于组焊时进行错边量、直径和圆度的有效控制。

封头或筒体热成形时，钢板温度较高，屈服强度降低，在拉应力的作用下，板厚方向的减薄量较大，长度方向的延伸量较大。显而易见，封头或筒体的钢板工艺厚度应增加，下料尺寸应该适当减少。封头整体热压成形的胎模具尺寸与整体冷成形的胎模具尺寸有显著区别；相同的钢板厚度，不同曲率的筒体，热卷的减薄量也不相同。

4.2.1 成形方法影响变形量

例如冲压成形封头是整体变形，旋压成形封头是由局部到整体的逐步变形。因而，成形方法不同，相同材料、相同规格的封头，变形量不同，壁厚减薄量也不一样。

4.2.3 薄壁筒体卧置状态自重圆度的控制

薄壁筒体的压力容器应用较为广泛，其最常见的制造缺陷是圆度不佳。控制圆度最常用措施是采用工装撑圆。为在压力容器的招投标阶段了解圆度状况，应计算整台容器所需要的工装材料及其费用。

金属材料单节筒体卧置于平台的自重圆度G：

5 组装质量控制

5.1 组装方法

组装质量主要是几何尺寸的控制，包括直径、圆度、长度、间距、错边。控制组装质量，关键在于采取合理的组装方法。

常用的组装方法为部件组装法，能有效控制性能和尺寸。明确组装位置，组装顺序，组装姿势基准线、基准面或基准圆，有利于控制尺寸，有利测量。

多节筒体以立式组对方法为佳。利用天车的有效起吊高度，可以组对较长的筒体部件。尤其是较薄筒体进行立式组对，有利于控制圆度、错边量、直线度等参数。筒体与纵向结构换热器管束等内件组对时，以卧置为易；筒体与盘状结构等内件组对时，以竖置为宜。

工装组常是最常用的组装方法，能够显著降低变形量，提高组装精度和生产效率，确保外观。

预组装也是常用的方法，确定元件匹配度，利于元件、部件尺寸再调整，确保整体顺利组装。

组装和焊接过程关联紧密，减少焊接变形的措施和方法，大多也适用于控制组装质量。

5.2 换热器管束组装质量控制

管束是换热器的核心部件，管束组装是制造换热器的重要工序。控制管板和管板之间的管孔以及与相对应的折流板管孔之间同方位、同轴的程度，优先在最大偏差位置的管孔进行穿管。采用相对合理的穿管方法，有利于控制管束组装的同轴度。

控制管束组装质量必须确保顺利穿管，尽量降低换热管、壳体等元件的损伤程度。当折流板之间的管孔同轴度或折流板管孔与管板管孔的同轴度偏差较大，穿换热管时，换热管的外表面会产生壁厚挤压减薄。双相不锈钢管的壁厚不大于1.2 mm，当折流板管孔与管板管孔的同轴度偏差较大，进行穿换热管时，过大的轴向力和管孔不同轴的阻力形成扭曲剪切应力及外伤，换热管有可能产生环向脆性破裂。

换热管与管板之间的连接常采用液压胀接。液压胀接时，胀管器密封垫到管板单侧表面的距离控制至关重要。液压胀管试验采用304 奥氏体不锈钢管。在胀管的深度方向，当胀管器密封垫不超出管板表面或者与之平齐时，管板外面的管子没有变形，胀管正常；当密封垫超出管板表面2 mm 时，管板外的管子产生可见的环向鼓胀变形；当密封垫超出管板表面4 mm时，紧连管板外面的管子产生显著的环向鼓胀变形。

胀管试验证明：密封垫超出管板表面较大距离时，紧连管板外面的管子会产生极大的环向鼓胀变形，且在鼓胀最大处（即管壁最薄处）发生纵向破裂。为了保证换热管完好，胀管器密封垫必须控制在管板厚度方向的管孔内。

控制管束组装质量的前提条件是换热管外径合格，管板孔径、折流板孔径合格，且换热管外径和管孔内径之间的间隙合理。

因此，采用数控钻床钻孔，特殊结构的管束，或者孔径、孔间距有特殊精度要求的管板、折流板，采用梅花形群规进行测量为佳。

6 热处理质量控制

6.1 热处理目的

根据规范及标准、焊接工艺评定和成熟经验，制定正确有效的热处理工艺，并严格执行，可以稳定元件、零部件或容器的几何形状尺寸，降低材料残余应力，确保材料性能。

6.2 数据真实性

热处理炉温的均匀性，仪器仪表定期检查合格性，热电偶数量布置的合理性均会对热处理数据真实性产生影响。热电偶必须直接与工件相焊接，才能显示工件热处理温度数据的真实性，确保热处理性能的有效性。

6.3 配炉热处理

为了赶生产进度或者节约能源，常采用配炉热处理措施。但是，相同材质的配件和主件的热处理温度和保温时间，必须在标准允许的偏差范围内。建议采用分隔式的热处理炉或者小型热处理炉，单独进行热处理。

高压管箱、大型带极堆焊管板等重要零部件进行配炉时，若温度相近而保温时间相差较大时，必然会影响其韧性，也有可能影响高压管箱力学性能，增加控制平面度的难度。

6.4 薄壁筒体热处理

加热时，随着温度升高，筒体材料的屈服强度降低；在达到消应力热处理温度时，材料的屈服强度显著降低。在常温下卧置状态存在较大自重变形的筒体，在卧置状态进行消应力热处理之后，必然会改变筒体的原始圆度导致筒体圆度不合格。因此，需要采取对应措施。

预防常温下薄壁筒体卧置状态自重变形的措施，也适用于热处理时筒体圆度的控制。同理，也适用于水压试验时筒体圆度的控制。

在常温下卧置状态存在较大自重变形的筒体，确定热处理的摆放方位后，应在筒体进行热处理之前，采用红外线测距仪测量并记录筒体的最小直径、方位及其测量点位置，最好在筒壁上作出测量筒体最小直径位置的标记。

7 主要制造缺陷

热强钢、低温钢、高强钢制压力容器的制造风险源是材料性能，主要制造缺陷由裂纹的敏感性和力学性能的偏差程度造成。

具有晶间腐蚀倾向的不锈钢制压力容器的制造风险源是材料性能，主要制造缺陷为晶间腐蚀。

搅拌反应釜的制造风险源是结构尺寸，主要制造缺陷在于搅拌器与筒体（包括导流筒）的同轴度或浆叶与壳体之间隙的偏差程度。

塔盘类塔器的制造风险源是结构尺寸，主要制造缺陷为塔盘支持圈的水平度不合格。

薄壁压力容器的制造风险源是结构尺寸，主要制造缺陷在于壳体圆度对组装内件的影响程度。

管壳式热交换器的制造风险源是换热管与管板的焊接接头，主要制造缺陷在于换热管与管板连接接头的强度和密封性能不合格。

8 结论

为了保证压力容器使用的安全性、功效性，在制造压力容器的过程中，必须加强质量控制。学习先进的工艺、技术，吸收同行的经验。发挥全员的主观能动性，落实质控体系人员的岗位责任制，认真实施制造工艺，同时应发挥工匠的作用，现场监督检验要及时。分析主要风险，杜绝主要缺陷，掌握金相组织变化和应力应变的程度，确保容器的性能和几何形状尺寸符合设计的要求，确保压力容器制造的合格性。