压力容器球形封头椭圆的校正方法.pdf

年 月第 期大型铸锻件 .压力容器球形封头椭圆的校正方法李莉 郭太平 武兴国(二重(德阳)重型装备有限公司四川 德阳)摘要:压力容器制造过程中采用热成形的球形封头回厂进行性能热处理后通常会出现变形导致封头圆度超差无法满足后续的配作加工要求 结合不同壁厚封头实际情况利用现有资源条件进行技术攻关摸索出两种校正方法用于封头成形后不能返回封头厂校正的情形以减小其椭圆度最终满足封头与筒体对接 类焊缝的错边量要求 其中水压机校正方案还可用于锻件筒体变形的修复实践千斤顶校正技术已应用到波动管成形与校正实践中拓宽了产品制造技术 关键词:球形封头椭圆刚性校正热处理 中图分类号:.文献标志码:.:收稿日期:作者简介:李莉()女高级工程师从事大型压力容器与核能设备焊接相关工作 压力容器一般由封头、筒体、接管等主要部件焊接而成 为减少部件装配错边量造成的应力集中问题国家相关标准和用户技术条件对封头与筒体装配焊缝处的对口错边量尺寸有明确要求大部分容器中封头与容器错边量允许公差为 采用配做加工的方法控制错边量 封头压制成形会出现壁厚局部减薄及增厚的情况(封头底部减薄端口增厚)为保证压制后的封头底部的最小壁厚要求封头端面厚度一般会增厚 封头端面增厚部位需要加工去除厚度余量才能与筒体直径匹配 去除厚度余量过程中可以纠正部分封头圆度偏差满足筒体与封头对接端面的错边量公差要求 封头在回厂进行性能热处理过程中会释放成形时产生的应力可能会发生较大热处理变形特别是多次成形的封头在性能热处理阶段会出现封头端面圆度超差椭圆过大的情况 当椭圆大于封头端面壁厚的增厚范围时加工后的封头端面与筒体端面对接的错边量就会出现超出设计允许的 的公差范围 例如我公司实际生产的某炼化厂热高压分离器上球形封头、某炼化项目温高压分离器下球形封头在性能热处理后均发生较大热处理变形封头端面最大直径与最小直径差值达到了 若封头在性能热处理后出现较大变形封头端面在加工找圆后会出现壁厚尺寸差异大且与筒体对接端面的错边量超标的质量问题错边量超标直接影响容器的安全性因此需要对封头进行校正修复 封头回厂后没有封头成形的模具可用而椭圆校正需利用制造厂现有的资源与工具实施经过理论分析与多次生产实践设计专用工装根据不同壁厚的封头摸索出千斤顶校正和水压机校正两种方法进行校正改善了球形封头端面的圆度偏差满足了封头端面加工后环缝对接的错边量公差要求 校正思路 封头的椭圆见图 是由封头沿圆周方向的端面直径大小不同所产生的问题一般情况下椭圆长轴、短轴按 对称分布偶尔会出现长、短轴不是对称分布的情况封头椭圆改善的基本思路就是使封头端面直径的长轴及其附近的尺寸缩短、促进直径短轴方向尺寸变长实现降低其椭圆 年第 期大型铸锻件程度的目标()球形封头外形图()封头椭圆示意图图 球形封头示意图 整个封头是一个半球形的整体当封头长轴区域受到挤压缩短时封头短轴方向会产生一定的伸长(封头端面整体的变化是一个趋势即直径从受压点周围的缩短逐渐过渡到增大)依据金属学原理要使金属产生塑性变形使其形状发生改变受到的外力应大于材料的屈服强度单位面积能承受的力 因此我们确定的校正基本思路是在封头的长轴区域施加外压力促进长轴变短、短轴增长达到减少封头椭圆程度的目标 校正方法 结合我公司制造资源情况长轴区域施加外力的方法有两种:()利用 .的千斤顶作为外力源将封头端面平放即可实现校正操作简单 该方法面临的问题:一是使用千斤顶时需解决封头的固定在施加外力时不产生位移卸力确保外力全部施加在封头长轴区域实现变形二是需要核算固定封头的底板强度满足校正时不产生过大变形需设计好封头挡板的区域以及挡板与顶板固定的焊缝强度 这种校正方法受千斤顶输出的压力上限影响能实现校正的封头尺寸与壁厚受到限制 ()利用水压机作为外力源实现厚壁刚性大的封头校正并且可以对封头加热到不超过性能热处理回火温度的状态下实现温校正 该方法面临的问题:水压机锤头只能上下运行封头需侧立垂直于地面长轴区域方可受到外力故需解决在水压机上封头端面垂直于地面摆放困难问题并且校正过程中封头能实现旋转方便封头在水压机上承受的压力均匀分布在对称圆周上温校正过程中还要解决远距离观察长短轴的变化情况判定校正是否达到目标的问题 校正方法的选择 公司承制的球形封头壁厚范围 封头成形后增厚后端面的厚度范围为 封头端口直径范围 封头材质 主 要 有、不同壁厚、直径及球内半径的封头刚性不同校正封头时施加外力的要求也不同 根据设计核算以及实践应用结果总结出封头校正需要的压力计算公式如下:式中 是校正时所需千斤顶的顶升力()是封头端口实际厚度()是封头端口直径()是封头材料的实际屈服强度()是经验值系数 是千斤顶顶杆面积()当计算的 值小于.时(材质的封头端面壁厚通常在 以下)球形封头的椭圆校正采用千斤顶校正的方式 值大于.时(通常封头端面壁厚在 以上)校正则选用在公司水压机校正的方法 千斤顶校正球形封头椭圆 公司承制的某炼化项目温高压分离器的下球形封头材质 最小壁厚为 封头成形回厂后的端面厚度为 端面内径 端面增厚 在性能热处理后其端面最大直径与最小直径差值达到 加工去除增厚 借量后椭圆的差值还会有 在保证封头最小壁厚情况下无法满足与筒体间 对口错边量的要求因此封头需要进行椭圆校正 校正目标最大直径与最小直径差值减小不小于 即校正后封头端面最大与最小直径差不大于 就可保证加工后与筒体组对时错边量不大于 的要求 依据上面的经验公式计算需要的校正力 为.故可采用.千斤顶的方案进行校正.工装设计与装焊.工装底板与挡板的尺寸设计 ()底板的宽度应大于封头直径的 厚度不小于 结合在库的钢板情况确定了底板尺寸与材质为:的 钢板 ()千斤顶的挡板高度应大于千斤顶直径的.倍阻止封头位移的挡板高度应超过千斤顶的中心线高度的 李莉:压力容器球形封头椭圆的校正方法 年第 期()防变形筋板尺寸与材质:的 钢板数量依据封头直径核算为 件 筋板与封头接触面配割对称封头的外球半径的圆弧方便贴合.工装装焊 ()封头放置在底板上封头的长轴方向与底板长度方向一致居中摆放如图 所示 注意封头与底板、挡板间没有固定焊缝图 球形封头校正工装装焊示意图 ()千斤顶挡板放置长轴端尺寸最大的部位距离封头的距离 (千斤顶的起升高度.倍长轴缩短目标值)挡板与底板之间采用焊接缝固定角焊缝焊脚高度 ()阻止封头位移的防变形筋板在封头的长轴另一端布置在不超过弧长 的范围内均布间距不大于 筋板圆弧部位与封头外球面贴合但不得与封头焊接筋板与底板间角焊缝固定焊脚高度 .校正实施步骤.测量并标识尺寸 测量封头的端面尺寸确认长轴、短轴的具体位置并标识具体数据如图 所示最大直径与最小直径差值为 椭圆校正目标差值需减少 即长轴缩短不小于 .准备 将封头的长轴区域按照图 所示摆放后实施工装装焊固定顶板与防变筋板 根据经验公式计算选取.的千斤顶.校正 ()在千斤顶施压一侧的底板上靠近封头边缘划出封头的校正起始线在封头圆度短轴两侧划出封头的校正终止线(短轴单侧 (.)若超出底板宽度可以增加标记板与底板连接固定在标记板上划校正终止线)工装钢板上校正起始线与中止线打样冲标记 ()将千斤顶放置在挡板与封头中间调整好位置 ()转动千斤顶使其长度变长利用千斤顶的力量迫使封头产生塑性变形 考虑封头在校正后的回弹量校正时应注意控制千斤顶的伸出长度应大于.倍的校正目标 球形封头校正过程如图 所示图 球形封头校正前测量尺寸 图 球形封头校正 ()达到校正目标后在千斤顶不卸力的情况下保持不小于.千斤顶卸力后检查封头是否达到校正终止线 如果未能达标则重复上面的步骤 ()数据测量 完成校正工序后将封头从工装钢板上取下在原测量位置重新测量尺寸具体数据如图 所 年第 期大型铸锻件示括号内为校正后尺寸图 封头校正前后数据尺寸对照图 本示例封头的实际校正效果圆度减少了 满足封头后续与筒体加工配做的要求 ()当校正变形尺寸小于封头直径 时(本案列的校正变形率:.)不用进炉消应稳定尺寸校正目标达到后即可拆除工装.校正的补充措施 ()当封头圆度较大单侧千斤顶无法顺利缩短长轴目标值时可在长轴对称区域加挡板与千斤顶两个千斤顶同时工作此时先不装焊防变形筋板 ()当封头刚性较大长轴缩短量不理想时还可以增加火焰加热的方法用烤把或烧嘴等加热工具分别对封头圆度的长、短轴两侧同时进行火焰加温进行辅助 采用加热方法时千斤顶的起升长度不得小于封头圆度值 ()达到校正目标后千斤顶不卸力的条件下在封头的长轴两侧装焊封头防变形筋板 然后再取出千斤顶 ()当变形尺寸大于封头直径 或者采用了火焰加热辅助校正时需要进炉消应稳定校正尺寸 ()出炉后待封头冷却至室温气割或气刨去除防变形筋板等工装 ()尺寸检查:让封头在自由状态下根据之前的校正起始线和校正终止线进行测量评估封头是否达标也可将封头翻面进行重新测量该封头的圆度 水压机校正球形封头圆度.封头情况与校正方案公 司 承 制 的 某 炼 化 厂 加 氢 反 应 器 的 的上球形封头成形后返回公司完成性能热处理后发生热处理变形端口最大圆度达 封头最小壁厚要求为 实测封头端面厚度为 端面直径 增厚 通过加工的方式无法满足与筒体对接的对口错边量要求需要校正减少其圆度校正后封头端面圆度不大于 才能保证加工后与筒体组对时错边量不大于 的要求 屈服强度高封头壁厚较厚依据经验公式计算需要的校正力 为.远超出.千斤顶的校正能力故需要在水压机上进行校正 封头直径大于 只有万吨水压机的开档与锤头的行程能满足校正的需要 万吨水压机的压下力大为避免校正过程中硬化现象可能导致封头开裂的风险确定采用温校正温度最高不超过母材焊后热处理温度 即最高校正温度不超过 校正过程中温度不低于 校正后及时进炉按照中间消应的温度消除校正应力稳定封头尺寸 校正前对封头的预热采用进炉整体加热到保温 确保封头均匀受热.工装设计.封头侧立与转入压机工作区域的工装 采用水压机进行封头校正时应使封头长轴方向能受到水压机锤头的压力并且保持稳定为促进封头校正变形均匀校正过程中需适度旋转封头在长轴区实现多点压制水压机压下力大还需旋转到在长轴的另一端进行对称压制使封头承受的压应力有效均匀 根据水压机热处理炉与水压机的布局以及现有的行车起吊用的马杠辅具工装按照从热处理炉转到水压机的可行路线以及将封头侧立送入水压机工作区域的吊装需求利用杠杆原理依托封头的人孔部位设计了在封头上的支撑工装如图 所示.温校正过程中变形尺寸预检工装 封头侧立高达.校正变形尺寸无法使用量具检测校正过程中封头温度一般在 热辐射高为解决校正过程中判定变形量的难题设计了简易伸缩量杆长度与封头内径一致可调节范围可覆盖长轴、短轴的尺寸范围李莉:压力容器球形封头椭圆的校正方法 年第 期图 球形封头校正工装示意图 封头端面在长轴区域对称 位置短轴区域事先做好明显标记 利用简易伸缩杆测量检测出长短轴的差值即可直径差达到目标作为校正结束的判定依据.校正实施步骤.测量并标识尺寸 测量需要进行校正的封头端面尺寸确认长轴、短轴的具体位置(具体数据见图 所示)根据实测数据将封头长轴方向需进行校正的区域采用高温记号笔进行明确标识短轴区域的符号与长轴区域符号不同图 校正前封头尺寸 .准备 ()按照图 完成工装装焊 ()清理水压机:热处理炉到水压机行车路线范围内的场地 ()准备好马杠辅具与钢链两台行车在合适的位置做好吊装准备.加热 在热处理炉内完成封头的整体加热到 并均温足够时间.校正 封头整体加热出炉后按如下步骤及要求进行校正:()将封头迅速平吊至水压机位置后采用两台行车(一台吊马杠一台吊封头)配合的方式将马杠穿入封头工装的内孔中如图 所示图 球形封头与马杠配合示意图 ()将马杠穿入封头后取下封头侧钢丝绳利用杠杆原理单台行车吊马杠的外端将封头送入水压机锤头工作区域(如图 所示)实现有距离的安全操作然后通过吊具旋转带动马杠旋转实现封头旋转将需校正的长轴区域正对水压机的锤头图 封头送入水压机工作区域示意图 ()校正时应注意每次水压机锤头的压下量 年第 期大型铸锻件控制同时校正过程中应注意旋转封头对所标识的区域反复多次进行校正确保封头整个变形的均匀性 每次锤头的压下量控制在 范围内 ()在校正过程中封头热态下采用简易长杆测量装置测量长轴与短轴的直径差达到校正目标后封头圆周进行应力均布压制减少尺寸反弹量.稳定尺寸消应热处理 在完成以上校正工作后将封头吊出并进炉进行 稳定尺寸消应热处理.测量 在原测量位置重新测量尺寸具体数据见图 所示括号内为校正后尺寸图 封头校正前后数据尺寸对照图 .校正效果 由图 可知校正前封头圆度 校正后为 考虑封头端头每侧实际壁厚增厚 的实际情况校正后的封头通过加工能满足与筒体对接处 错边量的要求达到了封头的校正目标 部分球形封头实际校正情况汇总 通过以上两种校正方法在后续的实际生产中完成了十余件封头的校正工作校正后的封头尺寸满足加工要求 详细尺寸及校正方法见表 表 封头校正前后数据表 序号封头最小壁厚校正方法校正前圆度校正后圆度千斤顶校正千斤顶校正千斤顶校正水压机校正水压机校正千斤顶校正水压机校正千斤顶校正水压机校正水压机校正 封头校正技术的拓展应用 经过球形封头的两种校正方案的不断实践与应用有效解决了在现有资源条件下球形封头圆度的修复问题丰富并拓展了校正方法 在水压机校正的实践基础上逐步完善了校正点位与变形的规律积累了压下量应用参数掌握了整套校正的技术 随着该技术的成熟应用拓展到了筒体锻件变形的修复应用上利用压机改善锻件的变形情况起到了很好的效果促进筒体锻件毛坯留量的减少降低了制造成本 千斤顶校正封头的技术还在波动管成形尺寸控制与校正中得到了应用并取得了成效丰富了波动管的制造技术参考文献 邵将 李艳丽 吴捷.热冲压半球形封头成形减薄率分析 .石油化工设备技 术 ():.王绍胜.压力容器封头与筒节组装错边量的控制.石油工程建设():.韦玮.压力容器制造过程中焊缝错边的控制策略.化工管理():.林忠拉.压力容器封头制造中存在的问题及技术分析.中国设备工程():.袁承春.锅炉和压力容器封头制造技术研究.电站辅机 ():.压力容器实用技术丛书编写委员会.压力容器用材料及热处理.北京:化学工业出版社.郑洪国.钢制压力容器压制封头的热处理.中国特种设备安全 ():.桂韶辉.金属材料热处理变形的影响因素与控制策略.冶金管理():.编辑:段红玲