旋压封头监检过程中几个要点的控制

2014-04-05黄诚蔚

化工装备技术 2014年1期

黄诚蔚

（衢州市特种设备检验中心）

0 前言

近几年来，由于旋压封头具有设备投资少、模具简单、用料省、生产成本低、封头尺寸不受模具限制等优点，在压力容器行业的应用日益广泛。但是，旋压成形封头相对冲压成形封头来说，也存在钢材减薄量大、封头形状偏差较大、操作不当易在旋压过程中产生裂纹、加工硬化、在使用过程中可能出现时效裂纹等缺点。本文就监检过程中如何控制上述问题谈谈笔者个人的观点。

1 旋压封头形状偏差的控制

目前，旋压成形分为一步成形法（即单机成形法）和二步成形法（即联机成形法）两种方法。二步成形法因其适用于中、小型薄壁封头的制造而被广泛采用。该种方法是先选用一定尺寸的压鼓模在压鼓机上将坯料压成碟形，然后在翻边机上翻边至所需曲率最终成形。在压鼓成形阶段，一般用样板半径为R=0.843Di（Di为封头内径）模板进行形状尺寸的控制。在翻边过程中，通过选用合适r值的成形轮来控制过渡段的半径，一般选取r=0.14Di，通过测量外圆周长来控制封头直径。因此，其生产工艺决定了旋压成形的椭圆封头是一个Di／(2h)=2的近似椭圆的碟形封头，其承载能力与冲压成形的标准椭圆封头相比将下降10%～25%。同时，因为受压鼓模和成形轮尺寸的限制，其选用往往依靠操作工人的实际经验，在翻边过程中，直边倾斜度、封头高度也不能得到有效控制。如再加上旋压过程中不能严格地执行旋压工艺，不按标准规程进行检验，那么往往造成封头形状偏差超标，给日后的使用埋下极大的安全隐患。因此，在监检中对旋压封头形状偏差的控制，监检员不能只停留在对厂方检验资料的确认上，应经常深入现场，检查操作工的操作程序和操作方法是否符合工艺要求，生产过程中检验是否进行，检验用模板是否合乎要求，有无变形翘曲。对于已造成形状偏差的封头，应进行修正或按封头实际形状重新进行强度计算，如能符合强度要求，可以允许使用；对不能满足强度要求或无法再次修正的，不可用于压力容器的制造。

2 对旋压封头减簿量的控制

封头在旋压过程中，由于压力轮顶端压力过大，易使封头的壁厚减薄，又因其过渡区及r0处拉伸最大，故其壁厚减薄也最严重。对于一般的冲压椭圆封头，设计壁厚是以封头顶点的应力值进行控制的（薄膜应力的最大值出现在该点，且环向与经向应力相等）。虽然过渡区减薄较严重，但其实际应力水平比封头顶点要低得多。因此可以认为，按封头顶点应力设计计算求得的封头壁厚，其过渡区必然存在较大的 “富裕度”，因而该部分 “富裕度”可以补偿因冲压导致的减薄。有资料记载表明：当减薄量≤15%计算厚度时，对其内压承载能力并无什么影响，只有当减薄量≥25%～30%的计算厚度时，破坏部位才出现在减薄最大的过渡区。但旋压封头由于实质上是一个近似椭圆的碟形封头，如按碟形封头的壁厚计算公式计算，其与同规格、同材质的标准椭圆封头相比，计算厚度比标准椭圆封头大11%以上。椭圆封头的曲率变化是连续的，而旋压封头在R及r0过渡段的曲率及应力分布存在突变，其周向应力也比标准椭圆封头要大得多。因此，对于冲压封头的壁厚减薄，我们可以根据具体情况决定其是否允许使用，而对于旋压封头，则应该严格地控制其减薄量。

在监检过程中，监检员可建议封头生产厂家做到以下几点：一是积累各种规格封头的加工减薄量的数据，并告知用户，以便用户选择合适的板厚；二是在旋压前对每一张坯料钢板进行测厚，以确定该钢板是否具有足够的减薄量裕量；三是沿封头端面圆周 0°、90°、 180°、270°四个方位，每个方位按照从封头顶端至直边段至少测5点的要求进行测厚，并从中得出封头的最小壁厚。若仅在封头任一部位测一点，此处壁厚并不一定是最小壁厚，因此不可取、不可信。一般情况下封头减薄是逐步过渡的，变化是比较均匀的，减薄量如能控制在图样要求的封头最小壁厚范围内，该封头即为合格。若出现某些局部范围减薄量超差的情况，应重新对该封头的强度按实际尺寸进行计算。同时还应注意以下两点：一是对于使用压力较高、存在腐蚀倾向的封头要慎重；二是对减薄严重的部位应增加表面探伤或超声波探伤，不允许存在表面或内部缺陷（如材料内部分层等）。

3 对冷旋压封头热处理的控制

封头在冷旋压的过程中，由于材料受到不同的力作用，沿着材料的厚度方向产生了不同的变形和应变，其外表面受拉、内表面受压，表层产生了塑性变形，而中心产生的是弹性变形。由于应变的不同，造成了材料内应力的产生。同时钢材经加工变形时使金属晶粒出现滑移层，晶粒之间或晶内不同区域之间的变形不均匀形成了微观内应力。位错等晶格缺陷的产生将引起其附近的晶格畸变，从而产生晶格畸变应力。这种内应力是使金属强化的主要原因，也是变形金属中的主要内应力。这种内应力还是影响固溶体溶解能力的主要因素，它迫使溶质原子扩散与析出，从而达到晶格平衡。在平衡过程建立的同时，材料的性能也发生变化，即所谓的应变时效。在冷旋压过程中，最初的旋压即冷轧过程造成了金属，尤其是表面金属的加工硬化现象——硬度和强度显著升高、塑性和韧性下降。加工硬化与应变时效的主要区别之一是：加工硬化在加工过程中会立刻显示出来，而应变时效则需要一定的时间，往往是在使用过程中出现。封头在内应力与外力的共同作用下，封头外表面及近外表面的晶粒发生第二次滑移，这就导致了封头外表面破碎晶粒及晶粒间的断裂部位分开，形成新的裂纹源，并同已形成的微观裂纹一起扩展和延伸。随着这种微观裂纹的扩展与延伸，裂纹与裂纹相遇，就形成了封头外表面的宏观网状裂纹——时效裂纹。这种现象往往发生在低合金钢的冷加工过程中。当加工变形量（减薄量）接近10%时，材料的延伸率将下降到15%左右，即低于材料的标准要求。

这时，材料是否需要进行热处理？在原先的JB/T 4746—2002《钢制压力容器封头》中规定：“冷成型的封头应进行热处理，当制造单位确保冷成型后的材料性能符合设计、使用要求的不受此限制”。如何 “确保”冷成型后的材料性能，没有一个明确的说法，何况有些问题是在封头的制造和使用过程才逐渐反应出来的。而之后替代JB/T 4746—2002的GB/T 25198—2010《压力容器封头》中又规定 “整板成型或先拼后焊成型的钢制半球型、椭圆型、碟型以及平底型封头，应于冷成型后进行热处理”。这一规定又导致很多有成功冷成型使用经验的封头原则上都应进行热处理，增加了设备制造成本。这两种规定在实际生产过程中都难以完全执行。随着GB 150.1～4—2011《压力容器》的颁布，这一问题最终得到了解决。在GB 150.4第8.1.1条中明确地给出了 “碳钢、低合金钢，成形后减薄量大于10%者，变形率大于5%”时，应当进行恢复材料性能热处理。这一要求与ASME中UCS-79《筒节和封头的成型》中的要求基本一致。

因此，在监检中，我们应掌握好这一热处理原则。同时，由于材料变形量的确定，旋压过程中是否选用合理的旋压参数及模具等，对产品的最终结果也有着极大的影响。监检员还应督促生产厂严格执行旋压工艺，进行必要的检测测验，收集相关数据，制定出合理的生产指导文件，以生产出合格的封头。