黃誠(chéng)蔚

（衢州市特種設(shè)備檢驗(yàn)中心）

0 前言

近幾年來，由于旋壓封頭具有設(shè)備投資少、模具簡(jiǎn)單、用料省、生產(chǎn)成本低、封頭尺寸不受模具限制等優(yōu)點(diǎn)，在壓力容器行業(yè)的應(yīng)用日益廣泛。但是，旋壓成形封頭相對(duì)沖壓成形封頭來說，也存在鋼材減薄量大、封頭形狀偏差較大、操作不當(dāng)易在旋壓過程中產(chǎn)生裂紋、加工硬化、在使用過程中可能出現(xiàn)時(shí)效裂紋等缺點(diǎn)。本文就監(jiān)檢過程中如何控制上述問題談?wù)劰P者個(gè)人的觀點(diǎn)。

1 旋壓封頭形狀偏差的控制

目前，旋壓成形分為一步成形法 （即單機(jī)成形法）和二步成形法 （即聯(lián)機(jī)成形法）兩種方法。二步成形法因其適用于中、小型薄壁封頭的制造而被廣泛采用。該種方法是先選用一定尺寸的壓鼓模在壓鼓機(jī)上將坯料壓成碟形，然后在翻邊機(jī)上翻邊至所需曲率最終成形。在壓鼓成形階段，一般用樣板半徑為R=0.843Di（Di為封頭內(nèi)徑）模板進(jìn)行形狀尺寸的控制。在翻邊過程中，通過選用合適r值的成形輪來控制過渡段的半徑，一般選取r=0.14Di，通過測(cè)量外圓周長(zhǎng)來控制封頭直徑。因此，其生產(chǎn)工藝決定了旋壓成形的橢圓封頭是一個(gè)Di／(2h)=2的近似橢圓的碟形封頭，其承載能力與沖壓成形的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭相比將下降10%～25%。同時(shí)，因?yàn)槭軌汗哪：统尚屋喅叽绲南拗?，其選用往往依靠操作工人的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在翻邊過程中，直邊傾斜度、封頭高度也不能得到有效控制。如再加上旋壓過程中不能嚴(yán)格地執(zhí)行旋壓工藝，不按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程進(jìn)行檢驗(yàn)，那么往往造成封頭形狀偏差超標(biāo)，給日后的使用埋下極大的安全隱患。因此，在監(jiān)檢中對(duì)旋壓封頭形狀偏差的控制，監(jiān)檢員不能只停留在對(duì)廠方檢驗(yàn)資料的確認(rèn)上，應(yīng)經(jīng)常深入現(xiàn)場(chǎng)，檢查操作工的操作程序和操作方法是否符合工藝要求，生產(chǎn)過程中檢驗(yàn)是否進(jìn)行，檢驗(yàn)用模板是否合乎要求，有無變形翹曲。對(duì)于已造成形狀偏差的封頭，應(yīng)進(jìn)行修正或按封頭實(shí)際形狀重新進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，如能符合強(qiáng)度要求，可以允許使用；對(duì)不能滿足強(qiáng)度要求或無法再次修正的，不可用于壓力容器的制造。

2 對(duì)旋壓封頭減簿量的控制

封頭在旋壓過程中，由于壓力輪頂端壓力過大，易使封頭的壁厚減薄，又因其過渡區(qū)及r0處拉伸最大，故其壁厚減薄也最嚴(yán)重。對(duì)于一般的沖壓橢圓封頭，設(shè)計(jì)壁厚是以封頭頂點(diǎn)的應(yīng)力值進(jìn)行控制的 （薄膜應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在該點(diǎn)，且環(huán)向與經(jīng)向應(yīng)力相等）。雖然過渡區(qū)減薄較嚴(yán)重，但其實(shí)際應(yīng)力水平比封頭頂點(diǎn)要低得多。因此可以認(rèn)為，按封頭頂點(diǎn)應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算求得的封頭壁厚，其過渡區(qū)必然存在較大的 “富裕度”，因而該部分 “富裕度”可以補(bǔ)償因沖壓導(dǎo)致的減薄。有資料記載表明：當(dāng)減薄量≤15%計(jì)算厚度時(shí)，對(duì)其內(nèi)壓承載能力并無什么影響，只有當(dāng)減薄量≥25%～30%的計(jì)算厚度時(shí)，破壞部位才出現(xiàn)在減薄最大的過渡區(qū)。但旋壓封頭由于實(shí)質(zhì)上是一個(gè)近似橢圓的碟形封頭，如按碟形封頭的壁厚計(jì)算公式計(jì)算，其與同規(guī)格、同材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭相比，計(jì)算厚度比標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭大11%以上。橢圓封頭的曲率變化是連續(xù)的，而旋壓封頭在R及r0過渡段的曲率及應(yīng)力分布存在突變，其周向應(yīng)力也比標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭要大得多。因此，對(duì)于沖壓封頭的壁厚減薄，我們可以根據(jù)具體情況決定其是否允許使用，而對(duì)于旋壓封頭，則應(yīng)該嚴(yán)格地控制其減薄量。

在監(jiān)檢過程中，監(jiān)檢員可建議封頭生產(chǎn)廠家做到以下幾點(diǎn)：一是積累各種規(guī)格封頭的加工減薄量的數(shù)據(jù)，并告知用戶，以便用戶選擇合適的板厚；二是在旋壓前對(duì)每一張坯料鋼板進(jìn)行測(cè)厚，以確定該鋼板是否具有足夠的減薄量裕量；三是沿封頭端面圓周 0°、90°、 180°、270°四個(gè)方位，每個(gè)方位按照從封頭頂端至直邊段至少測(cè)5點(diǎn)的要求進(jìn)行測(cè)厚，并從中得出封頭的最小壁厚。若僅在封頭任一部位測(cè)一點(diǎn)，此處壁厚并不一定是最小壁厚，因此不可取、不可信。一般情況下封頭減薄是逐步過渡的，變化是比較均勻的，減薄量如能控制在圖樣要求的封頭最小壁厚范圍內(nèi)，該封頭即為合格。若出現(xiàn)某些局部范圍減薄量超差的情況，應(yīng)重新對(duì)該封頭的強(qiáng)度按實(shí)際尺寸進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：一是對(duì)于使用壓力較高、存在腐蝕傾向的封頭要慎重；二是對(duì)減薄嚴(yán)重的部位應(yīng)增加表面探傷或超聲波探傷，不允許存在表面或內(nèi)部缺陷 （如材料內(nèi)部分層等）。

3 對(duì)冷旋壓封頭熱處理的控制

封頭在冷旋壓的過程中，由于材料受到不同的力作用，沿著材料的厚度方向產(chǎn)生了不同的變形和應(yīng)變，其外表面受拉、內(nèi)表面受壓，表層產(chǎn)生了塑性變形，而中心產(chǎn)生的是彈性變形。由于應(yīng)變的不同，造成了材料內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。同時(shí)鋼材經(jīng)加工變形時(shí)使金屬晶粒出現(xiàn)滑移層，晶粒之間或晶內(nèi)不同區(qū)域之間的變形不均勻形成了微觀內(nèi)應(yīng)力。位錯(cuò)等晶格缺陷的產(chǎn)生將引起其附近的晶格畸變，從而產(chǎn)生晶格畸變應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力是使金屬?gòu)?qiáng)化的主要原因，也是變形金屬中的主要內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力還是影響固溶體溶解能力的主要因素，它迫使溶質(zhì)原子擴(kuò)散與析出，從而達(dá)到晶格平衡。在平衡過程建立的同時(shí)，材料的性能也發(fā)生變化，即所謂的應(yīng)變時(shí)效。在冷旋壓過程中，最初的旋壓即冷軋過程造成了金屬，尤其是表面金屬的加工硬化現(xiàn)象——硬度和強(qiáng)度顯著升高、塑性和韌性下降。加工硬化與應(yīng)變時(shí)效的主要區(qū)別之一是：加工硬化在加工過程中會(huì)立刻顯示出來，而應(yīng)變時(shí)效則需要一定的時(shí)間，往往是在使用過程中出現(xiàn)。封頭在內(nèi)應(yīng)力與外力的共同作用下，封頭外表面及近外表面的晶粒發(fā)生第二次滑移，這就導(dǎo)致了封頭外表面破碎晶粒及晶粒間的斷裂部位分開，形成新的裂紋源，并同已形成的微觀裂紋一起擴(kuò)展和延伸。隨著這種微觀裂紋的擴(kuò)展與延伸，裂紋與裂紋相遇，就形成了封頭外表面的宏觀網(wǎng)狀裂紋——時(shí)效裂紋。這種現(xiàn)象往往發(fā)生在低合金鋼的冷加工過程中。當(dāng)加工變形量（減薄量）接近10%時(shí)，材料的延伸率將下降到15%左右，即低于材料的標(biāo)準(zhǔn)要求。

這時(shí)，材料是否需要進(jìn)行熱處理？在原先的JB/T 4746—2002《鋼制壓力容器封頭》中規(guī)定：“冷成型的封頭應(yīng)進(jìn)行熱處理，當(dāng)制造單位確保冷成型后的材料性能符合設(shè)計(jì)、使用要求的不受此限制”。如何 “確?！崩涑尚秃蟮牟牧闲阅埽瑳]有一個(gè)明確的說法，何況有些問題是在封頭的制造和使用過程才逐漸反應(yīng)出來的。而之后替代JB/T 4746—2002的GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》中又規(guī)定 “整板成型或先拼后焊成型的鋼制半球型、橢圓型、碟型以及平底型封頭，應(yīng)于冷成型后進(jìn)行熱處理”。這一規(guī)定又導(dǎo)致很多有成功冷成型使用經(jīng)驗(yàn)的封頭原則上都應(yīng)進(jìn)行熱處理，增加了設(shè)備制造成本。這兩種規(guī)定在實(shí)際生產(chǎn)過程中都難以完全執(zhí)行。隨著GB 150.1～4—2011《壓力容器》的頒布，這一問題最終得到了解決。在GB 150.4第8.1.1條中明確地給出了 “碳鋼、低合金鋼，成形后減薄量大于10%者，變形率大于5%”時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行恢復(fù)材料性能熱處理。這一要求與ASME中UCS-79《筒節(jié)和封頭的成型》中的要求基本一致。

因此，在監(jiān)檢中，我們應(yīng)掌握好這一熱處理原則。同時(shí)，由于材料變形量的確定，旋壓過程中是否選用合理的旋壓參數(shù)及模具等，對(duì)產(chǎn)品的最終結(jié)果也有著極大的影響。監(jiān)檢員還應(yīng)督促生產(chǎn)廠嚴(yán)格執(zhí)行旋壓工藝，進(jìn)行必要的檢測(cè)測(cè)驗(yàn)，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，制定出合理的生產(chǎn)指導(dǎo)文件，以生產(chǎn)出合格的封頭。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，旋壓封頭與沖壓封頭在結(jié)構(gòu)形式、成形方式、材質(zhì)變化等方面存在著極大的區(qū)別，監(jiān)檢中應(yīng)注意區(qū)分兩者之間的不同，掌握好生產(chǎn)方法，控制其產(chǎn)生的影響，嚴(yán)格各環(huán)節(jié)的控制，以確保旋壓封頭產(chǎn)品的安全性能。

[1] GB 150.1～4-2011.壓力容器 [S].

[2] GB/T 25198-2010.壓力容器封頭 [S].

[3] JB/T 4746-2002.鋼制壓力容器封頭 [S].

[4] 王成家.冷旋壓封頭在壓力容器中的應(yīng)用 [J].中國(guó)鍋爐壓力容器安全，1997（1）：28.