袁承春

(哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046 )

0 前 言

鍋爐和壓力容器、壓力管道等承壓設(shè)備水壓試驗(yàn)是整個(gè)設(shè)備制造過(guò)程中的關(guān)鍵重要工序。承壓設(shè)備水壓試驗(yàn)前接管端部一般焊接由板材下料加工的圓形水壓平蓋進(jìn)行封堵。作為臨時(shí)焊件，水壓平蓋在水壓試驗(yàn)時(shí)承受著設(shè)備最大壓力和應(yīng)力集中，存在著變形、泄漏、失效等風(fēng)險(xiǎn)。其設(shè)計(jì)和制造檢驗(yàn)過(guò)程每一疏忽大意、漏洞都可能導(dǎo)致安全事故，因此，水壓平蓋設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等安全性、規(guī)范性、合理性、先進(jìn)性至關(guān)重要。本文通過(guò)對(duì)采用鋼板材料制造的承壓設(shè)備焊接水壓平蓋工程實(shí)踐的調(diào)研，結(jié)合對(duì)相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)和理解，對(duì)水壓平蓋關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入細(xì)致地分析和創(chuàng)新研究。對(duì)于制造難度大、成本高、周期長(zhǎng)的水壓封蓋鍛件則不予討論。

1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

除鍛件材料、鋼板扳邊制造的凹形端蓋外，水壓試驗(yàn)時(shí)承壓設(shè)備圓筒或筒體、接管(統(tǒng)稱接管)通常由板材下料加工的平蓋或平封頭、端蓋、管板等(統(tǒng)稱水壓平蓋)焊接封堵，水壓平蓋與接管呈角接接頭形式，以角焊縫、組合焊縫、對(duì)接焊縫等連接，屬于B類(lèi)焊縫，見(jiàn)圖1。

圖1 常見(jiàn)水壓平蓋結(jié)構(gòu)

根據(jù)水壓平蓋外徑尺寸和裝焊位置，可將其大致分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型，見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)水壓平蓋類(lèi)型

雖然水壓平蓋結(jié)構(gòu)承壓能力差、板材厚重、應(yīng)力集中嚴(yán)重、一次性使用材料浪費(fèi)大、生產(chǎn)效率低等，但實(shí)際生產(chǎn)中由于取材方便、制作簡(jiǎn)單而廣泛應(yīng)用。我國(guó)每年制造各類(lèi)承壓設(shè)備消耗的水壓平蓋鋼板材料可達(dá)數(shù)萬(wàn)噸、價(jià)值數(shù)億元。

2 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

一般焊接封堵在承壓設(shè)備接管端部、采用鋼板下料加工的平蓋主要涉及的國(guó)內(nèi)外鍋爐和壓力容器法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 平蓋主要國(guó)內(nèi)外法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 鍋爐

2.1.1 《ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范Ⅰ卷 動(dòng)力鍋爐建造規(guī)則》

在PG 篇 所有建造方法的通用要求中，允許采用的平蓋見(jiàn)圖2。

圖2 ASME動(dòng)力鍋爐允許采用的平蓋

PG-93平板角接頭的檢測(cè)和修補(bǔ)要求規(guī)定，厚度大于13毫米的平蓋焊在其它接管上形成角接接頭，如果平蓋外露邊緣與焊縫邊緣間的距離小于平蓋厚度，平蓋周邊任何外露加工面在焊接后應(yīng)采用磁粉或流體滲透方法進(jìn)行檢測(cè)。例如圖2(4)(5)。檢測(cè)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的會(huì)影響容器安全性的疊層、裂縫或其它缺陷，應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ)。

PW篇 焊接制作鍋爐的要求規(guī)定：禁止采用的平蓋見(jiàn)圖3。

圖3 ASME動(dòng)力鍋爐禁止采用的平蓋

2.1.2 GB/T16507.3-2013《水管鍋爐 第3部分：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》

第5條焊接連接要求規(guī)定，允許采用的平蓋見(jiàn)圖4。例如圖4⑶平蓋在滿足焊腳高度k1=k2=t1時(shí)，計(jì)算其計(jì)算厚度t2的結(jié)構(gòu)特性系數(shù)kf取0.65；用于水壓試驗(yàn)時(shí)，結(jié)構(gòu)特性系數(shù)kf取0.4；t1為接管計(jì)算厚度。

圖4 水管鍋爐允許采用的平蓋

2.2 壓力容器

2.2.1 《ASME鍋爐和壓力容器規(guī)范 Ⅷ卷 第一冊(cè) 壓力容器建造規(guī)則》

2.2.1.1 A分卷 通用要求

UG篇 各種建造方法和各種材料的通用要求規(guī)定：允許采用的平蓋見(jiàn)圖5。

圖5 ASME壓力容器允許采用的平蓋

2.2.1.2 B分卷 與壓力容器制造方法有關(guān)的要求

UW篇 焊制壓力容器的要求規(guī)定[3]，允許采用的平蓋見(jiàn)圖6。例如圖6⑶要求焊縫a+b≥2ts、tp≥ts；圖6⑷要求焊縫a≥2ts；圖6⑹要求焊縫a1+a2≥2ts。tp為平蓋外圓到坡口距離、th為平蓋公稱厚度、ts為接管公稱厚度。

圖6 ASME焊制壓力容器允許采用的平蓋

貫穿接頭的尺寸(角焊縫厚度)小于接管或平蓋厚度或在連接處造成偏心的接頭均不允許，見(jiàn)圖7。

圖7 ASME焊制壓力容器不允許采用的平蓋

帶有對(duì)接焊頸的平蓋見(jiàn)圖8，圖8帶頸的平蓋由軋制鋼板加工而成是不允許的，除非當(dāng)頸部長(zhǎng)度在板材全厚度方向內(nèi)時(shí)，滿足以下由板材加工的平蓋頸部的要求：

(1)板材：應(yīng)當(dāng)用使生產(chǎn)的材料在全部厚度上具有至少等于材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定性能的方法來(lái)制造。板材必須按下列要求進(jìn)行試驗(yàn)和檢測(cè)：①試樣切取方向應(yīng)平行于頸部軸線，并盡可能的靠近頸部；②應(yīng)從頸部的板材切取兩個(gè)成直角拉伸試樣。

(2)檢測(cè)要求：①零件在機(jī)加前后應(yīng)超聲波檢測(cè)；②頸部在焊前應(yīng)磁粉或滲透檢測(cè)；③焊后焊縫及附近應(yīng)射線或超聲波檢測(cè)。

圖8 ASME焊制壓力容器帶有對(duì)接焊頸的平蓋

2.2.2 GB/T150.3-20ll 《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》

第5.9條平蓋規(guī)定，允許采用的平蓋見(jiàn)圖9。例如圖9⑷要求焊縫厚度k≥1.4ts；圖9⑸要求平蓋外圓到坡口距離th1≥ts+3。th為平蓋有效厚度、ts為接管有效厚度。

設(shè)計(jì)方法是基于塑性分析導(dǎo)出的，適用于平蓋與筒體和接管全焊透連接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10。圖10⑴宜采用鍛件加工制造，如采用軋制板材直接加工制造，則應(yīng)提出抗層狀撕裂性能的附加要求。不允許采用的平蓋結(jié)構(gòu)同圖7。某設(shè)備DN200接管曾采用不允許結(jié)構(gòu)圖7⑵而且焊腳小，發(fā)生了平蓋變形、焊縫斷裂、平蓋飛出事故。由于焊縫區(qū)存在嚴(yán)重應(yīng)力集中，平蓋封頭破壞經(jīng)常是封頭與管道間焊接不好，封頭結(jié)構(gòu)及焊接結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)致焊縫無(wú)法承受壓力作用而發(fā)生強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)破壞[1]；特種承壓設(shè)備安全狀況與監(jiān)管水平與社會(huì)日益增長(zhǎng)的質(zhì)量安全需求不相適應(yīng)[2]。

圖9 壓力容器允許采用的平蓋

圖10 壓力容器全焊透平蓋

2.2.4 HG/T20583-2011《鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定》

第18.5條角接焊縫規(guī)定，允許采用的平蓋結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11。例如圖11⑷要求焊腳高度k=ts。th為平蓋名義厚度、ts為接管名義厚度。

圖11 鋼制化工容器允許采用的平蓋

可以看到，為確保結(jié)構(gòu)安全規(guī)范，上述法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)推薦或強(qiáng)制的每個(gè)平蓋都有結(jié)構(gòu)和焊縫尺寸和適用范圍要求、都對(duì)應(yīng)一個(gè)結(jié)構(gòu)特性系數(shù)。平蓋在接管內(nèi)徑、內(nèi)壓力與材料許用應(yīng)力比值一定的情況下，其厚度都與結(jié)構(gòu)特性系數(shù)正相關(guān)；或者說(shuō)符合相關(guān)要求的平蓋可以取得結(jié)構(gòu)特征系數(shù)、按公式計(jì)算平蓋厚度。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

鍋爐和壓力容器同屬于承壓類(lèi)特種設(shè)備或特種承壓設(shè)備。兩者既相互獨(dú)立又緊密聯(lián)系；各有自己的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程。在工程實(shí)踐、先進(jìn)制造技術(shù)上可相互借鑒、相互學(xué)習(xí)。鍋爐和壓力容器產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造主要法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 承壓設(shè)備相應(yīng)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 電站鍋爐

電站鍋爐的鍋筒、啟動(dòng)分離器、貯水箱、疏水?dāng)U容器、集箱等主要承壓零部件的大口徑接管常見(jiàn)水壓平蓋與法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)平蓋符合程度見(jiàn)表4。

表4 常見(jiàn)水壓平蓋與鍋爐法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)比較

3.2 壓力容器

石油化工壓力容器、鍋爐除氧器和高壓加熱器等大口徑接管常見(jiàn)水壓平蓋與法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)平蓋符合程度見(jiàn)表5。

表5 常見(jiàn)水壓平蓋與壓力容器法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)比較

相關(guān)安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程要求：壓力容器制造單位應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)法規(guī)、安全技術(shù)規(guī)范及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，按照設(shè)計(jì)文件的技術(shù)要求制造壓力容器；水壓試驗(yàn)時(shí)，壓力容器上焊接的臨時(shí)受壓元件，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)拇胧ＷC其強(qiáng)度和安全性；鍋爐的設(shè)計(jì)也應(yīng)當(dāng)符合安全、可靠和節(jié)能降耗要求，各受壓元件應(yīng)當(dāng)有足夠的強(qiáng)度。

3.3 主要問(wèn)題和解決辦法

3.3.1 主要問(wèn)題

水壓平蓋作為臨時(shí)焊接的受壓元件，按材料、與接管焊接接頭厚度和設(shè)計(jì)要求確定是否進(jìn)行焊后熱處理。當(dāng)不同厚度受壓元件焊接時(shí)，接管與平蓋的B類(lèi)焊接接頭，取接管厚度作為焊接接頭厚度；水壓平蓋連接焊縫應(yīng)該按承壓設(shè)備法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)合格。

⑴Ⅰ型水壓平蓋

接管按設(shè)計(jì)圖紙加工，不留水壓余量，Ⅰ型水壓平蓋主要工藝流程：水壓平蓋氣割下料加工→產(chǎn)品整體熱處理前在接管內(nèi)壁裝焊水壓平蓋→焊縫檢查→水壓試驗(yàn)后割除水壓平蓋、修磨內(nèi)壁→內(nèi)表面磁粉檢測(cè)。

由于在接管內(nèi)壁沿圓周氣割水壓平蓋，操作難度較大，容易造成內(nèi)表面母材損傷，需要額外補(bǔ)焊、修磨、無(wú)損檢測(cè)等返修操作，導(dǎo)致接管內(nèi)表面質(zhì)量問(wèn)題較多。

⑵Ⅱ、Ⅲ型水壓平蓋

接管在水壓試驗(yàn)前留30～50 mm水壓余量，Ⅱ型水壓平蓋主要工藝流程：水壓平蓋氣割下料加工→產(chǎn)品整體熱處理前在管端裝焊水壓平蓋→焊縫檢查→水壓試驗(yàn)后割除水壓平蓋→機(jī)加管端坡口→坡口表面檢查。在管端預(yù)留水壓余量焊接水壓平蓋，降低了接管材料利用率。

實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)Ⅱ型水壓平蓋外圓鋼板表面幾乎沒(méi)有進(jìn)行過(guò)磁粉檢測(cè)，與規(guī)范不符；帶有對(duì)接焊頸的Ⅱ型水壓平蓋圖1⑷，相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng)采用鍛件材料，如果采用鋼板加工需要進(jìn)行機(jī)械性能檢驗(yàn)和無(wú)損檢測(cè)或考慮防止層間撕裂。

承壓設(shè)備相關(guān)國(guó)內(nèi)外法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)受壓元件平蓋設(shè)計(jì)計(jì)算等有具體詳細(xì)規(guī)定，作為承壓設(shè)備主要受壓元件，雖然存在結(jié)構(gòu)厚重、承壓能力差等不利條件，但由于取材方便、制作簡(jiǎn)單、長(zhǎng)期使用、設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范成熟而廣泛應(yīng)用。而常見(jiàn)水壓平蓋仍存在著一些需要解決的問(wèn)題，見(jiàn)表6；

表6 常見(jiàn)水壓平蓋存在的主要問(wèn)題

3.3.2 解決辦法

通過(guò)對(duì)承壓設(shè)備水壓平蓋關(guān)鍵技術(shù)分析和研究，可以看到現(xiàn)有工程實(shí)踐中水壓平蓋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制造工藝存在著需要?jiǎng)?chuàng)新解決的疑難技術(shù)問(wèn)題，有效解決辦法：

首先，依據(jù)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)重新梳理常見(jiàn)水壓平蓋結(jié)構(gòu)合理性，淘汰法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)不允許的平蓋結(jié)構(gòu)、適當(dāng)增加法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)允許的雙面焊平蓋結(jié)構(gòu)，消除安全隱患，提高水壓平蓋規(guī)范、安全、可靠性；選用水壓平蓋焊接設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制造工藝要根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造檢驗(yàn)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，具體問(wèn)題、具體分析。

其次，根本改變目前常見(jiàn)水壓平蓋設(shè)計(jì)和制造技術(shù)陳舊落后狀況，積極引進(jìn)應(yīng)用推廣大口徑厚壁接管水壓平蓋一蓋兩用、可多次使用的凸形封頭形式焊接水壓封蓋[3]、接管水壓余量結(jié)構(gòu)減薄優(yōu)化、減少接管水壓余量(可將以往一次性使用的水壓平蓋所需的30～50 mm水壓余量降低至可以多次使用的水壓封頭所需的5～15 mm水壓余量)、對(duì)接焊縫代替角焊縫和組合焊縫等新發(fā)明、新技術(shù)、新工藝，大力改善接管內(nèi)表面質(zhì)量、優(yōu)化水壓封蓋形狀結(jié)構(gòu)、增加水壓封蓋重復(fù)使用次數(shù)、降低接管和水壓平蓋材料消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。

由于與國(guó)內(nèi)外法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的平蓋設(shè)計(jì)要求不符，實(shí)際生產(chǎn)中I型水壓平蓋不應(yīng)采用圖1(1)(7)結(jié)構(gòu)，II型平蓋不應(yīng)采用圖1(4)結(jié)構(gòu)，III型平蓋不應(yīng)采用圖1(6)結(jié)構(gòu)。

最后，提高對(duì)承壓設(shè)備設(shè)計(jì)制造檢驗(yàn)的全行業(yè)、全員安全意識(shí)和管理水平，確保水壓平蓋焊接設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制造安全性、規(guī)范性、合理性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性。

總之，實(shí)際生產(chǎn)中作為臨時(shí)焊件的水壓平蓋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)起碼應(yīng)該不折不扣地參考借鑒并且不違反國(guó)內(nèi)外法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于受壓元件平蓋的設(shè)計(jì)要求，這樣才能保證其強(qiáng)度、安全性要求；同時(shí)，從創(chuàng)新發(fā)展角度，又要克服以往實(shí)際生產(chǎn)中水壓平蓋一次性使用的陳舊落后做法，大膽采用可以多次使用的凸形封頭的水壓封蓋結(jié)構(gòu)，相應(yīng)減少焊接消耗和接管水壓余量消耗、材料浪費(fèi)，優(yōu)化焊接結(jié)構(gòu)和效率和無(wú)損檢測(cè)水平。使焊接式水壓平蓋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)有個(gè)全面改觀和提升。

4 結(jié) 語(yǔ)

為持續(xù)改進(jìn)和提高鍋爐和壓力容器、壓力管道等特種承壓設(shè)備設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量和關(guān)鍵技術(shù)水平，推動(dòng)我國(guó)裝備制造高質(zhì)量發(fā)展和科技進(jìn)步，補(bǔ)短板、堵漏洞、強(qiáng)弱項(xiàng)，本文結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和對(duì)國(guó)內(nèi)外法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范熟練掌握，對(duì)承壓設(shè)備常見(jiàn)水壓平蓋存在的疑難技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)地調(diào)研、梳理、分析、研究，供同行業(yè)工程技術(shù)人員、專家、學(xué)者參考、借鑒、交流、探討。