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摘要：复合钢板因其良好的适用性和经济性而在石油、化工中被广泛应用,但其制造具有特殊性。文章主要从应用复合钢板的压力容器制造中的板材复合、筒体下料、排版、焊接工艺及相关要求进行阐述。
关键词：复合钢板;压力容器;制造工艺;筒体下料;排版;焊接
常用的压力容器复合钢板是以某种钢作为基层,以另一种钢或有色金属作为复层,通过热轧或爆炸成型工艺等方法复合而成的双金属板。其基层主要满足结构强度和刚度的要求,一般用低碳钢或低合金钢;而复层主要是满足耐腐蚀性的要求,一般用铬或铬镍不锈钢、镍基合金、铜基合金或钛板。因此,复合钢板既有优质或贵重金属具备的特殊性能(如耐蚀性),又可以节约大量的不锈钢或钛等贵重金属,在保证技术要求的同时可大幅降低成本,具有很大的经济价值。
1、复合前准备
1.1复合钢板的准备
复合钢板基层与复层的材料因需要而定。一般情况下,基层材料为16MnR,复层材料为0Crl8Ni9的不锈钢复合钢板较为常用。在复合前,复合钢板应符合以下条件:
(1)被选用的复合钢板应具有符合国家现行标准的质量证明书,并确保板面平整。
(2)复合钢板不得有使用上的有害外观缺陷。基层与复层的结合面积应占总面积的95 %以上,局部未结合面积不得超过50 cm2。对加工时有较大应力(如冲压封头)或使用时有较大负荷(如管板)的复合钢板要求更严。
(3)对复合钢板的机械性能,其抗拉强度和作延伸率原则上应等于或大于母材(基层材料)值;抗弯试验标准应与总厚度相等的母材相同,抗剪强度对任何总厚度<100 mm的钢板应≥20 kgf/mm2;贴合弯曲3个试样中有两个试样弯曲部分两边不能有50 mm以上的分层现象。
(4)复合钢板在进厂时均应进行超声波探伤试验,不得有使用上有害的分层现象。对复合板的修补以及标记与标记移值等与一般钢材压力容器的原材料控制相同。
1.2下料、拼接
压力容器复合钢板在制造前,厂家应按照要求将16MnR与0Crl8Ni9板材下好料。由于2种板材规格不同,尤其是复层材料不锈钢板壁厚较薄,板长和板宽都较小,故需要拼接。下料及拼接时应注意:
(1)按容器尺寸确定封头和简体实际需要的板材长度L和宽度B。
(2)L+100 mm和B+100 mm为基层板材的最小下料长度及宽度,下料时最好将宽度圆整合到与B+100 mm最相近的标准宽度。如果要从长度方向截取焊接试板,则下料长度至少为L+500 mm。
(3)为满足复合工艺的要求,复层的长度和宽度应比实际所下基层的长度和宽度大50 mm,即每边大25 mm。
(4)按照实际所需复层板材的长度和宽度以及现有复层板材的规格进行拼接,拼接焊缝应焊透磨平,并作渗透无损检测,应无裂纹及其他超标缺陷,基层板与复层板应平整。
2、筒体下料
(1)复合钢板的筒体与封头对接焊接,二者直径应一致。
(2)板材在卷圆过程中受到弯曲作用,其中应力为0的那一层称为中性层,中性层周长不变。按封头的中性层周长来确定筒体展开长度是合理的。
(3)无论是纵焊缝还是环焊缝,复合钢板筒体与封头对接处的错边量不得大于钢板复层厚度的50 %,且不得大于2 mm。
3、筒体排版
筒体排版,即先将筒体以顺时针的方向展开,然后在筒身标出所有接管孔的位置及孔径,并按纵环焊缝错开接管孔的原则确定板材的长度和宽度,纵环焊缝距边缘的距离应大于100 mm。
4、焊接
(1)复合钢板的焊接方法,可根据材质、接头厚度、坡口尺寸及施工条件等情况确定,通常可采用手工电弧焊、埋弧自动焊、CO2保护焊或氩弧焊等方法。
(2)焊接顺序:对于在焊接时,一般是先焊内侧基层焊缝,反过来外侧挑焊根,用碳弧气刨铲焊根,清除熔渣、夹渣,再将基层焊缝填满;焊好后在复层侧用角砂轮打磨,检查合格后,再进行内侧过渡层焊接,最后焊复层。
5、其他要求
(1)切割、弯曲或深拉加工复合钢板时,应将复层放在下面,必要时还应设置保护层,以防止放在上面的复层材料表面划伤。
(2)复合钢板弯曲或深拉加工时一般应采用冷卷加工,当不得不采用热加工时,必须注意如下几点:加热前应除去油污和附着物;燃料含硫低;加热时间为2 min/mm,且不超过15 mm;加热火焰或固体燃料不得直接接触复层,且温度要分布均匀,以防渗碳;应避免在敏化温度范围(550 ℃～850 ℃)加工,以防產生晶间腐蚀;加热气氛应保持弱氧化性,不得采用还原性;根据不同的复层材料应控制加热温度范围,加工之后最好空冷。
(3)由于复合钢板2种金属的热膨胀系数不同,热处理过程中残余应力有可能增大,所以必要时应作消除应力退火;但一般不作。当不得已要进行消除应力退火时,必须按容器的用途采用适当的方法。
(4)由于基层焊缝对复层焊缝有稀释作用,容易降低复层焊缝金属中的铬、镍等合金元素的含量。因此,焊接时,过渡层的焊材应采用高铬、镍钢等焊材,以得到双向组织的焊缝,避免大量马氏体组织的产生,出现焊接冷裂纹。
(5)焊前,应先通气排除管路中的空气;当CO2气体保护焊焊接复合钢板时,应确保有足够的保护气体流量,以避免空气侵入焊接区;焊接结束后,应及时清理焊嘴上的飞溅物;焊丝伸出长度不应太长,以10 mm～15 mm为宜。
6、复合钢板压力容器的检验
压力容器由于密封、承压及介质等原因,容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全甚至污染环境的事故。因此,应用复合钢板的压力容器在制造后,应由国家指定的专门机构,按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。其主要的检验项目和方法为:
(1)实体检验。采用直观检查、量具检查、无损探伤检测、理化性能检验、水压试验等方法,压力容器本体和主要零部件进行外观和内在质量的检查。
(2)检验的主要项目有:受压元件材质、外观尺寸和成形质量、焊缝质量、组装质量、内部装置及安全附件是否齐全有效、胀管质量、各受压元件相互的几何位置和耐压性能等。
(3)性能:技术资料审查和实体检验合格的压力容器视需要进行性能检验,检查其规定的技术和经济指标。
(4)重点检验复合层与基层结合部位的焊接缺陷,主要是夹渣和热裂纹,一旦超标,必须返修直至合格。
(5)检验纵焊缝处的向内的角变形问题,一旦超标也应用机械法或局部加热法予以矫正。
综上所述,目前我国复合钢板的生产和研究工作尚处于发展阶段,应用于制造压力容器的时间不长,只有不断完善复合钢板压力容器的制造工艺,保证和提高其制造质量,才能促进复合钢板压力容器的良好发展。经实践证明,按上述要求制造的复合钢板压力容器质量稳定,在实际使用中没有出现过问题。
关键词：复合钢板;压力容器;制造工艺;筒体下料;排版;焊接
常用的压力容器复合钢板是以某种钢作为基层,以另一种钢或有色金属作为复层,通过热轧或爆炸成型工艺等方法复合而成的双金属板。其基层主要满足结构强度和刚度的要求,一般用低碳钢或低合金钢;而复层主要是满足耐腐蚀性的要求,一般用铬或铬镍不锈钢、镍基合金、铜基合金或钛板。因此,复合钢板既有优质或贵重金属具备的特殊性能(如耐蚀性),又可以节约大量的不锈钢或钛等贵重金属,在保证技术要求的同时可大幅降低成本,具有很大的经济价值。
1、复合前准备
1.1复合钢板的准备
复合钢板基层与复层的材料因需要而定。一般情况下,基层材料为16MnR,复层材料为0Crl8Ni9的不锈钢复合钢板较为常用。在复合前,复合钢板应符合以下条件:
(1)被选用的复合钢板应具有符合国家现行标准的质量证明书,并确保板面平整。
(2)复合钢板不得有使用上的有害外观缺陷。基层与复层的结合面积应占总面积的95 %以上,局部未结合面积不得超过50 cm2。对加工时有较大应力(如冲压封头)或使用时有较大负荷(如管板)的复合钢板要求更严。
(3)对复合钢板的机械性能,其抗拉强度和作延伸率原则上应等于或大于母材(基层材料)值;抗弯试验标准应与总厚度相等的母材相同,抗剪强度对任何总厚度<100 mm的钢板应≥20 kgf/mm2;贴合弯曲3个试样中有两个试样弯曲部分两边不能有50 mm以上的分层现象。
(4)复合钢板在进厂时均应进行超声波探伤试验,不得有使用上有害的分层现象。对复合板的修补以及标记与标记移值等与一般钢材压力容器的原材料控制相同。
1.2下料、拼接
压力容器复合钢板在制造前,厂家应按照要求将16MnR与0Crl8Ni9板材下好料。由于2种板材规格不同,尤其是复层材料不锈钢板壁厚较薄,板长和板宽都较小,故需要拼接。下料及拼接时应注意:
(1)按容器尺寸确定封头和简体实际需要的板材长度L和宽度B。
(2)L+100 mm和B+100 mm为基层板材的最小下料长度及宽度,下料时最好将宽度圆整合到与B+100 mm最相近的标准宽度。如果要从长度方向截取焊接试板,则下料长度至少为L+500 mm。
(3)为满足复合工艺的要求,复层的长度和宽度应比实际所下基层的长度和宽度大50 mm,即每边大25 mm。
(4)按照实际所需复层板材的长度和宽度以及现有复层板材的规格进行拼接,拼接焊缝应焊透磨平,并作渗透无损检测,应无裂纹及其他超标缺陷,基层板与复层板应平整。
2、筒体下料
(1)复合钢板的筒体与封头对接焊接,二者直径应一致。
(2)板材在卷圆过程中受到弯曲作用,其中应力为0的那一层称为中性层,中性层周长不变。按封头的中性层周长来确定筒体展开长度是合理的。
(3)无论是纵焊缝还是环焊缝,复合钢板筒体与封头对接处的错边量不得大于钢板复层厚度的50 %,且不得大于2 mm。
3、筒体排版
筒体排版,即先将筒体以顺时针的方向展开,然后在筒身标出所有接管孔的位置及孔径,并按纵环焊缝错开接管孔的原则确定板材的长度和宽度,纵环焊缝距边缘的距离应大于100 mm。
4、焊接
(1)复合钢板的焊接方法,可根据材质、接头厚度、坡口尺寸及施工条件等情况确定,通常可采用手工电弧焊、埋弧自动焊、CO2保护焊或氩弧焊等方法。
(2)焊接顺序:对于在焊接时,一般是先焊内侧基层焊缝,反过来外侧挑焊根,用碳弧气刨铲焊根,清除熔渣、夹渣,再将基层焊缝填满;焊好后在复层侧用角砂轮打磨,检查合格后,再进行内侧过渡层焊接,最后焊复层。
5、其他要求
(1)切割、弯曲或深拉加工复合钢板时,应将复层放在下面,必要时还应设置保护层,以防止放在上面的复层材料表面划伤。
(2)复合钢板弯曲或深拉加工时一般应采用冷卷加工,当不得不采用热加工时,必须注意如下几点:加热前应除去油污和附着物;燃料含硫低;加热时间为2 min/mm,且不超过15 mm;加热火焰或固体燃料不得直接接触复层,且温度要分布均匀,以防渗碳;应避免在敏化温度范围(550 ℃～850 ℃)加工,以防產生晶间腐蚀;加热气氛应保持弱氧化性,不得采用还原性;根据不同的复层材料应控制加热温度范围,加工之后最好空冷。
(3)由于复合钢板2种金属的热膨胀系数不同,热处理过程中残余应力有可能增大,所以必要时应作消除应力退火;但一般不作。当不得已要进行消除应力退火时,必须按容器的用途采用适当的方法。
(4)由于基层焊缝对复层焊缝有稀释作用,容易降低复层焊缝金属中的铬、镍等合金元素的含量。因此,焊接时,过渡层的焊材应采用高铬、镍钢等焊材,以得到双向组织的焊缝,避免大量马氏体组织的产生,出现焊接冷裂纹。
(5)焊前,应先通气排除管路中的空气;当CO2气体保护焊焊接复合钢板时,应确保有足够的保护气体流量,以避免空气侵入焊接区;焊接结束后,应及时清理焊嘴上的飞溅物;焊丝伸出长度不应太长,以10 mm～15 mm为宜。
6、复合钢板压力容器的检验
压力容器由于密封、承压及介质等原因,容易发生爆炸、燃烧起火而危及人员、设备和财产的安全甚至污染环境的事故。因此,应用复合钢板的压力容器在制造后,应由国家指定的专门机构,按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。其主要的检验项目和方法为:
(1)实体检验。采用直观检查、量具检查、无损探伤检测、理化性能检验、水压试验等方法,压力容器本体和主要零部件进行外观和内在质量的检查。
(2)检验的主要项目有:受压元件材质、外观尺寸和成形质量、焊缝质量、组装质量、内部装置及安全附件是否齐全有效、胀管质量、各受压元件相互的几何位置和耐压性能等。
(3)性能:技术资料审查和实体检验合格的压力容器视需要进行性能检验,检查其规定的技术和经济指标。
(4)重点检验复合层与基层结合部位的焊接缺陷,主要是夹渣和热裂纹,一旦超标,必须返修直至合格。
(5)检验纵焊缝处的向内的角变形问题,一旦超标也应用机械法或局部加热法予以矫正。
综上所述,目前我国复合钢板的生产和研究工作尚处于发展阶段,应用于制造压力容器的时间不长,只有不断完善复合钢板压力容器的制造工艺,保证和提高其制造质量,才能促进复合钢板压力容器的良好发展。经实践证明,按上述要求制造的复合钢板压力容器质量稳定,在实际使用中没有出现过问题。