随着我国石油化工行业的不断发展, 随之而来的对我国的化工设备设计制造业也提出了更高的要求, 尤其对于石油天然气行业, 中高压及耐腐蚀性的压力容器越来越普遍。众所周知, 对于中高压容器, 其主体材料的计算厚度大多为中厚板, 而中厚板的力学性能、工艺性能相对于薄板来说总是稍差的, 这就对我们在其制造过程中的制造工艺提出了更高的要求, 以尽可能的让材料的物理性能及焊缝质量能满足最初的设计、使用需求。当中压容器有耐腐蚀性能要求的场合, 从经济性角度考虑, 其锻件材料一般会采用低合金钢中厚板堆焊耐腐蚀层的方法来降低成本。本文中主要就按照TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》、GB150-2011《压力容器》为主要设计依据的中厚板压力容器的封头、筒体及当其有耐腐蚀性能要求时的堆焊法兰、平盖的制造工艺作了一些小结。
以中厚板的低合金钢制容器为例, 其钢材供货状态大多为正火或正火+回火状态, 这就需要在制造过程中采用适当的制造工艺来保证材料的原始供货状态。对于厚板卷制的筒体, 可能还需要进行热卷成型, 随之而来的, 筒体材料的厚度就需要考虑筒体热卷时的厚度减薄量以满足图样中最小设计厚度的要求。而对于采用低合金钢中厚板堆焊耐腐蚀层的堆焊法兰、平盖等元件, 其耐腐蚀性能的保证同样重要, 制造环节中的工艺规程都应该在保证其耐腐蚀性能的基础上进行。
首先来说说我们最常见的低合金钢制容器的主体零部件---封头。中厚板制封头因其厚度较厚, 故一般都是经热压成型。热压工艺是将钢材加热到800-900℃然后空冷, 但其冷却过程中材料本身的质量不稳定。又因封头钢材的供货状态为正火或正火+回火状态, 而按热压成型时的加热温度, 钢材的原供货状态已遭到破坏。故此时封头的热压成型工艺需控制热压温度、或在封头压制成型后再进行正火或正火+回火热处理以恢复材料的原始性能。为了检查封头材料的性能是否为原始供货状态, 一般需带一块母材试板, 与封头同时经历热压及随后的热处理状态, 再通过对该模拟热处理母材试板进行的力学性能等试验结果来判断封头材料是否满足设计要求。对于16Mn DR及09Mn Ni DR钢材, 还要对材料提出CE值及焊接接头的硬度值HV (10) (单个值) 等要求来保证材料的原始性能, 硬度值的检测在热处理后进行。需要累赘一句的是, 因封头拼缝热处理后的力学性能等是由相应的焊接工艺评定来保证的, 故拼接焊缝一般不需要另外带模拟热处理试板了, 当图面另外提出需带焊接试板的情况除外。
对于40mm以上的厚板钢材, 封头的拼接接头建议及时进行中间热处理以避免超标缺陷产生, 避免导致封头压制过程中开裂。对于30mm以上正火或正火+回火状态使用的钢材, 对封头的焊缝探伤可有两种方案, 方案一:成型前对拼接接头进行UT检测+成型后对拼接接头进行100%RT+100%MT检测, 或采用方案二:成型前对拼接接头进行100%RT检测+成型后对其圆弧段及其附近区域的拼接接头进行补充RT+全部焊缝100%MT检测, 如果可以尽量避免在恢复性能热处理完成以后的缺陷返修工作。
对于厚板低合金钢钢材, 当图面对设备的钢材及焊接工艺评定作出模拟焊后热处理要求时, 封头试板还应进行不低于设备热处理规范要求 (包括热处理温度、热处理时长等) 的模拟焊后热处理。关于焊接工艺评定的热处理时间要求:对于热成形后进行恢复性能热处理的拼接焊缝, 如封头拼缝选用的焊接工艺评定作模拟焊后热处理要求, 因为进行恢复性能热处理后钢材视为原供货状态 (即重新开始) , 故作为封头拼缝的焊接工艺评定, 其热处理规范中不需考虑该恢复性能热处理的时间。
对于采用低合金钢中厚板堆焊耐腐蚀层的堆焊法兰、平盖等元件, 当对晶间腐蚀性能提出较高要求时, 在采购基层锻件时还需另购一块用于做晶间腐蚀试验的堆焊试板 (尺寸为100*100*20) 。基层锻件应进行堆焊前加工, 并进行材料标记移植, 待堆焊面粗糙度12.5um。大型基层锻件的坯料还需预留加工余量, 一般法兰的外圆尺寸为外径净尺寸+20mm, 待堆焊面的内径尺寸为净尺寸+3mm (预留收缩量) , 法兰厚度净尺寸+0-5mm, 带颈法兰总高度净尺寸+5-10mm, 待堆焊后再精加工, 带颈法兰大端处尺寸为净尺寸+10-20mm, 且大端以下全部为直段毛坯, (防止颈部厚度过小引起较大的堆焊变形) , 待堆焊后再精加工法兰大端、小端以及直边段尺寸。当有两块以上的法兰或法兰盖时, 堆焊前应将元件先背对背点焊好, 当只有单块堆焊元件时, 可在背面用型钢点焊加固, 以减少堆焊后的变形。在堆焊前, 应对带堆焊面进行100%磁粉检测, 保证无细小裂纹缺陷, 对达到某些厚度的钢材还需按焊接工艺要求进行焊前预热。堆焊过渡层的厚度应比所需堆焊厚度加厚4-6mm, 以满足焊后的机加工要求。过渡层焊后进行机加工, 局部未加工到处应进行补堆焊, 再用砂轮修磨平滑。然后, 进行消除应力热处理 (采用热处理温度为550℃, 时间较原要求时间适当延长) , 如是带颈对焊法兰堆焊, 热处理时还应对法兰直边段利用防止变形的工装, 控制法兰颈部在热处理过程中的变形量。接下来, 对过渡层表面进行100%PT检测, 必要时还应增加100%超声检测。继续按焊接工艺要求对工件进行盖面层堆焊, 堆焊厚度为 (净尺寸+3-5mm) , 焊后对盖面层进行机加工, 局部未加工到处应进行补焊, 再用砂轮修磨平滑。最后, 对堆焊层进行测厚, 要求:堆焊层厚度应均匀, 最厚与最薄之差应≤1mm.整个堆焊层表面应平整, 平面度允差≤1mm。全部合格以后, 对盖面层表面进行100%PT检测, 必要时增加100%超声检测。如此, 对于低合金钢中厚板堆焊耐腐蚀层的工序就全部完成了。对于一些有抗晶间腐蚀要求的工况, 其对堆焊层的要求一般须在离堆焊层表面以下3mm深度以内范围内进行取样, 检测堆焊层的化学成分及金相组织, 以满足所需堆焊材料 (如00Cr19Ni10) 的要求, 此时取样可在堆焊层上直接取样, 也可对堆焊试板取样, 当然堆焊试板还应制取做晶间腐蚀试验的试样, 一般要求GB/T4334-2008中E法进行试验。对于有多件堆焊工件的设备, 我们取堆焊层最薄的工件带堆焊试板, 当堆焊试板试验合格时, 其他工件的复合层的晶间腐蚀倾向试验结果即可依据要求最苛刻的此堆焊试板的复合层晶间腐蚀试验结果。
对于筒体厚度超过80mm以上的卷制筒体, 考虑到卷板能力等, 此时可能需要用热卷成型的方法。又因热卷是事前对工件进行加热, 然后卷制, 对其在实施过程中的防护措施要求也很高, 同时卷制过程中的纤维伸长量及壁厚减薄率也应有预先考虑。充分考虑热卷减薄率后, 对筒体的下料厚度进行必要的加厚, 以使得筒体成形后的最小厚度满足设计要求。筒体长度按中径展开, 与按封头相配处与封头实测尺寸配制。筒体板先进行拼接, 然后进行二次下料, 拼接焊缝的无损检测可以在筒体成形后进行。对厚板筒体划线下料时, 还需留出带头板, 同时下产品焊接试板料。厚板坡口加工要求较高, 应按照焊接工艺卡的要求加工纵、环焊缝焊接坡口。焊接坡口采用机械加工。必要时, 筒体的两端预留机加工余量, 在大型立式车床上加工环焊缝端面及焊接坡口, 以确保筒体的端面与轴线相垂直。在筒体预成形后切除带头板, 然后边卷圆, 边用样板检测, 最终合拢, 控制筒体的对口错边量。由于中厚板的供货状态一般为正火或正火+回火, 采用热卷工艺后极有可能破坏材料的原供货状态, 因此, 筒体在焊接完成后还要进行恢复性能热处理, 同时带焊接试板, 进行同炉热处理。试板的厚度取与筒体一样, 并与筒体同时经历热卷时的热处理及焊后的恢复性能热处理。最终, 应依据焊接试板的力学性能、金相组织等结果判定该筒体的恢复性能热处理是否合格。
在科技快速发展、资源趋于匮乏的今天, 我们对节能减排、经济合理的要求越来越迫切。如果能通过技术手段就能达到节约能源、经济实惠的目的, 对我们有限的资源来说, 必定是非常有必要, 也是有着非常深远的意义的。
摘要：中高压容器;对低合金钢中厚板堆焊耐腐蚀层的堆焊法兰、平盖等元件的晶间腐蚀性能提出较高要求的情况。
关键词：中厚板,耐腐蚀性能,堆焊层
参考文献
[1] TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》.
[2] GB150-2011《压力容器》中国标准出版社.