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不銹鋼壓力容器封頭缺陷分析及預(yù)防修復(fù)措施

文章來源：焊割觀察者 編輯：華道顧問

壓力容器封頭是壓力容器的主要受壓元件之一，奧氏體不銹鋼是制造壓力容器封頭的優(yōu)質(zhì)材料。但從近年的制造和使用情況來看，奧氏體不銹鋼封頭產(chǎn)品產(chǎn)生了裂紋、鼓包、過燒、折皺、減薄超標(biāo)、劃傷、拉裂、凹坑等缺陷。為了減少缺陷的產(chǎn)生，有必要對其產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并提出控制缺陷產(chǎn)生的主要措施，對能修復(fù)的缺陷制定合理的返修工藝。

1、奧氏體不銹鋼封頭缺陷及原因分析
奧氏體不銹鋼封頭的加工成型過程包括材料驗收、表面處理、校平、劃線、切割、焊接、焊高修磨、壓制成型、無損檢測、熱處理、切邊等工序。但是，在加工過程中，材料、厚度、加工工藝的變化以及工人操作的熟練程度都有可能產(chǎn)生各種缺陷。從各工序的檢驗情況對封頭缺陷及原因分析如下。
1.1裂紋缺陷及產(chǎn)生原因分析奧氏體不銹鋼封頭產(chǎn)生的裂紋原因主要有以下幾個方面：一是封頭翻直邊過程中引起加工硬化，產(chǎn)生第三種殘余應(yīng)力，直邊段內(nèi)表面承受較大的拉應(yīng)力產(chǎn)生宏觀內(nèi)應(yīng)力，翻直邊過程中冷旋壓工藝的旋壓速度過快、旋壓施加的壓力過高以及冷沖壓工藝的沖壓速度過快、上下模間隙控制不當(dāng)都有可能產(chǎn)生裂紋；二是端口裂紋的產(chǎn)生主要是由于坯料切割過程中，切割面不平整，在壓制過程中，產(chǎn)生應(yīng)力集中而形成的；三是焊縫熱影響區(qū)熔合線晶粒粗大，受外力作用產(chǎn)生裂紋，另外，焊縫咬邊的部位在封頭壓鼓和沖壓過程中應(yīng)力集中，也會沿熔合線形成裂紋。
1.2鼓包缺陷及產(chǎn)生原因分析封頭鼓包是指封頭表面局部區(qū)域向外凸起變形，一般是在熱成型工藝中產(chǎn)生。原因分析：一是拉伸中圓滑過渡區(qū)受到切向壓縮應(yīng)力的作用，使板材失穩(wěn)產(chǎn)生鼓包；二是封頭坯料的受熱不均勻，導(dǎo)致金屬不均勻變形增大，從而產(chǎn)生鼓包。
1.3過燒缺陷及產(chǎn)生原因分析過燒指封頭熱成形時局部加熱溫度超過始壓溫度，產(chǎn)生的板材燒損現(xiàn)象。在熱成型工藝中，因加熱爐溫度場不均，容易導(dǎo)致封頭局部過燒。使用煤爐、焦炭爐加熱時，爐內(nèi)溫度不易控制，過燒現(xiàn)象常有發(fā)生，因此對于不銹鋼封頭不應(yīng)采用焦炭和煤加熱爐加熱。對于碳鋼封頭，標(biāo)準(zhǔn)雖未作出規(guī)定，但也不宜采用煤爐、焦炭爐加熱。
1.4減薄超標(biāo)缺陷及產(chǎn)生原因分析對于沖壓封頭，封頭底部受到模具壓力和摩擦力，壁厚減薄最�。恢边叾紊喜渴艿綁哼吶Φ膲簯�(yīng)力大于圓滑過渡區(qū)延伸的拉應(yīng)力，厚度增加；圓滑過渡區(qū)在拉伸應(yīng)力和模具壓力共同作用下，壁厚減薄最大。對于旋壓封頭，壓鼓過程中，坯料受到壓鼓頭的不斷捶打，減薄量比沖壓封頭更大，壁厚均勻性較差。只要工藝控制得當(dāng)，工藝減薄是可控的。出現(xiàn)減薄超標(biāo)的主要原因有：一是壓邊圈壓力過大，坯料拉伸自由度�。欢�是坯料和模具光潔度差、潤滑劑效果不佳，造成坯料拉伸阻力大，拉伸效果差；三是壓鼓工藝控制不好導(dǎo)致壁厚減薄不均。
1.5劃傷缺陷及產(chǎn)生原因分析封頭劃傷是封頭加工過程中產(chǎn)生表面損傷缺陷，內(nèi)外表面都可能出現(xiàn)劃傷現(xiàn)象。劃傷產(chǎn)生的主要原因是：一是模具表面不夠圓滑，有尖銳缺損；二是熱壓時，坯料表面形成較厚的氧化層，壓制過程中脫落造成劃傷；三是轉(zhuǎn)運過程中不當(dāng)操作也會引起外表面劃傷。
1.6拉裂缺陷及產(chǎn)生原因分析拉裂是拉伸力超過材料的強(qiáng)度極限導(dǎo)致開裂。產(chǎn)生拉裂的原因有：一是材料延伸率低，硫磷含量超標(biāo)；二是壓邊圈的壓力過大，沖壓時造成將毛坯拉裂；三是潤滑效果差，模具與坯料間摩擦力不均造成封頭的拉裂；四是沖壓時模具行程過快，旋壓翻邊時旋壓速度過快，圓滑過渡區(qū)已造成橫向拉裂。
1.7凹坑缺陷及產(chǎn)生原因分析凹坑是封頭加工過程中形成的局部或整周凹陷。產(chǎn)生凹坑主要原因是：一是模具位置不正。沖壓工藝中，模具如果偏心，兩邊間隙大小不一，間隙小的一側(cè)，坯料不易被壓下，模具運行到該部位被卡，強(qiáng)行下壓，就會導(dǎo)致該側(cè)局部嚴(yán)重減薄形成凹坑；二是旋壓時，壓鼓工藝不當(dāng)也會導(dǎo)致凹坑產(chǎn)生，特別是薄壁封頭，封頭變形量大，鼓頭捶打不均就有可能導(dǎo)致局部凹坑。

2、不銹鋼壓力容器封頭缺陷的預(yù)防措施
不銹鋼壓力容器封頭壓制過程中，受力復(fù)雜，容易產(chǎn)生各種各樣的缺陷。根據(jù)不同缺陷形成的原因，做好相應(yīng)的預(yù)防措施，是保證封頭質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。
2.1裂紋缺陷的預(yù)防措施針對不銹鋼壓力容器封頭裂紋產(chǎn)生的不同情況采取不同的措施，直邊段裂紋主要通過旋邊速度和壓力、沖壓速度來控制；嚴(yán)格控制切割工藝，坯料邊緣打磨光滑防止端口裂紋產(chǎn)生；焊縫及熱影響區(qū)裂紋，要嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)、減慢冷卻速度、適當(dāng)提高焊縫形狀系數(shù)、盡可能采用小電流多層多道焊，以避免焊縫中心產(chǎn)生裂紋，防止咬邊，控制焊高，對焊縫區(qū)域進(jìn)行合理的熱處理等。
2.2鼓包缺陷的預(yù)防措施防止鼓包產(chǎn)生的措施包括：采用二次拉伸工藝，減少殘余應(yīng)力；采用錐面壓邊圈；改善毛坯的加熱質(zhì)量，使坯料受熱均勻。防止過燒產(chǎn)生采取的措施包括：采用溫度場均勻的電爐、氣爐和油爐，爐內(nèi)封頭盡量放在中心位置，電爐的熱電偶、油氣爐的噴嘴布置均勻，對爐內(nèi)溫度場進(jìn)行定期檢測。防止折皺的產(chǎn)生要采取以下措施：加裝壓力圈，特別是自制封頭的壓力容器廠，缺乏專業(yè)設(shè)備；控制好上下模間隙；控制好加工工藝，不易成形的材料，可以進(jìn)行多次拉伸成形。
2.3減薄超標(biāo)缺陷的預(yù)防措施減薄的控制主要在制造工藝上，整體減薄要考慮配料厚度是否足夠，坯料尺寸能不能確保有足夠的壓邊寬度；對局部減薄的控制要確保壓鼓工藝正確性及工人操作的熟練。
2.4劃傷缺陷的預(yù)防措施為了減少劃傷缺陷，壓制封頭前，應(yīng)將毛坯表面清掃干凈，避免附著硬物在沖壓過程中劃傷表面；定期對上下模進(jìn)行清理，減少氧化皮粘附；定期檢查模具有無破損。
2.5開裂及凹坑缺陷的預(yù)防措施開裂控制采取的措施有：嚴(yán)格控制材料質(zhì)量，材料的機(jī)械性能、化學(xué)成分、金相組織和工藝性能指標(biāo)符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；工人熟練掌握加工工藝，控制好沖壓速度和壓力，經(jīng)常在上下壓圈的接觸面上涂潤滑油，防止封頭的拉裂。防止凹坑的產(chǎn)生主要是保證上模在壓邊圈中心位置，防止偏心，現(xiàn)場要有測量工具，切忌靠眼睛估計。

3、不銹鋼壓力容器封頭缺陷的修復(fù)措施分析
在不銹鋼壓力容器封頭加工過程中，缺陷的產(chǎn)生不可避免，有些缺陷雖然超標(biāo)，但進(jìn)行修復(fù)后對其安全性能并無太大影響。本著節(jié)能降耗的原則，在確保封頭質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量進(jìn)行修復(fù)。有些缺陷無法進(jìn)行修復(fù)，或者修復(fù)后無法保證封頭的力學(xué)性能，就要進(jìn)行報廢處理了。裂紋缺陷可通過打磨消除。采用超聲波無損檢測確定缺陷位置及長度，然后用砂輪進(jìn)行打磨，先從裂紋兩端開始打磨，把缺欠位置打磨成U形槽，再進(jìn)行表面探傷檢查缺欠是否完全被清除，直到確認(rèn)完全清除，打磨深度超過鋼材厚度5%或2mm時，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊。鼓包缺陷可采取液壓回頂?shù)姆椒ㄟM(jìn)行修復(fù)，但是嚴(yán)重的鼓包變形會引起封頭各區(qū)域應(yīng)力水平不均，封頭各部分力學(xué)性能不均，不宜修復(fù)。過燒缺陷可能導(dǎo)致金相組織發(fā)生變化，材料力學(xué)性能下降，過熱、過燒、燒毀界定困難，建議封頭進(jìn)行報廢處理。輕微的折皺可進(jìn)行打磨消除；劃傷和局部凹坑視情況可進(jìn)行打磨補(bǔ)焊；整周凹坑無法進(jìn)行修復(fù)，應(yīng)報廢處理。

4、結(jié)論
在不銹鋼壓力容器封頭的制造和使用過程中會產(chǎn)生裂紋、鼓包、過燒、折皺、減薄超標(biāo)、劃傷、拉裂、凹坑等缺陷。從產(chǎn)生缺陷主要原因，可以歸納為：材料控制不嚴(yán)；工藝執(zhí)行不到位，沖壓速度和壓力控制不當(dāng)，模具偏心，焊接參數(shù)不正確均屬此類；設(shè)備未達(dá)到加工封頭的要求，包括加熱爐溫度場不均，模具受損等。為盡可能減小這些缺陷的產(chǎn)生，在封頭制造中應(yīng)做到以下幾點：嚴(yán)把材料人場關(guān)；制定合理的工藝；加強(qiáng)操作工培訓(xùn)；嚴(yán)格執(zhí)行工藝紀(jì)律；對加工設(shè)備進(jìn)行定期檢驗；減少外部因素影響。

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