压力容器制造中常见问题及分析

装备制造技术 2 0 1 0 年第 7 期 现有压力容器制造由设计、 机加工和铆接、 材料、 焊接、 计 量理化和检验等部分贯穿于整个过程， 各部分相互联系， 相互 协调， 相互制约， 共同完成压力容器产品的制造。本文基于压 力容器制造的构成和特点， 从设计时标准的选用、 材料代用、 焊后热处理及产品焊接试板等方面, 分析了压力容器制造中常 见问题。 1 压力容器的构成和特点 （1 ）产品结构和参数的多样性。压力容器产品适用范围 广， 如制药、 化工、 石油、 冶炼、 饮食等行业， 产品具有品种繁多 的特点， 即使是同类产品中， 也会因客户需求上的差异， 造成 产品结构上的不同， 进而引起制造工艺上的多样性。 （2 ）有较高的安全性要求。压力容器制造， 必须遵循大量 的、 强制性的标准和规范， 并且标准和规范具有时效性。压力 容器产品因其多在高温、 高压、 真空、 腐蚀等环境条件下长期 运行， 而所盛装的介质常为易燃、 易爆、 剧毒、 有害物质， 因此 产品的安全性被放在首位， 产品从设计开始， 就需要遵循强制 性的标准和规范， 如 G B 1 5 0 、 G B 1 5 1 等等。随着科学技术的不 断进步， 新技术、 新工艺、 新材料和新的管理手段的运用， 加速 了标准和规范的更新。例如旧标准受当时的技术和经济条件 的限制和制约， 以考虑安全性为主， 忽略了客户对经济性的关 注； 新标准在新思想的影响下， 制定者已意识到客户对经济性 的需求是不可忽视的，故新标准逐渐把经济因素放到了比较 重要的位置， 这体现在新标准中对安全系数的降低。 （3 ）制造过程中存在着许多相似的信息。在压力容器产 品制造的统计过程中， 发现其中存在着许多相似信息， 如工艺 流程的相似性、 零部件几何形状之间的相似性、 产品结构之间 的相似性、 同事物处理过程之间的相似性。 对这些相似信息的 利用， 能有效地提高企业的竞争力。 （4 ）设计具有较强的专业性。压力容器产品不同于通用 机械产品， 在运用软件技术进行产品设计时， 不仅要求人员掌 握先进的计算机技术， 更要具备化工设备的整体设计思想。 （5 ）涉及多行业、 多学科的综合性产品。压力容器制造技 术涉及到冶金、 机械加工、 腐蚀与防腐、 无损检测、 安全防护等 众多行业， 因此制造过程要求多行业、 多学科、 多方面的协作 共同来完成， 并且为确保产品质量， 形成了以职能为中心的、 以控制为导向的机械式组织结构。 （6 ）结构复杂， 多种多样。使产品的品种增多， 但组成产品 的各部分组件间联系相对松散， 产品便于进行系列化和模块化。 （7 ）焊接质量是主要的质量控制点。制造过程是以钣金件 的焊接质量为主要质量控制点， 同时也是制造过程的薄弱环节。 2 设计标准的选用 一些设计单位因为对压力容器的制造、 检验标准不熟悉， 或对新老标准的替换不了解，造成在设计时的标准选用不正 确。如压力容器检测， 仍选用 J B 4 7 3 0 - 1 9 9 4 ， 而不选用最新的 J B 4 7 3 0 - 2 0 0 5 ； 按 J B 4 7 3 0 - 2 0 0 5 标准， 应优先选用磁粉检测， 但 制造厂家往往为了操作方便，采用灵敏度相对不高的渗透检 测。特别是材料的新老标准替换，许多设计人员认为无关紧 要， 甚至把新老标准混为一谈， 这种不正确的想法和做法， 往 往导致制造厂家采购部门在采购材料时，只认材料牌号而不 重视材料的执行标准。 有些产品有专业的标准， 用户订购的产 品规格超出专业标准的适用范围，而产品的某些工艺参数除 此标准外又别无标准可以依据。 此时， 产品的设计、 制造、 检验 等环节， 只能是参照此专业标准而不能完全按照此标准， 而这 些在设计图样的技术要求中均未注明。 在这样的情况下，笔者认为所有压力容器必须根据其类 别由具有相应设计资格的设计单位进行设计、 审核， 由制造单 位工艺人员编制相应的制造工艺文件，并经工艺责任工程师 审核后方可正式投入生产。 3 材料的 “以优代劣” 压力容器用金属材料的主要性能， 包括力学性能、 化学性 能、 物理性能和工艺性能。材料性能对于某种材料而言， 是确 定不变的。一种材料在某一方面的性能 “优” 于另一种材料的 压力容器制造中常见问题及分析 陈月红 （江苏世能化工设备有限公司， 江苏 靖江 2 1 4 5 0 0 ） 摘要： 在分析压力容器制造的构成和特点基础上, 运用分析法对压力容器制造过程中出现的问题进行了论述， 得出了压力容器制作 是一个相互关联的过程， 要重视每个环节， 以期为压力容器制造业提供相关建议和帮助。 关键词： 压力容器； 制造； 问题 中图分类号： T H 4 9文献标识码： B文章编号： 1 6 7 2 - 5 4 5 X （2 0 1 0 ） 0 7 - 0 1 6 3 - 0 3 收稿日期： 2 0 1 0 - 0 4 - 2 9 作者简介： 陈月红 （1 9 6 8 ） ， 女, 江苏靖江人， 工程师， 研究方向： 压力容器制造。 163 Equipment Manufactring Technology No.7，2010 同时， 有可能在其它方面 “劣” 于另一种材料， 在不同的情况 下， 人们对材料性能的需求是千变万化的， 在材料代用问题上 的 “优” 、“劣” 判断， 只能具体问题具体分析， 这方面的事例在 压力容器中是常见的。 （1 ）压力容器用低合金钢虽然强度等机械性能方面的指 标要优于碳素钢，但是其可焊性、冷加工性能却不如碳素钢 好， 因为一般强度级别越高， 其可焊性和冷加工性能就越差。 （2 ）压力容器用低合金钢抗应力腐蚀性能却不如碳素钢 好。 材料代用时如果考虑不周， 将会给压力容器的安全使用留 下隐患。如在有应力腐蚀开裂倾向和湿 H2S 环境的设备中， 随 着压力容器用钢强度级别的提高，相应地对应力腐蚀开裂的 敏感性加大， 在这种情况下用 Q 3 4 5 R等低合金钢代替 Q 2 4 5 R 及 Q 2 3 5 系列钢， 会更容易出现问题， 原则上这类 “以优代劣” 是不允许的。 （3 ）镇静钢在许多方面的性能都优于沸腾钢， 但是当用于 制造搪瓷玻璃容器时， 沸腾钢的搪瓷效果反而比镇静钢好。 （4 ）对于膨胀节、 爆破片和挠性管板这类零件， 原则上不 允许以 “优” 代 “劣” ， 否则应按代用材料重新计算， 对其厚度适 当减薄， 否则将有可能导致这些元件及相邻部位失效。 （5 ）不锈钢也有其耐蚀性能不如碳素钢和低合金钢的场 合， 如含 C l -介质的工况。 （6 ） 超低碳不锈钢的价格和耐腐蚀性能， 虽然优于普通不 锈钢， 但是其高温热强性却不如普通不锈钢， 碳在奥氏体不锈 钢中具有两重性。从耐腐蚀性来说， 需要降低含碳量； 而从耐 高温性能来说， 则需要适当提高含碳量， 在进行此类 “以优代 劣” 时， 要特别注意设备的设计温度， 必要时需重新进行计算。 总之， 压力容器产品材料不能随便地 “以优代劣” ， 如主要 受压元件发生这方面的材料代用时，制造单位必须取得原设 计单位同意修改的书面证明文件，并且在改动部位作详细记 载， 同时进行相应的焊接工艺评定。 4 材料的 “以厚代薄” 材料的 “以厚代薄” ， 往往使壳体的受力由平面应力状态 向平面应变状态转变， 对容器的受力状态有害而无利， 厚壁容 器更容易产生三向拉应力的平面应变脆性断裂。 （1 ）对于原设计中筒体与封头之间为等厚度焊接的容器， 如对容器壳体个别部件进行 “以厚代薄”（如仅增加封头厚度， 而筒体厚度不变） 时， 势必增加容器壳体的几何不连续程度， 从而引起应力集中， 使封头与筒体连接部位的局部应力增大， 对有应力腐蚀倾向的容器有很大危害；对于受交变载荷的容 器， 则有可能引起疲劳裂纹甚至疲劳断裂。 （2 ）当厚板代薄板时， 往往要引起连接结构的变化， 如加 厚的封头与筒体的连接， 往往都必须对封头进行削边处理。 对 于用管道做筒体的设备， 当筒体壁加厚时， 筒体与封头的连接 处， 有时也必须对筒体侧作削边处理。 对于筒体与管板及平盖 的对焊连接结构， 也同样存在这些问题。当厚度增加较多时， 常常还涉及到焊接结构的变化，如接管与壳体焊缝及对接焊 缝都有可能从原来的单 V型改为 X型坡口。 （3 ）对于容器壳体整体上的以厚代薄， 虽然不会使筒体与 封头连接部位的局部应力增加，但是仍会造成以下几种不利 影响： 一是壳体厚度增大后， 原设计选用的焊接方式、 检测方 法等可能相应发生变化； 二是壳体增厚势必增加容器的重量， 于是将对容器的支座和基础不利：三是对于壳体兼作传热部 件的容器， 增加壳体厚度会影响换热容器的传热效果。 （4 ）钢板许用应力与其厚度密切相关， 从 G B l 5 0 中可见， 钢材随着板厚的增加，材料许用应力呈下降趋势。如 Q 3 4 5 R 在 2 0 1 5 0下， 板厚从 1 6m m增加到 1 8m m时， 许用应力 由 1 7 0M P a 下降到 1 6 3M P a ； Q 2 4 5 R在 1 5 0下，板厚从 1 6 m m增加到 1 8 m m时，许用应力由 1 3 2 M P a 下降到 1 2 6 M P a 。 厚代薄有可能导致强度不足。 因此， 当处于这些临界状况下的 厚代薄时， 还必须对强度进行验算。 （5 ）对于膨胀节、 波纹管、 挠性薄管板和薄管板等元件， 原 则上不应采用厚代薄，因为随着元件的加厚，其刚性相应增 大， 从而削弱了补偿变形效果。 因此，“以厚代薄”也必须像其它形式的材料代用那样， “事先取得原设计单位的设计修改证明文件， 对改动部位应作 详细记载” ， 由设计单位来综合考虑以厚代薄造成的种种 不利影响，决定是否可行并对可实施以厚代薄的容器的焊接 工艺、 检测方法、 支座、 基础等作适当的调整， 以消除或减少各 种不利影响。 5 焊后热处理及产品焊接试板 目前对焊后热处理的描述有多种， G B / T 3 3 7 5 - 1 9 9 4中对 焊后热处理 （P o s t w e l dh e a t t r e a t m e n t） 是这样定义的：“焊后， 为 改善焊接接头的组织和性能或消除残余应力等而进行的热处 理” ， 而在 J B 4 7 0 8 - 2 0 0 0 中， 定义焊后热处理为 “能改变焊接接 头的组织和性能或残余应力的热过程” 。不管如何描述， 焊后 热处理主要针对两部分： 焊接接头和整体结构。 对焊接接头来 说， 是改变其组织、 性能和残余应力， 对整体结构来说就是改 变因前期制作而存在于结构中的残余应力分布情况。 G B 1 5 1 - 1 9 9 9管壳式换热器 6 . 8（a ） 款规定 “碳钢、 低合金 钢制的焊有分程隔板的管箱和浮头盖以及管箱的侧开孔超过 1 / 3 圆筒内径的管箱， 在施焊后作消除应力热处理” 。 在 容规 第 4 条第 （3 ） 款同时又规定 “有不同热处理要求的压力容器， 筒节应分别制作产品焊接试板” 。制备产品试板的目的， 是通 过对试板的力学性能的试验结果，判断产品焊接接头的力学 性能是否达到设计要求， 它主要针对的是焊接接头。 在制作带分程隔板管箱的换热器时，该换热器的不同筒 节就会有不同的热处理要求， 按照 容规 就应该分别制作产 品焊接试板。在 G B 1 5 0 - 1 9 9 8 中 1 0 . 5 . 6 . 4 规定 “有热处理要求 的容器， 试板应随容器一起进行热处理” 。 按照此要求， 产品焊 接试板要与筒节同时进行热处理，而管箱的消除应力热处理 主要是为了消除管箱内部的结构应力， 并非焊接接头应力， 而 且按规定， 产品焊接试板所有力学性能试验合格后， 才可以进 行其他后续制作过程， 而管箱的热处理， 是在所有焊接工作完 成以后才进行的，故试板的热处理已没有必要而且也失去了 164 装备制造技术 2 0 1 0 年第 7 期 A n a l y s i s o f P r e s s u r eV e s s e l Ma n u f a c t u r i n gP r o b l e ms C H E NY u e - h o n g （S h i n e n g C h e m i c a l P l a n t C o m p a n y i n J i a n g s u ， J i n g j i a n g J i a n g s u 2 1 4 5 0 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t :T h ec u r r e n tm a r k e ts i z eo fC h i n asp r e s s u r ev e s s e l sg r o w i n gb a s e do nt h ea n a l y s i so fp r e s s u r ev e s s e lm a n u f a c t u r ea n d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c o m p o s i t i o n , t h e p a p e r d e a l s w i t h t h e p r o b l e m s g e n e r a t i n g i n p r e s s u r e v e s s e l m a n u f a c t u r i n g b y a n a l y t i c a l m e t h o d . T s h e n i t r e c e i v e s t h e r e s u l t t h a t p r e s s u r e v e s s e l m a n u f a c t u r i n g i s a c o r r e l a t i n g p r o c e s s , s o w e s h o u l d p a y a t t e n t i o n t o e v e r y s e c t i o n i n m a n u f a c t u r i n g , w i t h a v i e wt o C h i n a s p r e s s u r e v e s s e l t o p r o v i d e r e l e v a n t r e c o m m e n d a t i o n s t o h e l p t h e m a n u f a c t u r i n g s e c t o r . K e y w o r d s : p r e s s u r e v e s s e l ; m a n u f a c t u r i n g ; p r o b l e m s 其代表意义。 所以笔者认为， 仅仅是因为管箱需要热处理这种 情况， 无需增加管箱部分的产品焊接试板。 6 焊接接头检测比例及合格级别 根据 G B 1 5 0 - 1 9 9 8 第 1 0 . 8 . 2 . 1 和 容规 第 8 8 条的规定可 以看出， 凡是要求 1 0 0 %检测的焊接接头， 都是易发生缺陷的 深厚焊缝、 可焊性差的焊缝、 第三类容器以及安全性要求较高 的焊缝， 所以规定 级合格。 而 G B 1 5 0 - 1 9 9 8 1 0 . 8 . 2 . 2 条所列出的部位， 却不是以上几 种情况， 其本质上不是可焊性差或要求较高的焊缝， 例如先拼 接后成型的封头焊缝检测， 是考虑在其成型过程中， 会对封头 拼接焊缝的应力分布造成影响， 被内、 外件永久覆盖的焊缝一 旦存在超标缺陷， 在使用过程中很难及时发现而易造成事故， 离开孔较近的焊缝有较高的应力集中倾向，若此处焊缝缺陷 超标， 则容易形成致命缺陷等等。 基于以上原因， 才把这部分焊接接头纳入射线检测的范畴， 笔者认为这些部位的射线检测比例， 虽然也规定为 1 0 0 %， 但是 其合格级别还是应该参照压力容器壳体主体焊缝的要求进行 评定， 而不能一概归入 级合格范畴。但是在实际的操作过 程中， 压力容器制作部门和检测部门却无法统一认识， 制作部 门认为， 按照 容规 ， 其合格级别应与压力容器壳体相应的对 接接头一致；而检测部门却规定， 1 0 0 %R T的焊缝其合格级 别就是 级， 二者很容易造成误解。 所以笔者建议， 对这类焊 缝在 G B 1 5 0 或 容规 中， 应明确给出其合格级别， 以使各部 门共同遵照执行。 7 工艺文件的严格执行 为确保压力容器产品质量，必须制定正确合理的工艺文 件。但是更重要的是在制造过程中， 执行已制定的工艺文件。 在非标压力容器制造过程中， 往往存在工艺纪律执行不严， 甚 至未经合理手续随意变动工艺的现象。如未按评定合格的焊 接工艺进行焊接， 在筒体表面随意引弧， 强行装配， 外观检查 不合格就进行检测