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不銹鋼壓力容器封頭缺陷分析及預防修復措施

文章錄入：上海奔爍咨詢 | 文章來源：焊割觀察者 | 添加時間：2022-3-26

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質材料。但從近年的制造和使用情況來看，奧氏體不銹鋼封頭產品產生了裂紋、鼓包、過燒、折皺、減薄超標、劃傷、拉裂、凹坑等缺陷。為了減少缺陷的產生，有必要對其產生的原因進行分析，并提出控制缺陷產生的主要措施，對能修復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裂紋缺陷及產生原因分析奧氏體不銹鋼封頭產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，產生第三種殘余應力，直邊段內表面承受較大的拉應力產生宏觀內應力，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都有可能產生裂紋；二是端口裂紋的產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，產生應力集中而形成的；三是焊縫熱影響區熔合線晶粒粗大，受外力作用產生裂紋，另外，焊縫咬邊的部位在封頭壓鼓和沖壓過程中應力集中，也會沿熔合線形成裂紋。
1.2鼓包缺陷及產生原因分析封頭鼓包是指封頭表面局部區域向外凸起變形，一般是在熱成型工藝中產生。原因分析：一是拉伸中圓滑過渡區受到切向壓縮應力的作用，使板材失穩產生鼓包；二是封頭坯料的受熱不均勻，導致金屬不均勻變形增大，從而產生鼓包。
1.3過燒缺陷及產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，產生的板材燒損現象。在熱成型工藝中，因加熱爐溫度場不均，容易導致封頭局部過燒。使用煤爐、焦炭爐加熱時，爐內溫度不易控制，過燒現象常有發生，因此對于不銹鋼封頭不應采用焦炭和煤加熱爐加熱。對于碳鋼封頭，標準雖未作出規定，但也不宜采用煤爐、焦炭爐加熱。
1.4減薄超標缺陷及產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�力大于圓滑過渡區延伸的拉應力，厚度增加；圓滑過渡區在拉伸應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，工藝減薄是可控的。出現減薄超標的主要原因有：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致壁厚減薄不均。
1.5劃傷缺陷及產生原因分析封頭劃傷是封頭加工過程中產生表面損傷缺陷，內外表面都可能出現劃傷現象。劃傷產生的主要原因是：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；三是轉運過程中不當操作也會引起外表面劃傷。
1.6拉裂缺陷及產生原因分析拉裂是拉伸力超過材料的強度極限導致開裂。產生拉裂的原因有：一是材料延伸率低，硫磷含量超標；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，圓滑過渡區已造成橫向拉裂。
1.7凹坑缺陷及產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，坯料不易被壓下，模具運行到該部位被卡，強行下壓，就會導致該側局部嚴重減薄形成凹坑；二是旋壓時，壓鼓工藝不當也會導致凹坑產生，特別是薄壁封頭，封頭變形量大，鼓頭捶打不均就有可能導致局部凹坑。

2、不銹鋼壓力容器封頭缺陷的預防措施
不銹鋼壓力容器封頭壓制過程中，受力復雜，容易產生各種各樣的缺陷。根據不同缺陷形成的原因，做好相應的預防措施，是保證封頭質量的重要環節。
2.1裂紋缺陷的預防措施針對不銹鋼壓力容器封頭裂紋產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；嚴格控制切割工藝，坯料邊緣打磨光滑防止端口裂紋產生；焊縫及熱影響區裂紋，要嚴格控制焊接工藝參數、減慢冷卻速度、適當提高焊縫形狀系數、盡可能采用小電流多層多道焊，以避免焊縫中心產生裂紋，防止咬邊，控制焊高，對焊縫區域進行合理的熱處理等。
2.2鼓包缺陷的預防措施防止鼓包產生的措施包括：采用二次拉伸工藝，減少殘余應力；采用錐面壓邊圈；改善毛坯的加熱質量，使坯料受熱均勻。防止過燒產生采取的措施包括：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，對爐內溫度場進行定期檢測。防止折皺的產生要采取以下措施：加裝壓力圈，特別是自制封頭的壓力容器廠，缺乏專業設備；控制好上下模間隙；控制好加工工藝，不易成形的材料，可以進行多次拉伸成形。
2.3減薄超標缺陷的預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劃傷缺陷的預防措施為了減少劃傷缺陷，壓制封頭前，應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防措施開裂控制采取的措施有：嚴格控制材料質量，材料的機械性能、化學成分、金相組織和工藝性能指標符合技術標準規定；工人熟練掌握加工工藝，控制好沖壓速度和壓力，經常在上下壓圈的接觸面上涂潤滑油，防止封頭的拉裂。防止凹坑的產生主要是保證上模在壓邊圈中心位置，防止偏心，現場要有測量工具，切忌靠眼睛估計。

3、不銹鋼壓力容器封頭缺陷的修復措施分析
在不銹鋼壓力容器封頭加工過程中，缺陷的產生不可避免，有些缺陷雖然超標，但進行修復后對其安全性能并無太大影響。本著節能降耗的原則，在確保封頭質量的前提下，應盡量進行修復。有些缺陷無法進行修復，或者修復后無法保證封頭的力學性能，就要進行報廢處理了。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，再進行表面探傷檢查缺欠是否完全被清除，直到確認完全清除，打磨深度超過鋼材厚度5%或2mm時，應進行補焊。鼓包缺陷可采取液壓回頂的方法進行修復，但是嚴重的鼓包變形會引起封頭各區域應力水平不均，封頭各部分力學性能不均，不宜修復。過燒缺陷可能導致金相組織發生變化，材料力學性能下降，過熱、過燒、燒毀界定困難，建議封頭進行報廢處理。輕微的折皺可進行打磨消除；劃傷和局部凹坑視情況可進行打磨補焊；整周凹坑無法進行修復，應報廢處理。

4、結論
在不銹鋼壓力容器封頭的制造和使用過程中會產生裂紋、鼓包、過燒、折皺、減薄超標、劃傷、拉裂、凹坑等缺陷。從產生缺陷主要原因，可以歸納為：材料控制不嚴；工藝執行不到位，沖壓速度和壓力控制不當，模具偏心，焊接參數不正確均屬此類；設備未達到加工封頭的要求，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生，在封頭制造中應做到以下幾點：嚴把材料人場關；制定合理的工藝；加強操作工培訓；嚴格執行工藝紀律；對加工設備進行定期檢驗；減少外部因素影響。

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