-35℃冷冻水罐的制造工艺

黄景星

(南宁广发重工集团有限公司，广西 南宁530001)

-35℃冷冻水罐是某氯碱化工项目的冷却用关键设备。该设备介质主要为冷却水。罐体材料为16MnDR，由于罐体直径较大且壁薄，因此罐的整体制造难度大。南宁广发重工集团压力容器分公司为完成该项目设备的整体制造，严把品质关，从材料的采购到设备的制造，均严格按设计院提供的施工图纸和技术协议进行，最后圆满完成冷冻水罐的制造，设备完全达到设计要计，本文就该设备的关键技术和制造工艺作简单介绍。

1 设备技术特性及结构特点

该冷冻水罐的技术特性如表1所示，其外形结构如图1所示。

表1 -35℃冷冻水罐的技术特性

图1 罐体外形结构

该罐内径为准5 000 mm，壁厚为8 mm，总高度为6 693 mm，主要受压原件材料为16MnDR。整罐总重约为10.205 T，充满水后总重为128.065 T。

2 制造难点分析

由于该设备直径较大且壁薄，自重产生的变形很大，所以在卷板、组对工序等必须控制椭圆度。为防止焊接接管产生的局部圆度超标，在罐体组对前、对罐体筒节进行支撑后组对，焊后进行接管的开孔处理和焊接；低温钢为焊接工艺有一定的难度，并在水压试验时，要有完整可靠的水压试验方案。

2.1 材料需求

-35℃冷冻水罐的筒体、上封头、底板的材料为16MnDR，钢板供货状态为正火加回火处理细化晶粒，均化组织而获得良好的低温韧性。因此，可按表2钢板理化技术条件进行钢板采购。

表2 钢板采购技术条件

2.2 制造工艺措施

2.2.1 焊接工艺拟定

（1）焊接坡口型式的选择：为保证焊缝低温冲击的性能，尽量避免采用单层焊和单道焊，以免对焊缝造成的不良影响，在坡口的选择中，尽量加大坡口的角度，这样更有利于实现焊缝的多层多道焊接，改善其韧性，保证焊缝品质。坡口型式如图2所示。

图2 坡口形式

（2）焊接参数的选择

焊接参数的选择如表3所示。

表3 焊条牌号及焊接工艺参数

2.2.2 16MnDR钢板及焊条的工艺评定

为了确保获得良好焊接头的力学性能，特别是在低温下的冲击韧性，在生产前必须进行焊接工艺评定。

（1）焊材的选择：在满足产品技术要求及相关标准的前提下，选择低温焊材的原则是：焊缝金属的性能应高于或等于相应母材料的标准规定，特别是焊缝的低温冲击性能不低于母材料规定的最低使用温度条件下的规定值，这样就能够保证在产品制造过程中，具有足够的韧性余量，满足产品的设计要求和使用要求，焊条牌号及焊接工艺参数的选择如表3所示。

根据表3的焊接参数，首先采用多层多道快速焊，焊接d=8 mm，d=10 mm两种规格的工艺试板，然后按相关规定进行取样，分别做拉伸、压弯、冲击等力学性能，均达到低温钢板焊缝接头的评定值，证明所选用的焊接参数是满足要求的。

3 冷冻水罐的制造

3.1 罐体的制造

（1）下料

当材料到厂后，根据材质证书及GB3531-1996规定并逐张进行超声波检测且应符合JB4730-2005中Ⅱ级规定后，方可进行下料、切割。

（2）卷圆弧

罐体的下料按筒体中径下料，并根据平时积累的经验考虑一定的焊缝收缩量，对角线之差不大于2.5 mm。由于筒体的钢板厚度为8 mm，而且直径较大，故分二分之一进行刨边和卷制，刨边坡口如图2所示。刨边在本厂12 mm刨边机上进行机加工，以保证下料的准确性和钢板边的垂直度。在卷板前，需对钢板两端用油压机进行预压头，在卷制时，用吊车吊住已卷好的部分，以减少自重的影响而改变筒体的圆度，吊出卷板机后即刻把半圆弧的筒体侧立，以防自重作用破坏了圆度。

（3）组圆

在两圆弧筒体进行整圆组对时，在较大的工作平台或者在平整的地板上铺设钢板作为平台，首先对接一边纵缝，并用准5 000的样板卡进行检查圆度，然后进行一条纵缝的对接，同样用样板卡进行检查。

（4）加撑

组圆后的筒节用75×75×8的角钢进行十字加撑，防止吊装或整体卧放时筒体发生变形。

3.2 封头的制造

（1）模具

上封头为球形封头，因为尺寸较大而且钢板薄（6 mm），不容易采购，因此只能由本公司设计模具并进行压制。根据材料规格及整体尺寸，分成12等分见图3示意图，压模分为上下模，考虑到16MnDR的弹性系数较大，故在模具设计时，要解决在压模时掌握和控制5%的回弹量。在压制过程中，进行分段压制，压制的顺序、排列和移动方向的控制方法如图4所示。

图3 上封头分瓣示意图

图4 球瓣压制顺序和移动方向示意图

经过在首块板上的试验，其压制顺序和移动方向如图4所示。在压片过程中，用1.5 m内控样板检查球片曲率，求出片几何尺寸，坡口检查结果最大曲率公差为5 mm；弦长方向宽度最大公差2.5 mm；长度公差最大为3mm；对角线长度公差为3.5 mm。

当球片在压制完成后需进行校形，由于胎具上下球面存在差异，故在压制时会形成局部凹凸面，影响外观美感，因此需进行手工工校形。

中心球片采用整体压制，压制效果较好，符合图纸设计要求。

（2）封头的组装

由于封头系由12等分的瓣状和中心球片组成见图3，因此，根据封头的高度及球冠特点见图5，制作一个圆形支架，以便于封头的组装。将制作好的筒体加强角钢圆置于平整的工作台上，并与角钢圆同中心，防止圆形支架在筒体加强角钢圆和圆形支架上组对球瓣，当组装合格后方可进行点焊，将12份球瓣和加强角钢之间点焊成形，最后再装中心球瓣，如图6所示。

图5 球冠剖面图

图6 上封头组装示意图

3.3 焊接工艺

16MnDR低温钢的焊接是设备制造中的重点，为了得到合格的焊接街头的力学性能，特别是低温冲击韧性，应注意以下几点：

（1）焊材的选择。在满足技术要求及相关标准规定的前提下，选择低温焊材的原则是：焊缝机械性能应高于或等于相应母材标准规定，特别是焊缝的低温冲击性能不低于母材标准规定的最低使用温度条件下的规定值，这样能够保证在产品生产过程中具有足够的韧性。

（2）坡口形式的选择。为保证焊缝低温冲击性能，尽量避免由于单层或单道焊对焊缝韧性的不良影响，在坡口形式的选择中，特别是加大坡口角度，尽管焊接工作量加大了，但有利于实现焊缝的多层多道焊，改善韧性，提高力学性能。

（3）焊接过程中的主意事项。根据低温钢的焊接特点，为保证焊接接头组织的韧性，在焊接过程中必须严格控制焊接线能量，在产品施焊过程中，尽可能采用小电流快速多层多道焊，降低焊缝间隙中的热输入，控制层间温度以细化晶粒，提高韧性。

3.4 无损检测

在本产品组焊完毕后，分别对A、B焊缝进行100%射线检测，以JB/T4730.2-2005中规定的达到Ⅱ级才合格的标准，分别对C、D类焊缝及底板与罐壁之角焊缝进行100%MT检查，合格级别为JB/T47302-2005中Ⅰ级。

4 结束语

通过上述分析，我们得出：

（1）大型薄壁立式罐虽然变形量大，但只要采对得当的措施，变形还可以控制在标准范围的。

（2）在焊接时，必须严格按照焊接工艺施焊，使得焊接接头力学性能满足要求。

该设备在生产完成后，运行了一年时间无任何品质问题的出现，达到了设计的要求。

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