摘要：對筒體厚度達到90mm的大型高壓容器的制作焊接工藝，在關鍵點的控制進行論述。
　　關鍵詞：壓煮器、容器、制作工藝、組裝、焊接、熱處理
　　
　　
　　一、概論：
　　溶出系統是氧化鋁工程中的關鍵重要的核心部分，也是確保形成氧化鋁生產能力的關鍵工程。而壓煮器（包括保溫壓煮器和帶加熱管束壓煮器）則是溶出系統的最主要設備。本文針對壓煮器板材厚、壓力高的特點就其工廠制作工藝中的要點進行闡述：
　　1、該壓煮器特點是：
　　1.1設備體積大、重量重、殼體的鋼板厚(外形尺寸：φ1600*11900mm，筒體板厚為90mm)，并要求整體進行熱處理消除焊接應力。
　　1.2焊接質量要求高，對所有焊縫要求100％的無損探傷，試驗后壓力為16.385Mpa；
　　1.3制作工藝復雜，技術含量高。
　　
　　二、制作焊接工藝：
　　1、壓煮器工廠制作工藝流程圖：
　　                          
　　2、原材料的質量檢查
　　壓煮器的工作壓力大、工作溫度高，原材料在下料之前必須先進行以下幾個方面的檢查方可進行下一道工序。a對筒體的鋼板要進行逐張的超聲波探傷，按JB4730（壓力容器無損檢測）Ⅲ級為合格；b逐張檢查鋼板的表面質量；c按爐號復驗鋼板的化學成份，按批號復驗鋼板的力學性能和冷彎性能；
　　3、下料及組對工藝
　　3.1下料
　　筒體的鋼板下料，必須確保鋼板的長度和寬度的允許偏差為±1mm；鋼板邊緣的不直度的允許偏差為±1mm,;鋼板的兩對角線之差為2mm。以有效保證筒體卷制和組裝的偏差。
　　3.2卷制及整體組對
　　3.2.1壓頭方式選擇：由于板材較厚，如果所定筒體鋼板長度預留卷板機壓頭料，將增加較大成本，采用液壓機壓頭的方法可以節約材料的損耗，比用卷板機預彎頭可節約長度800mm左右，為降低成本起到積極的作用。液壓壓頭的注意點：
　　A、壓頭時鋼板的寬度方向要與模具平行；
　　B、在壓制時由板的端部向內壓制，并用曲率樣板檢查是否達到所需曲率，曲率大小由液壓機的壓力控制；
　　C、為了防止在預彎頭和直斷之間在卷圓時結合部分產生局部過彎的現象，在預彎頭與直斷之間要有一段過度圓弧，呈拋物線狀態；
　　D、在模具的制作上考慮到鋼材的彈性問題，下模應適當縮小曲率半徑R，方能保證達到工件的設計要求。
　　3.2.2筒體卷制：受板材厚和筒體直徑相對較小的影響，如果橢圓度和錯邊量超出偏差范圍，基本無法調整，即使采取強制成型，也將對焊縫產生較大內應力，故對筒體卷制需要注意和保證以下幾點：
　　A、筒體卷制采取多道次緩慢進行。因板材厚，筒體直徑相對較小，在卷圓時鋼板外層受到拉力，內層受到壓力，如軋制道次少，容易造成鋼材內部產生微裂紋，對鋼材的強度造成一定的影響；
　　B、注意橢圓度和局部彎曲度，確保筒體對接時不產生錯邊和影響同心度。其主要控制點是兩端預彎段和中間圓弧段軋制時的過渡與吻合。
　　C、及時清理脫落的氧化層和其它雜質，保證筒體表面的平滑度，避免筒體表面就會出現坑洼現象。
　　3.2.3部件組裝：組裝前，部件應經檢查合格，連接接觸面和沿焊縫邊緣50mm范圍內的鐵銹、毛刺、污垢、應清除干凈；組裝的順序應根據部件型式，焊接的方法和焊接順序等因素確定；當采用夾具組裝時，拆除夾具時不可損傷母材；對殘留的焊疤應用角向磨光機修磨平整；定位焊所采用的焊材，應與焊接焊材相符，厚度不宜超過焊縫厚度的2/3，定位焊長度上一般在80～100mm。定位焊位置應布置在焊道以內，焊前焊縫按要求進行預熱。并應由持合格證的焊工施焊。部件的組裝工序分為以下幾種：
　　A、筒節與筒節焊縫的組裝：在自制轉胎上進行，組裝成大段節。
　　B、接管法蘭與上下封頭的組裝，在組裝平臺上進行組裝時應控制好接管法蘭的伸出長度、方向、垂直度等。
　　C、上下封頭與筒體大段節組裝：在自動轉胎上進行，組裝時先將筒體安放在轉胎上，然后再將封頭吊入，由于封頭直邊接觸面小穩定性差為此需在其中心接管處加放托輪裝置穩定封頭，然后再用手拉葫蘆將封頭環縫貼近筒體環縫進行組裝。
　　以下是組裝順序圖：
　　
　　                                         
　　

                                        
　　
　　
　　D、部件組對前還需要注意：由于每節筒體在制作過程中都有一定偏差，所以必須測量出它們的周長，以便把偏差均勻分布。
　　5、焊接工藝
　　壓煮器的A、B類焊縫焊后做100%的射線探傷檢測，檢測結果符合JB4730-94標準達到I級為合格，如何保證焊接質量和控制焊接變形是制作工藝中的關鍵；
　　5.1坡口的選擇：
　　合理的坡口選擇，能夠保證焊縫焊透和焊接工藝的可行性，減少焊接變形，減少焊接應力集中，同時針對該壓煮器板材較厚的情況，如何減少焊接材料的消耗，有效提高生產率和降低成本也是需要兼顧考慮的重要因素。同時考慮總裝要求，在通過多次焊接工藝實驗，主要采取兩種坡口形式：A、雙U型坡口;B、單U型坡口（段節1和段節2環焊縫）；并對坡口的角度進行了調整；
　　A、帶鈍邊雙U型不對稱坡口：在較厚鋼板焊接中采取這種坡口形式較為合理，其根部容易焊透，填充量熱影響區較小，能夠保證焊透和焊接工藝的可行性，且U形坡口焊接變形小，焊后的焊縫頂角大，應力集中系數小，避免產生裂紋等缺陷，但在坡口度數上進行了改進（８°），見下圖所示。
　　                                                   
　　B、考慮到總裝時埋弧焊機無法進入到筒體內部施焊，所以把筒體中的一條環縫設計為單U型坡口（段節1和段節2環焊縫），如圖2。
　　
　　                            

                                         　                        圖2
　　采用單U型坡口時可采取單面焊雙面成型的焊接工藝，組對時要求焊縫的間隙為6-8mm，用沖氣墊貼在焊縫下面，使焊接藥劑充分填充于焊縫下方，達到背面強制成形的效果，經多次試驗均能使背面得到很好的成型，其焊接電流在650-700A，電壓34-36V，焊接速度48-50cm/min，采用此工藝可提高焊接速度，保證焊接質量，減去了碳弧氣刨清根的時間，較清根法可節約焊絲20％。
　　C、壓煮器筒體的坡口的幾何形狀和表面粗糙度直接或間接的影響焊接質量的好壞，因此壓煮器筒體的所有環縫坡口均用刨邊機加工坡口，以保證坡口的鈍邊的允許偏差為+1mm、角度的允許偏差為+20，可以用焊接檢驗尺來檢查坡口。
　　5.2焊接預熱
　　根據《鋼制壓力容器》（GB150-98）的規定，壓煮器的鋼板焊前必須進行預熱，預熱溫度為180-250℃，層間溫度為150-170℃，預熱的范圍為焊縫兩側各不小于焊件厚度的3倍。焊縫預熱采用自制的氧氣、乙炔器加熱裝置加熱，可以使用熱過敏筆檢查預熱溫度，預熱溫度的測試位置必須在接受熱源作用面的反面位置。對于需要預熱焊件在整個焊接過程中應不低于預熱溫度，可以采用連續焊接確保層間溫度達到預熱溫度，應隨時測試層間溫度，當層間溫度低于規定的溫度時，應進行補充加熱。通過預熱和控制層間溫度可以加快氫氣的散發、減少冷裂的產生，預熱的溫度直接影響焊接質量。
　　5.3焊接及注意事項
　　采用埋弧自動焊進行進行焊接，利用埋弧自動焊熱量集中，焊接電流大，焊接速度快，焊接生產率高，焊接層的保護好、質量高、焊接參數比較穩定、焊接熔深大、焊縫金屬組織致密性較好、焊縫表面平直光滑、成形好等特點。大膽地使用大電流（盡量控制在750A以下），慢速度（在絕大多數情況下，焊縫上的溫度是隨時間而變化的，因而溫度場應屬非穩定溫度場），這樣，焊縫的層間溫度也得到保證，避免缺陷的產生。
　　第一層，直接分邊，第一道時，由于鈍邊較滿，焊接電流不應大，要控制在450A以下，焊接速度580mm/s，電弧電壓28V，焊絲所焊位置見圖。在焊第二道另一側時，可適應減慢速度，電流電壓則不變，（如此時加大電流，焊縫容易焊穿）。這樣，熔整金屬增加，值得注意的是，焊絲的位置一定要在熔合線上，這樣才能保證焊縫圓滑過渡，在焊第三道時，焊縫表面很圓滑且焊縫逐漸增厚，減慢速度的同時可適當加大電流以540~570A為宜，電弧電壓30~32V，在這種規范下焊兩道后就可使用大電流（可增至750A）電壓（34~36V），速度減慢，但三者要相匹配，這樣的焊接方法焊縫成型好，脫渣容易，焊縫兩側圓滑過渡，焊縫厚度明顯增加（每層可增加5~7mm）這種填充方法使熔敷金屬增長很快，特別在焊接外口焊縫時，只需3~4小時，8-9道就可填充完畢（原來需填充17~20道）。焊接順序見圖。

                                                 
　　                                                
　　特別值得一提的是，最后的焊縫找平，以往的焊縫找平，都是利用轉胎速度一小段一小段的找平方法，既費時間，對焊機的短路負載過大。有時啟動不了，容易拉斷導電嘴。我們現在則運用電流的調節范圍來找平焊縫，在焊縫較深時加大電流，較淺時減小電流，這種方法既可以邊填充邊找平，使焊縫的填充道數明顯減少，連蓋面層一共也就11~12道。
　　在焊接中我們還需要注意以下事項：
　　A、施焊時先焊筒體內焊縫，焊接時必須打磨清除焊縫中的氧化層及雜物，內口焊完后在外面用碳弧氣刨清根，清根時注意底部需圓滑，不能有夾縫，以防止焊縫未融合，之后必須用磨光機清除氧化皮，直到看見金屬光澤，防止碳刨時由于滲碳對母材的影響，以及產生氣孔夾渣等缺陷，焊接時每層焊道必須清除藥渣雜質等，線能量不宜過大，以防止母材與焊道之間產生較大溫差，易產生裂紋。
　　B、焊接試板位于筒體縱縫的延長線上，采用完全與產品一致的焊接工藝施焊，經機械性能檢測，焊接接頭性能達到了標準要求方可，
　　C、每條焊縫盡可能一次焊完，當中斷焊接時對冷裂紋敏感的焊件應及時采取后熱緩冷措施，重新施焊時仍需按規定進行預熱。
　　D、焊完后需要進行保溫，使之緩慢冷卻，避免裂紋的產生。如果焊縫冷卻過快會在焊縫的熱影響區域內產生裂紋，因焊縫周邊的溫度較高，鋼材產生膨脹，其內部晶粒增長，冷卻過快鋼材內部的晶粒快速縮小，也就是說鋼材急劇的收縮就會產生裂紋。
　　E、在焊接過程中由于溶池溫度較高，而產生收縮，在焊內口或外口時對焊縫區域的曲率均有一定影響，在焊接時可用曲率樣板作檢查，如果焊縫有向外凹的情況則可先多焊內口。反之則焊外口，以保證筒體的橢圓度，焊完后24小時后可進行100％射線探傷，達到I級合格。
　　F、在環境溫度低于00C時不得進行焊接操作。
　　6、焊后熱處理
　　壓煮器設備內的介質為鋁礦漿、濃度235g/L、設計溫度2600C，使用工況非常惡劣，在此工況條件下的碳鋼和低和金鋼如殘余應力較大，在使用過程中極易發生由于“堿脆”而造成危害。因此對該設備進行消除應力熱處理，及其消應效果對延長設備的使用壽命尤為重要。
　　6.1退火工藝
　　該壓煮器利用φ3m×19m的大型燃油退火爐進行退火，退火工藝規范：a.焊件進爐溫度不的大于4000C；b.焊件升溫至4000C后，加熱區的升溫速度不得超過5000/δ0C/h(δ為焊接接頭處的鋼板厚度)，且不得超過2000C/h，最小可為500C/h；c.升溫時，加熱區內人以5000mm長度內的溫差不的大于1200C/h；d.保溫時，加熱區內最高與最低溫度之差不應超過650C；e.升溫及保溫是應控制加熱區的火焰，防止焊件表面過度氧化；f.爐溫高于4000C時，加熱區的降溫速度不得超過6500/δ0C/h，且不得超過2600C/h，最小可為500C/h；g.焊件出路時，爐溫不得高于4000C，出爐后應靜置在空氣中繼續冷卻。退火曲線圖見下：
　　
　　                                          
　　6.2退火中的注意事項:
　　A、熱處理前焊接焊縫應檢測合格；
　　B、設備進爐前應對法蘭密封面進行保護，以防氧化，可用機油與石墨粉混合成膏劑涂放在保護層的表面，然后用硅酸鋁纖維包��；
　　C、設備殼體吊入爐內后應平穩安放，防止加熱后的殼體外形變形，臥式爐應按照規定安裝隔火板、直立爐應在爐子底上放上擋火罩，蓋子處必須用硅酸鋁纖維氈密封好，使加熱溫度均勻升降。通過均勻設置的14個熱電偶的測溫數值來調控，確保熱處理質量。
　　
　　三、結束語
　　在采取以上制作工藝，各項質量指標均達到GB150-98,GB151-99和設計圖紙要求，設備主體焊縫射線探傷一次合格率達到96%，為了測試焊接應力消除的程度，通過中科院金屬研究所的壓痕法應力測試儀，對退火前和退火后在相同的位置進行測試，其殘余應力降低了85%以上。很好的滿足了設計工藝要求。
　　
　　主要參考文獻
　　[1]壽比南等.鋼制壓力容器（GB150-1998）.中國標準出版社，2003年.
　　[2]周昭偉等.焊工手冊.機械工業出版社,2005年.等