不锈钢压力容器封头缺陷分析及预防修复措施

添加时间：2022-3-26  录入：华道顾问  来源：焊割观察者

压力容器封头是压力容器的主要受压元件之一，奥氏体不锈钢是制造压力容器封头的优质材料。但从近年的制造和使用情况来看，奥氏体不锈钢封头产品产生了裂纹、鼓包、过烧、折皱、减薄超标、划伤、拉裂、凹坑等缺陷。为了减少缺陷的产生，有必要对其产生的原因进行分析，并提出控制缺陷产生的主要措施，对能修复的缺陷制定合理的返修工艺。

1、奥氏体不锈钢封头缺陷及原因分析
奥氏体不锈钢封头的加工成型过程包括材料验收、表面处理、校平、划线、切割、焊接、焊高修磨、压制成型、无损检测、热处理、切边等工序。但是，在加工过程中，材料、厚度、加工工艺的变化以及工人操作的熟练程度都有可能产生各种缺陷。从各工序的检验情况对封头缺陷及原因分析如下。
1.1裂纹缺陷及产生原因分析奥氏体不锈钢封头产生的裂纹原因主要有以下几个方面：一是封头翻直边过程中引起加工硬化，产生第三种残余应力，直边段内表面承受较大的拉应力产生宏观内应力，翻直边过程中冷旋压工艺的旋压速度过快、旋压施加的压力过高以及冷冲压工艺的冲压速度过快、上下模间隙控制不当都有可能产生裂纹；二是端口裂纹的产生主要是由于坯料切割过程中，切割面不平整，在压制过程中，产生应力集中而形成的；三是焊缝热影响区熔合线晶粒粗大，受外力作用产生裂纹，另外，焊缝咬边的部位在封头压鼓和冲压过程中应力集中，也会沿熔合线形成裂纹。
1.2鼓包缺陷及产生原因分析封头鼓包是指封头表面局部区域向外凸起变形，一般是在热成型工艺中产生。原因分析：一是拉伸中圆滑过渡区受到切向压缩应力的作用，使板材失稳产生鼓包；二是封头坯料的受热不均匀，导致金属不均匀变形增大，从而产生鼓包。
1.3过烧缺陷及产生原因分析过烧指封头热成形时局部加热温度超过始压温度，产生的板材烧损现象。在热成型工艺中，因加热炉温度场不均，容易导致封头局部过烧。使用煤炉、焦炭炉加热时，炉内温度不易控制，过烧现象常有发生，因此对于不锈钢封头不应采用焦炭和煤加热炉加热。对于碳钢封头，标准虽未作出规定，但也不宜采用煤炉、焦炭炉加热。
1.4减薄超标缺陷及产生原因分析对于冲压封头，封头底部受到模具压力和摩擦力，壁厚减薄最小；直边段上部受到压边圈的压应力大于圆滑过渡区延伸的拉应力，厚度增加；圆滑过渡区在拉伸应力和模具压力共同作用下，壁厚减薄最大。对于旋压封头，压鼓过程中，坯料受到压鼓头的不断捶打，减薄量比冲压封头更大，壁厚均匀性较差。只要工艺控制得当，工艺减薄是可控的。出现减薄超标的主要原因有：一是压边圈压力过大，坯料拉伸自由度小；二是坯料和模具光洁度差、润滑剂效果不佳，造成坯料拉伸阻力大，拉伸效果差；三是压鼓工艺控制不好导致壁厚减薄不均。
1.5划伤缺陷及产生原因分析封头划伤是封头加工过程中产生表面损伤缺陷，内外表面都可能出现划伤现象。划伤产生的主要原因是：一是模具表面不够圆滑，有尖锐缺损；二是热压时，坯料表面形成较厚的氧化层，压制过程中脱落造成划伤；三是转运过程中不当操作也会引起外表面划伤。
1.6拉裂缺陷及产生原因分析拉裂是拉伸力超过材料的强度极限导致开裂。产生拉裂的原因有：一是材料延伸率低，硫磷含量超标；二是压边圈的压力过大，冲压时造成将毛坯拉裂；三是润滑效果差，模具与坯料间摩擦力不均造成封头的拉裂；四是冲压时模具行程过快，旋压翻边时旋压速度过快，圆滑过渡区已造成横向拉裂。
1.7凹坑缺陷及产生原因分析凹坑是封头加工过程中形成的局部或整周凹陷。产生凹坑主要原因是：一是模具位置不正。冲压工艺中，模具如果偏心，两边间隙大小不一，间隙小的一侧，坯料不易被压下，模具运行到该部位被卡，强行下压，就会导致该侧局部严重减薄形成凹坑；二是旋压时，压鼓工艺不当也会导致凹坑产生，特别是薄壁封头，封头变形量大，鼓头捶打不均就有可能导致局部凹坑。

2、不锈钢压力容器封头缺陷的预防措施
不锈钢压力容器封头压制过程中，受力复杂，容易产生各种各样的缺陷。根据不同缺陷形成的原因，做好相应的预防措施，是保证封头质量的重要环节。
2.1裂纹缺陷的预防措施针对不锈钢压力容器封头裂纹产生的不同情况采取不同的措施，直边段裂纹主要通过旋边速度和压力、冲压速度来控制；严格控制切割工艺，坯料边缘打磨光滑防止端口裂纹产生；焊缝及热影响区裂纹，要严格控制焊接工艺参数、减慢冷却速度、适当提高焊缝形状系数、尽可能采用小电流多层多道焊，以避免焊缝中心产生裂纹，防止咬边，控制焊高，对焊缝区域进行合理的热处理等。
2.2鼓包缺陷的预防措施防止鼓包产生的措施包括：采用二次拉伸工艺，减少残余应力；采用锥面压边圈；改善毛坯的加热质量，使坯料受热均匀。防止过烧产生采取的措施包括：采用温度场均匀的电炉、气炉和油炉，炉内封头尽量放在中心位置，电炉的热电偶、油气炉的喷嘴布置均匀，对炉内温度场进行定期检测。防止折皱的产生要采取以下措施：加装压力圈，特别是自制封头的压力容器厂，缺乏专业设备；控制好上下模间隙；控制好加工工艺，不易成形的材料，可以进行多次拉伸成形。
2.3减薄超标缺陷的预防措施减薄的控制主要在制造工艺上，整体减薄要考虑配料厚度是否足够，坯料尺寸能不能确保有足够的压边宽度；对局部减薄的控制要确保压鼓工艺正确性及工人操作的熟练。
2.4划伤缺陷的预防措施为了减少划伤缺陷，压制封头前，应将毛坯表面清扫干净，避免附着硬物在冲压过程中划伤表面；定期对上下模进行清理，减少氧化皮粘附；定期检查模具有无破损。
2.5开裂及凹坑缺陷的预防措施开裂控制采取的措施有：严格控制材料质量，材料的机械性能、化学成分、金相组织和工艺性能指标符合技术标准规定；工人熟练掌握加工工艺，控制好冲压速度和压力，经常在上下压圈的接触面上涂润滑油，防止封头的拉裂。防止凹坑的产生主要是保证上模在压边圈中心位置，防止偏心，现场要有测量工具，切忌靠眼睛估计。

3、不锈钢压力容器封头缺陷的修复措施分析
在不锈钢压力容器封头加工过程中，缺陷的产生不可避免，有些缺陷虽然超标，但进行修复后对其安全性能并无太大影响。本着节能降耗的原则，在确保封头质量的前提下，应尽量进行修复。有些缺陷无法进行修复，或者修复后无法保证封头的力学性能，就要进行报废处理了。裂纹缺陷可通过打磨消除。采用超声波无损检测确定缺陷位置及长度，然后用砂轮进行打磨，先从裂纹两端开始打磨，把缺欠位置打磨成U形槽，再进行表面探伤检查缺欠是否完全被清除，直到确认完全清除，打磨深度超过钢材厚度5%或2mm时，应进行补焊。鼓包缺陷可采取液压回顶的方法进行修复，但是严重的鼓包变形会引起封头各区域应力水平不均，封头各部分力学性能不均，不宜修复。过烧缺陷可能导致金相组织发生变化，材料力学性能下降，过热、过烧、烧毁界定困难，建议封头进行报废处理。轻微的折皱可进行打磨消除；划伤和局部凹坑视情况可进行打磨补焊；整周凹坑无法进行修复，应报废处理。

4、结论
在不锈钢压力容器封头的制造和使用过程中会产生裂纹、鼓包、过烧、折皱、减薄超标、划伤、拉裂、凹坑等缺陷。从产生缺陷主要原因，可以归纳为：材料控制不严；工艺执行不到位，冲压速度和压力控制不当，模具偏心，焊接参数不正确均属此类；设备未达到加工封头的要求，包括加热炉温度场不均，模具受损等。为尽可能减小这些缺陷的产生，在封头制造中应做到以下几点：严把材料人场关；制定合理的工艺；加强操作工培训；严格执行工艺纪律；对加工设备进行定期检验；减少外部因素影响。

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