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1、多层包扎压力容器包扎焊接制造工艺改进 何庆中，袁宏远(1 四川理工学院 机电工程系，四川 自贡6 4 3 0 0 0；2 自贡大业高压容器制造有限公司，四川 自贡 6 4 3 0 0 0)摘要：提出了液压包扎技术与焊接技术相互融合 的压力容器 生产制造工艺方法，经过生产制造过 程 的使用验证，在一定程度上提高 了压力容器的生产质量，同时，大大降低 了生产原材料的消耗，提 高 了压力容器 的生产效率，降低 了工人 的劳动强度和生产制造成本，经济效益非常显著。主要创新 点是在不同生产制造技术的相互融合所形成的新的生产制造工艺方法的研 究和应用。可供从事压 力容器生产制造技术研究和应用的工程技术人员
2、参考。关键词：压力容器；生产制造工艺改进；多技术融合工艺方法 中图分类号：T G 4 5 7 5 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 1 4 8 3 7(2 0 0 8)1 0 0 0 4 5 0 4 Te c hn o l o g i c I mpr o v e me nt a nd Re s e a r c h f o r Hi g h pr e s s ur e Ve s s e l M a nu f a c t ur e by M a n y La y e r s Bo un d Up HE Qi n g z h o n g ，Y U AN Ho n g y u a n (1 E l
3、 e c a n d Me e h E n g i n e e ri n g D e p t ，S i c h u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e&E n g i n e e ri n g，Z i g o n g 6 4 3 0 0 0 C h i n a；2 Z i g o n g D a Y e H i g hp r e s s u r e V e s s e l Ma n u f a c t u r e C o ，L t d ，Z i g o n g 6 4 3 0 0 0，C h i n a)Ab s t r a c t：A n e
4、w t e c h n i q u e h a s b e e n i mpr o v e d a n d r e s e a r c h e d f o r h i g h p r e s s u r e v e s s e l ma n u f a c t u r e b y a n e w me t h o d a b o u t ma n y l a y e r s b o u n d u p a n d w e l d i n g t e c h n i q u e i n o s c u l a t e d o n e a n o t h e r i n t h e p a p e
5、 r I t h a s be e n us e d i n h i g h p r e s s u r e v e s s e l ma n u f a c t u r e a n d v a l i d a t e d Th e qu a l i t y wo u l d b e i mpr o v e d o f h i g hp r e s s u r e v e s s e l ma n u f a c t u r e d T h e c o n s u me d ma t e ri a l wo u l d b e r e d u c e d a n d t h e p r o d
6、 u c t i v i t y i n c r e a s e d，t h e w o r k i n g i n t e n s i o n a n d c o s t r e d u c e d，t h e e c o n o mi c b e n e fi t i n c r e a s e d a t t h e s a me t i me T h e i n n o v a t i o n o f n e w t e c hn i qu e i s ma n y l a y e r s b o u n d u p a nd we l d i n g t e c h ni q ue
7、i n o s c u l a t e d o n e a n o t h e r a nd u s e d i n t h e ma n u f a c t u r e o f h i g hp r e s s u r e v e s s e l w e l 1 T h e n e w t e c h n i q u e ma y b e s t u d i e d a n d r e f e r e n c e d for i n t e r r e l a t e d r e s e a r c h i n g s t a f f Ke y wo r ds：p r e s s u r e
8、 v e s s e l；ma n u f a c t u r e t e c h ni q ue i mp r o v i ng；i n o s c u l a t i n g t e c h n i q u e o n e a n o t h e r 随着压力容器安 全技术规范的提高，压力 容器 生产制造技术的不断完善，特别是简体多层包扎技 术 的研究与发展，筒接技术的不断改进，以及液压多 层包扎技术的应用，使传统 的多节筒体焊接结构工 基金项 目：四川省 经济委员会重点技术创新项 目(0 2 XM1 2 4 0 2 Z G1 2 4)艺已向多层包扎技术与焊接制造工艺相互融合的压 力容器生
9、产技术研究与应用方面发展。文中针对传 统多节筒体焊接结构工艺 的特点人手，在液压多层 包 扎技术的基础上，提出了压力容器包扎焊接结构 多层包扎压力容器包扎焊接制造工艺改进 工艺改进的研究课题，包括筒体焊接结构工艺和被 焊接简体与端面封头之间的焊接结构工艺改进，并 对改进后 的焊接结构工艺进行了应力(强度)和应 变(变形)分析计算 和评价 J。该包扎焊接结构 工艺改进方法应用于某压力容器生产企业 的容器制 造，使该企业所生产的压力容器综合性能和生产效 率得到一定的提高，生产制造成本大大降低，获得了 较大的经济效益。1 多节简体焊接结构工艺的特点 传统的多节筒体焊接结构工艺是将事先生产制 造的筒节
10、简体，包括 多层包扎 的简体、封头和球封 等，再车削加工筒节焊接剖 口，采用筒接焊接结构工 艺技术生产压力容器，这种焊接结构工艺方法具有 下述特点。1 1 焊接 结构设 计 常用的筒接焊接结构如图 1 所示。筒体与封头 简体 与 筒体 筒体与球封 焊接结构 焊接结构 焊接结构 图 1 筒接焊接结构 1 2 焊接结构与焊接工艺特点 从图 1 可得出，多节筒体焊接结构具有焊前机 械加工焊接结构工序，机械加工工作量 大；焊接剖 口深而大，需容纳的焊接填充金属量及焊条消耗量 也大；因此无法实施一次焊接成型，需多层次焊接过 程才能完成一次筒节 的焊接，并且还存在大量的焊 接辅助工序；焊接劳动强度大，且焊
11、接工时多，焊接 效率低；容易产生焊接应力集中现象和焊接熔池缺 陷(夹渣、气孔等)，焊后焊缝应进行必要探伤处理。1 3对压力容器焊接质量的影响 焊接应力集中现象 比较突出，又由于压力容器 体积庞大，无法进行去焊接应力处理，因而在焊接区 存在一定的焊接应力集 中缺陷和焊接熔池缺陷(夹 渣、气孔等)，影响产品质量。2 多层包扎技术与焊接过程相互融合的焊接结构 制造工艺改进 压力容器液压多层包扎技术与传统的钢丝绳包 扎技术相 比，除了在简体包扎过程 中，可形成一定的 预紧力，简体质量有所提高外，还对压力容器的生产 制造工艺，特别是为包扎制造工艺与焊接制造工艺 过程相互融合的实现，形成新的具有一定创新性
12、的 压力容器生产制造工艺技术方法创造了条件。2 1 新的压力容器生产制造工艺过程 在基体筒体基础上，采用液压包扎设备，每包扎 一层简体，便在液压包扎力未释放前，进行简体轴向 焊缝和环向(筒接)焊缝 的焊接，以及与封头和球封 进行环向焊缝的焊接，直到该层包扎达到压力容器 设计的长度要求；再包扎焊接下一层简体时，使容器 焊接的轴向焊缝和环向(筒接)焊缝与上一层包扎 焊接 的焊缝相互错开，即错层焊接生产技术；如此实 施包扎一焊接一包扎一的液压包扎技术与焊接 结构工艺技术相互融合的压力容器生产制造技术的 应用，直到最后一层包扎简体生产制造完成为止。压力容器的焊缝布置安排与结构改进见图 2。图2 焊缝布
13、置安排与结构改进 2 2 焊缝结构改进与布局 各层筒接焊缝采用对接焊缝结构，层间焊缝相 互错位布局；每层筒接钢板与封头、球封焊接结构采 46 用 V字型焊接结构，并按阶梯形布局，如图 2所示。2 3 包扎焊接工艺技术的特点(1)无大而深焊缝存在，有效地避免 了焊接应 第 2 5卷第 l 0期 压 力 容 器 总第 1 9 1期 力集中缺陷的存在，在一定程度上提高了压力容器 的生产质量。(2)焊接熔池体积总量减小(减少 7 0 8 0 左右)，焊条消耗量和焊接工艺过程消耗显著降低，同时焊接劳动强度、焊接工时也得到了降低。(3)简体之问的对接焊缝结构的保障，无焊接 前的预机械加工工序，有效地节省了
14、包扎容器材料 的消耗(无车削量消耗存在)和工序间的运输消耗，提高了生产效率、降低了生产制造成本。(4)包扎 过程不受 压力容 器结 构尺 寸的 限制(长度和直径)，拓宽了压力容器 的生产制造工艺范 围和能力，易于推广应用。(5)在一定程度上减少 了焊缝熔池焊接缺陷的 产生，如：夹渣、气孔等。(6)可减低和减少焊后探伤处理的要求和工艺 过程，以及成本消耗。(7)易于保证压力容器实现预紧。2 4 压力容器生产质量的分析计算 由于对焊接筒体与封头、球封的焊接结构进行 了较大改进，其焊接部位的强度应力是否达到规定 的要求，应用有限元分析计算方法，建立数学模型，在压力容器工况条件下，分析计算其焊接部位的
15、应 力应变。下面以 D N 1 0 0 0型压力容器 为例，有 限元 分析计算结果见图 3，4。图 3封头焊接局邵应力 从图3，4中可得 出，简体与端面封头应力在 7 1 1 9 9 0 MP a 之间，筒体与球形封头应力在 5 8 1 7 9 4 MP a之间，表明由改进后的焊接结构所生产 制造的该压力容器在焊接部位的应力强度，达到了 压力容器生产制造 H G 3 1 2 9-1 9 9 8 _ 2 规定 的要求，是安全可靠的。图4 球形封头焊接局部应力 3 包扎焊接结构工艺技术改进的主要特点分析 某高压容器制造企业，采用错层(环向和径向)液压包扎技术与焊接制造工艺过程相互融合的改进 压 力
16、容 器 生 产 制 造 工 艺 方 法，分 别 生 产 制 造 了 D N I O 0 0型和 D N 1 2 0 0型压力容器各一套。经水压 验收试验，检测简体周长变化量，在 3 1 5 M P a 工作 压力时，周长仅增加 1 mm；4 0 MP a安全压力时，周 长仅增加 3 m m。与传统技术生产的压力容器水压 验收试验周长变化量相比，减少量较大；其验收综合 技术指标 明显 提高，并达 到 了压 力容 器生产 制造 H G 3 1 2 9 一l 9 9 8 和 A S ME压 力 容 器 建 造 规 则(u L w 一 7 7，u L w 一7 8)的要求。现 已交付使用，该包扎焊接结
17、构工艺技术改进具有下述特点。3 1 工 艺改进 的创新技 术 工艺改进 的创新技术主要体现在液压包扎技术 与焊接工艺技术相互融合所形成的压力容器生产制 造新技术，为压力容器生产 的技术进 步和革新打下 了坚实的基础。3 2 压力容器生产质量有所提 高 由于焊接工艺结构和工艺过程 的改进，压力容 器生产制造新技术 的应用，避免了大而深的焊缝存 在，焊接应力集中现象和焊接熔池缺陷显著降低，产 品质量得到了提高。3 3 焊接填 充材料(焊条)消耗显著降低 改进后的错层焊接结构与传统筒接焊接结构相 比较，焊接填 充材料(焊条)的消耗，在筒接焊缝处 前者仅 占后者 的 1 8 ，在封头、球封焊缝处前者也
18、 仅 占后者的2 3 。因此，焊接填充材料消耗量的降 低非常显著。多层包扎压力容器包扎焊接制造工艺改进 3 4 降低 了压力容器材料的消耗和预；0 Y-费用 由于改进后的焊接工艺，不需要预先车削加工 大而深的焊接剖 口，因而无容器钢材料的切削消耗，大大降低了预加工材料消耗和加工费用。3 5 生产效率提 高显著，劳动强度降低 由于在筒接焊接前大大减少了预先车削加工大 而深的焊接剖 口的工序，焊接填充金属材料显著减 少，无工序问转运时间，液压包扎工艺的效率高于钢 丝绳包扎工艺的效率。因而，压力容器的生产制造 效率显著提高。同时，由于焊接工作量的减少，工人 的劳动生产强度也得到了降低。3 6 经济效
19、益显著 在焊接工艺结构和焊接工艺过程改进基础上，从液压包扎工艺效率的提高、减少或去除焊前预车 削加工大而深的焊接剖 口的工序、焊接填充材料消 耗和容器钢切削材料消耗 的减少、中间辅助工序的 降低、压力容器生产制造效率的提高、工人的劳动生 产强度的降低等方面来看，压力容器生产制造新技 术所带来的降耗、制造成本 降低等方面 的经济效益 非常明显。该企业做过详细 的经济效益分析，一年 因生产制造成本降低方 面所带来的经济效益可达 1 6 0万元 以上。4结语 文中提出的液压包扎技术与焊接技术相互融合 所形成的压力容器生产制造工艺方法，经过生产制 造过程的使用验证，在一定程度上提高了压力容器 的生产质
20、量；同时，大大降低了生产原材料的消耗，提高了压力容器的生产效率，降低了工人的劳动强 度和生产制造成本，经济效益非常显著。主要创新 点在不同生产制造技术的相互融合所形成的新的生 产制造工艺方法的研究和应用。目前该工艺改进方 法已在某压力容器生产制造企业推广应用，可供从 事压力容器生产制造技术研究和应用的工程技术人 员参考。参考文献：1 刘鸿文，等 材料力学 M，北京：人民出版社，1 9 8 1 2 H G 3 1 2 9-1 9 9 8，整体多层夹紧式高压容器 S 3 (美)A S M E锅炉及压力容器委员会压力容器分委会，中国 A S ME规范产品 协作网(C A C I)翻译 压力容器 建造
21、规则第一分册(U L W 一7 7，u L w 一7 8)M 北 京：中国石化 出版社，2 0 0 5 收稿 日期：2 0 0 71 2 2 9 修稿 日期：2 0 0 8 0 71 6 作者简介：何庆中(1 9 6 2一)，男，教授，硕士，主要从事机械 设计、制造及自动化控制系统和装备研究。(上接第2 9页)3 1 0+b M=M(0+b)=M6(+b)=1(R：一 )一 q A一 g(。+6)一 z+1 q(L一2 )(n+6)W n +c+子 一(n+b)4 2 最大弯矩引起轴向应力计算 附加设备安装在卧式容器上时，其安装部位没 有开孑 L，即没有削弱容器筒体的强度。因此，最大弯 矩无论
22、是在集中载荷作用截面上或容器圆筒轴向其 它截面上，容器 内压和容器简体最大轴向弯矩引起 的轴向应力计算都采用：J B T 4 7 3 1-2 0 0 5 钢制卧 式容器 中圆筒最高点处的应力 和圆筒最低点处 的应力 1 7 的计算公式。如果安装部位有开孑 L，最大 弯矩出现在集中载荷作用的截面上时，圆筒轴向应 力的计算应按照J B T 4 7 3 1-2 0 0 5 钢制卧式容器 48 附录 A提供的方法，用 K。和。修正。压力试验工况下的最大弯矩计算过程和操作工 况的计算过程一致，只需将算式 中操作工况下的均 布载荷q 用试验工况下的均布载荷9 代替。参考文献：1 李世玉 压力容器设计工程师
23、培训教程 M 北京：新 华出版社，2 0 0 5 3 9 8 4 1 0 2 J B T4 7 3 1-2 0 0 5，钢制卧式容器 S 3 G e r e J M Me c h a n i c s o f m a t e r i a l s M 北京：机械工业 出版社，2 0 0 2 2 7 1 3 1 1 4 机械设计手册 M 北京：化学工业出版社，1 9 8 5 9 6 98 5 工 程力学课 件 梁 的弯 曲 E B O L h t t p：w w w h e t a o d a x u e e o m：8 0 8 0 收稿 日期：2 0 0 8 0 21 8 修稿15 t 期：2 0 0 8 0 9一 O l 作者简介：李若兰(1 9 5 7一)，女，高级工程师，从事制冷设 备、制冷压力容器设计开发工作。