关于不锈钢压力容器封头缺陷问题的研究

关于不锈钢压力容器封头缺陷问题的研究
发布时间：2021-09-15T05:23:11.201Z 来源：《科学与技术》2021年14期5月作者：朱明龙
[导读] 介绍了在制造和使用过程中出现的奥氏体不锈钢压力容器封头缺陷，指出了缺陷产生的原因和预防策略。

朱明龙
浙江省特种设备科学研究院，浙江杭州 310020
摘要：介绍了在制造和使用过程中出现的奥氏体不锈钢压力容器封头缺陷，指出了缺陷产生的原因和预防策略。

通过探讨，指出现行压力容器技术标准的不足，并提出修改建议。

关键词：不锈钢；压力容器；封头缺陷问题
引言：压力容器封头(以下简称“封头”)，与筒体一样，是压力容器的主要受压元件［1－4］，封头质量直接影响到压力容器的安全性，压力容器或封头制造企业都非常重视封头质量。

奥氏体不锈钢一般被认为具有良好的综合力学和工艺性能，加之其固有的耐腐蚀、耐高温、耐低温性能，已被广泛地运用于压力容器制造领域［5］。

然而，近年来出现了一些奥氏体不锈钢封头在制造或服役期间出问题的案例，在压力容器行业内引起关注。

某公司是奥氏体不锈钢压力容器的专业制造企业，也出现过2只在制容器封头缺陷案例。

本文针对奥氏体不锈钢封头缺陷进行探讨，以期为压力容器制造企业提供参考。

一、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形过程包括材料验收、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。

（一）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。

（二）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，一般是在热成形工艺中产生。

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。

（三）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。

在热成形工艺中，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。

（四）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]。

（五）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。

（六）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。

（七）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。

二、封头缺陷问题的一些解决方法
（一）受到封头所处环境的影响
对于马氏体来说，它的腐蚀电位比奥氏体相对低一些，如果马氏体和奥氏体一起处在比较容易腐蚀的环境中的时候，那么奥氏体就会作为阴极而马氏体就会作为阳极，会形成电偶腐蚀的现象，并且这种现象还可能会引发起其他的腐蚀效应，所以这就加强了封头在环境当中被腐蚀的可能性。

为了避免并且解决这个问题，相关工作人员在设计封头的时候就一定要去考虑这个问题，根据这个特点，尽最大的努力去选用稳定性更好的奥氏体不锈钢制造封头[2]。

（二）由于冷变形强化的影响
对于奥氏体不锈钢来说，是不能通过热处理的方式来对其进行强化的，一般都是通过冷加工的方式去对其进行强化。

冷变形强化就是指金属在低温下进行塑性变形的时候，由于变形程度的增加，金属的硬度以及强度就有所升高，而金属的塑性以及韧性就会下降。

由奥氏
体不锈钢所制造的封头，在冷成型的过程当中不锈钢材料发生了一定的变形，因此材料的一些内部结构也随之发生了变化，如果冷变形强化到了一定程度的时候，再对其进行变形的话，则会产生非常大的应力，这样就会使封头发生缺陷问题的现象。

为了避免这种现象，制作商应该严格按照要求对材料的性能进行热处理，同时还需要对冷成型过程当中的温度进行严格控制。

（三）由于马氏体的相变
马氏体与奥氏体组织进行对比的话，马氏体组织具有硬度已经强调比较好的特点。

因为性质不同的奥氏体与马氏体组织一起存在，所以冷成形之后的奥氏体不锈钢封头的材料内部是非常容易产生细小的裂纹的，这些裂纹在继续进行变形的时候，在应力的作用下很容易就导致封头产生缺陷问题。

由于马氏体含量的不断增加，这会使得奥氏体不锈钢材料的强度以及硬度逐渐增大，这种相变强化的作用和冷变形强化的作用是相同的，并且马氏体的形核以及长大都是由冷变形强化导致的，所以奥氏体的冷变形强化与它的相变强化的关系是非常紧密的[3]。

三、结束语
现行压力容器法规和技术标准，是压力容器制造企业必须达到的最基本要求;制造企业(尤其是行业标杆型的制造企业)在满足法规和技术标准的基础上，应该对自己的制造环节和质量有更高的要求和控制;在大容规公布前，某公司就在其企业标准中明确了“用硬度计测量奥氏体不锈钢低温容器冷成形封头组织变化情况，并以此判别是否进行恢复材料性能热处理”的规定，这无疑是一个负责任、高标准的质量控制方法。

无论压力容器技术标准是否得到修改，压力容器和封头制造企业都应当充分重视奥氏体不锈钢冷成形封头开裂问题，切实减少封头失效隐患，最终确保压力容器使用安全。

况且，新实施的大容规已就这一问题给予了指引。

我们有理由相信:随着认知水平、技术工艺的提高和技术标准制订专家们的探索，今后奥氏体不锈钢冷成形封头开裂问题会越来越少。

参考文献：
[1]汪钰,冯德兴,张东辉,等.奥氏体不锈钢压力容器封头开裂缺陷的探讨[J].压力容器,2017,34(006):74-80.
[2]李志宏.不锈钢压力容器封头缺陷问题的研究[J].机械管理开发,2019,v.34;No.196(08):287-289.
[3]田士彬.奥氏体不锈钢压力容器封头开裂缺陷的探讨[J].化工管理,2019,000(020):155.。