大型钢制球罐球壳板制造工艺

大型钢制球罐的球壳板制造工艺

摘要；本文综合阐述了目前国内球罐球壳板的制造工艺，并针对球壳板制造中的几个主要环节提出了一些提高球壳板制造质量的注意事项，为以后大型球罐球壳板的制造积累有益的经验。

关键词；球罐；球壳板；制造工艺

0 前言

球罐由于具有技术先进、经济合理、使用安全等特点，已被广泛应用于国内外的石油、化工、煤气和天然气、冶金等工业领域。另外，随着材料、焊接、制造、施工安装技术的不断提高，球罐的大型化和高参数的势头锐不可挡。但是，同一般的圆柱形压力容器相比，球罐在制造上也存在着许多困难之处，如下料工序较复杂、尺寸精度要求严格、焊缝冷却收缩而造成的球体几何尺寸变形无法采用滚圆法纠正等。我厂球容车间在2008年先后完成了3台2000 m3液化气球罐，3台1000 m3天然气球罐和3台1500 m3轻烃球罐的球壳板预制工作。在实际生产过程中，我们也遇到了许多难题，阻碍了生产的顺利进行。为了解决以上问题，进一步提高大型球罐的制造质量，特总结出球壳板的制造工艺及制造中所需特别注意的环节。

1 球壳板的制造工艺

1.1 球壳板制造所需的工装机具

近年来, 由于大型化球罐的制造以及高强度调质低合金钢被广泛采用, 球壳板制造一般采用冷压成形。冷压成形就是钢板在常温状态下，经冲压变形成为球面球壳板的过程，其特点是小模具、多压点，钢板不必加热、成形美观、精度高、无氧化皮[1]。冲压设备多采用800～2500t压力机，我厂所使用的是2400t液压机。

球壳板在冷压过程中所需工装机具主要用于两个环节，一是所需的上下胎具、曲率样板；二是用于切割的专用切割轨道和二次精下料样板。文中着重论述上下胎具半径的计算。加工完成的胎具如图1所示。

上、下胎具的曲率半径可按公式(1)、(2)计算：

Rt1=R(1-E) （1）式中Rt1——上胎球体曲率半径，mm；

R ——球壳板名义半径，mm；

E——回弹量(% )。对于不同厚度的低合金钢板，取15% ～30%。

Rt2=Rt1+S+Z （2）式中Rt2——下胎球体曲率半径，mm；

S——球壳板厚度，mm；

Z——胎具配合间隙(一般取0.1～0.25)。

图1 加工完成的上、下胎具

1.2 球壳板压制方法选择

球壳板压制选用逐点、逐遍进行压制的点压成型法, 如图2所示。成形时可根据球片板料特点及操作者经验合理选用，如压制1500m3轻烃球罐的球壳板时，由于板幅较长，且厚度达到50mm，一般先压两端，后压中间，以便操作。而压制650m3液化气球罐时，由于球片较小则选择余地较大。球壳板的压形顺序一般采用由球壳板的一端开始冲压，按先横后纵的顺序排列各点。

(a)纵向点压法 (b)横向点压法

(c)综合点压法

图2 点压成型法

1.3球壳板第一次粗下料

在球壳板的预制过程中，一般相比赤道板和温带板，用于极边板的钢板余量较大, 冷压前需在平板上进行第一次粗下料,不但节约用料,也可提高压制效率。一般第一次粗下料后的坯料周边余量定为50mm，余量过小，则会影响到二次下料的精度。

1.4 球壳板的压制

按照点压成形法压制球壳板。实践证明，球壳板变形的基本规律是长度方向弧长延伸增长，宽度方向收缩。长度方向延长量及宽度方向缩短量除与球壳板几何尺寸有关外，还与板厚、材质及压延工艺有关。

另外, 在压制时要十分注意球壳板变形情况及下列事项：

(1)球壳板每压一次移动一次，移动时必须要留有足够的重叠面（约1/3 胎具直径），以使其曲率保持均匀，成形应力得到较好的释放，减少成形后的自然变形。

(2)为了避免压制时局部产生过大的突变和折痕，防止钢板厚度的减薄，在第一遍压制时，不允许压制到底，整块球壳板的压制需经二至三遍巡回压制方可成型。

(3)冲压过程中要考虑回弹率造成的变形，一般回弹率约为成形曲率的20％。

(4)压制时要注意，曲率不要压过头(不易修复) ，球壳板四周边不要出现直边。

(5)球壳板曲率超差时，须对其进行校正。校正时，在上下胎具间加垫板进行，也可利用上、下两组扁钢的时而靠拢时而分开，并借以适当压力进行。如图3所示。

图3 球壳板的曲率校正图

(6)凡成形后在球壳板上焊接支柱，人孔及附件的球壳板，冲压曲率相对增大。

(7)球壳板压制完后，需用弦长大于2m 的样板进行各部位的曲面检查，任何部位的间隙以小于或等于3mm 为合格。检查用样板应该是曲率精度高不变形，一般做样板最好用0.75～1mm冷轧钢板，按实际计算半径地规准确划线，然后精确加工而成。

1.5 球壳板划线下料样板制作

为保证球壳板每带各块具有互换性, 需采用划线样板，这种样板也称软样板，

用0.3mm钢板制作较合适。在制作过程中, 不但要严格控制划线下料样板的精度, 同时制作样板要在一块曲率好的标准球壳板上进行，以该板为母板，拍打制作裁剪成球面样板。样板做成后需要检验精度，检验方法是将样板转180°，看与做样板用的首块球壳板形状是否准确合线。注意,此样板在使用过程中必须妥善保管。

1.6 球壳板二次下料

球壳板二次下料在球壳板内曲面上进行。首先用划线样板定出球壳板外形切割点，然后通过专用切割胎具进行二次精下料。这种胎具由弧形导轨和支撑构件构成，支撑构件与球壳板接触部分的圆弧一定要与被加工的球壳板球面曲率相同，以提高切割精度，切割时切割小车置于导轨上。

正式下料前须通过试切割定出切割角度，下料后坡口表面熔渣及氧化皮应清除干净，坡口表面不得有裂纹和分层等缺陷，用标准抗拉强度大于540MPa的钢材制造的球壳板坡口表面应经磁粉或渗透检测。若有缺陷时，应修磨或焊补。焊补时应将缺陷彻底清除，并经渗透探伤确认没有缺陷后方可焊补。焊补后应磨平, 使其保持原有坡口的形状和尺寸[2]。

1.7 球壳板复压

球壳板在二次精下料后, 需通过复压校形清除由于热影响而产生的曲率变形, 确保曲率偏差不超标。球壳板复压校形后, 按照下列要求对球壳板成型质量进行检查, 结果应符合图4、图5, 表1中各项要求。压制成型后的球壳板如图6所示。

(1)用弦长大于 2m 的样板检查球壳板曲率, 测量时样板应与球壳板保持垂直, 沿各方向测量, 每块板不少于5个测量点。在检查球壳板时应将球壳板放在胎架上，来控制由于球壳板自重而引起的变形，以免产生变形而影响检查精度。

图4 球壳板曲率允许偏差

(2)坡口尺寸用样规检查。坡口几何尺寸偏差符合下列要求：如图5所示。

(a)坡口角度的允许偏差为+2.5;

(b)坡口钝边及坡口深度的允许偏差为+1.5mm。