锆钢复合板封头的压制_杨雷

1 前言
锆是一种具有极强耐腐蚀性能的稀有 金属材 料, 在还原性环境或氧化环境中比高级不锈钢、镍基 合金及钛材均具有更优异的特性, 对于大多数酸性 介质均有腐蚀免疫效能[ 1] 。由于锆材十分昂贵, 因 此在容器设计、制造领域相对纯锆或锆合金而言, 以 锆为复层的锆钢复合板得到了较为广泛的应用。但 基于锆材固有的工艺特性以及复合板加工的特殊要 求, 锆钢复合板设备制造难度较大、工艺技术及质量 要求相应更严格, 尤其 是复合板爆炸 加工、封 头压 制、锆材焊接等工序更为关键。本文结合多台锆钢 复合板设备的制造经验, 主要介绍锆钢复合板封头 的压制技术。
力学 性能
R eL (MPa)
207 300
A
弯曲试验
( % ) ( = 105 , D= 5T )
16
合格
30 40 5
合格 合格
项目
标准值 证书值
Rm ( MPa)
379 570
ReL ( MPa)
207 440
表 3 复合板力学性能
wenku.baidu.com
A
0 冲击值
弯曲试验
(%)
( J)
= 180 , D = 3S
31
合格
16MnR 证书值 0 163 0 31 复验值 0 17 0 33
1 39 0 014 0 007 540 1 35 0 02 0 018 550
370 29 78 85 79 405 21 48 60 58
合格 合格
项目
R60702
标准值 证书值 复验值
表 2 复板化学成分及力学性能 主要化学 成分( % )
2 复合板性能参数
封头 材 质 为 16MnR ( GB/ T 6654) + TA1 ( GB/ T 3621) + R60702( ASTM B551) , 规格为 2 mm + 2 mm + 24 mm, 公称直径 1400 mm; 封头型式为标准椭圆 形。复 合 板 通 过 爆 炸 焊 接 而 成, 中 间 一 层 钛 板 ( TA1) 起到保证复合板力学性能的过渡作用。材料 的主要化学成分及力学性能参数见表 1~ 3。
经 验交 流
锆钢复合板封头的压制
杨 雷, 郑世平 ( 南京斯迈柯特种金属装备有限公司, 江苏 南京 211102)
摘 要: 锆钢复合板设备的制造有一定的难度, 特别是其封头的成形加工。介绍了锆钢复合板质量 控制、封头压制工艺、锆材表面防护、质量检验等几个关键工序要求, 既保证了锆复层的耐腐蚀性又 使封头具有一定的综合力学性能。 关键词: 锆钢复合板; 封头; 压制
6 检验
封头压制成形后按照标准和设计图样要求进行 必要的质量检验, 经过 100% 超声检测复合板贴合 状态符合 ASTM B898 活性及难熔金属复合板材料 检验规范 A 级要求, 锆复层表面按 JB/ T 4730 承压 设备无损检测 100% 渗透检测未发现裂纹性缺陷, 封头成形尺寸及外观质量均符合 JB/ T 4746 钢制压 力容器封头 要求。
测点最大主应力方向上的残余应力, 相对图解法, 最 大误差小于 8% s 。可见, 此方法用于现场测试部位 应力强度的分析是非常便利的。
( 3) 屈服应力法测试残余应力与图解法同理, 只 限于最大主应力方向 P P 曲线显现拐点的测点。 即适用于水压试验中进入塑性屈服的测点, 因此该 方法不能用于热处理后残余应力的测试。
( 4) 通过球罐的实测应力分析表明, 球罐外凸角 变形部位的内壁, 较外壁所存在的安全隐患更大, 是 绝对不可忽视的危险部位[ 6] 。因此, 测试内壁的残 余应力对于压力容器的安全评定十分必要。
( 5) 补焊错边使 B 区应力状态 有所改善, 但使 A 区的应力状态有所恶化。而热处理降低了总体应 力水平, 使错边和角变形部位的应力状态得到了更 有效改善。
计图样要求。此外由于锆的缺口敏感性较强, 为防
表 1 基板化学成分及力学性能 主要化学成分( % )
力学性能
项目
C
Si
Mn
P
S
Rm (MPa)
ReL
A 0 冲击值 弯 曲试验
( MPa) ( % )
( J) ( = 180 , D = 3S )
标准值 0 2 0 2~ 0 55 1 2~ 1 6 0 03 0 02 490~ 620 325 21
( 上接第 52 页) 满足封头压制的前提之一, 尤其是其 贴合质量及爆炸加工必须保证锆材的耐蚀性;
( 2) 压制工艺的制定应遵循两条基本原则, 一是 加热温度适当且加热时间尽量短, 以保证锆的耐蚀 性不产生劣化; 二是需采取必要的工艺措施以保证 封头压制后仍具有稳定的力学性能。
参考文献: [ 1] 黄嘉琥 压力容器材料使用手册 [ M] 北 京: 化 学工业
C Fe+ Cr H
Hf
N
O
Zr+ Hf
0 05 0 01 0 02
0 20 0 005 4 5 0 08 < 0 0003 1 3 0 079 0 001 4 01
0 025 0 006 0 02
0 16 0 14 0 13
99 2~ 100 99 2
99 51
Rm ( MPa)
379 487 480
[ 6] 潘秉智, 王林征. 石油部炼厂液化石油气 球形容器开 罐 检查情况考察报告[ R] . 大庆石油学院, 1981.
收稿日期: 2005- 11- 10 修稿日期: 2006- 01- 10 作者简介: 月兰, 女, 高级工 程师, 主要从 事焊 接结构 残余 应 力研究, 通讯地 址: 河北 省秦皇 岛市海 港区大 庆石油 学院 秦 皇岛分院。
区近焊趾部位的应力状态有所恶化, 而 B 区内壁危
险点的位置及其弯 曲应力没有大 的改变。相 比之
下, 堆焊加宽焊缝至 45~ 50 mm 对 B 区的弯曲应力 影响不大。
值得提出的是, 第二次与第三次水压试验, 各测
点均未出现塑性变形, 表明热处理效果显著, 错边和
角变形区的工作应力满足球罐安全的要求。
低, 但位于赤道带的拉应力峰值由原 150 mm 处转移
至环焊缝焊趾附近, 最大拉应力
w z
=
78 MPa, 接近
补焊前危险点的应力
w z
=
94
MPa, ( 见图
7( b) ) 。而
位于北温带的压应力均高于补焊前的应力水平, 应
力峰值由原- 136 MPa 增至- 174 MPa( 见图 6( b) ) ,
= 105 , D = 5T
16
31
外弯合格
内弯合格
22
46 44 38
外弯合格
内弯合格
剪切强度 (MPa)
138 220
4 压制工艺控制
锆材( R60702) 在 300 时开始吸氢, 400 时开 始吸氧, 长时间高温加热对其耐腐蚀性能极为不利。 但对于中厚壁、变形量较大的封头, 如果压制温度偏 低则成形困难。因此, 就压制工艺而言, 加热温度和 保温时间的选择尤为重要, 既要保证锆复层加热压 制后的耐蚀性, 又要满足锆钢复合板成形工艺要求。 在兼顾 R60702 及 16MnR 两种材料 的综合特性后, 制定的压制指导工艺为: 炉内保持中性火焰, 空炉加 热至约 600 25 坯料进炉。保温时间< 60 min, 终 压温度在 550~ 580 之间, 一次冲压成型, 整个压 制过程应尽量快。为防止坯料激冷, 还应对冲压模 具进行必要的预热, 预热温度一般不低于 200 , 此 外, 为监测实际压制温度, 保证加热温度的均匀性, 测温点的布置也很重要。
出版社, 1994. 614- 622
[ 2] 郑世平 压力容器用锆及锆 复合板的特 性与应用 [ J] 江苏化工, 2004, 32( 5) : 50- 53
3 锆钢复合板的质量要求
封头在压制过程中受到拉伸、挤压、剪切等各种 复杂外力的作用。如果复合板的贴合质量不好, 在 压制过程中则很可能出现分层、开裂、鼓包等缺陷。 因此复合板的 贴合质量是封头能否成 功压制的前 提, 必须对复合板质量进行严格的质量控制。首先, 应选择有成熟爆炸经验的专业厂家; 其次, 要制定正
中图分类号:TQ050 4 文献标识码: B 文章编号: 1001- 4837( 2006) 04- 0051- 02
Forming of Vessel Head Made of Zirconium Clad Steel
YANG Lei, ZHENG Shi- ping ( Nanjing Special Metal Equipment Co , Ltd , Nanjing 211102, China)
Abstract: It s difficult to fabricate equipment made of zirconium clad steel material, especially on head forming This article introduces key process of head forming, quality control of the cladding, zirconium surface protection and quality inspection to guarantee the corrossion resistance of the zirconium and mechanic performance of head. Key words: zirconium clad steel plate; vessel head; punching
9 结论
(1) 用二次加载法, 可用测得的应变 P 直接计 算被测部位某一压力下的电测应力 P , 并通过 w = P- m 测得弯曲应力, 因此便于现场进行弯曲应力 的定量分析。
(2) 工程上用屈服应力法测算残余应力更为方 便。也就是 说, 只要 确定 了测 点最大 主应 力方 向 P P 曲线拐点的应变, 通过电测应力计算式得到 拐点的应力 P 后, 便可直接用 r = 1 08 s- P 估算
参考文献:
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[ 2] 月兰, 田汝珉, 韩 秀花. 电测 法确定 压力 容器角 变形 及 错边处附加弯曲应力[ J] . 实 验力学, 1995, 10( 3) : 228235.
较补焊前增大 38 MPa。表明补焊后, A 区北温带内 表面环焊缝附近的弯曲拉应力增大。
B 区的补焊效果较A 区好, 应力水平有所降低。
Z3 Z3 部位的应力峰值由原来的- 230 降至- 208
MPa( 见图 8( c) ) , 较补焊前降低 22 MPa。
由上述补焊后的测试结果分析可知, 补焊使 A
5 表面防护要求
锆材( R60702) 表面本身 具有一层 致密的氧 化 膜, 虽然厚度仅约 0 01 mm, 但对锆材的耐腐蚀性能
却很重要, 锆材在受到有害污染时易引起表面氧化 膜破坏, 使其抗蚀性减弱, 因此对锆材表面防护应贯 穿整个制造过程。此批封头需加温并变形冲压, 除 在锆材表面涂敷专用高温防氧化涂料外, 还采取了 在锆复层侧放置防护板随封头一起压制的措施, 有 效地防止了锆材高温氧化污染和压制时模具对锆表 面机械损伤及铁离子污染的作用。需注意的是防护 板也应进行抛光处理, 并涂防护涂料。
51
CPVT
锆钢复合板封头的压制
Vol23 No4 2006
确的加工工艺并严格执行; 最后, 复合板经消除应力 止因表面缺陷引起压制裂纹, 必要时还需对锆复层
退火后应按相应标准进行剪切、弯曲、拉伸等力学性 表面缺陷补焊修磨, 并进行 100% 渗透检测, 保证无
能试验, 并进行 100% 超声检测, 贴合率要求达到设 缺陷源存在。
7 结论
( 1) 锆钢复合板的供货质量是 ( 下转第 25 页)
52
第 23 卷第 4 期
压力容器
总第 161 期
片进行测试。测试位置见图 2 虚线框, 测点位置及
测试结果见图 6~ 8。对比补焊前、后的应力分布曲
线可看出, 补焊后错边及角变形部位的弯曲应力重 新分布。
A 区各部位的拉应力峰值均有不同程度的降
[ 3] 月兰, 田汝珉. 图解法法测定压力容器残 余应力的研 究 [ J] . 实验力学, 2005, 9( 3) : 403- 410.
[ 4] 徐秉业, 陈森灿. 塑性理 论简明 教程[ M ] . 北京: 清华 大 学出版社, 1981. 64- 70.
[ 5] 范钦珊. 压力容器的 应力分 析与 强度设 计[ M ] 北京: 原子能出版社, 1979.