摘要：对筒体厚度达到90mm的大型高压容器的制作焊接工艺，在关键点的控制进行论述。
关键词：压煮器、容器、制作工艺、组装、焊接、热处理
一、概论：
溶出系统是氧化铝工程中的关键重要的核心部分，也是确保形成氧化铝生产能力的关键工程。而压煮器（包括保温压煮器和带加热管束压煮器）则是溶出系统的最主要设备。本文针对压煮器板材厚、压力高的特点就其工厂制作工艺中的要点进行阐述：
1、该压煮器特点是：
1.1设备体积大、重量重、壳体的钢板厚(外形尺寸：φ1600*11900mm，筒体板厚为90mm)，并要求整体进行热处理消除焊接应力。
1.2焊接质量要求高，对所有焊缝要求100％的无损探伤，试验后压力为16.385Mpa；
1.3制作工艺复杂，技术含量高。
二、制作焊接工艺：
1、压煮器工厂制作工艺流程图：
2、原材料的质量检查
压煮器的工作压力大、工作温度高，原材料在下料之前必须先进行以下几个方面的检查方可进行下一道工序。a对筒体的钢板要进行逐张的超声波探伤，按JB4730（压力容器无损检测）Ⅲ级为合格；b逐张检查钢板的表面质量；c按炉号复验钢板的化学成份，按批号复验钢板的力学性能和冷弯性能；
3、下料及组对工艺
3.1下料
筒体的钢板下料，必须确保钢板的长度和宽度的允许偏差为±1mm；钢板边缘的不直度的允许偏差为±1mm,;钢板的两对角线之差为2mm。以有效保证筒体卷制和组装的偏差。
3.2卷制及整体组对
3.2.1压头方式选择：由于板材较厚，如果所定筒体钢板长度预留卷板机压头料，将增加较大成本，采用液压机压头的方法可以节约材料的损耗，比用卷板机预弯头可节约长度800mm左右，为降低成本起到积极的作用。液压压头的注意点：
A、压头时钢板的宽度方向要与模具平行；
B、在压制时由板的端部向内压制，并用曲率样板检查是否达到所需曲率，曲率大小由液压机的压力控制；
C、为了防止在预弯头和直断之间在卷圆时结合部分产生局部过弯的现象，在预弯头与直断之间要有一段过度圆弧，呈抛物线状态；
D、在模具的制作上考虑到钢材的弹性问题，下模应适当缩小曲率半径R，方能保证达到工件的设计要求。
3.2.2筒体卷制：受板材厚和筒体直径相对较小的影响，如果椭圆度和错边量超出偏差范围，基本无法调整，即使采取强制成型，也将对焊缝产生较大内应力，故对筒体卷制需要注意和保证以下几点：
A、筒体卷制采取多道次缓慢进行。因板材厚，筒体直径相对较小，在卷圆时钢板外层受到拉力，内层受到压力，如轧制道次少，容易造成钢材内部产生微裂纹，对钢材的强度造成一定的影响；
B、注意椭圆度和局部弯曲度，确保筒体对接时不产生错边和影响同心度。其主要控制点是两端预弯段和中间圆弧段轧制时的过渡与吻合。
C、及时清理脱落的氧化层和其它杂质，保证筒体表面的平滑度，避免筒体表面就会出现坑洼现象。
3.2.3部件组装：组装前，部件应经检查合格，连接接触面和沿焊缝边缘50mm范围内的铁锈、毛刺、污垢、应清除干净；组装的顺序应根据部件型式，焊接的方法和焊接顺序等因素确定；当采用夹具组装时，拆除夹具时不可损伤母材；对残留的焊疤应用角向磨光机修磨平整；定位焊所采用的焊材，应与焊接焊材相符，厚度不宜超过焊缝厚度的2/3，定位焊长度上一般在80～100mm。定位焊位置应布置在焊道以内，焊前焊缝按要求进行预热。并应由持合格证的焊工施焊。部件的组装工序分为以下几种：
A、筒节与筒节焊缝的组装：在自制转胎上进行，组装成大段节。
B、接管法兰与上下封头的组装，在组装平台上进行组装时应控制好接管法兰的伸出长度、方向、垂直度等。
C、上下封头与筒体大段节组装：在自动转胎上进行，组装时先将筒体安放在转胎上，然后再将封头吊入，由于封头直边接触面小稳定性差为此需在其中心接管处加放托轮装置稳定封头，然后再用手拉葫芦将封头环缝贴近筒体环缝进行组装。
以下是组装顺序图：
D、部件组对前还需要注意：由于每节筒体在制作过程中都有一定偏差，所以必须测量出它们的周长，以便把偏差均匀分布。
5、焊接工艺
压煮器的A、B类焊缝焊后做100%的射线探伤检测，检测结果符合JB4730-94标准达到I级为合格，如何保证焊接质量和控制焊接变形是制作工艺中的关键；
5.1坡口的选择：
合理的坡口选择，能够保证焊缝焊透和焊接工艺的可行性，减少焊接变形，减少焊接应力集中，同时针对该压煮器板材较厚的情况，如何减少焊接材料的消耗，有效提高生产率和降低成本也是需要兼顾考虑的重要因素。同时考虑总装要求，在通过多次焊接工艺实验，主要采取两种坡口形式：A、双U型坡口;B、单U型坡口（段节1和段节2环焊缝）；并对坡口的角度进行了调整；
A、带钝边双U型不对称坡口：在较厚钢板焊接中采取这种坡口形式较为合理，其根部容易焊透，填充量热影响区较小，能够保证焊透和焊接工艺的可行性，且U形坡口焊接变形小，焊后的焊缝顶角大，应力集中系数小，避免产生裂纹等缺陷，但在坡口度数上进行了改进（８°），见下图所示。
B、考虑到总装时埋弧焊机无法进入到筒体内部施焊，所以把筒体中的一条环缝设计为单U型坡口（段节1和段节2环焊缝），如图2。
图2
采用单U型坡口时可采取单面焊双面成型的焊接工艺，组对时要求焊缝的间隙为6-8mm，用冲气垫贴在焊缝下面，使焊接药剂充分填充于焊缝下方，达到背面强制成形的效果，经多次试验均能使背面得到很好的成型，其焊接电流在650-700A，电压34-36V，焊接速度48-50cm/min，采用此工艺可提高焊接速度，保证焊接质量，减去了碳弧气刨清根的时间，较清根法可节约焊丝20％。
C、压煮器筒体的坡口的几何形状和表面粗糙度直接或间接的影响焊接质量的好坏，因此压煮器筒体的所有环缝坡口均用刨边机加工坡口，以保证坡口的钝边的允许偏差为+1mm、角度的允许偏差为+20，可以用焊接检验尺来检查坡口。
5.2焊接预热
根据《钢制压力容器》（GB150-98）的规定，压煮器的钢板焊前必须进行预热，预热温度为180-250℃，层间温度为150-170℃，预热的范围为焊缝两侧各不小于焊件厚度的3倍。焊缝预热采用自制的氧气、乙炔器加热装置加热，可以使用热过敏笔检查预热温度，预热温度的测试位置必须在接受热源作用面的反面位置。对于需要预热焊件在整个焊接过程中应不低于预热温度，可以采用连续焊接确保层间温度达到预热温度，应随时测试层间温度，当层间温度低于规定的温度时，应进行补充加热。通过预热和控制层间温度可以加快氢气的散发、减少冷裂的产生，预热的温度直接影响焊接质量。
5.3焊接及注意事项
采用埋弧自动焊进行进行焊接，利用埋弧自动焊热量集中，焊接电流大，焊接速度快，焊接生产率高，焊接层的保护好、质量高、焊接参数比较稳定、焊接熔深大、焊缝金属组织致密性较好、焊缝表面平直光滑、成形好等特点。大胆地使用大电流（尽量控制在750A以下），慢速度（在绝大多数情况下，焊缝上的温度是随时间而变化的，因而温度场应属非稳定温度场），这样，焊缝的层间温度也得到保证，避免缺陷的产生。
第一层，直接分边，第一道时，由于钝边较满，焊接电流不应大，要控制在450A以下，焊接速度580mm/s，电弧电压28V，焊丝所焊位置见图。在焊第二道另一侧时，可适应减慢速度，电流电压则不变，（如此时加大电流，焊缝容易焊穿）。这样，熔整金属增加，值得注意的是，焊丝的位置一定要在熔合线上，这样才能保证焊缝圆滑过渡，在焊第三道时，焊缝表面很圆滑且焊缝逐渐增厚，减慢速度的同时可适当加大电流以540~570A为宜，电弧电压30~32V，在这种规范下焊两道后就可使用大电流（可增至750A）电压（34~36V），速度减慢，但三者要相匹配，这样的焊接方法焊缝成型好，脱渣容易，焊缝两侧圆滑过渡，焊缝厚度明显增加（每层可增加5~7mm）这种填充方法使熔敷金属增长很快，特别在焊接外口焊缝时，只需3~4小时，8-9道就可填充完毕（原来需填充17~20道）。焊接顺序见图。
特别值得一提的是，最后的焊缝找平，以往的焊缝找平，都是利用转胎速度一小段一小段的找平方法，既费时间，对焊机的短路负载过大。有时启动不了，容易拉断导电嘴。我们现在则运用电流的调节范围来找平焊缝，在焊缝较深时加大电流，较浅时减小电流，这种方法既可以边填充边找平，使焊缝的填充道数明显减少，连盖面层一共也就11~12道。
在焊接中我们还需要注意以下事项：
A、施焊时先焊筒体内焊缝，焊接时必须打磨清除焊缝中的氧化层及杂物，内口焊完后在外面用碳弧气刨清根，清根时注意底部需圆滑，不能有夹缝，以防止焊缝未融合，之后必须用磨光机清除氧化皮，直到看见金属光泽，防止碳刨时由于渗碳对母材的影响，以及产生气孔夹渣等缺陷，焊接时每层焊道必须清除药渣杂质等，线能量不宜过大，以防止母材与焊道之间产生较大温差，易产生裂纹。
B、焊接试板位于筒体纵缝的延长线上，采用完全与产品一致的焊接工艺施焊，经机械性能检测，焊接接头性能达到了标准要求方可，
C、每条焊缝尽可能一次焊完，当中断焊接时对冷裂纹敏感的焊件应及时采取后热缓冷措施，重新施焊时仍需按规定进行预热。
D、焊完后需要进行保温，使之缓慢冷却，避免裂纹的产生。如果焊缝冷却过快会在焊缝的热影响区域内产生裂纹，因焊缝周边的温度较高，钢材产生膨胀，其内部晶粒增长，冷却过快钢材内部的晶粒快速缩小，也就是说钢材急剧的收缩就会产生裂纹。
E、在焊接过程中由于溶池温度较高，而产生收缩，在焊内口或外口时对焊缝区域的曲率均有一定影响，在焊接时可用曲率样板作检查，如果焊缝有向外凹的情况则可先多焊内口。反之则焊外口，以保证筒体的椭圆度，焊完后24小时后可进行100％射线探伤，达到I级合格。
F、在环境温度低于00C时不得进行焊接操作。
6、焊后热处理
压煮器设备内的介质为铝矿浆、浓度235g/L、设计温度2600C，使用工况非常恶劣，在此工况条件下的碳钢和低和金钢如残余应力较大，在使用过程中极易发生由于“碱脆”而造成危害。因此对该设备进行消除应力热处理，及其消应效果对延长设备的使用寿命尤为重要。
6.1退火工艺
该压煮器利用φ3m×19m的大型燃油退火炉进行退火，退火工艺规范：a.焊件进炉温度不的大于4000C；b.焊件升温至4000C后，加热区的升温速度不得超过5000/δ0C/h(δ为焊接接头处的钢板厚度)，且不得超过2000C/h，最小可为500C/h；c.升温时，加热区内人以5000mm长度内的温差不的大于1200C/h；d.保温时，加热区内最高与最低温度之差不应超过650C；e.升温及保温是应控制加热区的火焰，防止焊件表面过度氧化；f.炉温高于4000C时，加热区的降温速度不得超过6500/δ0C/h，且不得超过2600C/h，最小可为500C/h；g.焊件出路时，炉温不得高于4000C，出炉后应静置在空气中继续冷却。退火曲线图见下：
6.2退火中的注意事项:
A、热处理前焊接焊缝应检测合格；
B、设备进炉前应对法兰密封面进行保护，以防氧化，可用机油与石墨粉混合成膏剂涂放在保护层的表面，然后用硅酸铝纤维包住；
C、设备壳体吊入炉内后应平稳安放，防止加热后的壳体外形变形，卧式炉应按照规定安装隔火板、直立炉应在炉子底上放上挡火罩，盖子处必须用硅酸铝纤维毡密封好，使加热温度均匀升降。通过均匀设置的14个热电偶的测温数值来调控，确保热处理质量。
三、结束语
在采取以上制作工艺，各项质量指标均达到GB150-98,GB151-99和设计图纸要求，设备主体焊缝射线探伤一次合格率达到96%，为了测试焊接应力消除的程度，通过中科院金属研究所的压痕法应力测试仪，对退火前和退火后在相同的位置进行测试，其残余应力降低了85%以上。很好的满足了设计工艺要求。
主要参考文献
[1]寿比南等.钢制压力容器（GB150-1998）.中国标准出版社，2003年.
[2]周昭伟等.焊工手册.机械工业出版社,2005年.等
