压力容器新封头标准的理解和实施
摘要：本标准是我国压力容器第一部完整和统一的封头标准。本文根据标准并参照有关国外同类标准, 对标准的实施和质量控制要求作一综述, 以期标准的顺利过渡和提高我国封头的制造水平。同时对有关问题的处理方法提出一些建议, 供以后修仃和充实标准的参考。
关键词：封头 标准 实施 质量控制

一、概述管道切割机，相贯线切割机
    1.什么是封头？（暂定义, 因现还没有正式术语定义）管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
    经加工成形的同轴或二轴平行的凸形、锥形、变径段、平盖、紧缩口、偏心圆锥等旋转或对称的几何体, 并与圆筒形几何体的二端或一端或其他部位共同构成一密闭或敞开的承压、真空或常压空间, 用于存放气体、液体或固体的这个部件叫封头。其英文名为“Head ” , 日文称“镜板”, 中国台湾称“端板”。“压力容器建造用术语词汇”的定义是:“形成压力容器端部或中间间隔的碟形等形状的部分就是封头”。

    2.GB150《钢制压力容器》标准中封头包括哪些范围?
    (1)凸形封头—椭圆形、碟形、球冠形、半球形;
    (2)锥壳—锥形封头、锥形壳体;管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
    (3)反向曲线变径段;
    (4)圆形(椭圆形)平盖、平底形封头;
    (5)锻制紧缩口;
    (6)带法兰凸形封头;管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
    以上(3)-(6)见GB150标准第7章的附图。

    3.我国压力容器用封头标准的现状
    自60年代开始, 我国陆续制定了一些封头标准, 有的业已经过修订, 如按结构型式分类的JB576-64《碟形封头》、JB/T4737-95《椭圆形封头》、JB/T4738-95《90°折边锥形封头》、JB/T4739-95《60°折边锥形封头》和按成形方式分类的JB/T4729-94《旋压封头》等, 存在着分类方法不统一、标准内容不完善且相互不协调如标准拼焊焊接头位置的规定与标准相勃, 而且上述标准仅与GB150《钢制压力容器》配套而缺少与JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》配套的标准等问题。影响压力容器的制造、检验与验收。基于上述缺憾,JB/T4746新封头标准的应运而生。新封头标准自2003年3月1日实施日起, 上述分散的五个标准全部作废。封头制造业应用最短的时间过渡。把对按老标准生产的封头尽快处理完毕。需要说明的是标准替换的内容没有涉及安全性能的问题。

二、JB/T4746新封头标准简介管道切割机，相贯线切割机
    1.新封头标准根据计划安排,1999年5月开始策划起草。2000年5月完成征求意见稿。经广泛征求意见后于2000年9月完成送审稿。由于政府机构的改革而搁置了一段时间。历时三年多于2002年8月22日发布。
    2.新封头标准正文共9章、A-I共9个资料性附录, 约8万字。将GB150、JB4732标准用不同结构和不同制造方法的封头纳入一个标准, 统一质量要求, 并对封头制造、检验与验收要求作为强制性条文, 而将各类型封头尺寸、内表面积、容积、质量等作为指导性内容, 给标准使用者留有选择标准的空间。例如附录A封头成形厚度减薄率是参照日本封头标准释义中对6mm以上普通碳素钢椭圆、碟形封头减薄率的案例仅作为参考用,因不同成形设备、成形温度、材料、封头类型、尺寸规格的厚度减薄率是不相同的。
    3.适用范围
    适用于按GB150、JB4732标准设计的椭圆形、碟形、折边锥形与球冠形四种类型碳素钢、低合金钢、高合金钢及复合钢板封头的制造、检验与验收。同时规定了用整板或拼板焊接采用冷、热冲压, 冷、热旋压, 冷、热卷制或相互配制的六种成形加工方法和四种类型封头的型式参数与标记。
    4.不适用范围
    (1)不适用JB4734《铝制压力容器》、JB4745《钦制压力容器》, 还有《压力容器安全技术监察规程》包括的镍、铜等有色金属制压力容器用封头, 比日本JISB8247标准、美国ASME规范等适用范围要小, 有待今后充实, 但可按用户的合同/协议参照本标准的有关规定。
    (2)不适用锅炉用封头, 但可按用户的合同/协议参照本标准的有关规定。
    (3)不适用JB/T4735《钢制焊接常压容器》和压力管道用管帽, 但可按用户的合同协议参照本标准的有关规定。
    (4)不适用先分瓣(瓣片与顶圆板)成形后组焊的封头和平底形及半球形封头, 可根据GB150、GB12337《钢制球形储罐》等标准, 按用户的合同/协议参照本标准的有关规定。
    (5)本标准最大公称直径DN=6000mm, 对大于6000mm以上及表1未包括型式参数的封头, 可根据GB150、JB4732标准, 按用户的合同/协议参照本标准的有关规定。

三、JB/T4746新封头标准的质量控制要求管道切割机，相贯线切割机
    1.钢板质量控制管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
    (1)所用钢板应符合GB150、JB4732和合同/协议的要求;
    (2)钢板的验收或验收复验应符合《压力容器安全技术监察规程》和合同/协议的要求。

    2.强制的制造许可证制度
    我国锅炉压力容器包括球形储罐现场组焊或球壳板制造早在1982年即实行强制的制造许可证制度, 对封头制造质量控制则由锅炉压力容器制造商负责, 仅上海、江苏等省市立法对封头制造实施强制的许可证制度。2002年7月12日国家质检总局第22号令颁发的《锅炉压力容器制造监督管理办法》附件1“ 压力容器制造许可级别划分”中明确了’球形储罐现场组焊或球壳板制造(含直径大于及等于1800mm的各类型封头)为A3级别由国家质检总局锅炉局颁发制造许可证。
    JB/T4746新封头标准在起草时考虑到我国压力容器选用封头部件将大规模专业化生产的趋势和封头是压力容器等特种设备的主要承压部件及有关省市已实施强制的许可证制度等, 和压力容器制造标准一样, 提出了质量管理体系、焊接工艺评定、合格焊工和无损检测人员资格及标记和标记移植的可追溯性等要求。

    3.坯料制备和焊接质量控制
    (1)拼板对口错边量不大于钢材厚度δs的10%且不大于1.5mm, 对复合钢板不大于复层厚度的30%且不大于1.0mm均严于GB150标准的要求, 这是基于错边量太大会影响封头的成形质量, 而且平板拼接条件优于压力容器组焊条件。
    (2)GB150标准对封头拼焊接头位置没有限制且允许有“T”字焊接接头。同时和《压力容器安全技术监察规程》一样明确规定不允许有“+”字焊接接头、且相邻焊接接头的间距(弧长)＞3δs且不小于100mm。
    (3)先拼板后成形的椭圆形、碟形与球冠形封头内表面拼焊焊缝以及影响成形质量的外表面拼焊焊缝, 在成形前应将焊缝余高打磨至与母材齐平。和GB150标准一号修改单的要求一致。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
    对未打磨的焊缝余高应符合GB150标准的要求如下表1所示。

 

    (4)拼焊接头表面不得有裂纹、咬边、气孔、弧坑和飞溅物, 特别是不得有咬边的规定, 严于GB150标准。
    (5)关于焊接试板管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
    《压力容器安全技术监察规程》第77条第4款之(2)“ 当一台压力容器上不同的壳体纵向焊接接头(含封头、管箱、筒体焊接接头)的焊接工艺评定覆盖范围不同时, 应对应不同的纵向焊接接头, 按相应的焊接工艺分别焊制试板” 。封头拼焊接头为A类焊接接头, 但其焊接试板性能并不完全能代表封头焊接接头的性能, 因封头坯料还要经历一次弯曲/挤压等较大的变形, 这和筒体纵缝焊接试板有别。封头焊接接头的质量主要靠焊接工艺评定和100%RT来保证。对此, 国家质检总局锅炉局以(2000)质技监锅便字第3049号文批示“ 封头不另做焊接试板” , 如用户需要可由合同/协议规定。
    (6)坯料割圆后, 应对周边影响封头成形质量的缺陷进行修磨消除, 而且还应进行倒角处理, 这对防止成形开裂有利。

    4.封头成形尺寸和形状的质量控制
    (1)椭圆形封头的形状问题
    椭圆形封头有多种几何作图方法, 但唯一标准的是同心圆作图法, 如下图1所示。
        

    旋压近似2：1椭圆形封头的特性如下图2所示。
    d=0.8D(近似值)
    R=0.9D(近似值)
    r=0.173D(近似值)
    封头内径d的上部是球面弓形, 其偏差值可忽略不计。
              

    2：1椭圆形厚壁封头上的某一点的位置如下图3所示。

    椭圆封头上只有一边曲率才是真实的椭圆(里或外), 对面平行的曲线是未确定的几何图形。为了在这条曲线上确定某点位置, 特别是厚壁封头的情况, 只能用划线作图方法解决。
    (2)成形封头的端部应切边加工作为尺寸和形状检测的基准。如需加工坡口时, 其形状和尺寸按合同/协议的规定。
    (3)封头的直边部分不得存在纵向皱折, 严于GB150标准。
    (4)由于焊缝和钢板强度的差异, 封头成形后在焊缝部位实测最小厚度符合要求的前提下, 允许焊缝表面不低于母材表面0.5mm以上。
    (5)封头直边倾斜度和高度公差、外圆周长与内直径公差、圆度公差、总深高度公差、内表面形状公差综合如下图4所示。
         
    GB/T1804-2000一般公差未注公差的线性和角度尺寸的公差如下表2和3所示。

    (6)封头成形后的最小厚度
    新封头标准附录A“ 封头成形厚度减薄率” 是参照日本JISB8247标准, 为“ 资料性附录”, 仅供参考。本文二之2对此问题已作了说明。早已作废的JB741标准10%减薄率的笼统规定并不确切,大家已有共识。
    GB150标准“ 成形封头实测最小厚度不得小于封头名义厚度减去钢板厚度负偏差C1的规定, 压力容器制造业已共识这对钢板的有效利用并不安全经济合理, 如下图5所示。许多设计图样现都标注了最小厚度(计算厚度加腐蚀裕量C2, 即既满足强度、刚度或稳定又满足寿命要求的设计厚度, 并和JB4732分析设计标准一致)。因此, 新封头标准在GB150标准尚未修改之前, 并列了“ 当设计图样标注了封头成形后的最小厚度, 可按实测最小厚度不小于图样标注的最小厚度验收”。
    最新发布的JB4734-2002《铝制压力容器》和JB4745-2002《钦制压力容器》标准就明确了“ 最小成形厚度即计算厚度(minimum formed thickniss)与本标准所规定的元件最小厚度之大值加上腐蚀裕量得到的厚度。图样中应同时标明名义厚度与最小成形厚度(加括号)”。

    5.热处理质量控制管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
    (1)根据(2000)质技监锅便字第3049号文批录“ 热旋压封头如加热温度达到或超过规定的热处理温度, 可不做热处理。冷旋压封头可随压力容器一同进行热处理”。需焊后热处理(PWHT)的封头可按合同协议规定由封头用户单位负责和容器组焊后进行PWHT;
    (2)冷成形的椭圆形和碟形封头应进行热处理,当制造单位确保冷成形的材料性能符合设计、使用要求时可不进行热处理。除图样另有规定, 冷成形的奥氏体不锈钢封头可不进行热处理;
    (3)改善材料力学性能热处理母材的热处理试板与封头同炉热处理。对热成形封头, 母材的热处理试板还应与封头有相同的加热工艺。当钢板的供货与使用热处理状态一致时, 封头在热成形过程不得破坏供货时的热处理状态, 否则应重新热处理。

    6.无损检测质量控制管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
    (1)封头成形后应按合同/协议规定方法和合格级别, 按JB4730标准进行100%RT或UT, 并符合《压力容器安全技术监察规程》的规定。
    (2)折边锥形封头A、B类焊接接头应按合同/协议规定方法和合格级别, 按JB4730标准进行100%或局部RT或UT。当采用局部无损检测时,过渡段的焊接接头必检。
    (3)封头堆焊表面、复合层焊接接头、δb＞540Mpa、Cr.Mo钢封头经火焰切割的坡口表面、缺陷修磨或焊补处表面及旋压成形拼焊接头的内外表面, 按JB4730标准进行MT或PT检测, I级合格。

    7.封头出厂质量证明文件应符合并不少于《压质量管理力容器安全技术监察规程》附件七规定的内容。

    8.从国外大量进口的球壳板有很好的包装, 但一般都不油漆, 有的在坡口面和边缘涂有银白色可焊性涂料。实物上有和质量证明书相一致的简单识别可追溯的标记, 而热泪盈眶处理状态等内容均详细记录在质量证明文件。因此, 封头的油漆包装、标识与运输主要按用户合同/协议规定。

四、实施JB/T4746新封头标准有关问题处理方法的建议管道切割机，相贯线切割机
    1.新封头标准不包括平底封头, 可按合同/协议规定, 参考日本JISB8247结合JB/T4746封头标准有关尺寸和形状公差进行控制, 如下图6所示。
           

    (1)在内表面与标淮样板的间隙为过渡段转角内半径r的15%以下。但当过渡段转角内半径r为70mm以下时, 间隙为10mm以下。
    (2)平面度如表4所示。
            

    对平底封头可用过渡段内半径为半径的样板来测定其公差。至于平底封头的平面度, 可在任意处以上的直径处用丝线或直尺来测定其间隙公差。
    对于平底封头, 除平面度可参照表规定, 而外圆周长及内径的公差, 以公称内径DN与钢材厚度作为变数来确定, 可参照JB/T4746标准确性表5和表6规定。

    对δs/Di为0.005以下, 以及内径超过5000mm的由供需双方商定。
    当用作管板时, 由于对平面度要求比较严格,所以也由供需双方商定。

    2.新封头标准不包括半球形封头。半球形封头有整板或拼焊成形也有先分瓣瓣片与顶圆板成形后组焊成封头的“ 分割工法” 。可按合同协议规定, 参考GB12337和GB50094标淮结合JB/T4746标准有关尺寸和形状公差的要求进行控制。

    3.新封头标准规定坡口表面不得有裂纹、分层、夹杂等缺陷。这和钢板标准规定是一致的。但由于封头成形加工深度远大于容器简体, 加上我国钢板质量差,s、p等杂质的不纯净常产生一小块一小块的“夹层”, 成形后经热切割在坡口面会出现类似“分层”状的缺陷, 进一步用UT检查又很小, 如若判废势必浪费。因此, 可由企业质量管理体系, 在保证安全的前提下, 作出处理规定。
    除此之外, 还曾多次发生过封头与筒体组焊经对环缝盯检测发现在封头直边钢板内层有裂纹缺陷而报废的案例。因此, 关键还是要靠不断提高钢板的质量。

    4.新封头标准外周长公差(表3)和内直径公差(表4)中由于直径小、曲率大、厚度薄、回弹大, 从多年实践的积累, 上述公差不易达到, 这需在与
用户签订合同/协议时协商可以接受的公差。

    5.外圆周长、内外直径、圆度、直边倾斜度是尺寸和形状位置的相关公差, 四者之间存有内在联系, 其中最关键起决定作用的是外圆周长的公差, 特别是大而厚度较薄的封头, 控制好外圆周长公差、依靠容器厂通用的组对工装、采用均匀对称的定位(点)焊, 完全可以顺利实现简体下料与封头同步而加工符合要求的组焊质量。曾多次发现由于组装方法不当并使用质量伪劣、误差很大的钢卷尺而发生问题的案例。

    6.常识所知, 封头的直边是容器简体的延长,目的是减少封头与简体环缝焊接应力对封头高应力区的影响。直边高度与封头的总深(高)度是一组尺寸链, 凸形封头受力后都有自圆趋势, 直边有时还会增厚。因此控制封头的总深(高)公差是主要的。有的国外标准就没有直边高度公差规定。

    7.新封头标准对凸形封头的测厚有17点, 而对CHC折边锥形封头有24点。封头是专业化、大批量生产的零部件, 对抽查或鉴定的记录报告应该遵循, 但对日常生产过程即使用速度较快的千分卡尺检测工作量也太大, 特别是我国压力容器行业大多使用超声波测厚仪的情况下, 耗时更多。基于各种封头最厚、最薄部位是有一定规律可循, 因此在实际生产过程, 检测记录最大最小厚度即可。

    8.新封头标准规定用弦长相当于封头内径的间隙样板检查内表面的形状公差, 这比GB150标准规定要严格并和JB4732及国外标准保持一致。为了便于测量封头的外凸和内凹, 日本JISB8247标准推荐了如下图的间隙样板可供参考, 即可用切掉一边端部的样板来测定, 但其端部尺寸的值需在表7中所示的值以下。

    内表面形状公差是对理论几何形状相比而言。而凸形封头在实际生产过程有时会产生表面的局部凹凸如鼓包等：对锥体进行“ 翻边” 时, 由于拉延作用会使锥体母线产生凹陷。新封头标准对此没有作出规定, 因此可以参照JB/T4735标准表15-3的规定, 由合同/协议予以明确。

    9.有的凸形封头需经预压和终压两次成形。在预压的转角处会产生凹或凸且圆滑的“ 棱” , 类似木桶的铁箍, 一般凹凸不超过1.5mm, 有时目视检查不易发现, 手感也不明显, 常在和容器一起油漆后显示而有损外观, 但对安全性能无影响。这也是一种局部凹凸, 有的可通过改进模具解决, 但有的需由合同/协议明确。

    10.碟形封头和折边锥形封头的过渡段转角内半径r不得小于0.1Di~0.15Di或图样规定。但新封头标准包括国外标淮都没有规定公差值。从安全质量来说, 周内外有关设计规定r至少要＞3δs。从制造来看, 过渡段转角内半径r常小于0.10~0.15Di的规定, 可参考平底封头用标准样板测量过渡段转角内半径r间隙应小于15%或1.25Di的公差, 并在合同肋议中明确。

    11.关于冷成形凸形封头的热处理, 新封头标准仍沿用GB150“当制造单位确保冷成形的材料性能符合设计、使用要求时可不进行热处理” 。多年来大家都知道这是不好操作但又事关安全性能且很复杂的问题, 因为封头成形是一弯曲、拉延、压延、挤压的复杂过程, 不同材料、不同加工方法、不同规格(大小、厚薄)、甚至操作技术高低等产生冷作硬化的程度、损失力学性能的多少都不相同。再在某种程度上主要取决于钢板δs/δb要小、δ要大, 以留有充分的塑性储备、s、p等杂质含量要低、晶粒要细及带状组织各向异性的影响要少。多年来, 通过大量进口钢板对直径小、曲率大、加工深度大的冷成形封头从未发生过开裂的事实就证明钢板的质量对封头冷成形后的性能极为重要。基于这个事实, 《压力容器安全技术监察规程》第72条规定“ 冷旋压封头应在旋压后进行消除应力处理” 。几年前某封头厂为某企业旋压加工的一只直径5m多、厚度24mm的16MnR大封头, 在水压试验时突然开裂2m多长, 经两个单位分别取了几百个各种试样进行试验分析原因,最终一致结论是钢板不纯净, 存在大量的“ 夹层”缺陷所致。对钢板有的内在缺陷即使作热处理也无法消除和保证安全。因此当前行业中对冷成形封头按ASME规范UCS-79的5%纤维伸长率来界定是否热处理的看法还不一致。GB/T16507锅炉标淮参考ASME规范, 对低合金钢采用3来界定。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

    总之, 对这个问题需结合我国钢板的实际,通过伸长率、变形率、加工减薄率、HV/HB硬度、σs/σb、AkV及残余应力测试等的大量试验, 得出一个准确可靠的界定值并在现场生产过程最简易的判定方法, 从而完善我国压力容器制造的规范和标准。

    12.上面谈到的是我国钢板内在质量差的问题,和进口钢板相比, 同时还存在表面质量差的问题。虽然钢板标准都有表面质量要求, 但对使用者采购验收钢板同样存在不好操作等问题。根据目前现实, 宜兴北海封头有限公司技术资料规定:“ 对麻点打磨深度≯0.5%δs、且≯2mm, 否则予以补焊封头因氧化皮脱落, 材料表面呈‘花纹状’缺陷的深度≯2mm;打磨面积＞20%时作整体表面处理客户对封头表面有特殊要求时, 按客户要求执行” 。俗话说“ 货卖一张皮” , 我国已加入WTO,全行业都知道国外承认我国压力容器制造水平和质量控制的严格, 唯独不放心使用我国的钢板。因此, 钢板质量严重影响我国压力容器的出口走向国际市场、参与国际竞争。由于封头加工深度大,表面缺陷极易扩展和显示, 这都有待从钢板源头直至封头标准予以明确的规定。

五、结语管道切割机，相贯线切割机
    封头是锅炉压力容器压力管道等特种设备的重要承压部件。JB/T4746新封头标准在吸取国外先进标准和国内大型骨干企业先进技术成果的基础上统一了我国的封头标准, 以期提高我国封头制造水平和压力容器等特种设备的总体水平。

本文作者：王健 邓建德 周广（宜兴北海封头有限公司）

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