CN109058753B - 一种海工用压力容器瓶及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种海工用压力容器瓶及其生产方法，属于压力容器的生产技术领域。先制造直径≥400mm的无缝超级奥氏体不锈钢钢管，然后采用上述无缝超级奥氏体不锈钢钢管制成无缝超级奥氏体不锈钢压力容气瓶内胆，再采用碳纤维绳，在无缝超级奥氏体不锈钢压力容气瓶内胆的外表面进行缠绕、浸渍、固化形成碳纤维缠绕树脂强化层，得到在内胆的外表设置强化层的压力容器，产品不但轻质，而且强度高、抗疲劳性和防腐性都较强，具有耐海水腐蚀、无焊缝、耐高压、质量轻和高疲劳充装性能等优点。

Description

一种海工用压力容器瓶及其生产方法
技术领域
本发明属于压力容器的生产技术领域。
技术背景
目前海工用压力容器瓶主要有以下几种：
1、采用普通不锈钢无缝钢管制作的压力容器瓶，其耐海水的腐蚀性能低，使用寿命短，要定期进行更换，增加了维护量和运行成本；
2、采用钛合金材料制作的压力容器瓶，钛合金材料对生物有较好的亲和性，在海水中使用时海水微生物附着在压力容器瓶的内外表面，形成生物污染，存在安全隐患。由于钛合金材料的无缝钢管和瓶口制作的过程中加工难度大，产品成材率低，且钛合金材料价格高，使得钛合金材料的压力容器瓶价格昂贵；
3、采用纯金属材料的海工用压力容器瓶，要承受较高的压力，压力容器瓶的壁厚就需增厚，从而增加了单个瓶体的重量，在海工设备上使用的压力容器瓶数量较多，导致增加了海工设备的整体自重，阻碍了海工设备轻便、节能的发展方向。
发明内容
为了解决海工压力容器瓶实现轻质、高强度、耐海水腐蚀、低成本制造这个难题，本发明第一目的在于提出一种强度高、重量轻、防腐性强、性价比好的海工用压力容器瓶。
本发明包括无缝超级奥氏体不锈钢压力容气瓶内胆，在所述无缝超级奥氏体不锈钢压力容气瓶内胆的外表面设置碳纤维缠绕树脂强化层。
本发明所述超级奥氏体不锈钢的材料可以为：UNS N08367、AL6X、AL6XN、904L或254Smo材质。
由于本发明采用了无缝超级奥氏体不锈钢压力容器瓶为内胆，一方面作为碳纤维缠绕层的支架，另一方面保障了对于其内的气体的密封性和耐海水腐蚀性，采用碳纤维树脂强化层作为产品的外层结构，充分利用了碳纤维重量轻、强度高的特性，既可大大降低整体气瓶的重量，还可提高抗疲劳性能，并且，由碳纤维固化形成的树脂强化层也足以保障产品的强度和防腐性。以使产品具有耐海水腐蚀、无焊缝、耐高压、质量轻和高疲劳充装性能等优点，以满足海工用恶劣性海洋环境条件。
本发明相比传统钢质无缝气瓶的优点有：
1、在内胆外表面设置了碳纤维缠绕树脂强化层，提高了压力容器瓶的强度和抗疲劳性能，使得产品可以反复充装高压气体；有碳纤维提高强度，从而在设计内胆壁厚时可以降低壁厚厚度，从而降低单支压力容器瓶的重量20%，海工设备需要的压力容器瓶的数量在100多支以上，也就降低了整个设备的重量，实现整体设备的轻质、高效节能。
2、由于超级奥氏体不锈钢，具有较好的耐海水腐蚀性能，用其做内胆，其钢体使用寿命超过60年，且表面不易附着海水微生物。
3、本发明产品安全可靠性高，缠绕层强度高，爆破前先发生泄漏，容器瓶爆破后无碎片产生。
4、超级奥氏体不锈钢的热态和冷态的加工塑性优于钛基合金材料，可以实现低成本制造。
本发明的第二个目的是提出上述海工用压力容器瓶的生产方法。
本发明包括以下步骤：
1）制造直径≥400mm的无缝超级奥氏体不锈钢钢管；
2）采用上述无缝超级奥氏体不锈钢钢管制成无缝超级奥氏体不锈钢压力容气瓶内胆；
3）采用碳纤维绳，在无缝超级奥氏体不锈钢压力容气瓶内胆的外表面进行缠绕、浸渍、固化形成碳纤维缠绕树脂强化层。
本发明工艺简单、合理，制成的产品稳定性好，成材率高，制造成本低符合设计要求。
进一步地，本发明在所述步骤1）中，在大直径超级奥氏体不锈钢无缝钢管制造时，主要采用热态锻坯冲压冲孔、斜轧、冷态毛管冷轧、冷拔、固溶热处理相结合的方法。锻压冲压冲孔和斜轧穿孔都是在热态下生产无缝钢管毛管的一种方法，锻压冲压冲孔要将一段圆坯料冲压成毛管需要经过多道次加热、更换冲压磨具冲压，材料的消耗大，成品成材率低，但是这种方法对于所有钢种都能使用。斜轧穿孔生产节奏快，成材率高，但是对于不能形成曼的斯曼效应的超级奥氏体不锈钢材质的圆实心坯料，不能采用这种生产方法。本发明利用一次冲压冲孔将圆实心坯料冲压成空心坯料，空心坯料再使用斜轧穿孔进一步一次性增大直径、降低壁厚，形成需要的无缝毛管，这两种方法的集合提高了产品的成材率和生产效率。在冷态时，采用冷轧、冷拔、固溶热处理相结合的方法，由于无缝毛管存在壁厚均匀性差，尺寸精度低等缺点，采用全液压驱动的三辊920冷轧机，大压下量，使孔型完全充满，使金属形成定向流动，从而改变壁厚均匀性和几何尺寸精度，并且增强了组织的致密性能，提高产品的抗腐蚀能力。冷轧后的无缝钢管经过固溶热处理，再利用冷拔的工艺进行减径，减壁达到符合要求的无缝钢管，利用冷轧和冷拔相集合的工艺提高了产品的壁厚均匀性和几何尺寸精度，同时提高了产品生产效率，降低生产成本。
进一步地，本发明所述步骤2）中，在瓶口制造的过程中采用旋压收口工艺。旋压收口是管体旋转，利用双旋轮，对管体对称旋压，且正反旋往复加工，这样节约了时间，又控制了材料的流动性，旋轮沿母线作轴向及径向进给的同时，还绕自身轴线作转动。
具体实施方式
以下参照实施例对本发明作进一步详细描述，但本发明不限于以下实施例的描述。
一、设计目标：
产品的内胆为无缝超级奥氏体不锈钢，在内胆的外表面设置碳纤维树脂强化层。
内胆规格：外径φ470mm，壁厚7.8mm，长度3180mm，耐压40Mpa。
二、生产工艺：
1、冲孔：选用φ350mm，长度2730±10mm的圆锻坯料进行加热，加热温度为1150℃，把高温坯料放入冲压模具内，对坯料进行挤压冲孔，使坯料加工成空心圆柱体，制成空心圆柱体坯料。
2、将空心圆柱体坯料放入1150±10℃的环形炉加热。
3、斜轧：加热后用800穿孔机和960轧机对管坯进行穿孔、热轧，得到荒管。
控制荒管的冷尺寸公差：直径公差：±10mm； 壁厚公差：±2mm；长度公差：±100mm。
4、采用1110℃对荒管固溶矫直，保温时间应保证2min/mm且不少于30分钟，保温期间的温度偏差不超过-10℃~+10℃；冷却介质为水冷。矫直后弯曲度≤2mm/m，全长弯曲度≤5mm。
5、使用920多辊冷轧机冷轧，取得的无缝气瓶管。
规格为：外径Φ472mm，公差：472±3mm；壁厚8.5mm，公差：±1mm。
6、将冷轧后的无缝气瓶管置于1110℃温度条件下固溶、矫直。
7、将固溶、矫直后的无缝气瓶管磨削得到无缝气瓶管成品。
其中磨削的采用磨床打磨内外表面，内外磨光磨削量≤2mm。
然后按无缝气瓶规格进行定尺锯切，再进入无缝气瓶制造环节。
8、用920双旋轮旋压机对无缝气瓶管进行旋压收口。
旋压收口采用模具冷挤压，瓶颈缩口圆弧度R≥20mm，尺寸精度高，内表面粗超度好。
9、将得到的无缝气瓶经镗床进行瓶口粗加工。
10、经瓶口粗加工后的气瓶进行热处理，采用固溶温度1110℃，保温期间的温度偏差不超过-10℃～+10℃；冷却介质为水冷；保温时间应保证2min/mm且不少于30分钟。
11、对热处理后的无缝气瓶的内外表面进行抛丸打磨，内表面抛丸结束后将无缝气瓶内部残留合金丸倒净。
12、对瓶口进行内螺纹加工，再对无缝气瓶瓶口加工进行粗加工和精加工两个不连续的步骤。
粗加工在镗床（TPX61110）上进行，用刀盘刷削掉气瓶瓶口多余的长度，将瓶口内径镗至ø75±1mm，加工深度为100±1mm，给精加工预留1-2mm长度加工余量。
精加工在CK61250数控车床上进行瓶口螺纹加工，内螺纹M85×3-6g螺纹。螺纹应有完整的压型，不允许有倒牙、平牙、牙阔、牙双线等缺陷和毛刺存在，螺纹表面粗糙度为3.2。
至此制得无缝超级奥氏体不锈钢压力容气瓶内胆，经测试规格如下：外径φ470mm，壁厚8mm，长度3180mm，耐压40Mpa。
13、采用碳纤维绳，在压力容气瓶内胆的外表面进行缠绕16层，形成碳纤维层。
缠绕时，碳纤维绳的缠绕预紧压力为65～68MPa。
压力容气瓶内胆的筒体相邻层缠绕角度为90゜和20゜，压力容气瓶内胆的封头的缠绕角度为变量，在20゜～90゜之间。
经过16层缠绕后形成的碳纤维层总厚度为
14、浸渍、固化：
以质量比为固化树脂和阻燃剂混合，取得浸渍混合液。
将缠绕有碳纤维层的压力容气瓶浸渍在以上浸渍混合液后，再经烘干取得具有碳纤维缠绕树脂强化层的半成品。
15、气瓶端部密封采用6%Mo超级奥氏体不锈钢锻件制造的端塞、堵头和导气管，与瓶体材料一致。
16、对无缝气瓶进行无损检测，瓶体超声波探伤，瓶口螺纹做磁粉探伤。对无缝气瓶进行水压试验，水压试验压力60MPa，保压时间15min，试验用水温度不低于5℃，水压试验后的气瓶进行烘干、充N2保护处理。
17、对无缝气瓶进行最终尺寸检验，气瓶的任一点的壁厚不得小于设计图样规定的最小厚度值，气瓶的椭圆度，即同一截面上最大、最小外径之差，不应超过该截面平均外径的2%。同一横截面的最大壁厚和最小壁厚差不超过该截面的平均壁厚的12.5%，气瓶的外径偏差不应超出其公称直径的±1%，在筒体1/2和1/4长度处测量，筒体每米直线度不得大于3mm，全长直线度不得大于瓶体长度的1.5‰，气瓶的长度公差为设计总长度的±1.5%，且不大于20mm。
18、对检验合格的产品入库。

Claims (3)

1.一种海工用压力容器瓶，其特征在于包括无缝超级奥氏体不锈钢压力容气瓶内胆，在所述无缝超级奥氏体不锈钢压力容气瓶内胆的外表面设置碳纤维缠绕树脂强化层；超级奥氏体不锈钢为UNS N08367、AL6X、AL6XN、904L或254Smo。
2.如权利要求1所述海工用压力容气瓶的生产方法，其特征在于包括以下步骤：
1）制造直径≥400mm的无缝超级奥氏体不锈钢钢管；超级奥氏体不锈钢为UNS N08367、AL6X、AL6XN、904L或254Smo；
2）采用上述无缝超级奥氏体不锈钢钢管制成无缝超级奥氏体不锈钢压力容气瓶内胆；在瓶口制造的过程中采用旋压收口工艺；
3）采用碳纤维绳，在无缝超级奥氏体不锈钢压力容气瓶内胆的外表面进行缠绕、浸渍、固化形成碳纤维缠绕树脂强化层；
其中，在无缝超级奥氏体不锈钢压力容气瓶内胆的外表面进行缠绕16层，形成碳纤维层；
缠绕时，碳纤维绳的缠绕预紧压力为65～68MPa；
无缝超级奥氏体不锈钢压力容气瓶内胆的筒体相邻层缠绕角度为90゜和20゜，无缝超级奥氏体不锈钢压力容气瓶内胆的封头的缠绕角度为变量，在20゜～90゜之间。
3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于在所述步骤1）中，采用热态锻坯冲压冲孔、斜轧、冷态毛管冷轧、冷拔、固溶热处理相结合的方法。
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