CN112810203A - 一种带折边大型锥形封头成型工艺及其寿命计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带折边大型锥形封头成型工艺及其寿命计算方法。该成型工艺包括：按照可采购最大钢板规格和最少焊缝数量原则，制定封头瓣片成型方案；按照封头瓣片成型方案，制造胎具；对封头进行等分分瓣下料，并利用胎具进行冲压压制，得到成型瓣片；去除瓣片余量；对去除瓣片余量后的瓣片进行性能试验；判断性能试验结果是否合格；如果合格，进行瓣片刚性支撑架的制造，将瓣片点焊固定在刚性支撑架上，形成多个模块化瓣片；将所述多个模块化瓣片组焊，得到锥形封头。寿命计算方法包括：采用循环载荷作用下的裂纹扩展方法进行带折边锥形封头的寿命计算。本发明有效提高了大型封头成型效率，提高成型精度与质量。

Description

一种带折边大型锥形封头成型工艺及其寿命计算方法

技术领域

本发明涉及压力容器技术领域，尤其涉及一种带折边大型锥形封头成型工艺及其寿命计算方法。

背景技术

压力容器的常用封头为球形封头、锥形封头等。目前中小型封头的制造工艺较为成熟，GB/T25198 2010对公称直径小于6m，采用冲压、旋压、卷制以及分瓣组焊成型的压力容器用锥形封头结构参数、材料、制造、检验与验收进行了技术规定，但大型带折边的锥形封头(一般指直径大于6m的带折边的锥形封头)与中小型封头成型工艺不同，无法采用旋压等方式成型。

随着核电石化行业的发展，对大型封头的需求越来越大，如核反应堆安全壳、大型核反应堆压力容器、大型石化储油罐等。为了具有较高的承载能力，大型带折边锥形封头的壁厚较大，是由多个大型瓣片组焊而成，其成型效率低、成本高。

大型封头边缘与其连接的直筒段连接部位具有边缘效应，在该位置处具有横向剪力和弯矩，在边界条件作用下产生附加的弯曲应力和薄膜应力，需设置过渡折边缓和结构不连续，过渡折边的成型工艺需要考虑回弹量的影响，瓣片焊后的热处理、无损检测等要求复杂，目前封头过渡折边的精密成型缺乏系统工艺方法。

大型带折边封头是由多个瓣片组成，瓣片在成型过程中主要采用板带进行冷热冲压的方式完成成型，板材在冲击过程中由于载荷的作用，折边局部机械性能的发生改变，硬度变大，断裂韧度变差，折边工艺将影响整体封头的寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种带折边大型锥形封头成型工艺及其寿命计算方法，以提高大型封头成型效率，提高成型精度与质量。

为了实现上述目的，现提出的方案如下：

一方面，本发明提供了一种带折边大型锥形封头成型工艺，包括：

步骤1：按照可采购最大钢板规格和最少焊缝数量原则，制定封头瓣片成型方案；

步骤2：按照所述封头瓣片成型方案，制造胎具；

步骤3：对封头进行等分分瓣下料，并利用所述胎具进行冲压压制，得到成型瓣片；所述瓣片压制包括：直锥段冷冲压压制、折边预低温冷冲压压制、局部低温冷冲压精细压制和瓜瓣整体低温冷冲压压制校正；

步骤4：制作立体样板和全尺寸样板，对所述成型瓣片进行尺寸检查，控制所述样板与所述瓣片的间隙，去除瓣片余量；

步骤5：对去除瓣片余量后的瓣片进行性能试验；

步骤6：基于性能试验数据，判断性能试验结果是否合格；

步骤7：如果合格，进行瓣片刚性支撑架的制造，将瓣片点焊固定在刚性支撑架上，形成多个模块化瓣片；

步骤8：将所述多个模块化瓣片组焊，得到锥形封头。

进一步地，所述按照所述封头瓣片成型方案，制造胎具，包括：

采用计算机对所述封头瓣片成型方案进行仿真模拟，制作回弹量与载荷关系曲线，确定目标厚度下材料的冲压回弹量，基于所述冲压回弹量，按照反变形加工方法制造胎具，所述胎具包括刀胎、折边压胎具、局部压胎具和整体校形胎具。

进一步地，所述瓣片性能试验包括：

对所述瓣片进行100％射线检验，检测所述瓣片是否存在裂纹、气泡、结疤、折叠和夹杂以及是否有分层；

切割瓣片材料，在瓣片折边弧段取样，取样方向与板材轧制方向垂直，取样深度为至少距离表面1/4壁厚；

对取样进行化学成分分析、晶粒度分析、拉伸试验、冲击试验、硬度试验和裂纹扩展速率试验。

进一步地，所述封头瓣片组焊包括：

对瓣片焊接坡口进行加工；

对加工后的焊缝坡口表面进行液体渗透检验，对坡口、焊缝及相邻区域进行目视检验；

对所述多个模块化瓣片进行组对，通过拉紧器调整形成整体封头，并将所述模块化瓣片固定在工作平台上；

检测封头的几何形状公差，若不满足要求则进行微调整；

在瓣片焊缝两侧沿纵缝多处采用临时工装辅具进行点焊；

采用氩弧焊进行瓣片纵缝的逐一焊接，结合焊接工艺，焊前对焊缝表面进行局部热处理，焊后为防止产生裂纹进行消氢处理；

切割去除临时工装辅具，对切割点进行打磨，对具有高温要求的部件采用局部的酸洗钝化处理。

进一步地，所述临时工装辅具包括：U型临时筋板。

进一步地，在进行瓣片性能试验之前，还包括：

对具有高温要求的不锈钢部件进行固溶、酸洗钝化处理。

进一步地，还包括：

步骤9：对瓣片焊缝进行无损检测，包括：对焊缝从两个方向进行100％射线检验，对焊缝及相邻母材内外表面进行100％液体渗透检验。

又一方面，本发明提供了一种带折边大型锥形封头的寿命计算方法，所述带折边大型锥形封头根据上述带折边大型锥形封头成型工艺制备，所述寿命计算方法包括：

根据裂纹扩展速率试验数据，进行参数识别，得到裂纹扩展模型的参数；

根据封头服役不同工况进行有限元应力分析计算；

对计算结果提取一次薄膜应力、一次弯曲应力和二次弯曲应力；

根据所述带折边的锥形封头折边处壁厚t，假想确定初始裂纹为长度和深度比为6:1的半椭圆表面缺陷，若壁厚t为13mm，则假想缺陷深度为0.3t；若壁厚t为25mm，则假想缺陷深度为0.2t；若壁厚t为50mm，则假想缺陷深度为0.15t；若壁厚t为75mm，则假想缺陷深度为0.117t；若壁厚t为100～300mm，则假想缺陷深度为0.1t；对于其它壁厚采用线性插值的方法进行处理；

根据封头折边段的假想裂纹尺寸以及裂纹扩展速率，计算每一个循环载荷后的应力强度因子变化量；

根据当前循环载荷后的应力强度因子变化量计算下一个循环载荷后的裂纹扩展量，依据疲劳裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子变化幅度的关系，确定在规定的循环周期内裂纹的最终尺寸a_k和l_k；

根据极限载荷法计算封头折边段允许的裂纹尺寸a_allow和l_allow和许用应力；

通过允许的裂纹尺寸和应力计算封头的服役寿命，包括：按照裂纹扩展速率，将a_k＝a_allow，或l_k＝l_allow，或裂纹处的应力等于许用应力时的时间的较小值，作为带折边大型锥形封头的服役寿命。

从上述的技术方案可以看出，本发明中采用模块化瓣片组焊，可批量化制造缩短制造周期，降低制造成本；针对瓣片成型的回弹量问题，采用数值模拟计算回弹量对胎具进行反变形加工，从而解决了凭经验试凑的方法无法进行精密成型胎具设计；对于封头组焊变形问题，采用了刚性支撑架、U型临时辅助工装进行了焊接变形的有效控制；针对成型折边段，该部分作为影响锥形封头的关键部位，对折边段取样并进行了多性能试验，并采用循环载荷作用下的裂纹扩展方法进行了带折边锥形封头的寿命计算。可见，本发明可有效提高大型封头成型效率，提高成型精度与质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种带折边封头结构三维示意图；

图2为本发明实施例公开的一种带折边封头成型工艺及其寿命计算方法的流程图；

图3为本发明实施例公开的一种带折边封头性能试验取样示意图；

图4为本发明实施例公开的一种带折边封头组焊工装辅具示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，其示出了一种带折边大型锥形封头的结构示意图。该带折边锥形封头由多个带折边的瓣片组焊而成，各个瓣片的尺寸较大，通常轮廓尺寸大于2m，壁厚也较大，通常大于10mm。这种大型带折边的锥形封头与中小型封头成型工艺不同，无法采用旋压等方式成型。

参见图2，其示出了本发明实施例中的一种带折边大型锥形封头成型工艺及其寿命计算方法的流程图。包括以下步骤：

步骤1：按照可采购最大钢板规格和最少焊缝数量原则，制定封头瓣片成型方案。

初步制定大直径封头冲压，按照可采购最大钢板规格和最少焊缝数量原则进行分瓣，对封头进行等分分瓣下料，瓣片成型后拼焊，包括成型工艺、热处理参数、胎具尺寸等。

步骤2：按照封头瓣片成型方案，制造胎具。

在具体实施时，可以凭经验试凑的方法进行成型胎具设计。然而，这种方式需要靠人工经验，往往难以进行精密成型胎具设计。本发明实施例中，采用数值模拟计算回弹量，为曲型胎具(折边压胎具、局部压胎具、整体校形胎具)的设计提供技术参数，按照反变形加工的方法制造胎具，具体实施时，采用计算机对封头瓣片成型方案进行仿真模拟，制作回弹量与载荷关系曲线，确定目标厚度下材料的冲压回弹量，基于冲压回弹量，按照反变形加工方法制造胎具，胎具包括刀胎、折边压胎具、局部压胎具和整体校形胎具。

步骤3：对封头进行等分分瓣下料，并利用制造的胎具进行冲压压制，得到成型瓣片；依次进行直锥段冷冲压压制、折边预低温冷冲压压制、局部低温冷冲压精细压制和瓜瓣整体低温冷冲压压制校正。

步骤4：制作立体样板和全尺寸样板，对成型瓣片进行尺寸检查，控制样板与瓣片的间隙，去除瓣片余量；

对具有高温要求的不锈钢部件，还需要进行固溶、酸洗钝化处理。

步骤5：对去除瓣片余量后的瓣片进行性能试验。

在性能试验的具体实施中，首先对瓣片进行100％射线检验，检测所述瓣片是否存在裂纹、气泡、结疤、折叠和夹杂等缺陷以及是否有分层。然后，切割瓣片材料，在瓣片折边弧段取样，参见图3，其示出了本发明实施例中带折边封头性能试验取样示意图，图中包括：上折边段1、下折边段2、上下折边段3、试样4以及上下折边段5，箭头方向为轧制方向。取样方向与板材轧制方向垂直，取样深度为至少距离表面1/4壁厚；最后，对取样进行化学成分分析、晶粒度分析、拉伸试验、冲击试验、硬度试验和裂纹扩展速率试验。

步骤6：基于性能试验数据，判断性能试验结果是否合格；

为了进一步保证瓣片的质量，对去除瓣片余量后的瓣片进行性能试验之后还包括：确定服役寿命，并判断服役寿命是否合格。需要说明的是，判断服役寿命是否合格的步骤可以与判断性能试验结果是否合格的步骤同时执行，也可以先执行判断服役寿命是否合格的步骤，再执行判断性能试验结果的步骤，还可以先执行判断性能试验结果的步骤，再执行判断服役寿命是否合格的步骤。此处不对两个步骤的执行顺序进行限定。

步骤7：确定服役寿命，并判断所述服役寿命是否合格；其中，所述服役寿命的确定方式如下：

S701、根据裂纹扩展速率试验数据，进行参数识别，得到裂纹扩展模型的参数；

S702、根据封头服役不同工况进行有限元应力分析计算；

S703、对计算结果提取一次薄膜应力、一次弯曲应力和二次弯曲应力；

S704、根据封头折边处壁厚t，假想确定初始裂纹为长度l₀和深度a₀比为6:1的半椭圆表面缺陷，若壁厚t为13mm，则假想缺陷深度a₀为0.3t；若壁厚t为25mm，则假想缺陷深度为0.2t；若壁厚t为50mm，则假想缺陷深度a₀为0.15t；若壁厚t为75mm，则假想缺陷深度a₀为0.117t；若壁厚t为100～300mm，则假想缺陷深度a₀为0.1t；对于其它壁厚采用线性插值的方法进行处理；

S705、根据封头折边段的假想裂纹尺寸l₀和a₀以及裂纹扩展速度，计算每一个循环载荷后的应力强度因子变化量ΔK，应力强度因子变化量ΔK包括：裂纹深度方向的应力强度因子变化量ΔK_a和裂纹长度方向的应力强度因子变化量ΔK_l；具体过程如下：

其中，

其中，i代表第i个应力变化循环，取值为0～k-1，k代表最后1个应力变化循环，ΔK_ai为第i个应力变化循环后的裂纹深度方向的应力强度因子变化量，ΔK_li为第i个应力变化循环后的裂纹长度方向的应力强度因子变化量，ΔP_m代表薄膜应力变化量，ΔP_b代表弯曲应力变化量；a_i表示第i个应力变化循环后的裂纹深度，l_i为第i个应力变化循环后的裂纹长度，

为计算应力强度因子变化量时的系数。

S706、根据应力强度因子变化量计算下一个循环载荷后的裂纹扩展量，依据疲劳裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子变化幅度的关系式da/dN＝C₀(ΔK_a)ⁿ以及dl/dN＝C₀(ΔK_l)ⁿ，其中，da/dN为裂纹深度方向的裂纹扩展速率，dl/dN为裂纹长度方向的裂纹扩展速率，C₀是裂纹扩展速率的常系数，确定在规定的循环周期内疲劳裂纹的最终尺寸a_k和l_k：

(1)按a₀、l₀和ΔP_m、ΔP_b分别计算第1个循环的ΔK_a0、ΔK_l0，并计算第1个循环后的裂纹尺寸：

(2)按a₁、c₁和ΔP_m、ΔP_b分别计算第2个循环的ΔK_a1、ΔK_l1，并计算第2个循环后的裂纹尺寸：

(3)重复以上步骤，按应力变化范围的历程，计算第i个应力变化循环后的裂纹尺寸：

(4)重复以上步骤，直到最后一个应力变化循环k为止，即得到疲劳扩展的最终裂纹尺寸a_k和l_k。

S707、根据极限载荷法计算封头折边段允许的裂纹尺寸a_allow和l_allow和许用应力；

S708、通过允许的裂纹尺寸和应力计算封头的服役寿命，包括：按照裂纹扩展速率，将a_k＝a_allow，或l_k＝l_allow，或裂纹处的应力等于许用应力时的时间的较小值，作为带折边大型锥形封头的服役寿命。

步骤8：如果合格，进行瓣片刚性支撑架的制造，将瓣片点焊固定在刚性支撑架上，形成多个模块化瓣片；

步骤9：将多个模块化瓣片组焊，得到锥形封头。

封头瓣片组焊的具体实施过程可以包括以下步骤：

(1)、对瓣片焊接坡口进行加工；

(2)、对加工后的焊缝坡口表面进行液体渗透检验，对坡口、焊缝及相邻区域进行目视检验；

(3)、对多个模块化瓣片进行组对，通过拉紧器调整形成整体封头，并将模块化瓣片固定在工作平台上；

(4)、检测封头的几何形状公差，若不满足要求则进行微调整；几何形状包括厚度、圆度、直线度等；

(5)、采用临时焊接辅具进行变形控制；

如图4所示，其示出了本发明实施例中一种带折边封头组焊工装辅具示意图，图中包括：大型封头瓣片4、刚性支撑架5、刚性支撑架中心柱6。具体实施时，在瓣片焊缝两侧沿纵缝多处采用临时工装辅具进行点焊；临时工装辅具可以是U型临时筋板，也可以是其他结构的辅具。

(6)、采用氩弧焊进行瓣片纵缝的逐一焊接，结合焊接工艺，焊前对焊缝表面进行局部热处理，焊后为防止产生裂纹进行消氢处理；

(7)、切割去除临时工装辅具，对切割点进行打磨，对具有高温要求的部件采用局部的酸洗钝化处理。

在得到锥形封头之后，为了进一步保证锥形封头的质量，还可以包括：

步骤10：对瓣片焊缝进行无损检测，包括：对焊缝从两个方向进行100％射线检验，对焊缝及相邻母材内外表面进行100％液体渗透检验。

本发明实施例中采用模块化瓣片组焊，可批量化制造缩短制造周期，降低制造成本；针对瓣片成型的回弹量问题，采用数值模拟计算回弹量对胎具进行反变形加工，从而解决了凭经验试凑的方法无法进行精密成型胎具设计；对于封头组焊变形问题，采用了刚性支撑架、U型临时辅助工装进行了焊接变形的有效控制；针对成型折边段，该部分作为影响锥形封头的关键部位，对折边段取样并进行了多性能试验，并采用循环载荷作用下的裂纹扩展方法进行了带折边锥形封头的寿命计算。可见，本发明可有效提高带折边大型锥形封头成型效率，提高成型精度与质量。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种带折边大型锥形封头成型工艺，其特征在于，包括：

步骤1：按照可采购最大钢板规格和最少焊缝数量原则，制定封头瓣片成型方案；

步骤2：按照所述封头瓣片成型方案，制造胎具；

步骤3：对封头进行等分分瓣下料，并利用所述胎具进行冲压压制，得到成型瓣片；所述瓣片压制包括：直锥段冷冲压压制、折边预低温冷冲压压制、局部低温冷冲压精细压制和瓜瓣整体低温冷冲压压制校正；

步骤4：制作立体样板和全尺寸样板，对所述成型瓣片进行尺寸检查，控制所述样板与所述瓣片的间隙，去除瓣片余量；

步骤5：对去除瓣片余量后的瓣片进行性能试验；

步骤6：基于性能试验数据，判断性能试验结果是否合格；

步骤7：如果合格，进行瓣片刚性支撑架的制造，将瓣片点焊固定在刚性支撑架上，形成多个模块化瓣片；

步骤8：将所述多个模块化瓣片组焊，得到锥形封头。

2.根据权利要求1所述的带折边大型锥形封头成型工艺，其特征在于，所述按照所述封头瓣片成型方案，制造胎具，包括：

采用计算机对所述封头瓣片成型方案进行仿真模拟，制作回弹量与载荷关系曲线，确定目标厚度下材料的冲压回弹量，基于所述冲压回弹量，按照反变形加工方法制造胎具，所述胎具包括刀胎、折边压胎具、局部压胎具和整体校形胎具。

3.根据权利要求1所述的带折边大型锥形封头成型工艺，其特征在于，所述瓣片性能试验包括：

对所述瓣片进行100％射线检验，检测所述瓣片是否存在裂纹、气泡、结疤、折叠和夹杂以及是否有分层；

切割瓣片材料，在瓣片折边弧段取样，取样方向与板材轧制方向垂直，取样深度为至少距离表面1/4壁厚；

对取样进行化学成分分析、晶粒度分析、拉伸试验、冲击试验、硬度试验和裂纹扩展速率试验。

4.根据权利要求1所述的带折边大型锥形封头成型工艺，其特征在于，所述封头瓣片组焊包括：

对瓣片焊接坡口进行加工；

对加工后的焊缝坡口表面进行液体渗透检验，对坡口、焊缝及相邻区域进行目视检验；

对所述多个模块化瓣片进行组对，通过拉紧器调整形成整体封头，并将所述模块化瓣片固定在工作平台上；

检测封头的几何形状公差，若不满足要求则进行微调整；

在瓣片焊缝两侧沿纵缝多处采用临时工装辅具进行点焊；

采用氩弧焊进行瓣片纵缝的逐一焊接，结合焊接工艺，焊前对焊缝表面进行局部热处理，焊后为防止产生裂纹进行消氢处理；

切割去除临时工装辅具，对切割点进行打磨，对具有高温要求的部件采用局部的酸洗钝化处理。

5.根据权利要求1所述的带折边大型锥形封头成型工艺，其特征在于，所述临时工装辅具包括：U型临时筋板。

6.根据权利要求1所述的带折边大型锥形封头成型工艺，其特征在于，在进行瓣片性能试验之前，还包括：

对具有高温要求的不锈钢部件进行固溶、酸洗钝化处理。

7.根据权利要求1所述的带折边大型锥形封头成型工艺，其特征在于，还包括：

步骤9：对瓣片焊缝进行无损检测，包括：对焊缝从两个方向进行100％射线检验，对焊缝及相邻母材内外表面进行100％液体渗透检验。

8.一种带折边大型锥形封头的寿命计算方法，其特征在于，所述带折边大型锥形封头根据权利要求1～7任一项所述的带折边大型锥形封头成型工艺制备，所述寿命计算方法包括：

根据裂纹扩展速率试验数据，进行参数识别，得到裂纹扩展模型的参数；

根据封头服役不同工况进行有限元应力分析计算；

对计算结果提取一次薄膜应力、一次弯曲应力和二次弯曲应力；

根据所述带折边的锥形封头折边处壁厚t，假想确定初始裂纹为长度和深度比为6:1的半椭圆表面缺陷，若壁厚t为13mm，则假想缺陷深度为0.3t；若壁厚t为25mm，则假想缺陷深度为0.2t；若壁厚t为50mm，则假想缺陷深度为0.15t；若壁厚t为75mm，则假想缺陷深度为0.117t；若壁厚t为100～300mm，则假想缺陷深度为0.1t；对于其它壁厚采用线性插值的方法进行处理；

根据封头折边段的假想裂纹尺寸以及裂纹扩展速率，计算每一个循环载荷后的应力强度因子变化量；

根据当前循环载荷后的应力强度因子变化量计算下一个循环载荷后的裂纹扩展量，依据疲劳裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子变化幅度的关系，确定在规定的循环周期内裂纹的最终尺寸a_k和l_k；

根据极限载荷法计算封头折边段允许的裂纹尺寸a_allow和l_allow和许用应力；

通过允许的裂纹尺寸和应力计算封头的服役寿命，包括：按照裂纹扩展速率，将a_k＝a_allow，或l_k＝l_allow，或裂纹处的应力等于许用应力时的时间的较小值，作为带折边大型锥形封头的服役寿命。

Images