2.6　成形加工

2.6.1　沖壓成形

壓力容器的封頭，除了大型鍛件平封頭是由鍛造廠供應毛坯外，其他類型的封頭，如球封頭、橢圓形封頭等大多采用沖壓成形。此外，大直徑厚壁封頭瓣片、筒節瓣片，也可沖壓成形。國內標準在大直徑封頭板料拼接方面有嚴格的要求，要求封頭各種不相交的拼接焊縫中心線間距離至少應為封頭鋼板厚度δs的3倍，且不小于100mm，在國外對大直徑封頭坯料的拼接沒有規定，接管可以開在焊縫上，從國外的理念講，一是封頭焊縫有合格的評定支持，二是節省材料，從經濟方面考慮。

2.6.1.1　封頭整體沖壓

封頭的整體沖壓成形是借助于沖壓模具在水壓機上完成的，其工藝過程如下。

（1）坯料準備

如坯料直徑較大，則需拼接。拼接焊縫的位置應滿足有關標準的要求。即拼縫距封頭中心不得大于1/4公稱直徑，拼接焊縫可預先經100％無損檢測合格（對采用電渣焊拼接縫的坯料，則應先行正火，超聲檢測合格）。這可避免在沖壓過程中坯料從焊縫缺陷處撕裂的可能。坯料拼縫的余高如有礙成形質量，則應打磨平滑，必要時還應做表面檢測。

（2）坯料加熱

封頭沖壓過程中，坯料的塑性變形較大，對于壁厚較大或沖壓深度較深的封頭，為了提高材料的變形能力，必須采用熱沖壓的辦法。實際上，為保證封頭質量，目前絕大多數封頭都采用熱沖壓。鋼板坯料可在火焰反射爐或室式爐中加熱。一般碳素鋼與低合金鋼的加熱溫度為950～1150℃，這取決于坯料出爐裝料過程的時間長短、壓機的能力大小、過高溫度對材料性能的影響等因素。冷沖壓成形的封頭通常必須經退火后才能用于壓力容器上。不銹鋼的加熱溫度可直接按固溶化溫度選取。常用的壓力容器用鋼的熱成形加熱溫度見表2-10。

由于在高溫下加熱，鋼板會發生氧化，隨著加熱溫度的升高，加熱時間的延長，氧化也更加劇，鋼板表面會脫碳，對于不銹鋼及低合金鋼，應盡量減少加熱時間，可采取≥850℃裝爐，均熱后保溫時間一般1.0～1.2min/mm。此外，為減少表面氧化帶來的不良影響，板坯可預先經表面清理后涂刷保護涂料。用于高溫防氧化的涂料牌號有4號及4A-2號兩種，可從油漆廠購得。

值得提出的是，帶拼接焊縫的不銹鋼坯料加熱的一次裝料數量應予嚴格控制。對于采用連續輸送的鏈式爐加熱，可以單件裝料。而如采用室式爐加熱，不允許重疊裝料，否則由于第二件在爐內停留時間過長，焊縫性能惡化，導致沖壓時撕裂。

（3）沖壓成形

①封頭的沖壓原理　封頭的沖壓過程是屬于拉延過程。在沖壓過程中，材料產生了復雜的變形，而且在工件不同的部位有著不同的應力應變狀態。對于采用壓邊圈，模具間隙大于封頭毛坯鋼板厚度的封頭沖壓（圖2-25），其各部分材料的應力狀態可大致分析如下。

處于壓邊圈下部的材料A，主要受切向壓縮應力和徑向拉伸應力，在厚度方向受到壓邊圈的壓力。其變形特點是在切向產生壓縮變形，厚度方向增厚。處于下沖模圓角處的材料B，除受到徑向拉伸和切向壓縮外，還承受彎曲應力。在下沖環與上沖模間隙部分材料C，受到徑向拉伸應力和切向壓縮應力，其變形在切向與徑向有相應的壓縮和拉伸變形。由于該處在厚度方向不受力，因而處于自由變形狀態，在該區域內，越接近下沖環圓角部分，切向壓縮應力越大，所以對于薄壁封頭在該區域容易起皺。位于上沖模底部的毛坯材料D，在沒有與上沖模接觸貼合之前，其受力情況基本上與C處相同，使該處毛坯材料被拉薄。當該處與上沖模接觸貼合后，在壓邊摩擦力和沖壓力的作用下，該處只有少量的拉伸變形。圖2-26所示為橢圓形封頭和球形封頭沖壓后，材料各部分壁厚的變化情況。由圖可知對于橢圓形封頭，通常在接近大曲率部位減薄最大。碳鋼封頭減薄可達4％～8％，鋁封頭可達12％～15％，球形封頭在接近底部20°～30°范圍內減薄較嚴重，碳鋼封頭可達12％～14％（表2-11）。針對這種封頭沖壓減薄的工藝特征，在坯料板厚的選擇上應考慮適當增厚。

①S為封頭坯料厚。

影響封頭壁厚變化的因素很多，歸納起來大致有下列幾方面：a.材料的性能，如鋁制封頭的變薄量比碳素鋼封頭大得多；b.封頭的形狀，球形封頭的變薄量比橢圓形封頭大；c.下沖模圓角半徑越大，變薄量越小；d.上下沖模之間的間隙小，則變薄嚴重；e.潤滑情況好，則減薄小；f.加熱溫度越高，變薄量大；g.壓邊力大，則變薄嚴重。因此，要控制熱壓封頭的減薄量，必須全面考慮上述各因素。

②壓邊范圍的確定　從上述應力分析可知，壓制時如果不用壓邊圈，而封頭毛坯壁厚又較薄，則材料在切向壓應力的作用下，會失去穩定，形成皺紋和鼓包，嚴重時會造成廢品。采用壓邊圈不僅增加了材料的穩定性，而且在由壓邊圈產生的摩擦力的作用下增加了徑向應力，從而使材料有較好的變形條件。所以，確定在什么情況下需要采用壓邊圈是關系到封頭質量好壞的重要因素。一般來說，當滿足下式時，便需要采用壓邊圈。

式中　D0——封頭毛坯直徑；

S——封頭毛坯厚度；

K——材料拉伸系數，通常可取0.75～0.8。

壓制時，影響封頭皺折、鼓包的因素很多，主要有以下幾方面：a.毛坯直徑的大小及其壁厚；b.加熱溫度的高低；c.毛坯加熱的均勻性；d.封頭材料在成形溫度下的塑性；e.毛坯是否有拼接焊縫以及拼焊錯邊的大小；f.模具間隙的大小以及間隙的均勻性；g.下沖環圓角半徑的大小以及模具表面狀況和潤滑情況；h.封頭的形狀。

因此，在實際生產中，往往需要根據具體情況確定需要采用壓邊圈的范圍。例如，根據國內某些廠的實踐經驗，對于橢圓形熱壓封頭的壓邊范圍為

D0-d1≥20S　　（2-12）

式中　D0——封頭毛坯直徑；

d1——封頭內徑；

S——封頭壁厚。

具體地說：

a.當D0=400～1200mm時，上述條件為D0-d1>20S。

b.當D0=1400～1900mm時，上述條件為D0-d1>19S。

c.當D0=2000～4000mm時，上述條件為D0-d1>18S。

對于球形封頭，壓邊范圍為

D0-di≥16S　　（2-13）

對于平封頭，壓邊范圍為

D0-di≥22S　　（2-14）

式中　di——封頭內徑。

③沖壓過程　壓力容器封頭的沖壓通常在水壓機上進行，這種水壓機一般噸位在300～8000t之間。水壓機的傳動方式一般采用高壓水泵——蓄勢器方式，即由高壓水泵產生的高壓水送入多個蓄勢器中貯存，水壓機工作時，由蓄勢器供給高壓水。沖壓過程是一個逐步提延的過程（圖2-27），為了減少摩擦，防止模具及封頭表面的損傷，提高模具使用壽命，沖壓前，在拉環上涂抹潤滑劑是十分必要的，這對不銹鋼、有色金屬尤為重要。常用的潤滑劑見表2-12。

1—工件；2—上沖模；3—下沖模（拉環）；4—脫件裝置

加熱后的毛坯鋼板放置在下沖環上，并與下沖環對中。開動水壓機，直至上沖模降到與毛坯鋼板平面接觸（圖2-27中Ⅰ），然后加壓，鋼板便發生變形（圖2-27中Ⅱ）。隨著上沖模的下壓，毛坯鋼板就包在上沖模的表面，并通過拉環（圖2-27中Ⅲ）。此時，封頭已沖壓成形，但由于材料的冷卻收縮，使之緊包在上沖模上，需用特殊的脫件裝置使封頭與上沖模脫離。封頭內徑≤2000mm時，常用的脫件裝置是滑塊，將滑塊推入壓住封頭邊緣（圖2-27中Ⅳ），待上沖模提升時，封頭被滑塊擋住，便從上沖模上脫落下來（圖2-27中Ⅴ），完成了沖壓過程。大直徑封頭的脫件裝置較復雜，即上沖模為一組合型的模具，由三瓣半橢球體及中心一錐形棒組成，當沖壓結束，提起芯棒，瓣體自動合攏，封頭自動脫落。這種沖壓方法稱為一次成形法。對于低碳鋼和普通低合金鋼制成的一定尺寸（6S≤D0-d≤45S）封頭均可采用一次成形法使之沖壓成形。

對于薄壁封頭（D0-d≥45S）即使采用帶有壓邊圈的一次成形法，仍然會出現鼓包皺折現象。此時，宜采用兩次成形法（圖2-28）。第一次沖壓采用比上沖模直徑小200mm左右的下拉環，將毛坯沖壓成碟形，此時可將2～3塊毛坯鋼板重疊起來進行成形；第二次采用與封頭規格相配合的上下模具，最后沖壓成形。

對于厚壁封頭（D0-di≤8S），由于所需的沖壓力較大，同時因毛坯較厚，邊緣部分不易壓縮變形，尤其是對球形封頭，在成形過程中邊緣厚度急劇增厚，因而導致底部材料嚴重拉薄。通常在壓制這種封頭時，也可預先把封頭毛坯車成斜面，再進行沖壓。如圖2-29所示。

2.6.1.2　瓦片沖壓

小直徑筒節當其壁厚≥40mm，尤其是低合金鋼制筒節，采用普通卷制成形工藝較困難。如常見的合金鋼制U形管換熱器的筒體，其材質一般為Cr-Mo鋼，國內通常采用瓦片沖壓成形工藝。典型的合金鋼換熱器殼體，采用瓦片沖壓成形的工藝過程為：下料—加熱—沖壓—熱處理—二次劃線—氣割。

①瓦片坯料按圓弧中性層半徑展開，加上工藝直邊量（約1.5～2倍板厚，理論直邊量見表2-13）；

注：L—兩下輥的中心距；t—板厚。

②坯料加熱可參照封頭坯料加熱要求進行加熱，也可直接按正火溫度加熱；

③沖壓成形是在U形瓦片壓模上完成的，壓模形式見圖2-30；

④當需要沖壓后正火時，先用內卡樣板檢驗內徑合格，然后焊好拉筋后熱處理；

⑤成形好的瓦片經二次劃線、氣割，再進行縱向坡口加工。

瓦片沖壓成形的筒節，在組焊縱縫時易產生下塌變形而使圓度超差，除了焊前采取防變形措施外，較好的辦法是在壓機上修正，即利用壓機加壓使沖頭在熱態下強制通過筒節內部，而得以整形。此項工藝要求水壓機要有足夠的開啟高度，另外，焊縫也需預先經無損檢測合格并打磨平滑。此外，壓力容器中常用的厚壁彎頭，加強接管，厚壁錐形過渡段等，也大多采用分片沖壓成形。

2.6.1.3　瓣片沖壓

隨著石油化工裝備的大型化，壓力容器的規格也隨之加大，而大型封頭的制造如采用整體沖壓成形，既需要大型水壓機，還需要很大的模具，減薄量也大，而裝備的利用率又很低。所以現在國內有些擁有大型壓機的工廠也常將封頭分瓣壓出，再用焊接方法拼成整體，如張家港臨江重工封頭制造有限公司等，擁有25000t壓機，但該廠仍采用分瓣壓形的方法。而大型煉油裝備的薄壁大直徑封頭，考慮到運輸的困難，也常采用分瓣壓形后現場組焊。

瓣片壓形只需單瓣模具（圖2-31）。絕大多數瓣片沖壓是在冷態下完成的，球殼板也采用冷態點壓成形。

瓣片沖壓的工藝過程如下：瓣片下料—沖壓—二次劃線—氣割。

瓣片下料，通常是將整體封頭按奇數或偶數分瓣。瓣片數量與壓機能力、模具大小及焊縫布置的相關規定等因素有關。大瓣片需要大模具，且材料利用率也低，過小的瓣片拼接焊縫太多，整體尺寸也不易控制。下料時按單個瓣片的板料中性層尺寸展開制作號料樣板，由于球體曲面是不可展開的，因而以近似方法展開并制作板坯號料樣板，其中應加足二次號料氣割余量。沖壓成形后應對瓣片進行二次號料，此時的樣板可襯貼于瓣片內壁，該樣板可按內徑展開制作，并留出氣割口及焊接收縮量。坯料的加熱可參照2.6.1.1的（2）坯料加熱及表2-10規定進行。壓力容器的零件，可以分瓣沖壓成形的除橢圓形封頭外，還有球形封頭、翻邊錐體等。熱壓成形的瓣片通常需在冷態下矯形。

2.6.2　卷制成形

卷制成形是單層卷焊式壓力容器筒節制造的主要工藝手段。卷制成形是將鋼板放在卷板機上進行滾卷成筒節，其優點為：成形連續，操作簡便、快速、均勻。

筒節的彎卷過程是鋼板的彎曲塑性變形過程。在卷板過程中，鋼板產生的塑性變形沿鋼板厚度方向是變化的。其外圓周伸長，內圓周縮短，中間層保持不變。

其外圓周的伸長率可按如下公式計算：

若R0?S/2，則上式可寫成：

式中　ε——外圓周的伸長率；

S——板厚；

C——系數，對于碳鋼可取C=50，對于高強度低合金鋼，可取C=65；

R0，R——彎卷前后的平均半徑。

若R0→∞（平板），則可得

眾所周知，變形率的大小直接影響到材料所產生的冷加工硬化現象。鋼板越厚或卷成的筒節直徑越小，則鋼板的變形率越大，其冷加工硬化現象也越嚴重，在鋼板內產生的內應力也就越大。這樣，就會嚴重地影響筒節的制造質量，甚至會產生裂紋，導致筒節報廢。

為了保證筒節的制造質量，根據長期生產實踐中積累的經驗，一般冷態彎卷時，最終的外圓周伸長率應限制在下列范圍內：對于碳素鋼、Q345R，外圓周伸長率≤3％；對于高強度低合金鋼，外圓周伸長率≤2.5％。

板料經多次小變形量的冷彎卷后，其各次伸長量的總和也不得超過上述允許值，否則應進行消除冷卷變形影響的熱處理，或采用熱卷成形工藝。

筒節卷制工作通常是在卷板機上進行的。常用的卷板機可分為三輥卷板機和四輥卷板機兩類。

用三輥卷板機卷制筒節，如圖2-32所示。三輥卷板機的上輥是從動的，它可以上下移動，對鋼板產生壓力。兩下輥是主動的，依靠它的轉動，可使鋼板在上下輥之間來回移動，產生塑性變形，使整塊鋼板卷成圓筒形。但由圖2-25可知，在鋼板的兩端各有一段無法彎卷的部分，通常稱為平直段。平直段的長度與卷板機結構有關，對于常用的對稱三輥卷板機，平直段約為其兩下輥中心距的一半（即圖2-32中a的一半）。因此，為了獲得完整的圓筒形，在彎卷前，必須先將鋼板的兩端預制成所需彎曲半徑的弧形，此項工作稱為預彎。

1—上輥；2—下輥；3—鋼板

預彎工作可用各種壓力機進行，也可利用預彎模在三輥卷板機上進行，如圖2-33所示。在兩下輥的上面擱置一塊由厚鋼板制成的預彎模，將鋼板的端部放入預彎模中，依靠上輥把它壓彎成形。改變預彎模在下輥中的位置以及鋼板的伸入長度，便可獲得不同的預彎半徑，用這種方法進行預彎，也只能彎板厚12～14mm的鋼板，否則只能在油壓機上借助于預彎模進行板頭的預彎，因而這類對稱式三輥還很難適應卷制成形工藝的發展需要。

1—上輥；2—鋼板；3—預彎模；4—下輥

近年來，在工業上開始應用一些可以直接進行預彎工作的三輥和四輥卷板機，以便于卷制工作的進行。下面介紹幾種可以進行預彎的卷板機的工作特點。

①上下輥在同一垂直軸線上的不對稱三輥卷板機：這種卷板機的側輥可做斜向移動，進行預彎工作。另外，這種卷板機的側輥兩端可以分別調節，故可用以卷制錐形筒體。其工作過程如圖2-34所示。當熱卷時，由于要調頭預彎，有可能要增加加熱次數，調頭也比較麻煩。

②兩下輥可同時作水平調節的三輥卷板機：這種卷板機由于同時調節輥子較多，所以機械傳動機構顯得復雜（圖2-35）。但預彎不需要調頭，操作十分方便。

③對于厚壁圓筒往往采用大型的四輥卷板機進行卷制工作，如圖2-36所示。這種卷板機的上輥是主動的，電動機通過減速箱帶動上輥轉動。下輥可上下移動，用以夾緊鋼板。兩側輥可沿斜向升降，用以對鋼板施加變形力，把鋼板端頭壓緊在上下輥之間，然后利用側輥的移動，使鋼板端部產生彎曲變形，達到所要求的曲率。兩頭可分別預彎而不需要調頭。

1—上輥；2—下輥；3—側輥；4—鋼板

由于四輥卷板機設備龐雜，投資費用較高，近年來，逐漸有被各種新型的三輥卷板機（圖2-34）所代替的趨勢。

2.6.2.1　冷卷成形

鋼板厚度或卷制變形量在設備允許的范圍內，采用冷卷最為適宜。因冷卷具有很多優點，如形狀準確、易于操作、價廉、無氧化皮的麻煩、彎曲的伸長量少，目前國外最大的卷板設備，有能力冷卷180mm/3600mm的鋼板。國內蘭州蘭石重型裝備股份有限公司和上海鍋爐廠也有冷卷150mm/3200mm，熱卷250mm/3200mm的能力。

由于近年來壓力容器用鋼的品種較多，且由于大型化的要求，厚板卷制的情況增多，也曾發生一些冷卷筒節脆斷情況。為了防止冷卷時產生脆性破壞，在某些情況下，應進行預熱，預熱溫度視鋼種及板厚而異，如Cr-Mo鋼、高強度低合金鋼，可預熱至50～150℃，對于厚板，最好先退火一次。另外，鋼板邊緣的硬化層應予以去除，以防止氣割邊緣產生裂紋。當筒節需要拼接時，拼縫應先行退火。厚壁筒節冷校圓也應在退火后進行。

2.6.2.2　熱卷成形

對超過設備冷卷能力的厚鋼板，在卷制時必須加熱至其鍛造溫度，使鋼板具有良好塑性，易于卷制。熱卷時加熱溫度可參照表2-10。

熱卷可以減輕卷板機負荷量，使冷卷無法卷制的鋼板成形。但是，熱卷帶來不少麻煩，如下：

①需要將厚鋼板加熱至較高溫度，所以價格高；

②高溫鋼板使操作者不易靠近，增加了操作困難；

③熱卷時鋼板減薄與伸長嚴重（表2-14）；

注：工藝減薄量與卷制工藝、板寬、加熱溫度及卷板形式等因素有關，各廠可對實際卷制筒節測厚，再進行適當調整。

④氧化皮危害嚴重，使筒體內外產生壓坑。為減少氧化皮造成的壓坑，雖然可以在鋼板表面預先噴涂高溫抗氧化涂料，但工藝比較復雜，且增加了制造成本。所以，大多數廠家也只有在設備能力所限或彎卷變形量過大的情況下，才采用熱卷工藝。目前國外最大的卷板機熱卷能力可達380mm/3600mm。

近年來，國內外壓力容器制造廠為了消除冷、熱卷的困難，兼取冷、熱卷的優點，提出溫卷的新工藝，這是從鍛造工藝中的溫鍛工藝借鑒而來。即將鋼板加熱至500～600℃。認為在此溫度下進行卷制，既可使鋼板獲得比冷態稍大的塑性，減少卷板機超載的可能，又可減少冷卷脆斷的危險。氧化皮也不形成危害，操作也較方便。

關于熱卷時氧化皮的問題，如果采用立式卷板機，可以在很大程度上減少此危害性。立式卷板機還有占地小、卷薄鋼板筒節時無塌落的問題，但是立式卷板機的工作原理類似壓彎，如圖2-37所示。圓度不如臥式卷，且筒節成形后取出后放倒也不方便，薄鋼板卷制，還會因地面摩擦而使圓度上下不同。立式卷板機國內已有制造，并已投入使用。

2.6.3　旋壓成形

大型封頭的整體沖壓有很多弊端。需要噸位大、工作臺面寬的大型水壓機；大型模具和沖環制造周期長，耗費材料多，造價高。即使采用分片沖壓，也由于瓣片組焊工作量大，既費時間，質量也不易保證。而且大型封頭往往是單件生產，采用沖壓法制造，成本很高。因此，大型封頭或薄壁封頭適宜于用旋壓法制造。

旋壓法與沖壓法相比，有下列優點：

①從設備上講，制造同樣大小的封頭，水壓機比旋壓機約重2.5倍；

②旋壓所需的模具比沖壓所需的模具簡單、成本低；

③旋壓法不受模具限制，可以制造不同尺寸的封頭和其他回轉體工件（圖2-38）。沖壓大直徑薄壁封頭時的起皺問題及翻邊問題，采用旋壓法均可解決。

總的來講，采用旋壓法還是沖壓法制造封頭主要取決于兩個因素：一是生產批量問題，單件、小批生產以旋壓法較經濟，成批生產以采用沖壓法為宜；二是尺寸問題，薄壁大直徑封頭以采用旋壓法較合適，厚壁小直徑封頭用沖壓法較適宜。

封頭的旋壓成形分為兩種方法，即兩步成形法（聯機旋壓）和一步成形法（單機旋壓）。

（1）兩步成形法

這種旋壓成形法的工作過程是，首先將毛坯鋼板用壓鼓機壓成碟形，即把封頭中央的圓弧部分壓制到所需的曲率半徑，然后再用旋壓翻邊機進行翻邊，即把封頭邊緣部分旋壓成所要求的曲率。因為是采取兩個步驟完成的，故稱兩步成形法。又因使用兩臺設備聯合工作，故又稱聯機旋壓法，圖2-39所示是立式旋壓翻邊機。這種旋壓成形法適合于制造中、小薄壁的封頭。其缺點是需要使用兩臺設備。國內現有的旋壓機冷旋壓板厚為45mm，旋壓最大直徑11.5m。

1—上轉筒；2—下轉筒；3—主軸；4—底座；5—內輥；6—內輥水平軸；7—內輥垂直軸；8—加熱爐；9—外輥；10—外輥水平軸；11—外輥垂直軸

（2）一步成形法

一步成形法就是在一臺設備上一次完成封頭的旋壓成形過程。對于大而厚的封頭，國外大多采用這種方法。這種成形法可采用有模旋壓、無模旋壓和沖旋聯合的形式。

有模旋壓需要有與封頭內壁形狀相同的模具，通過旋壓的辦法將封頭毛坯碾壓在模具上而形成封頭。這種方法速度快、效率高、成形精確，自動化程度高。因為需要備有各種規格的模具，故工裝費較大。

無模旋壓（圖2-40）不需要模具，封頭的旋制全靠外旋輥來完成。圖中下主軸2是主動軸，它使封頭毛坯旋轉，依靠外旋輥Ⅰ旋壓封頭的大曲率半徑部分，依靠外旋輥Ⅱ旋壓封頭的小曲率半徑部分。其旋壓過程常采用數控自動進行。

1—上主軸；2—下主軸；3—外旋輥Ⅰ；4—外旋輥Ⅱ；5—內旋輥

封頭的旋壓過程可在毛坯加熱后進行，也可在冷態下進行。冷旋壓具有尺寸精度高、旋壓工具簡單等優點。但需要較大的旋壓力，并使工件產生加工硬化。通常，壁厚較薄的工件宜采用冷旋壓。但近年來，隨著超重型旋壓機的生產，采用冷旋壓的工件厚度已達50mm。

在進行冷態旋壓時，選擇合適的潤滑劑是十分重要的。在冷旋壓過程中進行潤滑，不僅可以減少旋壓力，而且能改善成形封頭的表面質量。

沖旋聯合法是在一臺設備上，先以沖壓方法把毛坯鋼板壓鼓成碟形，再以旋壓方法進行翻邊。這種旋壓機雖然不需要大型模具，但功率消耗較大。在采用這種方法時，大都采用熱旋法，需配加熱爐和裝料設備。它較適宜于生產大型、單件的厚壁封頭。

旋壓成形法雖有優點，但也存在一些不足。如在一定的生產批量情況下，生產率比沖壓成形低，操作不熟練時，冷旋過程中易產生裂紋，當旋壓小直徑（≤ф140mm）時不如沖壓成形簡便。旋壓封頭的形狀誤差也較大。為消除冷變形硬化造成的危害，冷旋壓成形的封頭應按規定進行退火處理，退火溫度應高于再結晶溫度。

2.6.4　爆炸成形

爆炸成形是一種高能成形工藝，它是利用炸藥爆炸時所產生的高溫高壓氣體，通過介質的傳遞，在極短的時間內（通常在0.001s內）產生巨大的沖擊波施加于毛坯鋼板上，使之產生塑性變形，從而獲得設計上所要求的幾何形狀和尺寸。

爆炸成形具有以下特點。

①質量好：可以保證工件達到所要求的幾何尺寸，表面光潔，壁厚減薄現象不嚴重。工件經退火處理后，力學性能可進一步得到改善。

②設備簡單：不需要大型的復雜設備。

③操作方便，生產率高，成本低：對于成批生產的封頭尤為顯著。

封頭的爆炸成形裝置如圖2-41所示。在接通電源使炸藥爆炸后，高壓沖擊波使毛坯鋼板通過模具而下落，形成封頭的形狀。

1—塑料布；2—竹圈；3—壓板；4—螺栓；5—模具；6—鋼板毛坯；7—支架；8—底板；9—沙子；10—炸藥包；11—水；12—雷管導線

封頭爆炸成形的主要部分是炸藥包、模具和壓力傳遞介質。它們基本上決定了封頭的成形質量。

2.6.4.1　炸藥包

爆炸成形用的炸藥分為低能炸藥和高能炸藥兩種。低能炸藥的爆炸過程是其組成成分的快速燃燒，其炸藥本身就含有燃燒所需的全部氧。由于快速燃燒，產生了大量高溫高壓氣體，形成高速沖擊波。常用的這種低能炸藥是硝酸銨。

高能炸藥就是烈性炸藥，其爆炸過程是其組成成分的高速分解。這種炸藥的爆炸過程包括點燃和膨脹兩個階段，即用起爆藥（雷管）點燃高能炸藥后，爆炸波從點燃處通過炸藥本身快速傳播開來，其速度取決于炸藥的成分，通常為1500～8000m/s。在這個爆炸波的作用下，炸藥轉化為極高壓的超熱氣體，并繼續膨脹。常采用的高能炸藥是三硝基甲苯。

爆炸成形時，炸藥的用量主要決定于毛坯的尺寸，可按下式計算（此式系根據試驗結果整理而得）：

式中　B——成形件的深度（即封頭的全高），mm；

D0——封頭毛坯的直徑，mm；

W——炸藥量，g；

S——封頭毛坯的厚度，mm；

K——介質系數，對于水K=120，對于沙子K=44.2；

h——炸藥包吊高，mm，通常可取h=（1/3～1/4）d1（此處d1為封頭內徑）。

在采用水作為傳遞壓力介質時，則可得用藥量W為

lnW=1.282lnB+lnS+0.9487lnh-（0.2308lnD0+6.1378）　　（2-18）

此處是采用三硝基甲苯時的用藥量，如采用硝酸銨，則用藥量尚需增加13％～18％。

炸藥包的形狀對封頭的成形尺寸有很大的關系。生產實踐表明，對于橢圓形封頭，炸藥包應做成三角形，如圖2-42所示。

1—膠布，黃泥，黃油密封；2—鐵皮罩；3—炸藥；4—藥包架；5—導線；6—黃泥；7—雷管

2.6.4.2　模具

爆炸成形所用的模具很簡單，只是一個圓環，其內徑d應保證封頭毛坯順利地通過，又要能保證封頭具有準確的成形尺寸。通常可按下式確定：

d=d1+2S+δ　　（2-19）

式中　d1——封頭內徑，mm；

δ——變形余量，mm。

圓環內徑應與沖壓成形用的拉環相似，加工成圓弧，以利封頭毛坯順利通過。當封頭形狀要求比較精確時，可用簡易辦法制作一鋼板結構的定型下模，以確保封頭在下模內成形。由于爆炸成形速度極快，下模結構必須考慮能順暢排氣，否則封頭成品會出現內凹等形狀誤差。

2.6.4.3　壓力傳遞介質

如果用炸藥直接爆炸（即以空氣為壓力傳遞介質），往往會因爆炸脈沖波及施壓速率太快而導致毛坯鋼板的破裂。因此常采用水作為壓力傳遞介質。用水傳遞脈沖波，可減緩脈沖波，增加壓力持續時間，提高壓力成形效率，節省炸藥，而且還能減少噪聲和保護工件不被燒傷。

此時，選擇合理的水深是十分重要的。水層過淺會削弱作用到毛坯上的壓力；水層過深會增加生產輔助時間和不必要地消耗大量的水。通常可取水層深度為炸藥包吊高的2.4～2.8倍。

生產實踐表明，對于壁厚為8～20mm，直徑為600～2400mm的封頭采用爆炸成形均能保證產品的質量。對于大型厚壁封頭，由于需用的炸藥量過多，同時不易控制封頭的成形尺寸，因而在實際生產上使用還存在著許多困難。另外，爆炸成形工藝屬冷變形范疇，封頭應做退火熱處理，再用于壓力容器上。

2.6.5　彎制成形（筒體、型材、管材）

2.6.5.1　筒體

大型厚壁容器的筒節成形也可以采用在壓彎機進行彎制。即將筒節分成兩個瓦片下料，經壓彎成形后將直邊部分割去。壓彎工作是在2個支點間進行，由上模之沖程決定彎曲半徑的大小，而此沖程可由電子儀器控制并顯示。工件由壓彎機一側送入，每次送進150～300mm，直至達到鋼板中心為止，然后調頭將鋼板另一端送入壓彎機，直至未壓彎的一半全部壓完。壓彎速度可達760mm/min。

2.6.5.2　型材

大型薄壁壓力容器由于規格尺寸大、剛性差，通常都需要在殼壁內外部位用型材來進行支撐、加固，型材有角鋼、槽鋼、工字鋼、T型鋼及扁鋼，將這些型材在彎曲機上彎制成圈狀零件，彎制過程可分別在冷態或熱態下完成，熱態煨彎需配置6～8m長的加熱爐。絕大部分工廠的彎制設備都是以技術革新方式自制的，既經濟又實用，且大大減輕了工人的勞動強度。某些三輥卷板機也可用來彎卷多種規格的型材。

2.6.5.3　管材

彎管及彎制管接頭（又稱管子彎頭）作為石油化工設備中的承壓元件，應用十分普遍。管子彎曲時，在彎管內側的管壁上產生壓應力，而外側管壁上為拉應力。在這些應力的作用下，管子彎曲橫截面會成為橢圓形；外側管壁減薄，內側管增厚；有時會出現波浪度。管子截面變形大小與相對彎曲半徑Rx及相對壁厚tx值有關：

式中　R——管子中心處彎曲半徑；

D——管子外徑；

t——管子壁厚。

Rx及tx值越小，變形越劇烈。在極限情況下，外壁破裂或內壁失穩起皺。

（1）常用的彎管方法（表2-15）

（2）管子冷彎

采用有芯冷彎最為普遍。其所用芯軸的形式及特點見表2-16。

芯軸工藝尺寸見圖2-43。

①芯軸直徑d

d=Di-（δD+2δt）（mm）

式中　δD——管子直徑下偏差絕對值，δD=0.01D，mm；

δt——管子壁厚的上偏差，一般δt=0.1t，mm；

Di——管子內徑。

②芯軸長度L

L=（3～5）d（mm）

當d大時，取較小系數，d小時取較大系數。

③芯軸伸入彎管區的距離e

式中　c——管子內壁與芯軸間的間隙。

芯軸位置尺寸e需通過試彎后確定，對于薄壁管，為減少橢圓度，e值可偏大些，過大又會增加管壁減薄量。

彎管時管內必須涂油潤滑或采用噴油芯軸。

有時也可以用填料代替芯軸。填料裝入管內必須夯實封牢，使其不易竄動，起到阻止變形的作用。填料的種類有石英砂、低熔點合金、樹脂橡膠、壓力液體等。

（3）管子熱彎

由于管件規格尺寸、材質等原因，冷彎難以獲得優質彎頭時，應選擇熱彎。

碳鋼鋼管的加熱溫度為950℃左右，合金鋼管視材料而定，一般為950～1050℃。

熱彎時加熱應緩慢均勻熱透，不銹鋼管加熱應避免滲碳。對淬硬傾向較大的合金鋼管則不得澆水冷卻。合金鋼管件彎制后，應做表面檢測。采用中頻感應加熱和火焰加熱彎管是一種加熱、彎曲、冷卻連續進行的彎管過程，即在無芯彎管機上先對管子做局部環形加熱至900℃左右，隨即對加熱部位進行彎曲并立即噴水冷卻。由于管子被加熱環帶很窄，兩側溫度低、剛性大，限制了截面變形和皺褶的產生，故管件內部無需支撐。此類彎曲需在專門設備上進行。彎曲過程按受力形式可分拉彎和推彎（表2-17）。

中頻彎管的特點：近代工業要求大直徑厚壁的管道。如冷彎則需要龐大的彎管機，占地大，造價高，還需昂貴的模具。而中頻彎管除中頻感應機組耗電量大，初投資較大外，因不需模具、彎曲半徑調整方便、彎管機結構簡單、功率消耗小、加熱迅速、熱效率高、彎頭表面不會產生氧化皮、彎頭外形好、橢圓度可達5％，適應性強，通常適用于小批量生產。火焰彎管的特點：加熱采用火焰嘴，省去了中頻機組，設備結構簡單，造價低，維修方便；但熱效率不高，適用于薄壁管彎制。

（4）急彎頭制造

對tx、Rx較小的急彎頭，截面變形嚴重，外壁減薄量大。常用型模壓制法、型模擠彎法（圖2-45）及芯棒推擠法（圖2-46）。

①用型模壓制彎頭時，先將毛坯按圖2-44備料，分兩次熱壓完成，即在垂直平面內彎曲和在水平面內矯形。

②采用型模擠彎法時，管坯在擠壓力作用下強制沿彎曲孔道變形而成。管子受擠壓彎曲，從而改善了管件外側壁厚減薄量及橢圓度。一般要求tx≥0.06，否則易失穩起皺。

③采用芯棒推擠法時，管坯邊加熱邊向前移動，從牛角芯棒處擠出，由于受推力F及芯棒阻力的作用，使管坯產生周向擴張及軸向彎曲變形，將小直徑的管坯推擠成較大直徑的彎頭，見圖2-46。

管坯內側比外側加熱溫度高，內側金屬向兩側流動，部分金屬重新分布，故只要選擇合適的管坯，就能得到管壁厚度均勻一致的彎頭。

加熱溫度：碳鋼750～850℃，不銹鋼約為900℃。進口端溫度應較高，始擴段較低，中間段逐步過渡（圖2-47）。

2.6.6　特殊零部件的成形（三通管、膨脹節等）

2.6.6.1　三通管的成形

在石油化工及電力工程項目中，各種壓力管道上大量采用三通管件。三通管通常有焊接三通與沖壓三通，其中最為可行的是沖壓三通，它是從管子上切取管坯來制造的。沖壓三通的主要工序是先在管坯上進行開孔，熱態下翻邊，以保證管口與三通本體之間為無縫連接，因而比焊接三通的強度要高得多，因為這使應力集中大為減小。由于開口翻邊后管口壁厚會減薄，所以三通本體的壁厚通常會比翻邊管口壁厚大（S0>S）。根據結構尺寸，三通分等徑三通、異徑三通。

一定結構的三通的最大翻邊高度取決于管坯的允許變形程度，三通翻邊孔成形見圖2-48。

1—鍵；2—沖頭；3—下模；4—拉桿；5—成形后的管坯

除用沖壓法制造三通外，還廣泛采用液壓法制造三通，這種方法是使管坯受到液力擠壓，同時受到軸向壓緊。

用液壓方法制造三通能保證精度高，翻邊管座壁厚減薄量最少，勞動量低和外形好。這種三通的制造過程見圖2-49。薄壁三通可以用液力擠壓法制造。

1，5—柱塞；2—管坯；3，4—模具

2.6.6.2　膨脹節的成形

膨脹節作為煉油化工設備及壓力管道上的補償元件，應用十分廣泛。按照《壓力容器波形膨脹節》（GB/T 16749）標準，產品有ZX型（整體小波高膨脹節）（圖2-50）、ZD型（整體大波高膨脹節）（圖2-51）、HF型（兩個半波零件焊接而成的膨脹節，圖2-52）之分。ZX型膨脹節材質為不銹鋼，且有單層、多層之分，而ZD型材質有碳素鋼、低合金鋼和不銹鋼。

由于ZX型膨脹節波高小，壁厚較薄，成形可采用滾壓法（圖2-53），或在剖分模具內液壓膨脹成形（圖2-54）。其工藝過程為先將板料卷成一圓筒，焊接縱縫、打磨、矯圓、無損檢測、成形。圓筒按中性層展開下料，筒節坯料長度按等面積法計算，再用經驗系數修正（圖2-55）：

1—外滾壓輪；2—內滾壓輪；3—筒節

1—托架；2—活塞；3—工作缸；4—活塞桿；5—夾頭；6—套環；7—模具；8—短節；9—拉桿；10—尾架；11—托架；12—油槽；13—偏心輪；14—轉臂；15—螺母；16—錐體；17—漲塊；18—活塞；19—彈簧；20—管

式中　Dn——筒節內徑，mm；

Dw——波形外徑，mm；

R——波峰和波谷的半徑，mm。

考慮材料變薄及兩端的直邊長度，筒節總長為

L0=KnL+2L1　　（2-23）

式中　K——修正系數，0.9～1；

n——波數；

L1——膨脹節兩端直段長，mm。

筒節縱縫應采用氬弧焊或等離子焊，焊縫余高經打磨平滑后再校圓。縱縫必須在成形前先進行射線檢測，以保證焊縫質量，防止成形時開裂。

液壓成形過程可以在專用設備上完成，也可在油壓機上進行，此時，在工件內升壓的同時，油壓機也可加壓，工件高度不斷縮短，這可使膨脹節減薄得少一些，工件內壓力也可小些。在工件內襯貼橡膠制成的液袋以盛住液體，這會使得液壓脹形過程更加可靠。

液壓脹形是使筒節軸向和環向產生劇烈變形的過程，變形最終要使坯料與成形模具貼緊，從而達到所要求的曲線形狀，因此在計算成形壓力時，應考慮塑性變形冷加工強化的因素。

對于HF型膨脹節，由于是兩個半波零件焊成的，每個半波零件需單獨沖壓成形，也可旋壓成形。先將一環形板坯壓成盤狀，然后再翻邊。坯料可分瓣拼接，沖壓成形也可一次完成（圖2-56），再按半波零件二次號料、氣割，組焊成膨脹節。分瓣拼接焊縫應預先無損檢測合格，成形后再進行復檢。組裝環縫需經100％射線檢測。冷成形的碳鋼、低合金鋼波形膨脹節需進行消除應力退火處理。