2.6　成形加工

2.6.1　冲压成形

压力容器的封头，除了大型锻件平封头是由锻造厂供应毛坯外，其他类型的封头，如球封头、椭圆形封头等大多采用冲压成形。此外，大直径厚壁封头瓣片、筒节瓣片，也可冲压成形。国内标准在大直径封头板料拼接方面有严格的要求，要求封头各种不相交的拼接焊缝中心线间距离至少应为封头钢板厚度δs的3倍，且不小于100mm，在国外对大直径封头坯料的拼接没有规定，接管可以开在焊缝上，从国外的理念讲，一是封头焊缝有合格的评定支持，二是节省材料，从经济方面考虑。

2.6.1.1　封头整体冲压

封头的整体冲压成形是借助于冲压模具在水压机上完成的，其工艺过程如下。

（1）坯料准备

如坯料直径较大，则需拼接。拼接焊缝的位置应满足有关标准的要求。即拼缝距封头中心不得大于1/4公称直径，拼接焊缝可预先经100％无损检测合格（对采用电渣焊拼接缝的坯料，则应先行正火，超声检测合格）。这可避免在冲压过程中坯料从焊缝缺陷处撕裂的可能。坯料拼缝的余高如有碍成形质量，则应打磨平滑，必要时还应做表面检测。

（2）坯料加热

封头冲压过程中，坯料的塑性变形较大，对于壁厚较大或冲压深度较深的封头，为了提高材料的变形能力，必须采用热冲压的办法。实际上，为保证封头质量，目前绝大多数封头都采用热冲压。钢板坯料可在火焰反射炉或室式炉中加热。一般碳素钢与低合金钢的加热温度为950～1150℃，这取决于坯料出炉装料过程的时间长短、压机的能力大小、过高温度对材料性能的影响等因素。冷冲压成形的封头通常必须经退火后才能用于压力容器上。不锈钢的加热温度可直接按固溶化温度选取。常用的压力容器用钢的热成形加热温度见表2-10。

由于在高温下加热，钢板会发生氧化，随着加热温度的升高，加热时间的延长，氧化也更加剧，钢板表面会脱碳，对于不锈钢及低合金钢，应尽量减少加热时间，可采取≥850℃装炉，均热后保温时间一般1.0～1.2min/mm。此外，为减少表面氧化带来的不良影响，板坯可预先经表面清理后涂刷保护涂料。用于高温防氧化的涂料牌号有4号及4A-2号两种，可从油漆厂购得。

值得提出的是，带拼接焊缝的不锈钢坯料加热的一次装料数量应予严格控制。对于采用连续输送的链式炉加热，可以单件装料。而如采用室式炉加热，不允许重叠装料，否则由于第二件在炉内停留时间过长，焊缝性能恶化，导致冲压时撕裂。

（3）冲压成形

①封头的冲压原理　封头的冲压过程是属于拉延过程。在冲压过程中，材料产生了复杂的变形，而且在工件不同的部位有着不同的应力应变状态。对于采用压边圈，模具间隙大于封头毛坯钢板厚度的封头冲压（图2-25），其各部分材料的应力状态可大致分析如下。

处于压边圈下部的材料A，主要受切向压缩应力和径向拉伸应力，在厚度方向受到压边圈的压力。其变形特点是在切向产生压缩变形，厚度方向增厚。处于下冲模圆角处的材料B，除受到径向拉伸和切向压缩外，还承受弯曲应力。在下冲环与上冲模间隙部分材料C，受到径向拉伸应力和切向压缩应力，其变形在切向与径向有相应的压缩和拉伸变形。由于该处在厚度方向不受力，因而处于自由变形状态，在该区域内，越接近下冲环圆角部分，切向压缩应力越大，所以对于薄壁封头在该区域容易起皱。位于上冲模底部的毛坯材料D，在没有与上冲模接触贴合之前，其受力情况基本上与C处相同，使该处毛坯材料被拉薄。当该处与上冲模接触贴合后，在压边摩擦力和冲压力的作用下，该处只有少量的拉伸变形。图2-26所示为椭圆形封头和球形封头冲压后，材料各部分壁厚的变化情况。由图可知对于椭圆形封头，通常在接近大曲率部位减薄最大。碳钢封头减薄可达4％～8％，铝封头可达12％～15％，球形封头在接近底部20°～30°范围内减薄较严重，碳钢封头可达12％～14％（表2-11）。针对这种封头冲压减薄的工艺特征，在坯料板厚的选择上应考虑适当增厚。

①S为封头坯料厚。

影响封头壁厚变化的因素很多，归纳起来大致有下列几方面：a.材料的性能，如铝制封头的变薄量比碳素钢封头大得多；b.封头的形状，球形封头的变薄量比椭圆形封头大；c.下冲模圆角半径越大，变薄量越小；d.上下冲模之间的间隙小，则变薄严重；e.润滑情况好，则减薄小；f.加热温度越高，变薄量大；g.压边力大，则变薄严重。因此，要控制热压封头的减薄量，必须全面考虑上述各因素。

②压边范围的确定　从上述应力分析可知，压制时如果不用压边圈，而封头毛坯壁厚又较薄，则材料在切向压应力的作用下，会失去稳定，形成皱纹和鼓包，严重时会造成废品。采用压边圈不仅增加了材料的稳定性，而且在由压边圈产生的摩擦力的作用下增加了径向应力，从而使材料有较好的变形条件。所以，确定在什么情况下需要采用压边圈是关系到封头质量好坏的重要因素。一般来说，当满足下式时，便需要采用压边圈。

式中　D0——封头毛坯直径；

S——封头毛坯厚度；

K——材料拉伸系数，通常可取0.75～0.8。

压制时，影响封头皱折、鼓包的因素很多，主要有以下几方面：a.毛坯直径的大小及其壁厚；b.加热温度的高低；c.毛坯加热的均匀性；d.封头材料在成形温度下的塑性；e.毛坯是否有拼接焊缝以及拼焊错边的大小；f.模具间隙的大小以及间隙的均匀性；g.下冲环圆角半径的大小以及模具表面状况和润滑情况；h.封头的形状。

因此，在实际生产中，往往需要根据具体情况确定需要采用压边圈的范围。例如，根据国内某些厂的实践经验，对于椭圆形热压封头的压边范围为

D0-d1≥20S　　（2-12）

式中　D0——封头毛坯直径；

d1——封头内径；

S——封头壁厚。

具体地说：

a.当D0=400～1200mm时，上述条件为D0-d1>20S。

b.当D0=1400～1900mm时，上述条件为D0-d1>19S。

c.当D0=2000～4000mm时，上述条件为D0-d1>18S。

对于球形封头，压边范围为

D0-di≥16S　　（2-13）

对于平封头，压边范围为

D0-di≥22S　　（2-14）

式中　di——封头内径。

③冲压过程　压力容器封头的冲压通常在水压机上进行，这种水压机一般吨位在300～8000t之间。水压机的传动方式一般采用高压水泵——蓄势器方式，即由高压水泵产生的高压水送入多个蓄势器中贮存，水压机工作时，由蓄势器供给高压水。冲压过程是一个逐步提延的过程（图2-27），为了减少摩擦，防止模具及封头表面的损伤，提高模具使用寿命，冲压前，在拉环上涂抹润滑剂是十分必要的，这对不锈钢、有色金属尤为重要。常用的润滑剂见表2-12。

1—工件；2—上冲模；3—下冲模（拉环）；4—脱件装置

加热后的毛坯钢板放置在下冲环上，并与下冲环对中。开动水压机，直至上冲模降到与毛坯钢板平面接触（图2-27中Ⅰ），然后加压，钢板便发生变形（图2-27中Ⅱ）。随着上冲模的下压，毛坯钢板就包在上冲模的表面，并通过拉环（图2-27中Ⅲ）。此时，封头已冲压成形，但由于材料的冷却收缩，使之紧包在上冲模上，需用特殊的脱件装置使封头与上冲模脱离。封头内径≤2000mm时，常用的脱件装置是滑块，将滑块推入压住封头边缘（图2-27中Ⅳ），待上冲模提升时，封头被滑块挡住，便从上冲模上脱落下来（图2-27中Ⅴ），完成了冲压过程。大直径封头的脱件装置较复杂，即上冲模为一组合型的模具，由三瓣半椭球体及中心一锥形棒组成，当冲压结束，提起芯棒，瓣体自动合拢，封头自动脱落。这种冲压方法称为一次成形法。对于低碳钢和普通低合金钢制成的一定尺寸（6S≤D0-d≤45S）封头均可采用一次成形法使之冲压成形。

对于薄壁封头（D0-d≥45S）即使采用带有压边圈的一次成形法，仍然会出现鼓包皱折现象。此时，宜采用两次成形法（图2-28）。第一次冲压采用比上冲模直径小200mm左右的下拉环，将毛坯冲压成碟形，此时可将2～3块毛坯钢板重叠起来进行成形；第二次采用与封头规格相配合的上下模具，最后冲压成形。

对于厚壁封头（D0-di≤8S），由于所需的冲压力较大，同时因毛坯较厚，边缘部分不易压缩变形，尤其是对球形封头，在成形过程中边缘厚度急剧增厚，因而导致底部材料严重拉薄。通常在压制这种封头时，也可预先把封头毛坯车成斜面，再进行冲压。如图2-29所示。

2.6.1.2　瓦片冲压

小直径筒节当其壁厚≥40mm，尤其是低合金钢制筒节，采用普通卷制成形工艺较困难。如常见的合金钢制U形管换热器的筒体，其材质一般为Cr-Mo钢，国内通常采用瓦片冲压成形工艺。典型的合金钢换热器壳体，采用瓦片冲压成形的工艺过程为：下料—加热—冲压—热处理—二次划线—气割。

①瓦片坯料按圆弧中性层半径展开，加上工艺直边量（约1.5～2倍板厚，理论直边量见表2-13）；

注：L—两下辊的中心距；t—板厚。

②坯料加热可参照封头坯料加热要求进行加热，也可直接按正火温度加热；

③冲压成形是在U形瓦片压模上完成的，压模形式见图2-30；

④当需要冲压后正火时，先用内卡样板检验内径合格，然后焊好拉筋后热处理；

⑤成形好的瓦片经二次划线、气割，再进行纵向坡口加工。

瓦片冲压成形的筒节，在组焊纵缝时易产生下塌变形而使圆度超差，除了焊前采取防变形措施外，较好的办法是在压机上修正，即利用压机加压使冲头在热态下强制通过筒节内部，而得以整形。此项工艺要求水压机要有足够的开启高度，另外，焊缝也需预先经无损检测合格并打磨平滑。此外，压力容器中常用的厚壁弯头，加强接管，厚壁锥形过渡段等，也大多采用分片冲压成形。

2.6.1.3　瓣片冲压

随着石油化工装备的大型化，压力容器的规格也随之加大，而大型封头的制造如采用整体冲压成形，既需要大型水压机，还需要很大的模具，减薄量也大，而装备的利用率又很低。所以现在国内有些拥有大型压机的工厂也常将封头分瓣压出，再用焊接方法拼成整体，如张家港临江重工封头制造有限公司等，拥有25000t压机，但该厂仍采用分瓣压形的方法。而大型炼油装备的薄壁大直径封头，考虑到运输的困难，也常采用分瓣压形后现场组焊。

瓣片压形只需单瓣模具（图2-31）。绝大多数瓣片冲压是在冷态下完成的，球壳板也采用冷态点压成形。

瓣片冲压的工艺过程如下：瓣片下料—冲压—二次划线—气割。

瓣片下料，通常是将整体封头按奇数或偶数分瓣。瓣片数量与压机能力、模具大小及焊缝布置的相关规定等因素有关。大瓣片需要大模具，且材料利用率也低，过小的瓣片拼接焊缝太多，整体尺寸也不易控制。下料时按单个瓣片的板料中性层尺寸展开制作号料样板，由于球体曲面是不可展开的，因而以近似方法展开并制作板坯号料样板，其中应加足二次号料气割余量。冲压成形后应对瓣片进行二次号料，此时的样板可衬贴于瓣片内壁，该样板可按内径展开制作，并留出气割口及焊接收缩量。坯料的加热可参照2.6.1.1的（2）坯料加热及表2-10规定进行。压力容器的零件，可以分瓣冲压成形的除椭圆形封头外，还有球形封头、翻边锥体等。热压成形的瓣片通常需在冷态下矫形。

2.6.2　卷制成形

卷制成形是单层卷焊式压力容器筒节制造的主要工艺手段。卷制成形是将钢板放在卷板机上进行滚卷成筒节，其优点为：成形连续，操作简便、快速、均匀。

筒节的弯卷过程是钢板的弯曲塑性变形过程。在卷板过程中，钢板产生的塑性变形沿钢板厚度方向是变化的。其外圆周伸长，内圆周缩短，中间层保持不变。

其外圆周的伸长率可按如下公式计算：

若R0≫S/2，则上式可写成：

式中　ε——外圆周的伸长率；

S——板厚；

C——系数，对于碳钢可取C=50，对于高强度低合金钢，可取C=65；

R0，R——弯卷前后的平均半径。

若R0→∞（平板），则可得

众所周知，变形率的大小直接影响到材料所产生的冷加工硬化现象。钢板越厚或卷成的筒节直径越小，则钢板的变形率越大，其冷加工硬化现象也越严重，在钢板内产生的内应力也就越大。这样，就会严重地影响筒节的制造质量，甚至会产生裂纹，导致筒节报废。

为了保证筒节的制造质量，根据长期生产实践中积累的经验，一般冷态弯卷时，最终的外圆周伸长率应限制在下列范围内：对于碳素钢、Q345R，外圆周伸长率≤3％；对于高强度低合金钢，外圆周伸长率≤2.5％。

板料经多次小变形量的冷弯卷后，其各次伸长量的总和也不得超过上述允许值，否则应进行消除冷卷变形影响的热处理，或采用热卷成形工艺。

筒节卷制工作通常是在卷板机上进行的。常用的卷板机可分为三辊卷板机和四辊卷板机两类。

用三辊卷板机卷制筒节，如图2-32所示。三辊卷板机的上辊是从动的，它可以上下移动，对钢板产生压力。两下辊是主动的，依靠它的转动，可使钢板在上下辊之间来回移动，产生塑性变形，使整块钢板卷成圆筒形。但由图2-25可知，在钢板的两端各有一段无法弯卷的部分，通常称为平直段。平直段的长度与卷板机结构有关，对于常用的对称三辊卷板机，平直段约为其两下辊中心距的一半（即图2-32中a的一半）。因此，为了获得完整的圆筒形，在弯卷前，必须先将钢板的两端预制成所需弯曲半径的弧形，此项工作称为预弯。

1—上辊；2—下辊；3—钢板

预弯工作可用各种压力机进行，也可利用预弯模在三辊卷板机上进行，如图2-33所示。在两下辊的上面搁置一块由厚钢板制成的预弯模，将钢板的端部放入预弯模中，依靠上辊把它压弯成形。改变预弯模在下辊中的位置以及钢板的伸入长度，便可获得不同的预弯半径，用这种方法进行预弯，也只能弯板厚12～14mm的钢板，否则只能在油压机上借助于预弯模进行板头的预弯，因而这类对称式三辊还很难适应卷制成形工艺的发展需要。

1—上辊；2—钢板；3—预弯模；4—下辊

近年来，在工业上开始应用一些可以直接进行预弯工作的三辊和四辊卷板机，以便于卷制工作的进行。下面介绍几种可以进行预弯的卷板机的工作特点。

①上下辊在同一垂直轴线上的不对称三辊卷板机：这种卷板机的侧辊可做斜向移动，进行预弯工作。另外，这种卷板机的侧辊两端可以分别调节，故可用以卷制锥形筒体。其工作过程如图2-34所示。当热卷时，由于要调头预弯，有可能要增加加热次数，调头也比较麻烦。

②两下辊可同时作水平调节的三辊卷板机：这种卷板机由于同时调节辊子较多，所以机械传动机构显得复杂（图2-35）。但预弯不需要调头，操作十分方便。

③对于厚壁圆筒往往采用大型的四辊卷板机进行卷制工作，如图2-36所示。这种卷板机的上辊是主动的，电动机通过减速箱带动上辊转动。下辊可上下移动，用以夹紧钢板。两侧辊可沿斜向升降，用以对钢板施加变形力，把钢板端头压紧在上下辊之间，然后利用侧辊的移动，使钢板端部产生弯曲变形，达到所要求的曲率。两头可分别预弯而不需要调头。

1—上辊；2—下辊；3—侧辊；4—钢板

由于四辊卷板机设备庞杂，投资费用较高，近年来，逐渐有被各种新型的三辊卷板机（图2-34）所代替的趋势。

2.6.2.1　冷卷成形

钢板厚度或卷制变形量在设备允许的范围内，采用冷卷最为适宜。因冷卷具有很多优点，如形状准确、易于操作、价廉、无氧化皮的麻烦、弯曲的伸长量少，目前国外最大的卷板设备，有能力冷卷180mm/3600mm的钢板。国内兰州兰石重型装备股份有限公司和上海锅炉厂也有冷卷150mm/3200mm，热卷250mm/3200mm的能力。

由于近年来压力容器用钢的品种较多，且由于大型化的要求，厚板卷制的情况增多，也曾发生一些冷卷筒节脆断情况。为了防止冷卷时产生脆性破坏，在某些情况下，应进行预热，预热温度视钢种及板厚而异，如Cr-Mo钢、高强度低合金钢，可预热至50～150℃，对于厚板，最好先退火一次。另外，钢板边缘的硬化层应予以去除，以防止气割边缘产生裂纹。当筒节需要拼接时，拼缝应先行退火。厚壁筒节冷校圆也应在退火后进行。

2.6.2.2　热卷成形

对超过设备冷卷能力的厚钢板，在卷制时必须加热至其锻造温度，使钢板具有良好塑性，易于卷制。热卷时加热温度可参照表2-10。

热卷可以减轻卷板机负荷量，使冷卷无法卷制的钢板成形。但是，热卷带来不少麻烦，如下：

①需要将厚钢板加热至较高温度，所以价格高；

②高温钢板使操作者不易靠近，增加了操作困难；

③热卷时钢板减薄与伸长严重（表2-14）；

注：工艺减薄量与卷制工艺、板宽、加热温度及卷板形式等因素有关，各厂可对实际卷制筒节测厚，再进行适当调整。

④氧化皮危害严重，使筒体内外产生压坑。为减少氧化皮造成的压坑，虽然可以在钢板表面预先喷涂高温抗氧化涂料，但工艺比较复杂，且增加了制造成本。所以，大多数厂家也只有在设备能力所限或弯卷变形量过大的情况下，才采用热卷工艺。目前国外最大的卷板机热卷能力可达380mm/3600mm。

近年来，国内外压力容器制造厂为了消除冷、热卷的困难，兼取冷、热卷的优点，提出温卷的新工艺，这是从锻造工艺中的温锻工艺借鉴而来。即将钢板加热至500～600℃。认为在此温度下进行卷制，既可使钢板获得比冷态稍大的塑性，减少卷板机超载的可能，又可减少冷卷脆断的危险。氧化皮也不形成危害，操作也较方便。

关于热卷时氧化皮的问题，如果采用立式卷板机，可以在很大程度上减少此危害性。立式卷板机还有占地小、卷薄钢板筒节时无塌落的问题，但是立式卷板机的工作原理类似压弯，如图2-37所示。圆度不如卧式卷，且筒节成形后取出后放倒也不方便，薄钢板卷制，还会因地面摩擦而使圆度上下不同。立式卷板机国内已有制造，并已投入使用。

2.6.3　旋压成形

大型封头的整体冲压有很多弊端。需要吨位大、工作台面宽的大型水压机；大型模具和冲环制造周期长，耗费材料多，造价高。即使采用分片冲压，也由于瓣片组焊工作量大，既费时间，质量也不易保证。而且大型封头往往是单件生产，采用冲压法制造，成本很高。因此，大型封头或薄壁封头适宜于用旋压法制造。

旋压法与冲压法相比，有下列优点：

①从设备上讲，制造同样大小的封头，水压机比旋压机约重2.5倍；

②旋压所需的模具比冲压所需的模具简单、成本低；

③旋压法不受模具限制，可以制造不同尺寸的封头和其他回转体工件（图2-38）。冲压大直径薄壁封头时的起皱问题及翻边问题，采用旋压法均可解决。

总的来讲，采用旋压法还是冲压法制造封头主要取决于两个因素：一是生产批量问题，单件、小批生产以旋压法较经济，成批生产以采用冲压法为宜；二是尺寸问题，薄壁大直径封头以采用旋压法较合适，厚壁小直径封头用冲压法较适宜。

封头的旋压成形分为两种方法，即两步成形法（联机旋压）和一步成形法（单机旋压）。

（1）两步成形法

这种旋压成形法的工作过程是，首先将毛坯钢板用压鼓机压成碟形，即把封头中央的圆弧部分压制到所需的曲率半径，然后再用旋压翻边机进行翻边，即把封头边缘部分旋压成所要求的曲率。因为是采取两个步骤完成的，故称两步成形法。又因使用两台设备联合工作，故又称联机旋压法，图2-39所示是立式旋压翻边机。这种旋压成形法适合于制造中、小薄壁的封头。其缺点是需要使用两台设备。国内现有的旋压机冷旋压板厚为45mm，旋压最大直径11.5m。

1—上转筒；2—下转筒；3—主轴；4—底座；5—内辊；6—内辊水平轴；7—内辊垂直轴；8—加热炉；9—外辊；10—外辊水平轴；11—外辊垂直轴

（2）一步成形法

一步成形法就是在一台设备上一次完成封头的旋压成形过程。对于大而厚的封头，国外大多采用这种方法。这种成形法可采用有模旋压、无模旋压和冲旋联合的形式。

有模旋压需要有与封头内壁形状相同的模具，通过旋压的办法将封头毛坯碾压在模具上而形成封头。这种方法速度快、效率高、成形精确，自动化程度高。因为需要备有各种规格的模具，故工装费较大。

无模旋压（图2-40）不需要模具，封头的旋制全靠外旋辊来完成。图中下主轴2是主动轴，它使封头毛坯旋转，依靠外旋辊Ⅰ旋压封头的大曲率半径部分，依靠外旋辊Ⅱ旋压封头的小曲率半径部分。其旋压过程常采用数控自动进行。

1—上主轴；2—下主轴；3—外旋辊Ⅰ；4—外旋辊Ⅱ；5—内旋辊

封头的旋压过程可在毛坯加热后进行，也可在冷态下进行。冷旋压具有尺寸精度高、旋压工具简单等优点。但需要较大的旋压力，并使工件产生加工硬化。通常，壁厚较薄的工件宜采用冷旋压。但近年来，随着超重型旋压机的生产，采用冷旋压的工件厚度已达50mm。

在进行冷态旋压时，选择合适的润滑剂是十分重要的。在冷旋压过程中进行润滑，不仅可以减少旋压力，而且能改善成形封头的表面质量。

冲旋联合法是在一台设备上，先以冲压方法把毛坯钢板压鼓成碟形，再以旋压方法进行翻边。这种旋压机虽然不需要大型模具，但功率消耗较大。在采用这种方法时，大都采用热旋法，需配加热炉和装料设备。它较适宜于生产大型、单件的厚壁封头。

旋压成形法虽有优点，但也存在一些不足。如在一定的生产批量情况下，生产率比冲压成形低，操作不熟练时，冷旋过程中易产生裂纹，当旋压小直径（≤ф140mm）时不如冲压成形简便。旋压封头的形状误差也较大。为消除冷变形硬化造成的危害，冷旋压成形的封头应按规定进行退火处理，退火温度应高于再结晶温度。

2.6.4　爆炸成形

爆炸成形是一种高能成形工艺，它是利用炸药爆炸时所产生的高温高压气体，通过介质的传递，在极短的时间内（通常在0.001s内）产生巨大的冲击波施加于毛坯钢板上，使之产生塑性变形，从而获得设计上所要求的几何形状和尺寸。

爆炸成形具有以下特点。

①质量好：可以保证工件达到所要求的几何尺寸，表面光洁，壁厚减薄现象不严重。工件经退火处理后，力学性能可进一步得到改善。

②设备简单：不需要大型的复杂设备。

③操作方便，生产率高，成本低：对于成批生产的封头尤为显著。

封头的爆炸成形装置如图2-41所示。在接通电源使炸药爆炸后，高压冲击波使毛坯钢板通过模具而下落，形成封头的形状。

1—塑料布；2—竹圈；3—压板；4—螺栓；5—模具；6—钢板毛坯；7—支架；8—底板；9—沙子；10—炸药包；11—水；12—雷管导线

封头爆炸成形的主要部分是炸药包、模具和压力传递介质。它们基本上决定了封头的成形质量。

2.6.4.1　炸药包

爆炸成形用的炸药分为低能炸药和高能炸药两种。低能炸药的爆炸过程是其组成成分的快速燃烧，其炸药本身就含有燃烧所需的全部氧。由于快速燃烧，产生了大量高温高压气体，形成高速冲击波。常用的这种低能炸药是硝酸铵。

高能炸药就是烈性炸药，其爆炸过程是其组成成分的高速分解。这种炸药的爆炸过程包括点燃和膨胀两个阶段，即用起爆药（雷管）点燃高能炸药后，爆炸波从点燃处通过炸药本身快速传播开来，其速度取决于炸药的成分，通常为1500～8000m/s。在这个爆炸波的作用下，炸药转化为极高压的超热气体，并继续膨胀。常采用的高能炸药是三硝基甲苯。

爆炸成形时，炸药的用量主要决定于毛坯的尺寸，可按下式计算（此式系根据试验结果整理而得）：

式中　B——成形件的深度（即封头的全高），mm；

D0——封头毛坯的直径，mm；

W——炸药量，g；

S——封头毛坯的厚度，mm；

K——介质系数，对于水K=120，对于沙子K=44.2；

h——炸药包吊高，mm，通常可取h=（1/3～1/4）d1（此处d1为封头内径）。

在采用水作为传递压力介质时，则可得用药量W为

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

此处是采用三硝基甲苯时的用药量，如采用硝酸铵，则用药量尚需增加13％～18％。

炸药包的形状对封头的成形尺寸有很大的关系。生产实践表明，对于椭圆形封头，炸药包应做成三角形，如图2-42所示。

1—胶布，黄泥，黄油密封；2—铁皮罩；3—炸药；4—药包架；5—导线；6—黄泥；7—雷管

2.6.4.2　模具

爆炸成形所用的模具很简单，只是一个圆环，其内径d应保证封头毛坯顺利地通过，又要能保证封头具有准确的成形尺寸。通常可按下式确定：

d=d1+2S+δ　　（2-19）

式中　d1——封头内径，mm；

δ——变形余量，mm。

圆环内径应与冲压成形用的拉环相似，加工成圆弧，以利封头毛坯顺利通过。当封头形状要求比较精确时，可用简易办法制作一钢板结构的定型下模，以确保封头在下模内成形。由于爆炸成形速度极快，下模结构必须考虑能顺畅排气，否则封头成品会出现内凹等形状误差。

2.6.4.3　压力传递介质

如果用炸药直接爆炸（即以空气为压力传递介质），往往会因爆炸脉冲波及施压速率太快而导致毛坯钢板的破裂。因此常采用水作为压力传递介质。用水传递脉冲波，可减缓脉冲波，增加压力持续时间，提高压力成形效率，节省炸药，而且还能减少噪声和保护工件不被烧伤。

此时，选择合理的水深是十分重要的。水层过浅会削弱作用到毛坯上的压力；水层过深会增加生产辅助时间和不必要地消耗大量的水。通常可取水层深度为炸药包吊高的2.4～2.8倍。

生产实践表明，对于壁厚为8～20mm，直径为600～2400mm的封头采用爆炸成形均能保证产品的质量。对于大型厚壁封头，由于需用的炸药量过多，同时不易控制封头的成形尺寸，因而在实际生产上使用还存在着许多困难。另外，爆炸成形工艺属冷变形范畴，封头应做退火热处理，再用于压力容器上。

2.6.5　弯制成形（筒体、型材、管材）

2.6.5.1　筒体

大型厚壁容器的筒节成形也可以采用在压弯机进行弯制。即将筒节分成两个瓦片下料，经压弯成形后将直边部分割去。压弯工作是在2个支点间进行，由上模之冲程决定弯曲半径的大小，而此冲程可由电子仪器控制并显示。工件由压弯机一侧送入，每次送进150～300mm，直至达到钢板中心为止，然后调头将钢板另一端送入压弯机，直至未压弯的一半全部压完。压弯速度可达760mm/min。

2.6.5.2　型材

大型薄壁压力容器由于规格尺寸大、刚性差，通常都需要在壳壁内外部位用型材来进行支撑、加固，型材有角钢、槽钢、工字钢、T型钢及扁钢，将这些型材在弯曲机上弯制成圈状零件，弯制过程可分别在冷态或热态下完成，热态煨弯需配置6～8m长的加热炉。绝大部分工厂的弯制设备都是以技术革新方式自制的，既经济又实用，且大大减轻了工人的劳动强度。某些三辊卷板机也可用来弯卷多种规格的型材。

2.6.5.3　管材

弯管及弯制管接头（又称管子弯头）作为石油化工设备中的承压元件，应用十分普遍。管子弯曲时，在弯管内侧的管壁上产生压应力，而外侧管壁上为拉应力。在这些应力的作用下，管子弯曲横截面会成为椭圆形；外侧管壁减薄，内侧管增厚；有时会出现波浪度。管子截面变形大小与相对弯曲半径Rx及相对壁厚tx值有关：

式中　R——管子中心处弯曲半径；

D——管子外径；

t——管子壁厚。

Rx及tx值越小，变形越剧烈。在极限情况下，外壁破裂或内壁失稳起皱。

（1）常用的弯管方法（表2-15）

（2）管子冷弯

采用有芯冷弯最为普遍。其所用芯轴的形式及特点见表2-16。

芯轴工艺尺寸见图2-43。

①芯轴直径d

d=Di-（δD+2δt）（mm）

式中　δD——管子直径下偏差绝对值，δD=0.01D，mm；

δt——管子壁厚的上偏差，一般δt=0.1t，mm；

Di——管子内径。

②芯轴长度L

L=（3～5）d（mm）

当d大时，取较小系数，d小时取较大系数。

③芯轴伸入弯管区的距离e

式中　c——管子内壁与芯轴间的间隙。

芯轴位置尺寸e需通过试弯后确定，对于薄壁管，为减少椭圆度，e值可偏大些，过大又会增加管壁减薄量。

弯管时管内必须涂油润滑或采用喷油芯轴。

有时也可以用填料代替芯轴。填料装入管内必须夯实封牢，使其不易窜动，起到阻止变形的作用。填料的种类有石英砂、低熔点合金、树脂橡胶、压力液体等。

（3）管子热弯

由于管件规格尺寸、材质等原因，冷弯难以获得优质弯头时，应选择热弯。

碳钢钢管的加热温度为950℃左右，合金钢管视材料而定，一般为950～1050℃。

热弯时加热应缓慢均匀热透，不锈钢管加热应避免渗碳。对淬硬倾向较大的合金钢管则不得浇水冷却。合金钢管件弯制后，应做表面检测。采用中频感应加热和火焰加热弯管是一种加热、弯曲、冷却连续进行的弯管过程，即在无芯弯管机上先对管子做局部环形加热至900℃左右，随即对加热部位进行弯曲并立即喷水冷却。由于管子被加热环带很窄，两侧温度低、刚性大，限制了截面变形和皱褶的产生，故管件内部无需支撑。此类弯曲需在专门设备上进行。弯曲过程按受力形式可分拉弯和推弯（表2-17）。

中频弯管的特点：近代工业要求大直径厚壁的管道。如冷弯则需要庞大的弯管机，占地大，造价高，还需昂贵的模具。而中频弯管除中频感应机组耗电量大，初投资较大外，因不需模具、弯曲半径调整方便、弯管机结构简单、功率消耗小、加热迅速、热效率高、弯头表面不会产生氧化皮、弯头外形好、椭圆度可达5％，适应性强，通常适用于小批量生产。火焰弯管的特点：加热采用火焰嘴，省去了中频机组，设备结构简单，造价低，维修方便；但热效率不高，适用于薄壁管弯制。

（4）急弯头制造

对tx、Rx较小的急弯头，截面变形严重，外壁减薄量大。常用型模压制法、型模挤弯法（图2-45）及芯棒推挤法（图2-46）。

①用型模压制弯头时，先将毛坯按图2-44备料，分两次热压完成，即在垂直平面内弯曲和在水平面内矫形。

②采用型模挤弯法时，管坯在挤压力作用下强制沿弯曲孔道变形而成。管子受挤压弯曲，从而改善了管件外侧壁厚减薄量及椭圆度。一般要求tx≥0.06，否则易失稳起皱。

③采用芯棒推挤法时，管坯边加热边向前移动，从牛角芯棒处挤出，由于受推力F及芯棒阻力的作用，使管坯产生周向扩张及轴向弯曲变形，将小直径的管坯推挤成较大直径的弯头，见图2-46。

管坯内侧比外侧加热温度高，内侧金属向两侧流动，部分金属重新分布，故只要选择合适的管坯，就能得到管壁厚度均匀一致的弯头。

加热温度：碳钢750～850℃，不锈钢约为900℃。进口端温度应较高，始扩段较低，中间段逐步过渡（图2-47）。

2.6.6　特殊零部件的成形（三通管、膨胀节等）

2.6.6.1　三通管的成形

在石油化工及电力工程项目中，各种压力管道上大量采用三通管件。三通管通常有焊接三通与冲压三通，其中最为可行的是冲压三通，它是从管子上切取管坯来制造的。冲压三通的主要工序是先在管坯上进行开孔，热态下翻边，以保证管口与三通本体之间为无缝连接，因而比焊接三通的强度要高得多，因为这使应力集中大为减小。由于开口翻边后管口壁厚会减薄，所以三通本体的壁厚通常会比翻边管口壁厚大（S0>S）。根据结构尺寸，三通分等径三通、异径三通。

一定结构的三通的最大翻边高度取决于管坯的允许变形程度，三通翻边孔成形见图2-48。

1—键；2—冲头；3—下模；4—拉杆；5—成形后的管坯

除用冲压法制造三通外，还广泛采用液压法制造三通，这种方法是使管坯受到液力挤压，同时受到轴向压紧。

用液压方法制造三通能保证精度高，翻边管座壁厚减薄量最少，劳动量低和外形好。这种三通的制造过程见图2-49。薄壁三通可以用液力挤压法制造。

1，5—柱塞；2—管坯；3，4—模具

2.6.6.2　膨胀节的成形

膨胀节作为炼油化工设备及压力管道上的补偿元件，应用十分广泛。按照《压力容器波形膨胀节》（GB/T 16749）标准，产品有ZX型（整体小波高膨胀节）（图2-50）、ZD型（整体大波高膨胀节）（图2-51）、HF型（两个半波零件焊接而成的膨胀节，图2-52）之分。ZX型膨胀节材质为不锈钢，且有单层、多层之分，而ZD型材质有碳素钢、低合金钢和不锈钢。

由于ZX型膨胀节波高小，壁厚较薄，成形可采用滚压法（图2-53），或在剖分模具内液压膨胀成形（图2-54）。其工艺过程为先将板料卷成一圆筒，焊接纵缝、打磨、矫圆、无损检测、成形。圆筒按中性层展开下料，筒节坯料长度按等面积法计算，再用经验系数修正（图2-55）：

1—外滚压轮；2—内滚压轮；3—筒节

1—托架；2—活塞；3—工作缸；4—活塞杆；5—夹头；6—套环；7—模具；8—短节；9—拉杆；10—尾架；11—托架；12—油槽；13—偏心轮；14—转臂；15—螺母；16—锥体；17—涨块；18—活塞；19—弹簧；20—管

式中　Dn——筒节内径，mm；

Dw——波形外径，mm；

R——波峰和波谷的半径，mm。

考虑材料变薄及两端的直边长度，筒节总长为

L0=KnL+2L1　　（2-23）

式中　K——修正系数，0.9～1；

n——波数；

L1——膨胀节两端直段长，mm。

筒节纵缝应采用氩弧焊或等离子焊，焊缝余高经打磨平滑后再校圆。纵缝必须在成形前先进行射线检测，以保证焊缝质量，防止成形时开裂。

液压成形过程可以在专用设备上完成，也可在油压机上进行，此时，在工件内升压的同时，油压机也可加压，工件高度不断缩短，这可使膨胀节减薄得少一些，工件内压力也可小些。在工件内衬贴橡胶制成的液袋以盛住液体，这会使得液压胀形过程更加可靠。

液压胀形是使筒节轴向和环向产生剧烈变形的过程，变形最终要使坯料与成形模具贴紧，从而达到所要求的曲线形状，因此在计算成形压力时，应考虑塑性变形冷加工强化的因素。

对于HF型膨胀节，由于是两个半波零件焊成的，每个半波零件需单独冲压成形，也可旋压成形。先将一环形板坯压成盘状，然后再翻边。坯料可分瓣拼接，冲压成形也可一次完成（图2-56），再按半波零件二次号料、气割，组焊成膨胀节。分瓣拼接焊缝应预先无损检测合格，成形后再进行复检。组装环缝需经100％射线检测。冷成形的碳钢、低合金钢波形膨胀节需进行消除应力退火处理。