锅炉压力容器制造工艺中成型方法的比较与选择研究

1 前言

随着“双碳”目标推进，能源结构调整加速，LNG 储罐、核电锅炉等特种压力容器需求激增，并且新修订的 GB 150《压力容器》与更新的 ASME BPVC 标准进一步强化了设备安全与环保要求，对成型工艺的精准性提出更高挑战。同时，数字化成型模拟、智能化在线监测等新技术逐步应用，传统依赖经验选择成型方法的模式已难以适配新材料、新工况的生产需求，导致部分企业面临工艺适配性差、成本居高不下的问题。因此，开展锅炉压力容器成型方法的选择与比较研究，既是解决生产实际难题的迫切需要，也是推动行业工艺升级、契合政策导向与科技发展趋势的关键举措。

2 锅炉压力容器制造工艺中成型方法的比较分析

2.1 工艺特性

封头冷压基于常温下模具冲压实现塑性变形，需配置中小型油压机与冲压模具，操作复杂度低且生产效率高。封头热压通过加热状态下加压成型，依赖大型水压机与加热炉，操作复杂度中等，生产效率中等。封头旋压采用渐进式旋转加压成型方式，需配备旋压机床与仿形机构，操作复杂度高，生产效率与热压相当[1]。筒体冷卷焊以常温卷板配合纵缝焊接加工，需三辊卷板机与焊机，操作复杂度低且生产效率高。筒体分段热压经分片热压后组焊调质，需 8000T 油压机与热处理炉，操作复杂度高且生产效率低。无缝成型依托挤压与车削一体化工艺，需专用挤压机床与数控机床，操作复杂度高，生产效率处于中等。

2.2 性能指标

在几何精度方面旋压成型圆度误差 ⩽1mm ，该精度水平优于冲压成型，而分段压制过程中需要严格控制开口尺寸以保障后续装配质量。从力学性能来看半球形封头热压处理后的壁厚减薄量大于椭球形封头，通过改善润滑条件能够减少 30% 的壁厚减薄，无缝成型产生的残余应力比分段成型更小，这种残余应力需要通过焊后热处理消除且处理时升温速度需 ⩽55C/h 。关于缺陷控制冲压成型在无压边圈的情况下容易产生皱纹，卷焊成型则需要控制咬边深度使其 ⩽0.5mm 以满足质量要求。

2.3 经济性

经济性对比可从成本构成与批量适配性展开，从成本构成来看冲压工艺的模具成本高于旋压工艺，这与冲压需专用大型模具而旋压模具结构更简单直接相关。设备投入层面分段热压远超冷卷焊，分段热压需配备 8000T 油压机等重型设备，冷卷焊仅需常规三辊卷板机与焊机即可满足需求[2]。能耗成本上热成型高于冷成型，热成型的加热环节会消耗更多能源，冷成型省去加热工序从而降低能耗。这种成本差异直接影响批量适配性，冷压与卷焊工艺因模具和设备成本能在大量生产中分摊，适配大批量制造，旋压与无缝成型则凭借模具成本低、适配特种结构的特点，更契合小批量特种产品生产。

2.4 合规性与材料适配性

封头冷压工艺适用材料为 Q345R 且厚度需 ⩽20mm ，在 GB 150 合规要求中明确其减薄量需≤名义厚度 10% ，该工艺在 ASME 认证体系中可接受 U 钢印。封头热压工艺适配厚壁的 SA387Gr11CL2 材料，GB 150 对其规定终压温度需 ，对应的 ASME 认证则要求进行 AI 见证。筒体卷焊工艺适用 16MnR 材料，GB 150 要求其焊缝需进行 100%RT 检测且检测结果需 ⩾I 级，该工艺在 ASME 认证中属于常规认证范畴。无缝成型工艺适用耐热合金材料，因无需焊接环节 GB 150 中未要求焊接探伤，这一工艺在 ASME 认证体系中被优先推荐，不同成型方法的材料适配与合规要求差异，需结合具体标准规范匹配应用场景。

3 锅炉压力容器制造工艺中成型方法的选择策略

3.1 选择影响因素体系构建

设计需求维度需考量压力等级，区分 ⩽35MPa 常规设计与超高压情况，同时结合温度工况划分低温与高温场景，还要关注介质特性是腐蚀还是无毒状态。材料特性维度需明确材质类型，包括碳钢、合金钢及不锈钢，同时确定厚度规格，参考材料的塑性指标[3]。生产条件维度需评估设备产能，涉及油压机吨位与卷板机规格，核查焊工资质，确认自身检测能力。经济目标维度需核算单件成本，规划生产周期，计算维护费用。合规要求维度需选定标准类别，在 GB 与 ASME 间明确适用规范，确定监检等级为 A、B 或 C 级，各维度共同支撑影响因素体系构建。

3.2 多目标决策选择模型

在层次分析法（AHP）的应用中，多目标决策选择模型需明确三层结构，目标层设定为最优成型工艺选择，准则层包含安全性能、经济性、生产可行性与合规性四个维度，安全性能权重设定为 0.4，经济性权重为 0.3，生产可行性权重为 0.2，合规性权重为 0.1，方案层则针对各候选成型方法开展量化评分。决策流程需依次开展需求解析，明确设备制造的核心诉求，完成后进入因素权重确定环节，依据准则层维度分配对应权重，后续进行方案评分，对候选工艺按权重体系打分，打分后需通过一致性检验验证结果合理性，检验合格后最终实现结果输出，为成型方法选择提供量化依据。

3.3 分场景选择

针对常规中低压容器（压力 ⩽10MPa ），优先选用冷压封头搭配冷卷焊筒体的组合工艺，这种工艺能凭借较低成本与较高生产效率满足该类容器制造需求。对于厚壁高压容器（壁厚 ⩾50mm 、压力 ≥16MPa ），需采用热压封头结合分段热压筒体的方案，同时配合焊后调质处理以保障力学性能与结构稳定性[4]。涉及特种材料容器（如不锈钢、低温钢）时，宜选用旋压成型或无缝成型工艺，这两种工艺能有效减少焊接缺陷，适配特种材料对成型质量的特殊要求。面对超大型设备（直径 >5m ），则采用分片成型后整体组焊的工艺，通过这种方式适配现有设备产能限制，确保超大型结构顺利制造。

3.4 动态调整机制

在动态调整机制中，当出现材料代用情况，比如采用 Q345R 替代 16MnR 进行冷压成型时，需针对两种材质在塑性、强度上的差异调整成型参数，避免因材质性能不同导致成型质量偏差[5]。当面临设备能力限制，比如企业缺乏大型压机无法开展热压成型时，可选用旋压成型替代热压成型，借助旋压工艺无需大型设备的特点适配现有生产条件。当 ASME BPVC 标准进行更新，其对探伤的要求发生变化后，需对应优化成型工艺中的质量检测环节，使工艺全过程符合升级后的标准规范，各调整方向均围绕实际生产中的变量适配成型需求。

4 结语

综上所述，通过系统研究，明确了封头冷压、热压、旋压及筒体卷焊、分段热压、无缝成型等主流工艺在工艺特性、性能指标以及经济性等方面的差异，并提出了针对性的成型方法选择策略，进而为锅炉压力容器的制造质量提供可靠保障。未来随着增材制造、数字孪生技术与锅炉压力容器制造的深度融合，成型工艺将向更精准、高效的方向发展，后续可进一步探索极端工况下的成型技术优化，推动选择策略的智能化升级，为行业应对特种装备制造需求、实现高质量发展提供更有力的技术支撑。

参考文献：

[1]付晓宇,于涛.锅炉受压部件制造过程中吊运工艺概述[J].锅炉制造,20 25,(04):38-39+50.

[2]张瀚文,舒浪,欧超博.装备数字化管理系统在锅炉制造企业的应用[J].中国战略新兴产业,2025,(02):127-129.

[3]韩强.小口径热轧管在锅炉制造应用中的性能优势[J].山西冶金,2024,47(11):36-40.

[4]王静,常小猛,谢利成.角管式锅炉过热器模块制造技术简介[J].锅炉制造,2024,(06):21-23.

[5]李秀华,王海亮,孙海权,等.生物质成型燃料真空相变锅炉的设计与试验[J].工业炉,2024,46(04):15-19.