【专家说】 787中央翼用的热压罐

2005年5月26日，波音公司将其787梦幻客机的全复合材料中央翼生产合同授予富士重工（FHI，日本名古屋）。这个连接机翼与机身的关键结构长17.4英尺（前后方向）、宽19英尺、厚4英尺（5.3米×5.8米×1.2米）。早在合同墨迹未干之时，这家波音长期开发合作伙伴（同时也是斯巴鲁汽车制造商）就已开始建造一座面积达100万平方英尺（逾92,900平方米）的设施用于生产该结构。新工厂中最大的装备是一台约23英尺长、直径23英尺（7米×7米）的热压罐，用于固化中央翼。这台热压罐的制造工作始于近一年前，由位于美国加州的装备制造商Taricco Corp（长滩市）在地球另一端启动。

该项目对Taricco Corp.来说非同寻常，不仅因为这台热压罐是该公司有史以来建造的最大设备之一，更因为这是公司首次未承担完整项目责任。Taricco Corp.仅负责热压罐的设计与材料供应，在富士工厂的建造安装阶段仅被允许担任技术监督角色。这一限制源于若干实际障碍。首先，热压罐的压力容器体积过大，若公司在加州制造并运输至日本，日本的道路法规会禁止其运输。其次，尽管Taricco Corp.在美国已通过ASME认证，具备热压罐建造所需的焊接资质，但该公司并未获得日本JIS标准的同等认证。因此，大部分工作将由后来确定的三个项目合作伙伴之一在现场完成。Taricco的项目经理博士解释道，在日本……大型项目通常会被授予某家大型制造商，但按照惯例，项目任务会分配给该企业经连会（横向与纵向整合的联盟）的成员。富士重工业为其经连会雇佣了三菱Technos株式会社（MTC，日本东京）担任热压罐设计与安装的项目经理。然而实际建造工作，MTC则交由新光工程维护有限公司（div.来自日本神户制钢所（Kobe Steel, Kobe, Japan）的认证焊接热压罐制造团队—佩顿特别指出，该团队拥有日本全国焊接冠军。

美国本土准备

截至2004年7月，Taricco公司已完成热压罐的初步工作范围和初始图纸——佩顿（ Payton）指出该公司创始人兼总裁塔里·塔里科（Tari Taricco）会亲自设计每台热压罐—其团队已耗费数月完善设计细节。即便在设计阶段，项目协调仍是最大挑战之一。"这个项目要求我们提前完成所有图纸，以便与日本制造团队和项目经理进行讨论。"佩顿表示。“但有时我们无法完成设计图，因为日本团队还在努力完善其规格细节。”

一个典型案例是20吨重的电动自动导引车（AGV），它将用于运输翼盒工具和铺层进入热压罐。佩顿的团队必须在热压罐内部设计AGV轨道，以适应AGV轴距，并确保AGV进出热压罐腔室的坡道能够承受单个车轮的压力。“日本客户及其团队仍在最终确定AGV的车轮数量以及车轮间距，而我们则被要求完成热压罐的内部图纸，”佩顿说道，“这可不是一台小机器，也不是设计中微不足道的一部分。”最终，部分设计特性不得不大幅延迟至制造阶段。“实际上我们在完成内部最终设计前，就进行了热压罐外壳的水压测试，”佩顿指出。

压力容器设计完成后，1.25英寸/31.75毫米厚的钢板被切割成所需尺寸并配对到日本，在那里被卷成半圆柱体并组装成压力容器的圆柱形外壳。钢板也被配对到日本用于制造容器的穹顶形端部，即“封头-heads”，其中一个用于永久固定在组装好的容器上，另一个则构成其巨大的入口门。日本一家分包商将这块钢板压制成“封头-heads”，随后将其切成两半并配对到施工现场。Taricco Corp.制造了两个钢鞍座（支撑容器圆柱体的U形固定装置）和双层板，然后将其减半，形成圆柱体/鞍座界面，以分配圆柱体的质量，避免容器主体上的点压缩载荷。

Taricco公司的技术人员还制造了三个直径为23英尺（7米）的钢环，分别用于形成压力容器门闭合机构的头部配对法兰、壳体配对法兰和锁紧环。每个钢环均采用整体锻造工艺，经机械加工至最终构型（公差为25至30密耳）后，为便于运输被切割成两半。为确保法兰半环能在日本顺利重组，每个配对法兰环均加工有带锥形端部的接合台阶，从而使整个配对区域可完全填满焊缝。这将确保操作过程中结构完整性，当头部配对法兰和壳体配对法兰配对以密封压力容器时。锁定环包裹着配对的法兰，仍保持为两件式结构，在固化操作期间用螺栓固定在一起，以确保闭合处的压力密封。

绕了半个地球

佩顿和他的团队跟随配对的材料和组件，于2005年1月抵达现场，与所有三家日本公司合作。他们审查了设计的每个方面，并监督了每个安装步骤以确保成功。佩顿回忆道：“我们原本计划项目耗时约10个月，预计到2005年10月完成。然而，由于设计要求的变更，热压罐最终于2006年5月初完工。”

“光是制定时间表就非常困难，因为热压罐与容纳它的生产设施是同时建造的，”佩顿解释道，并回忆说，“我们到达工地时，那里没有建筑，没有地基，只有钢材躺在雪地里。”为热压罐浇筑了一块1.6英尺/0.5米厚的混凝土垫层，直到建筑地基完成，热压罐组件才能被移入室内并安置在最终位置。

在临时基础上，新光公司将两个半圆柱体焊接成一个"罐体"，使用一套重型动力滚轮装置将罐体旋转180度，以便焊接另一侧的接缝。此操作在另外两个半圆柱体上重复进行。随后，组装好的罐体被置于滚轮上，经过精确对准形成对接接头，两个部分在360度旋转过程中完成焊接。接着，新光公司将封头半体重新焊接组成前后封头，并完成鞍座结构的焊接）。

组装过程因以下事实而复杂化：如果这些大型、重型部件简单地以直立姿态组装并焊接在一起，容器筒体、法兰和封头会在自身重量作用下出现下垂。每个部件都会略微失圆，因此无法正确配合。解决方案是遵循Taricco标准做法，该做法基于处理大型金属部件的丰富经验值：故意将环件焊接为失圆状态，这样在安装时，重力作用于环件的大质量会将其拉回正圆状态。长金属柱被点焊到位，以保持椭圆形，同时两半环被对接并焊接。整个过程对现场制造人员来说非常陌生且未经测试，直到他们发现这确实能纠正下垂问题。所有焊接完成后，每一处都进行了X光检查。

起重机吊起后端封头，将其与筒体的后端开口对齐，然后用夹扣固定到位。（“夹扣固定”是指在筒体和封头上焊接支架，然后使用楔块对齐两者的焊接坡口。焊接坡口需沿直径25英尺/7.6米的筒体全程紧密对接后进行焊接。筒体与封头之间的焊缝必须完全穿透1.25英寸/31.2毫米厚的钢板，直至0.125英寸/3.18毫米的台阶。）

此时，罐体被吊到鞍座上的适当位置。Shinko还钻穿了贯穿件，并在所有接线和管道必须进入或离开热压罐的地方焊接了钢接头；容器经过压力测试后，不允许再进行焊接。罐体已连接后盖，准备接收前盖和罐门关闭机构。Taricco在监督下，Shinko将配合板或连接板夹紧在每个锁环半部上，然后在每个板上钻孔和攻丝，以便将其栓接在封头和壳体法兰的正确位置。头部法兰和前头部焊接在一起并放在一边。接下来，将锁环放置在壳体法兰周围，整个组件由起重机吊起，紧靠热压罐的前部，并在锁环保持“松动”的情况下一直固定到位。然后将壳体法兰焊接到气缸上。最后，将垫片固定在缸盖法兰上，起重机将缸盖组件拿起并放置在锁环内，使用六个液压缸旋转锁环将缸盖锁定到位。。

水压试验与安装

此时，热压罐已准备好进行最大工作压力1.25倍的压力测试，这是ASME为确保其能承受设计载荷所需的安全系数。出于安全考虑，测试使用水而非空气进行。水具有不可压缩性，可快速建立压力而不储存能量。若使用气压测试，即便通过微小裂缝释放储存能量的高压空气，也可能引发爆炸。

所有贯穿孔均用钢制管塞封堵，并使用小型高压水泵将热压罐完全注满135,000加仑（112万磅）水。根据JIS规范要求，内部压力实际提升至热压罐设计工作压力的1.33倍，且静水压力在各方向均保持均衡。水泵上的校准仪表已通过国家认证检查员的现场见证与认证。

随后，热压罐被排空并准备搬迁至其永久位置——弗吉尼亚州汉普顿FHI现已完工的复合材料翼盒装配设施内的下沉式舱室。各种尺寸的大型钢梁经过钻孔并用螺栓固定，以在运输过程中提供结构支撑。加固后的热压罐随后被放置在"坦克"（本质上是超大滚轮滑板）上，使其能够通过牵引器被拉入基坑。

测量凹坑以精确对齐热压罐。在坑底上画一条线，标记热压罐的水平轴，该线与坑的水平轴对齐。在坑的前部，然后以与第一条线精确成90°角（在几弧秒内）的角度测量第二条线。第二条线将定位热压罐轮式门托架的轨道系统，该系统必须与热压罐轴精确成90°角对齐，否则锁环将无法正常工作。

门架设计用于完成两项任务：（1）液压移动前盖/门盖，使其能够密封和打开门口；（2）将前盖的最大重量向左运输（正面朝上），直到它离开容器开口。齿轮电机将速度降低到1转/分，并旋转链传动装置，使托架轮转动，使前端/门沿着坑底的轨道移动。热压罐前安装了一座桥，以跨越这条铁路坑中的间隙，使AGV能够从车间穿过热压罐内部。桥和热压罐门的设计是同步移动的，当热压罐门打开时，桥移动到位，当热压罐门关闭时，桥移开。这座桥上的AGV轨道和热压罐内的AGV轨道之间只有0.125英寸/3.2毫米的间隙。

大气控制系统

此时，新子开始给热压罐内部加装设备。技术人员将小钢针的头部焊接在热压罐外壳的内侧。将非常致密、3英寸/76毫米厚的矿工棉板推入钢针上；然后在钢针上放置不锈钢垫圈，再将钢针弯曲压在垫圈上，以固定隔热层。接着，是最后一层钢板。

用铝包层覆盖的板材被固定在热压罐内部，以覆盖绝缘层。固定方法是将一条2英寸（51毫米）宽的金属带连接到焊接钢钉环上，大约每隔3英尺（0.91米）在热压罐内布置一圈。随后铺设铝包钢板材，每块板材边缘重叠约0.5英寸（12.7毫米），但留出1英寸（25.4毫米）的间隙。另一条金属带被拧紧在上方，使板材能够包裹内部，同时在加热和冷却过程中膨胀收缩而不发生弯曲。利用预装的穿线管，Shinko公司的技术人员随后安装了照明和仪表的线路。

热压罐的燃气炉位于坑内的独立腔室中，为热压罐内部安装的加热线圈提供热空气，用于加热容器的加压气氛。该线圈由两根直径3英尺/0.91米的不锈钢管组成，间距约15英尺/4.57米，通过一系列较小管道连接，全部采用氦弧焊构成复杂的循环系统。随后，将风扇电机装入热压罐后部的胶囊中。风扇电机的轴通过后壁上的一个小喷嘴进入热压罐室（喷嘴不需要压力密封，因为风扇电机室是压力容器的一部分）。在热压罐内部，直径为7英尺/2.13米的风扇被螺栓固定在轴上。随后安装了支撑地板、侧壁和走道的钢结构，包括地板中用于处理AGV和787翼盒组件及工装所施加的联合载荷的结构——仅零件和工装的重量就约为20公吨（超过44,000磅）。

该热压罐中的气流设计不同于标准热压罐。标准设计通常采用单一的环形管道，推动空气沿热压罐的水平轴流动。在热压罐舱中固化零件时，目标是在零件温度从固化温度逐步升高、稳定再逐步降低的过程中保持温度的均匀性。由于翼盒的尺寸和形状，需要同时具备轴向和垂直气流。这一成果是通过在天花板和地板中设计若干管道实现的，气流可通过管道内计算机控制的百叶窗进行调节，这些百叶窗会根据零件固化过程中测量到的温度分布进行调整。

在热压罐中，将通过安装锥形壁于风扇前方并配置冷却盘管来进一步控制气流。这样，空气将被吸入风扇的中央进气口，随后被径向推送至热压罐后部，经过加热盘管后进入地板和天花板的风道，由风道将空气向前输送。空气将在热压罐前部的风道出口排出，然后沿腔室返回，强制通过冷却盘管后，由锥形壁引导回风扇进行再循环。因此，热压罐内的空气将始终同时流经冷却盘管和加热盘管，从而优化加热和冷却效率。在运行过程中，当仅需加热时，冷却盘管会被关闭，且控制系统会同时管理两个盘管以调节热压罐内部的温度。

真空/压力系统与过程控制

最后，真空/压力与控制系统安装完毕。两台滑橇式真空泵被固定在热压罐左侧的平台上，连接至100多个水冷真空阀，每个阀门都配有树脂收集器，并布线至可编程逻辑控制器（PLCs-programmable logic controllers）。在坑外安装了一个用于汽化液氮并向热压罐供应气态氮的子系统。这使Taricco提供了一项新功能：能够使用空气、氮气或定制混合气体进行加压，并可通过Taricco的热压罐控制系统将压力引入并维持在3%的精度范围内。

Taricco TCS温控系统是一个独立套件，由两台基于Windows系统的PC（其中一台作为冗余备份系统）、常见品牌PLC硬件组件以及温控系统软件组成。（采用标准组件是为了在维修或维护期间避免更换成本高昂且难以采购的替代品。）其中PC机凭借其专利TCS软件作为操作员界面，运行名为固化周期"配方"的程序，该程序通过以太网连接向PLC发送一系列设定值。PLC随后会引导所有其他装备，包括真空阀、燃烧系统、加热线圈、冷却线圈和风扇，以达到设定值。佩顿表示，TCS软件提供广泛的数据记录、配方管理和存档以及网络支持，并且它可以在任何版本的Windows上运行。他补充说，TCS可以支持多性向语言，并且适用于任何复合材料加工硬件，不仅包括热压罐和烘箱，还包括压力机和树脂传递模塑（RTM-resin transfer molding）装备。

该控制系统由位于坑左侧上方的控制中心管理，使操作员能够在加工过程中控制袋内真空压力，从完全真空到热压罐内部压力不等。当真空袋装件放入热压罐后，操作员可通过抽真空使袋内形成负压，利用大气压力将部件压紧在工具上。操作员随后可以通过向袋中泵入空气来控制压差，选择所需的任何压力，最高可达并包括热压罐压力，对于该热压罐而言，该压力将超过100 psi/6.9 bar。

控制系统不仅管理热压罐内部空气的温度，还管理部件本身的温度。787中央翼足够大，预浸料在固化过程中的放热是一个真正需要关注的问题。放热是由树脂内部化学反应引起的，当达到临界温度时就会触发。因此，必须采取措施确保部件能够缓慢升温，以控制放热。零件表面布置的热电偶将温度数据发送至TCS计算机，该计算机持续监测数据是否存在超出"recipe"参数的升温。若检测到异常温升，系统会指令控制加热/冷却/风道系统的PLC协同响应，使温度受控，防止零件任何部位出现"runaway"放热现象。

在所有系统就位并运行后，使用与每次固化部件相同的程序检查真空系统是否存在泄漏。首先，操作员抽取全真空，然后将软管连接到真空阀上，随后依次打开阀门。连接至真空袋的传感器会显示真空袋是否保持全真空状态，此时可精确定位并修复泄漏点。在正常操作中，操作员还需测试热电偶，随后关闭罐门并启动固化周期。

FAA认证并准备投入生产的

FHI的热压罐已于2006年6月完工并投入使用，在八至九小时的固化周期内可承受139 psi/9.6 bar的压力和高达400°F/204°C的温度。翼盒制造设施于2006年5月开始制作测试面板，FHI于同年9月成功使该设施获得FAA对787翼盒组件生产的资质认证。此后，作为787验证和FAA认证流程的一部分，该设施已完成多个全尺寸翼盒组件的制造。当部件进入生产阶段后，已固化的中央翼（段号11）将被运往相邻工厂—该厂规模仅为翼盒设施的一半—在那里与787主起落架舱（段号45）（由另一家787合作伙伴川崎重工生产）进行对接。随后，组装件将通过驳船横穿名古屋海港湾，运抵该市新建的Centair机场，再由改装过的747运输机空运至华盛顿州西雅图的波音埃弗雷特总装厂。