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        不銹鋼蒸發(fā)冷凝器焊接問題分析及對(duì)策

        2014-11-24 08:22:44瑞星集團(tuán)有限公司山東東平271509鞏汝強(qiáng)張道福
        金屬加工(熱加工) 2014年4期
        關(guān)鍵詞:筒體焊縫變形

        瑞星集團(tuán)有限公司(山東東平 271509)鞏汝強(qiáng) 張道福

        1.概述

        2012年12月,我公司承接了兩臺(tái)FN=1600m2蒸發(fā)冷凝器的制作任務(wù),該設(shè)備是CO2氣提法年產(chǎn)80萬t尿素裝置中的關(guān)鍵蒸發(fā)設(shè)備之一,總重36t,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 FN=1600m2蒸發(fā)冷凝器結(jié)構(gòu)

        該設(shè)備管板外徑為2260mm,管板厚度100mm,管板上鉆φ25.4mm管孔3544個(gè),換熱管規(guī)格為φ25mm×1.6/L=6000mm。該設(shè)備公稱直徑為DN2100mm,殼程筒體厚14mm,殼程上半部分有DN2400mm導(dǎo)流筒一件,上面有φ1032mm×16mm接管一件,材質(zhì)均為022Cr19Ni10(00Cr19Ni10)。該設(shè)備上下兩管箱部分材質(zhì)為Q345R,筒體厚18mm,其中上管箱上面有φ932mm×16mm接管兩件。

        2.焊接難點(diǎn)分析

        (1)易產(chǎn)生焊接變形 殼程導(dǎo)流筒和上管箱上面都有大尺寸開孔,焊接接管時(shí)容易產(chǎn)生筒體塌陷變形。尤其是殼程導(dǎo)流筒部分,其材質(zhì)為022Cr19Ni10,該類材料線膨脹系數(shù)較大,傳熱系數(shù)較小,更容易產(chǎn)生較大的焊接變形。

        (2)影響管板的密封性能 管板與殼程筒體接頭連接形式如圖2所示。由圖2可看出,焊接管板與筒體的角焊縫時(shí),焊縫填充金屬較多,如果控制不當(dāng),隨著焊縫金屬的冷卻收縮,容易產(chǎn)生管板邊緣部分向筒體部分拉伸、管板中間部分向外突出變形的現(xiàn)象,從而影響管板的密封性能。

        圖2 管板與殼體接頭連接形式

        (3)焊接熱輸入的控制 管板直徑較大,換熱管根數(shù)較多,焊接換熱管與管板角焊縫時(shí),熱輸入過于集中,如果控制不當(dāng),容易導(dǎo)致管板發(fā)生不規(guī)則的波浪形變形。

        3.施焊方案及控制措施

        (1)導(dǎo)流筒及管箱焊接的控制措施 為防止導(dǎo)流筒及管箱大口徑接管在焊接過程中發(fā)生變形,我們采取了一系列的防變形措施。

        第一,使用輔助支撐工裝。根據(jù)以往的制作經(jīng)驗(yàn),我們根據(jù)導(dǎo)流筒和管箱的內(nèi)徑尺寸分別制作了兩套防變形支撐工裝。工裝分為上、下兩部分,由弧形墊板、弓形板、筋板和圓形墊板組成,工裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        圖3 支撐工裝結(jié)構(gòu)

        焊接接管前,先將上、下兩部分支撐工裝分別放置于接管筒體及其對(duì)應(yīng)的位置,使用1臺(tái)32t螺旋千斤頂放置在中間圓形墊板上,使用4臺(tái)16t螺旋千斤頂放置在外面4塊圓形墊板上,將上下兩部分頂緊。當(dāng)螺旋千斤頂?shù)男鲩L(zhǎng)度不足時(shí),可在千斤頂頂蓋上面放置長(zhǎng)度、直徑適宜的高壓管短節(jié),使工裝的弧形墊板與導(dǎo)流筒或管箱筒體的內(nèi)壁緊密接觸,以有效地防止焊接過程中筒體的徑向變形。具體操作場(chǎng)景如圖4所示。

        根據(jù)我們多年的施工經(jīng)驗(yàn),焊接前可以使用千斤頂將筒體向外支撐出6~8mm的變形量,這樣焊接完成后,由于工裝的支撐作用,筒體的塌陷變形很小,與6~8mm的預(yù)變形量基本上可以抵消掉。這樣既有效降低了實(shí)際變形量,又減少了焊接殘余應(yīng)力。

        圖4 工裝使用情況場(chǎng)景

        第二,焊接時(shí)嚴(yán)格控制焊接熱輸入。使用小電流多層多道快速焊法,焊接時(shí)焊條不作橫向擺動(dòng),控制焊道之間的層間溫度<60℃。每焊完一層,檢查合格后用小刨錘敲打焊縫表面金屬至焊道模糊,以釋放焊接應(yīng)力,待焊縫金屬冷卻到60℃以下時(shí)再進(jìn)行下一道的焊接,如此反復(fù)直至全部焊完。待焊縫完全冷卻后再拆除掉支撐工裝。

        (2)管板與筒體角焊縫焊接的控制措施 使用管箱法蘭對(duì)管板進(jìn)行剛性固定。制作過程中先不進(jìn)行管箱法蘭的焊接,焊接管板前,使用雙頭螺柱把管箱法蘭與管板牢固地緊固在一塊,如圖5所示,對(duì)管板的邊緣部分起到了有效的固定作用,降低了管板焊后邊緣部位受力拉伸變形的可能。

        如圖6所示,將管板中間部分10根換熱管臨時(shí)抽出,使用圓鋼加工10根M24×6080mm拉桿,穿入管孔中用螺母緊固,然后對(duì)每根拉桿周圍的6根換熱管的兩端進(jìn)行焊接,相當(dāng)于對(duì)管板中間部分進(jìn)行了10處支撐和固定,降低了管板中部向外突出變形的可能。

        采用合理的焊接參數(shù),嚴(yán)格控制焊接熱輸入,采用小電流多層多道快速施焊的方法進(jìn)行焊接,焊接時(shí)焊條不做橫向擺動(dòng)。每焊完一層,檢查合格后用小刨錘敲打焊縫表面金屬至焊道模糊,以釋放焊接應(yīng)力。待焊縫金屬冷卻到60℃以下時(shí)再進(jìn)行下一道的焊接。因該設(shè)備筒體直徑較大,焊接時(shí)采用兩名焊工分段對(duì)稱施焊,下一層焊縫起點(diǎn)與上一層焊縫起點(diǎn)錯(cuò)開90°,焊接參數(shù)如表1所示。

        表1 管板與殼體的焊接參數(shù)

        圖5 使用管箱法蘭對(duì)管板進(jìn)行剛性固定

        圖6 雙頭螺栓在管板上的分布位置示意

        (3)換熱管焊接的控制措施 因設(shè)備管板面積較大,焊接前我們把管板分成8個(gè)區(qū),如圖7所示。焊接時(shí)采用兩名焊工對(duì)稱施焊,第一名焊工按1、7、2、8區(qū)依次施焊,第二名焊工按5、3、6、4區(qū)依次施焊,焊接每個(gè)區(qū)內(nèi)的換熱管時(shí),均按照從中心向邊緣焊接的順序進(jìn)行焊接。

        圖7 管板分區(qū)焊接示意

        焊接采用氬弧焊,焊絲牌號(hào):H03Cr21Ni10Si,其焊接參數(shù)如表2所示。

        表2 換熱管管束焊接參數(shù)

        4.結(jié)語(yǔ)

        通過以上控制措施,我們順利完成了FN=1600m2蒸發(fā)冷凝器的制作,經(jīng)檢驗(yàn)各項(xiàng)均符合圖樣和有關(guān)規(guī)范的要求,壓力試驗(yàn)、氣密性試驗(yàn)合格。

        由此,我們得出結(jié)論:大型不銹鋼蒸發(fā)冷凝器由于材料和結(jié)構(gòu)的特殊性,容易產(chǎn)生焊接變形,但只要善于分析和總結(jié),對(duì)癥下藥,從工藝措施、焊接參數(shù)、焊接方法等方面加以注意,是完全可以把焊接變形控制到最小限度的。

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