牛仲凱
我公司承接的某裝置EO氣提塔再吸收塔內(nèi)部冷凝器,其規(guī)格為φ4200/φ2900mm,厚度為30mm,重量為87t,殼體材料為16MnR, 厚度為30mm,換熱管為雙相不銹鋼材料2205,規(guī)格為φ38.1mm×1.65mm,共有3 227根。管板材料為16Mn鍛件堆焊H308L,管板厚度(127+10)mm,換熱管與管板采用強(qiáng)度焊+貼脹的連接方式。該設(shè)備管程介質(zhì)為EO+C2H4,EO屬于高度毒性的易燃介質(zhì),下管板位置濃度為58%。設(shè)備是塔體的中間段,上下管板需分別與塔體的上下段焊接。
該設(shè)備制造難點之一就是設(shè)備下管板處的換熱管與導(dǎo)流管的焊接。根據(jù)設(shè)計換熱管在下管板伸出長度為10mm,在伸出的管端再焊接一個導(dǎo)流管,長度為177mm,直段部分長度為35mm。該導(dǎo)流管的材料、規(guī)格與換熱管相同,設(shè)計要求為對接焊縫必須焊透,內(nèi)部必須光滑,不允許有未熔合、未焊透、凹陷及咬邊等缺陷,否則可能導(dǎo)致EO在縫隙或尖銳突出或凹坑內(nèi)產(chǎn)生凝聚,堵塞換熱管,引起安全生產(chǎn)事故。由于管子排列密集,導(dǎo)流管長度較大,管壁薄,故采用常規(guī)的焊接方法不可能保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。如何完成導(dǎo)流管與換熱管的焊接,成為設(shè)備制造的一個關(guān)鍵。下管板與換熱管、導(dǎo)流管結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 導(dǎo)流管與下管板、換熱管結(jié)構(gòu)
(1)焊接方法的選擇 管子的材料為2205,規(guī)格為φ38.1mm×1.65mm,管壁相對較薄,對電流的承受能力較低,無法使用普通的焊條電弧焊,即使普通手工鎢極氬弧焊也很難保證不被熔穿;另外,換熱管的間距小,管橋僅9.7mm,導(dǎo)流管伸出177mm,手工鎢極氬弧焊焊槍不能深入其中;同時由于壁厚小,添加焊絲后容易出現(xiàn)焊縫余高增加,所以選用直邊坡口,不留間隙的接頭形式。為了避免焊接過程母材燒穿的產(chǎn)生,選用脈沖鎢極氬弧焊的方法,可使母材在焊接過程中采用基值電流時熔池較快凝固,得到暫時的冷卻,避免熱量集中將管壁熔穿。因此,選擇自動脈沖鎢極氬弧焊的焊接方法能保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量。
(2)焊接設(shè)備的選擇 根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點,當(dāng)導(dǎo)流管點焊后受到相鄰已焊接完的導(dǎo)流管影響,無法從外部焊接整道焊縫,只有采用內(nèi)孔焊接方法將鎢極伸入到管子內(nèi)部,調(diào)試出合理的焊接參數(shù),從內(nèi)側(cè)向外部熔焊,才能保證整道焊縫的熔透性和表面質(zhì)量。為此我們利用公司現(xiàn)有的鎢極自動氬弧焊機(jī)的電源和焊接機(jī)架部分,電源為WMZ1—315,能夠輸出脈沖電流,電流的可調(diào)節(jié)范圍為:10~315A;焊接機(jī)架為龍門式結(jié)構(gòu)上安裝上下左右可調(diào)節(jié)的焊接機(jī)頭支撐機(jī)構(gòu)。由于本次焊接接頭的焊縫深度為177mm,必須選擇制造深度內(nèi)孔焊機(jī)頭才能滿足要求,機(jī)頭應(yīng)該考慮焊縫的深度定位和中心定位。我們與某公司合作開發(fā)了一套適合本設(shè)備結(jié)構(gòu)的內(nèi)孔焊機(jī)頭,配合電源和機(jī)架組成一套焊接設(shè)備。該焊接機(jī)頭由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、氬氣管路、中心桿、定位塊、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成(見圖2)。
圖2 焊接機(jī)頭
(3)換熱管與管板焊接的實體模型(MOCK UP)試驗 實體模型的材料、管板厚度、換熱管、坡口形式尺寸及導(dǎo)流管尺寸完全模擬設(shè)備。實體模型結(jié)構(gòu)如圖3所示,通過對實體模型的焊接和相關(guān)的焊接工藝評定試驗發(fā)現(xiàn)一些問題并逐步完善焊接工藝,制作和改進(jìn)焊接工裝,最終形成了良好的外觀成形和焊接工藝。
我們制作了300mm×300mm,厚度為(127+100)mm的模擬試件兩件,按照管板的換熱管布管尺寸鉆32個管孔,換熱管材料和規(guī)格、伸出長度完全按照產(chǎn)品來制作。
第一,換熱管與管板的焊接,采用與設(shè)備焊接完全相同的焊接工藝來施焊,采用手工焊接。
第二,導(dǎo)流管與換熱管的焊接,組對過程嚴(yán)格保證質(zhì)量,導(dǎo)流管和換熱管中心線偏差<0.5mm,斜管的切口方位和參考方位的角度偏差<2°,焊縫距離管板表面為(10+2)mm,組對和定位焊需要適當(dāng)?shù)墓ぱb夾具來防止錯位和錯配。
為保證組對質(zhì)量,我們特制了組對工裝夾具,使每次的組對能保證同心度的要求;在焊接過程中我們研制了外部的防氧化保護(hù)罩,防止接頭外部表面在焊接中的高溫氧化。由于焊接過程中焊工無法對焊接過程進(jìn)行控制,這就要求鎢極與焊縫的相對位置、距離必須要一致,為此我們也研制了相應(yīng)的工裝和方法。
第三,焊接完畢使用內(nèi)窺鏡對焊接區(qū)域進(jìn)行檢查,鏜磨內(nèi)壁焊縫,保證鏜磨后焊縫表面沒有可見的焊接缺陷,不允許有裂縫、未熔合、凹陷及咬邊等缺陷。
圖3 實體模型
焊接完畢后,對導(dǎo)流管和換熱管的10個接頭進(jìn)行了射線檢測、滲透檢測、外觀檢查和力學(xué)性能試驗。試驗結(jié)果如下:①外觀檢查:合格。表面沒有發(fā)現(xiàn)任何氣孔、未焊透、咬邊、裂縫和凹陷等缺陷。②滲透檢測:符合JB/T4730.5—2005,I級。③射線檢測:符合JB/T4730.2—2005,I級。④力學(xué)試驗結(jié)果:抗拉強(qiáng)度為560~620MPa;彎曲試驗合格,沒有任何開裂現(xiàn)象。
根據(jù)實體模型試驗中積累的數(shù)據(jù),獲得了合理的焊接參數(shù)如附表所示。
焊接參數(shù)
焊接過程中需注意以下幾點:
第一,換熱管與導(dǎo)流管接頭必須在產(chǎn)品的管板與換熱管焊縫焊接完畢,并經(jīng)無損檢測和水壓試驗合格后進(jìn)行,否則發(fā)現(xiàn)管板與換熱管缺陷后就無法進(jìn)行返修。
第二,將設(shè)備旋轉(zhuǎn),使成排的換熱管管頭連線為水平位置;這樣才能保證自動焊接過程的方便施焊。
第三,根據(jù)設(shè)備的要求進(jìn)行焊接之前的檢查,包括地線的牢固程度,必須焊接在焊件上或擰牢;焊接過程中同一臺產(chǎn)品上不能同時焊接其他的部位,因為這樣可能對設(shè)備產(chǎn)生干擾造成電流的波動;在使用高頻引弧的鎢極氬弧焊點焊接管過程中必須關(guān)閉自動焊機(jī),防止高頻干擾程序模塊;點焊后必須將手工焊機(jī)的地線拆除后再焊接產(chǎn)品。
第四,焊工必須熟悉設(shè)備操作規(guī)程,熟練運(yùn)用控制按鈕,并能熟練編寫焊接程序。焊接過程中,每個焊工焊接當(dāng)班首件焊縫前必須先在試件上進(jìn)行試驗,確認(rèn)焊機(jī)是否完好,焊接參數(shù)是否能滿足要求。
第五,焊接組對時要求導(dǎo)流管的缺口必須朝向一致,并且都朝上,這樣方便中心桿的出入,也方便焊接質(zhì)量的觀察檢測。
第六,焊接中要利用合理的組裝順序,一層層焊接,點焊一層焊接一層,這樣焊縫有缺陷可以修補(bǔ),還能保證焊接的效率;焊接中出現(xiàn)焊接缺陷時要立即修復(fù),防止后排導(dǎo)流管阻礙缺陷的返修。由于機(jī)頭焊接時為順時針旋轉(zhuǎn),燒穿的位置一般在立向上位置,這樣要求定位焊時從右向左,有問題后能夠在可視的范圍內(nèi)修補(bǔ)。
第七,焊接過程中要經(jīng)常檢查焊接機(jī)頭上的定位塊、中心桿是否完好,氬氣是否充足,鎢極是否需要修磨等。
第八,產(chǎn)品焊接后必須進(jìn)行逐根的檢查、鏜磨,使表面光滑無任何缺陷。焊接完成后的管板照片如圖4所示。
圖 4
焊接技術(shù)要點主要包括:
第一,導(dǎo)流管與換熱管的組對是成功焊接的關(guān)鍵工序,只有組對滿足要求才能焊出合格的焊縫。在換熱管與管板焊接完畢后,可能出現(xiàn)換熱管的管端被鎢極熔出缺口,或管頭焊后由于焊接應(yīng)力導(dǎo)致管口變形,這樣的管口組對后會出現(xiàn)錯口或縫隙,很容易造成焊縫燒穿。這就要求組對之前對變形的管端進(jìn)行校圓、修磨及對被熔的管頭進(jìn)行焊接修補(bǔ),確保組對的質(zhì)量能滿足焊接要求。
第二,組對過程中如果有不可避免的間隙,一般應(yīng)將間隙留在上部,采用氬弧焊將間隙堵上后再焊接,如果留在下部則很容易燒穿。
第三,焊接過程中起弧位置一般應(yīng)位于6點位置,使整個管子在溫度較低的時候向上立焊,溫度較高的時候立向下焊,防止焊縫燒穿。
第四,鎢極尖端部必須正對焊接位置,這就要求焊工細(xì)致的工作,偏差不能超過0.5mm,否則易造成未熔合或未焊透。
第五,焊接中心桿必須垂直換熱管,這樣才能保證鎢極距離焊縫的距離保持一致,不至于發(fā)生局部未焊透或局部燒穿的缺陷。
第六,鎢極到焊縫的距離也非常關(guān)鍵,一般要求為1.5~2.5mm,在每次磨削鎢極后必須嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行安裝調(diào)試。
第七,氬氣的質(zhì)量嚴(yán)重影響焊縫表面的氧化程度,因此要確保焊接氣體的純度。
通過產(chǎn)品實體模型的檢驗和試驗獲得了一套焊接技術(shù)經(jīng)驗,摸索出了合理的焊接順序、焊接工藝,經(jīng)過實際應(yīng)用,證明能夠滿足產(chǎn)品焊接的要求。采用本辦法完成產(chǎn)品的焊接,實現(xiàn)了產(chǎn)品的國產(chǎn)化,填補(bǔ)了我公司一項焊接技術(shù)空白。