中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司(上海市 200941)

向昌云 楊干堤 陳紅霞 耿會良 張顯輝

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水冷風(fēng)道鰭片焊接工藝

中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司(上海市 200941)

向昌云 楊干堤 陳紅霞 耿會良 張顯輝

水冷風(fēng)道在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中經(jīng)常發(fā)生漏水事故與鰭片的焊接質(zhì)量有關(guān)，在對鰭片的裝配及焊接難點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，制訂了水冷風(fēng)道鰭片的焊接工藝。結(jié)果表明，采用這些工藝措施保證了水冷風(fēng)道受熱面鋼管的焊縫質(zhì)量，提高了煉鋼與設(shè)備檢修工作效率，試驗(yàn)結(jié)果符合圖紙及設(shè)計要求，保證了煉鋼環(huán)節(jié)生產(chǎn)的順行。

水冷風(fēng)道 鰭片 焊接工藝

0 序 言

水冷風(fēng)道俗稱轉(zhuǎn)爐煙罩，是轉(zhuǎn)爐精煉的重要部件之一。水冷風(fēng)道管壁中心直徑為φ2 738 mm，材質(zhì)為Q245R高壓鍋爐管，規(guī)格為φ38 mm×5 mm，以水為介質(zhì)，對轉(zhuǎn)爐口及上部煙氣進(jìn)行冷卻，工作壓力為1.0 MPa，冷卻前爐口煙氣溫度為1 450 ℃，冷卻后出口煙氣溫度為800 ℃。水冷風(fēng)道在使用過程中，經(jīng)常會因各種原因造成漏水，破壞冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，需要停爐檢修甚至更換。常規(guī)的導(dǎo)致漏水的原因主要有：①異物沉淀物堵塞致水流不暢；②受熱面鋼管缺水而高溫變形、燒蝕、爆管；③集箱及聯(lián)箱、排管等對接接頭焊接質(zhì)量不良；④外力碰撞管壁變薄、破裂等。而在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，鰭片焊接缺陷會嚴(yán)重消弱管壁強(qiáng)度，在高溫和應(yīng)力的長期作用下，缺陷部位容易產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展，腐蝕介質(zhì)也可能浸入缺陷區(qū)域使腐蝕速度加快。當(dāng)管道承受不了工作壓力時則發(fā)生爆裂，而在制作過程中這一問題容易被忽視，且沒有針對性的焊接工藝控制措施。

文中主要對鰭片的裝配及焊接難點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，制訂了水冷風(fēng)道的焊接工藝，采用這些工藝措施保證了水冷風(fēng)道受熱面鋼管的焊縫質(zhì)量，保證了煉鋼環(huán)節(jié)生產(chǎn)的順行。

1 鰭片裝配及焊接難點(diǎn)分析

水冷風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，分為爐口段、Ⅰ段水冷風(fēng)道和Ⅱ段水冷風(fēng)道，其本體材質(zhì)為Q245R高壓鍋爐管，鰭片材質(zhì)為Q235B，化學(xué)成分見表1。

圖1 水冷風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式

材料CSiMnSPCrQ245R[1]0．17～0．230．17～0．370．35～0．65≤0．015≤0．025≤0．25Q235B[2]0．12～0．20≤0．30．30～0．70≤0．045≤0．045—

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，水冷風(fēng)道的焊接質(zhì)量往往只被關(guān)注RT及UT等檢測點(diǎn)，如管管對接、全熔透部位等，而容易忽視鰭片的焊接質(zhì)量。鰭片的作用是把風(fēng)道的受熱面壁管兩兩連接起來，增大散熱面積，增加連接強(qiáng)度，而鋼管與鰭片在焊接中產(chǎn)生的焊縫缺陷會改變水冷風(fēng)道本體的管壁厚度、傳熱性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。分析鰭片的焊接過程，存在以下幾個方面的難點(diǎn)：

(1)鰭片為6 mm×12 mm的扁鋼，材質(zhì)為Q235B，與之焊接的鋼管為φ38 mm×5 mm鍋爐管，材質(zhì)Q245R，連接方式如圖2所示。在水冷風(fēng)道管壁同圓周方向共排布172根鋼管和172條鰭片，必須制定恰當(dāng)?shù)呐挪脊に嚥拍鼙ＷC精度及提高布管工作效率。

圖2 鰭片與鋼管焊接示意圖

(2)根據(jù)設(shè)計要求，鰭片與鋼管的焊接必須達(dá)到如圖3所示的要求。t為鰭片厚度，a為焊腳高度，sw(sw11～sw22)為非影響區(qū)厚度，c(c1～c2)非熔透區(qū)域厚度，a1=a11+a12，a2=a21+a22，焊接要求為a1+a2≥1.25t，sw≥2，c≤0.4t(單位：mm)，并進(jìn)行宏觀試驗(yàn)抽樣檢查；其中特別是sw與c值很難同時達(dá)到，鰭片的熔深與管壁熔深相互影響又相互制約，同時焊接空間小，焊縫非常密集，且全部為連續(xù)焊，焊接量大。焊接過程中極易產(chǎn)生應(yīng)力及焊接裂紋，必須有相應(yīng)的工藝措施才能保證焊接質(zhì)量。

圖3 鰭片的焊接要求

(3)鰭片在鋼管間鑲嵌必須平整，與水冷風(fēng)道管壁圓周方向直徑一致，才能保證鰭片與鋼管的焊接位置不會改變，難度很大，必須有合適的工裝才能保證實(shí)現(xiàn)。

2 鰭片的焊接工藝

2.1 工藝流程

根據(jù)水冷風(fēng)道的結(jié)構(gòu)形式、制作工藝及設(shè)計要求，在其制作尤其在鰭片安裝過程中必須嚴(yán)格遵守一定的工藝流程才能保證水冷風(fēng)道的整體精度，才能為鰭片的焊接創(chuàng)造良好的條件。鰭片的安裝、焊接工藝流程如圖4所示。

2.2 鋼管與鰭片的定位排布工藝

(1)水冷風(fēng)道受熱面鋼管與鰭片組裝定位和總裝配必須在專用平臺和胎架(一種工藝裝備,根據(jù)用途分為不帶孔的內(nèi)胎架和帶孔的外胎架)上進(jìn)行，特制的組裝胎架如圖5所示。然后根據(jù)風(fēng)道圓周鋼管數(shù)量在外胎架每片籠骨上鉆φ40 mm通孔，均勻分布，便于鋼管穿過，內(nèi)胎架主要起支撐鋼管作用。內(nèi)胎架籠骨的外徑與外胎架通孔中心直徑必須與圖紙一致。

圖4 工藝流程圖

圖5 組裝胎架

(2)根據(jù)圖紙尺寸在專用平臺及胎架上安置水冷風(fēng)道地樣，并打上樣沖眼，做好標(biāo)記，以備在后續(xù)工序中作為施工與檢查依據(jù)。

(3)考慮到焊接收縮變形，胎架搭建時要留一定的制作余量，胎架幾何尺寸允許偏差為0～+5 mm。

(4)水冷風(fēng)道受熱面鋼管在拋丸后按圖紙要求進(jìn)行排布，共172根。

2.3 鰭片坡口加工及鑲嵌工藝

(1)對鰭片進(jìn)行表面除銹處理。

(2)用自制的專業(yè)坡口機(jī)對鰭片進(jìn)行雙面坡口加工，角度55°，鈍邊2 mm，保證坡口面光滑整齊，無缺陷，露出金屬光澤。

(3)用自制的專業(yè)工裝進(jìn)行鰭片的安裝鑲嵌，由里向外安裝，鰭片必須安裝在兩根鋼管的中間位置，與鋼管中心在圓周方向一致，最大允許偏差為1 mm，使之與鋼管有最大面積的接觸。

(4)用塞尺檢查鋼管與鰭片間的間隙，間隙越小越好，允許間隙不大于0.5 mm。鰭片鑲嵌及工裝如圖6所示。

(5)單節(jié)水冷風(fēng)道受熱面鋼管與鰭片鑲嵌組裝后如圖7所示。

(6)采用焊條電弧焊和CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行定位焊，定位焊焊縫長度不大于10 mm[3]。焊接參數(shù)選用見表2。

圖6 鰭片的鑲嵌與專用工裝

圖7 單節(jié)水冷風(fēng)道受熱面鋼管與鰭片組裝

2.4 鰭片的焊接工藝

2.4.1 焊接方法

為了滿足設(shè)計要求，焊縫熔深在鋼管側(cè)sw值與鰭片側(cè)的c值各有側(cè)重，同時構(gòu)件壁薄，焊接受熱面積不宜過大，焊接變形要小、焊接速度要快、冷卻速度要快等難點(diǎn)，決定采用CO2氣體保護(hù)焊[3]，熔深相對適中。同時，受熱面鋼管與雙面坡口鰭片間的焊接位置擴(kuò)大，焊絲易靠近焊接區(qū)，且增加了焊接面積，保證了焊縫區(qū)鰭片與受熱面管道的熔深適當(dāng)，使焊接操作更加方便。同時根據(jù)管板T型焊接接頭的特點(diǎn)進(jìn)行焊接工藝評定[4]，選定的焊接參數(shù)見表3。

表2 鰭片定位焊焊接參數(shù)[3]

表3 CO2氣體保護(hù)焊參數(shù)

2.4.2 焊接質(zhì)量保證措施

(1)焊工技能測試。對參與施焊的焊工按照焊接工藝要求進(jìn)行技能測試，即鋼管與鰭片焊接，試塊進(jìn)行宏觀試驗(yàn)檢測，同時對外觀缺陷進(jìn)行檢查，如咬邊深度超標(biāo)、未熔合等現(xiàn)象一律判為不合格，對測試合格的焊工進(jìn)行編號。

(2)焊道清理[4]。焊前應(yīng)清理焊道兩側(cè)，被焊接區(qū)域兩側(cè)50 mm(基本覆蓋整個鋼管表面)以內(nèi)不應(yīng)有油脂、氧化皮、鐵銹、定位焊渣殼等影響焊縫質(zhì)量的雜質(zhì)，用電動鋼絲刷打磨至露出金屬光澤。

(3)定位焊。嚴(yán)禁在焊道以外的母材上引弧，定位焊焊點(diǎn)不宜過大。定位焊焊點(diǎn)距離應(yīng)有規(guī)律，不宜隨意點(diǎn)焊，定位焊焊縫有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷時，必須徹底清除后重新焊接。

(4)焊接變位機(jī)的使用。為了使焊接一直處于平焊位置，把水冷風(fēng)道分段整體置于滾輪架上，根據(jù)需要進(jìn)行圓周方向轉(zhuǎn)動，方便焊工在風(fēng)道頂部及風(fēng)道內(nèi)的底部進(jìn)行施焊，保證焊縫質(zhì)量。

2.4.3 鰭片焊接質(zhì)量要求[5]

鋼管側(cè)咬邊深度不大于0.5 mm，鰭片側(cè)咬邊深度不大于0.8 mm，咬邊總長度不超過鋼管長度的10%，且連續(xù)咬邊長度不大于200 mm。焊縫表面不允許直徑大于2 mm的氣孔，且不允許存在密集性氣孔(3個以上小孔連成一片)或密排性氣孔(焊縫任意100 mm長度范圍內(nèi)氣孔多于5個)。焊縫成形美觀、平整，與母材圓滑過渡，焊縫表面不允許存在裂縫、夾渣、弧坑等缺陷。

3 試驗(yàn)結(jié)果

采用上述焊接工藝對水冷風(fēng)道及鰭片進(jìn)行整體焊接，對所有焊縫進(jìn)行100%MT檢測，一次合格率達(dá)到100%，未發(fā)現(xiàn)焊縫表面存在裂紋、夾渣、超標(biāo)氣孔、未熔合等缺陷，實(shí)物焊縫表面質(zhì)量如圖8所示。

對局部進(jìn)行宏觀試驗(yàn)抽樣檢查結(jié)果如圖9所示，完全符合設(shè)計要求。

圖8 實(shí)物焊縫表面效果

圖9 宏觀腐蝕試樣

對風(fēng)道整體進(jìn)行退火處理后，通過目測未發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋等缺陷，且整體焊接變形控制在允許范圍內(nèi)，整體退火處理后效果如圖10所示。

在最后的水壓試驗(yàn)[6](II容器，試驗(yàn)壓力1.5 MPa)一次性通過，如圖11所示。經(jīng)業(yè)主檢查驗(yàn)收，焊接質(zhì)量完全符合圖紙及設(shè)計要求。

圖10 整體退火處理后效果

圖11 水壓試驗(yàn)

4 結(jié) 論

(1)文中制定的鰭片裝配、焊接工藝和焊接質(zhì)量控制措施是有效的，保證了水冷風(fēng)道受熱面鋼管的焊縫質(zhì)量，試驗(yàn)檢測均符合圖紙及設(shè)計要求。

(2)在生產(chǎn)與制造過程中形成作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，能夠進(jìn)一步提高煉鋼工作效率，減少和縮短爐修時間，保證煉鋼生產(chǎn)的順行，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價值。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB 5310—2008高壓鍋爐用無縫鋼管[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2] 祝燮權(quán).實(shí)用五金手冊6版[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2001.

[3] 陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[4] 中華人民共和國建設(shè)部.JGJ 81—2002建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[5] 中華人民共和國機(jī)械工業(yè)部.JB/T 1613—1993鍋爐受壓元件焊接技術(shù)條件[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[6] 全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會. GB 150.1～150.4—2011壓力容器[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

2016-09-02

TG444+.72

向昌云，1975年出生，大學(xué)本科，工程師。主要從事冶金、有色領(lǐng)域非標(biāo)設(shè)備及鋼結(jié)構(gòu)項目管理、工藝以及方案的評審工作。