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        310S全焊式板殼型換熱器的制造①

        2017-11-11 07:17:25許矛良包含斌魏曉斌
        化工機(jī)械 2017年1期
        關(guān)鍵詞:管箱管板堆焊

        許矛良 包含斌 高 源 魏曉斌

        (1.蘭州節(jié)能環(huán)保工程有限責(zé)任公司;2.甘肅省靖遠(yuǎn)師范學(xué)校)

        310S全焊式板殼型換熱器的制造①

        許矛良1包含斌1高 源2魏曉斌1

        (1.蘭州節(jié)能環(huán)保工程有限責(zé)任公司;2.甘肅省靖遠(yuǎn)師范學(xué)校)

        簡述了310S材料全焊式板殼型換熱器的制造工藝、換熱元件等主要零部件裝配焊接工藝和質(zhì)量控制方法。

        換熱器 310S 焊接 質(zhì)量控制

        1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

        固定管板結(jié)構(gòu)換熱器如圖1所示,為了提高換熱效率,每個(gè)板管采用激光焊接及液壓成形技術(shù)呈如圖2形狀,管板采用堆焊不銹鋼的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

        圖1 固定管板結(jié)構(gòu)換熱器

        圖2 板管結(jié)構(gòu)示意圖

        換熱器主要工藝參數(shù)為(殼程/板程):

        設(shè)計(jì)溫度 80/100℃

        設(shè)計(jì)壓力 0.10/0.35MPa

        水壓試驗(yàn) 0.24/0.50MPa

        介質(zhì) 蒸汽/硫化鈉溶液

        主要材料的化學(xué)成分見表1。

        采用UIF代替線性信息濾波器,UIF在擴(kuò)展信息濾波體系結(jié)構(gòu)中,嵌入了一種源于Sigma點(diǎn)濾波器的無跡變換方法,其非線性離散時(shí)間狀態(tài)空間模型定義如下:

        表1 換熱器主要材料的化學(xué)成分 %

        由表1可知310S中Cr、Ni含量較高,有良好的蠕變強(qiáng)度、抗氧化性、耐腐蝕性、耐酸堿性和非常好的耐高溫性。但由于Ni含量高,其焊縫組織為純奧氏體,與18-8系列不銹鋼相比更易產(chǎn)生焊接熱裂紋,因此,如何克服焊接熱裂紋是焊接310S時(shí)的首要難題。

        310S的比電阻是碳素鋼的5倍,熱導(dǎo)率為碳素鋼的1/3,平均線脹系數(shù)比碳素鋼大50%以上。由于奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率小、線脹系數(shù)大,在焊接局部加熱和冷卻的條件下,焊縫金屬結(jié)晶期間存在較大拉應(yīng)力。由于奧氏體鋼易形成方向性強(qiáng)的柱狀晶焊縫組織,有害雜質(zhì)易偏析而形成低熔點(diǎn)共晶夾雜,容易產(chǎn)生熱裂。Si在鎳含量較高的鋼中很容易偏析,鎳含量越高,Si越容易造成焊縫熱裂傾向[1]。

        2 主要零部件的制造

        2.1 管板

        設(shè)計(jì)管板基材為16MnII鍛件,為保證抗腐蝕性能,采用堆焊不銹鋼的復(fù)合管板,堆焊成分為A402焊條,設(shè)計(jì)厚度為5mm。堆焊之前,先將待堆焊表面清理干凈,經(jīng)加工后露出金屬光澤,按NB/T 47013-2015進(jìn)行MT檢測,I級(jí)合格,然后將兩管板背向固定,防止堆焊時(shí)發(fā)生焊接變形。

        用A402焊條進(jìn)行堆焊,堆焊時(shí)兩塊管板逐層調(diào)轉(zhuǎn)進(jìn)行焊接。表面采用直道堆焊,從中間向兩面排道,最后環(huán)向修理補(bǔ)齊。整個(gè)堆焊面應(yīng)均勻平整,堆焊總厚度不小于8mm(圖3),最厚與最薄之處差不大于1mm。采用UT+PT檢查堆焊面的貼合和堆焊層的表面情況,以保證熔合質(zhì)量和堆焊管板的致密性。堆焊之后需進(jìn)行消除應(yīng)力的退火熱處理,熱處理工藝如圖4所示。

        圖3 堆焊層結(jié)構(gòu)示意圖

        圖4 熱處理工藝過程示意圖

        管板是換熱器的主要受壓元件,其制造精度對(duì)換熱元件與管板連接接頭的焊接質(zhì)量有很大的影響。將堆焊面加工見金屬光澤后,以它為基準(zhǔn)加工管板,可使得堆焊層切削加工量最少。管板面由數(shù)控線切割進(jìn)行加工,不僅保證了部件的幾何尺寸,而且能保證焊接部位的表面光潔度。

        2.2 換熱板束的制造

        換熱板束采用國外進(jìn)口的310S材料,尺寸按照設(shè)計(jì)要求定長、定寬、定厚采購,避免了裁剪。換熱板束是整個(gè)換熱器的核心元件,換熱元件是由兩張相同規(guī)格的薄板經(jīng)過封邊焊接和定距離的圓形焊點(diǎn)焊接,然后在壓力機(jī)上使用專用模具進(jìn)行水壓鼓脹,形成如圖2所示有一定容積的空腔及內(nèi)外凹凸?fàn)畹牧骶€形表面,從而適當(dāng)降低介質(zhì)流過元件表面的速度同時(shí)增加了換熱面積,使換熱更充分。

        采用國內(nèi)先進(jìn)的激光焊進(jìn)行焊接,參照SAME IX進(jìn)行激光焊工藝評(píng)定,制定了相應(yīng)的焊接參數(shù),焊接功率為3.5kW,焊接速度為2.0m/min,焦點(diǎn)位置(調(diào)整值)107mm,保護(hù)氣體流量:氬氣4L/min、氮?dú)?L/min(內(nèi)圈)、氬氣12L/min(外圈)、氬氣15L/min(背面)。由于奧氏體不銹鋼具有很高的能量吸收率,提高了激光焊接的效率,大幅減輕了不銹鋼焊接時(shí)的過熱現(xiàn)象和由于線脹系數(shù)大引起的較大焊接變形,達(dá)到了精密焊接成形的水平。激光焊接時(shí)固溶在金屬基體中的S、P等雜質(zhì)隨溫度的上升而從熔池中逸出,減少了焊縫中的有害元素和雜質(zhì),提高了焊縫的韌性。

        換熱元件成形后,四周封邊的焊縫和圓形焊點(diǎn)經(jīng)100%PT檢測,I級(jí)合格。換熱元件經(jīng)0.5MPa水壓試驗(yàn)合格。

        2.3 上、下平蓋

        管箱采用平蓋結(jié)構(gòu),上、下平蓋在采用Q345R的基礎(chǔ)上貼焊310S作為耐蝕層及密封面。密封面由局部加工而成,以達(dá)到節(jié)約材料的目的。為了檢查貼焊面的表面情況,采用滲透檢測和氣密性試驗(yàn),以保證焊縫質(zhì)量。

        2.4 裝配焊接

        制造過程要求換熱元件與管板孔壁之間不得有雜物,否則難以保證焊接的致密性和焊接強(qiáng)度。首先將試壓完畢的單片換熱元件的兩端按圖紙要求用數(shù)控線切割機(jī)切開,然后用布砂輪將其兩端進(jìn)行打磨拋光,直至露出金屬光澤。管板與換熱原件裝配的部位先用丙酮將管板擦拭干凈,再用白布進(jìn)行擦拭,直到無污物為止。用專用的工具撐開換熱元件的端部開口到設(shè)計(jì)尺寸,然后將換熱元件插入管板中,調(diào)整換熱元件,保證管板內(nèi)部槽與換熱元件嚴(yán)密貼合,并且每片換熱原件與管板的另一端平齊后,采用氬弧焊將換熱元件與管板點(diǎn)固、焊接。

        換熱元件與管板采用鎢極氣體保護(hù)焊焊接,焊絲選用ER310(化學(xué)成分見表2),規(guī)格φ2mm,焊接電流130~150A,焊接電壓12~14V,直流正接,焊接速度15~16cm/min。GTAW焊接質(zhì)量穩(wěn)定,焊縫成形美觀,無飛濺、無夾渣。焊接時(shí)采用分區(qū)施焊以減小管板的焊接變形,焊接收弧時(shí)填滿弧坑,避免弧坑裂紋的出現(xiàn)。

        表2 ER310焊絲化學(xué)成分 %

        2.5 管箱制造

        管箱(圖5)由高頸法蘭(16MnII)、高頸襯里、筒節(jié)和襯環(huán)組成。高頸法蘭密封面是在16MnII的基礎(chǔ)上貼焊310S材料,高頸法蘭內(nèi)部采用310S襯里,降低成本的同時(shí)不影響耐腐蝕性。由于管箱的制造需要多次加工,為了保證各條焊縫的質(zhì)量,在加工之前進(jìn)行100%的滲透檢測,在加工之后進(jìn)行100%的滲透檢測和氣密性試驗(yàn),來檢測由于機(jī)械加工后各焊縫的整體質(zhì)量和焊后的貼合程度。

        圖5 管箱結(jié)構(gòu)示意圖

        2.6 殼體、管箱與管板的組焊

        板束和管箱的組裝以管板作為基礎(chǔ),利用管板的特有結(jié)構(gòu)直接與板束和管箱進(jìn)行組裝(結(jié)構(gòu)緊湊,占用空間小)。為了使各條焊縫充分焊透,采用氬弧焊打底單面焊雙面成形、手工焊蓋面的焊接方法,并用100%UT+PT的方法進(jìn)行檢測,I級(jí)合格。

        3 結(jié)束語

        管板與換熱元件焊接完畢后,管接頭進(jìn)行100%的PT檢查,符合NB/T 47013-2005,I級(jí)合格。最后將上下平蓋、板束、管箱組裝后進(jìn)行板程0.35MPa和殼程0.24MPa的水壓試驗(yàn),檢查無滲漏,試壓一次合格。

        310S材料換熱器的制造不僅滿足硫化堿的工藝和介質(zhì)對(duì)腐蝕的要求,大大提高設(shè)備使用壽命,并為硫化堿工藝使用310S材料制造耐腐蝕設(shè)備提供了經(jīng)驗(yàn)。

        [1] 劉政軍,徐德昆. 不銹鋼焊接及質(zhì)量控制[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

        許矛良(1973-),工程師,從事壓力容器制造及質(zhì)量檢測工作,13893285378@163.com。

        TQ051.5

        B

        0254-6094(2017)01-0104-04

        2016-04-25,

        2016-06-02)

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