趙 祥 蔣國輝

中國石油天然氣第一建設(shè)有限公司 河南洛陽 471023

鎳基合金堆焊管板是換熱器中的重要承壓元件，既要承受高壓，又要承受高溫腐蝕介質(zhì)的沖擊，運行工況較為惡劣。鎳基合金是一種穩(wěn)定的耐蝕合金，同時具有良好的耐腐蝕性和耐高溫性，被廣泛應(yīng)用于存在氯化物腐蝕的設(shè)備中。某化工工程中間油- 油換熱器內(nèi)操作介質(zhì)氯離子含量高達13 萬ppm，對耐點蝕要求極高。因此，設(shè)計單位將鎳基合金作為換熱器管板耐腐蝕堆焊材質(zhì)，執(zhí)行ASME 標準制造。

鎳基合金堆焊管板既能滿足工程中耐腐蝕和耐高溫的需要，而且有很好的強度和良好的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能，又大幅降低了管板的制造成本，具有很強的經(jīng)濟性。但是鎳基合金加工性能差，切削力大，切削溫度高，刀具磨損嚴重，對于這種材質(zhì)的堆焊后加工，如果不能有效控制加工后的平面度，極易造成水壓試驗時泄露。因此，需要合理控制加工過程，減少管板加工過程的變形，滿足密封面平面度要求。

1 管板結(jié)構(gòu)特點與技術(shù)要求

1.1 結(jié)構(gòu)特點

作為浮頭式換熱器，管板主要材質(zhì)為SA- 266M Gr.2N 鍛件，在管程側(cè)表面堆焊厚度為6mm 材質(zhì)N08825 鎳基合金，固定管板直徑φ1687mm，浮動管板直徑φ1585mm，厚度均為118mm，每塊管板上均布有1596 個φ25.25mm 的管孔。管孔群分布如圖1 所示。

圖1 固定管板圖

1.2 技術(shù)要求

固定管板中心有12mm 隔板槽，槽內(nèi)堆焊鎳基合金。換熱管管板密封面平面度要求小于0.2mm，密封面粗糙度為Ra6.3μm，密封面厚度6mm。管板密封面應(yīng)與軸線垂直，其垂直度公差為0.3mm。除注明外，其余表面粗糙度為Ra12.5μm。

2 加工難點

2.1 工藝方案的選擇

根據(jù)復(fù)合管板的制造特點，結(jié)合公司的設(shè)備能力，制定了管板的制造工藝流程：機加工待堆焊面→管板反變形→帶極堆焊過渡層→消氫處理→帶極堆焊復(fù)層→管板校平→機加工管板→管孔鉆孔。

（1）將第一塊管板殼程側(cè)（堆焊面的背面）車平，并以其為基準面加工管板管程側(cè)（正面）碳鋼密封面和凸臺，加工后的碳鋼密封面到基準面的距離較圖紙尺寸增加10mm 后續(xù)加工余量。然后將管板的帶堆焊面做反變形，即堆焊面中心呈上凸的形狀，反變形量20mm，詳見圖2。

圖2 反變形示意圖

（2）對管板過渡層進行堆焊，堆焊完成后進行消氫處理，消氫溫度為200～250℃,時間1h。堆焊復(fù)層后，使用油壓機對管板進行校平，要求校平后平面度不大于2mm。

（3）以管板背面為基準，以加工余量10mm 加上背面與碳鋼密封面理高度再加上6.5mm 為管板密封面的最終機加工高度，依次加工凸臺堆焊面、隔板堆焊面，保證凸臺與密封面的高度差為6mm。

（4）以管板機加工后的堆焊面為基準，加工管板背面密封面、凸臺、管板外圓至圖紙尺寸。

（5）加工管孔，然后以管板堆焊面為基準，加工固定管板的隔板槽堆焊面，保證凸臺與隔板槽的高度差6mm，且隔板槽略低于密封面。圖3 為固定管板的加工示意圖。

圖3 固定管板加工示意圖

2.2 加工難點

管板堆焊完成后進行校平，校平后在立式車床上加工：先加工堆焊面，然后將管板下機床；翻轉(zhuǎn)管板，將殼程側(cè)表面朝上在車床上加工；加工完成后，到數(shù)控龍門鉆銑床進行管孔加工；鉆孔時將堆焊面朝上放置在機床上，找正時發(fā)現(xiàn)管板有下凹的現(xiàn)象；測量管板的平面度，發(fā)現(xiàn)堆焊面一側(cè)中心比四周低0.4mm，表明管板發(fā)生了變形。

3 難點分析與改進

3.1 難點的分析

管板在車床加工完后發(fā)生平面變形，說明鎳基合金堆焊管板在加工過程中會產(chǎn)生變形，需要分析原因。

3.1.1 鎳基合金材質(zhì)的原因

N08825 鎳基合金具有較強的抗塑性變形能力，造成加工硬化嚴重，切削溫度高。在切削這種材料時，由于切削力較大，切削變形劇烈，發(fā)生在管板、刀具以及剝離的切屑之間的劇烈摩擦，產(chǎn)生大量的切削熱量。因此造成切削區(qū)域附近積攢了大量的熱量無法迅速散開，導(dǎo)致切削溫度非常高。而管板直徑大，切削量大時管板溫度極易升高，導(dǎo)致加工硬化應(yīng)力大，容易加大變形。

3.1.2 管板殘余應(yīng)力的釋放

鎳基合金堆焊采用帶極埋弧焊堆焊，熱輸入大，線能量大。同時在管板的制造過程中，先使用油壓機對管板做了反變形，在堆焊完成后使用油壓機進行校平。加工完成后，由于堆焊和兩次沖壓形成的殘余應(yīng)力逐漸釋放，造成管板表面變形。

3.1.3 加工時堆焊層局部凹陷處補焊的影響

由于加工時發(fā)現(xiàn)局部有凹陷，補焊時又使用焊條進行補焊，造成熱輸入較大，對周圍加工過的表面產(chǎn)生拉力。同時，由于焊接時間上的差異會形成差異化的熱量釋放過程。

3.2 改進方案與實施

通過對管板加工后變形的原因分析，堆焊過程和校平可以控制加工前的平面度，減少加工過程中的變形釋放量。關(guān)鍵在于加工過程中通過對加工參數(shù)的合理設(shè)定和時效處理方法，控制加工中管板應(yīng)力和熱量的釋放。改進后的方案在第二塊管板上進行實施。

（1）反變形控制：待表面加工完成后，使用油壓機對管板背面進行沖壓反變形，以降低反變形沖壓尺寸，沖壓時反變形尺寸以10mm 為宜。

（2）帶極堆焊時要嚴格執(zhí)行焊接工藝，并使用測溫儀及時測量，控制層間溫度，減少熱輸入量。焊道間搭接均勻，由外向內(nèi)依次堆焊，堆焊參數(shù)見表1。

表1 堆焊層工藝參數(shù)

（3）使用2000t 油壓機對管板校平，校平時避免同一位置的反復(fù)沖壓，同時降低校平過程中產(chǎn)生的波浪。對于局部凹陷要測量深度，做好標記。堆焊完成校平時，整個平面的平面度要在2mm 左右。校平產(chǎn)生的波浪變形只要按理論計算能夠滿足機加工要求的焊層厚度即可，隨后可以在加工時進行局部補焊。在加工堆焊層時，若發(fā)現(xiàn)有凹陷需要在車削還有余量時提前補焊，補焊采用氬弧焊等熱輸入小的焊接形式。

（4）機加工堆焊層時，要先對管板進行找正，然后粗車堆焊層表面。加工過程中控制車床轉(zhuǎn)速不超過25r/ min，縱向進刀量不大于0.5mm，切削進給量在0.25～0.4mm/ r。使用切削液對加工區(qū)域進行冷卻，堆焊層車平前進行補焊；補焊后，將補焊部位與管板堆焊層表面加工平，整個堆焊層留1mm 余量；加工完成后放置12h，然后測量管板堆焊面平面度。校平后的堆焊管板見圖4。

圖4 校平后的堆焊管板圖

（5）精車管板堆焊層：將管板堆焊層加工至圖紙尺寸，密封面加工至6.5mm，密封面堆焊層厚度按上偏差執(zhí)行，避免管板變形后密封面沒有加工余量，粗糙度加工至6.3μm。加工過程中，控制機床轉(zhuǎn)速不超過12.5r/ min，縱向進刀量不大于0.25mm，切削進給量0.08～0.18mm/ r。在堆焊層尺寸加工至圖紙要求后停車，以四周為百分表基準零點。測量發(fā)現(xiàn)管板中心圓點為- 0.06mm，放置工件4h 后測量平面度，發(fā)現(xiàn)中心為- 0.1mm。

（6）在平面度滿足要求后將管板翻轉(zhuǎn)，對管板殼程側(cè)進行加工，直至圖紙尺寸。加工完成后測量平面度，以管板四周平面為百分表對零基準，測量管板中心圓點值為0.14mm。如果以殼程側(cè)為上表面，整個管板平面呈現(xiàn)中心高四周低的形態(tài)，差值約0.1mm。

（7）通過以上措施較好地控制了管板車削加工后的平面度，滿足了管板鉆孔的需要。但是在后續(xù)管孔鉆削時由于采用龍門鉆銑床高速鉆孔，而管板母材與堆焊層材質(zhì)切削性能差異大。針對母材和堆焊層截然不同的切削性能，需要分步鉆孔：先將復(fù)合層鉆掉，再鉆通孔，兩次鉆孔都采用走s 型的方式進行。根據(jù)管板的特點對鉆孔順序進行改進，充分保證管板復(fù)合層鎳基合金散熱的均勻性和管板承受鉆孔沖擊力的均勻性。

（8）以管板堆焊面密封面為基準，在數(shù)控龍門鉆銑床上銑出管板中心隔板槽堆焊面，保證凸臺與隔板槽的高度差6mm，且隔板槽略低于密封面。

3.3 管板平面度測量

管板鉆孔完成后測量管板平面度。將管板靜置在立式車床上，以堆焊側(cè)加工完的密封面進行8 點對稱找正，對稱找正偏差不大于0.1mm。使用百分表測量管板平面度，發(fā)現(xiàn)管板平面度為0.2mm，密封面平面度為0.08mm，滿足技術(shù)要求。

4 結(jié)語

通過對鎳基合金堆焊管板機加工過程中變形原因的分析，從堆焊過程控制到改進管板機加工過程中切削參數(shù)，解決了鎳基合金堆焊管板加工過程中的變形問題，保證了管板密封面的平面度，進而實現(xiàn)了鎳基合金堆焊管板一次加工的合格率，不僅提高了質(zhì)量可靠性，而且掌握了加工方法。