煙氣輪機法蘭錐體結構及制造工藝改進

金森乾，劉致遠

（1.渤海裝備蘭州石油化工機械廠，蘭州 730060；2.甘肅省煉化特種裝備工程技術研究中心，蘭州 730060）

0 引 言

煙氣輪機是石油煉制過程——催化裂化裝置上再生煙氣能量回收系統的關鍵設備，工作在600～720℃的高溫和腐蝕性的石油煙氣中，工作環境惡劣。煙氣輪機殼體是煙機氣動流道的重要組成部分，法蘭錐體是煙機殼體中的關鍵零件。法蘭錐體作為整體鑄造件，結構如圖1 所示。該鑄件的材質為ZG1Cr18Ni9，鑄造成本較高。根據煙氣輪機功率大小不同，該件的重量也不同，一般小則接近1 t，大則重4～5 t。

圖1 法蘭錐體結構示意圖

由法蘭錐體的結構示意圖可以看出，該件由兩部分組成，即法蘭部分與錐體部分。法蘭部分截面厚大，一般超過100 mm 以上，形狀也不規則，因此適合于鑄造成型。錐體部分壁較薄，最大的壁厚也不超過20 mm。為消除黑皮、夾砂和夾渣等鑄造缺陷以及保證壁厚，在鑄造工藝設計時錐體單邊的加工余量至少10 mm，兩邊為2 0mm，加工量總和超過了鑄件本身的厚度。這樣導致后續的機械加工量大、加工周期長。而且由于加工余量過大，導致里面的疏松缺陷暴露出來，而這些薄壁部分又無法通過放置冒口補縮來消除內部缺陷，只能通過自補縮，內部的疏松缺陷難以避免，往往需要補焊處理。

由以上分析可知，法蘭錐體的這種結構不適合整體鑄造，由于制造成本高、工期長，工件的質量也難以保障，需要技術人員進行必要的改進。

1 法蘭錐體結構改進

為減少毛坯鑄造缺陷及機加工的工作量，我們將煙氣輪機法蘭錐體的結構進行了改進。即將該件的法蘭部分和錐體部分分開，法蘭部分采用鑄造工藝成型，錐體部分采用下料鉚焊工藝成型，最后再將這兩部分焊接在一起。

2 法蘭部分鑄造工藝改進

原工件的鑄造工藝是整體鑄造，因此包括木模也是整體結構。為減少生產成本，首先要對木模做必要的改動。

我們選擇YL12000Q 型煙氣輪機的法蘭錐體作為改進試制的第一件。原結構的三維造型見圖2，結構改進后鑄造法蘭部分的三維造型見圖3。

圖2 法蘭錐體結構改進前的零件造型

圖3 法蘭錐體結構改進后的鑄造法蘭造型

通過對比不難發現，法蘭部分的幾何尺寸變化不大，因此在原結構模型的基礎上做適當改進，就可以實現模型以舊代新，并鑄造出法蘭部分。

模型利用原結構模型的法蘭部分外模，除在尺寸上做必要修改外，再在法蘭下部出一個50 mm 高的定位芯頭。為形成內部形狀，在法蘭內部出一個芯子，需單獨做一個芯盒。模型結構改進示意圖如圖4。

圖4 模型結構改進示意圖

為進一步節約木料和工時，此芯盒只做360°的1/6，即只做出60°部分，芯盒寬度200 mm 左右即可，也沒必要做整體。目的是節約木料和減輕砂芯的重量，便于造型工操作。

圖5 法蘭部分外模實物

圖6 法蘭內部芯盒實物（1/6 芯盒）

法蘭部分的外模見圖5，內部芯盒見圖6。

造型時先制出6 個芯子。在外模造好砂型后，將6 個芯子下芯組芯，中間空余部分填干砂或型砂。然后澆注成型。

3 錐體部分的鉚焊制造

錐體部分用20 mm 厚的不銹鋼板直接下料，材質為0Cr18Ni9。先按圖形放樣、下料，鉚制成錐體形狀后，再用手工電焊焊接成型。焊條選擇與錐體母材化學成分相接近的不銹鋼焊條，同時在結構上去掉原鑄造圓弧邊，以便于制做，如圖7。

4 法蘭部分和錐體部分的焊接

法蘭與錐體的焊縫結構見圖8，在焊接時要注意以下幾點：

1）法蘭部分不應有氣孔、砂眼、夾渣及裂紋等影響強度的鑄造缺陷。如有缺陷，必須采取措施消除。

圖7 錐體部分結構簡圖

2）法蘭鑄造毛坯在焊接前要進行固溶處理。熱處理工藝為：1050 ～1100 ℃保溫+水冷，以確保鑄件基體組織奧氏體化，減少晶界碳化物析出，預防晶間腐蝕。

3）法蘭和錐體焊接時焊條采用奧137 或其它不銹鋼焊條，環焊縫對口錯邊不大于鋼板厚度的10%。

4）焊接要求按JB/Z105-73 鋼制壓力容器焊接規程進行，未注單面雙面無坡口角焊縫的焊角高度等于較薄構件的厚度。

5）法蘭錐體與殼體組焊后整體進行穩定化處理，即850～880 ℃保溫+空冷，進一步消除和預防晶間腐蝕，等熱處理后再進行機加工。

6）最后，殼體與進氣錐一起進行水壓試驗，試驗壓力0.588 MPa。

5 結 論

通過YL12000Q 型煙氣輪機法蘭錐體的結構改進，即將法蘭部分采用鑄造工藝成型、錐體部分采用下料鉚焊工藝成型，最后再將這兩部分焊在一起。對改進后的工件做水壓試驗及局部著色滲透檢測后發現，質量完全合格，表明這種結構改進完全合理可行，并可推廣應用到其它功率煙氣輪機的法蘭錐體結構中。

通過對比發現，結構及制造工藝的改進主要有以下優點：

1）單獨鑄造法蘭部分，使鑄造難度大大降低，并合理利用了原結構的模型。

2）錐體部分不存在加工余量，使加工周期大大縮短。

3）由于錐體部分是軋制鋼板，因此相對鑄件組織致密、缺陷少，提高了工件的組織質量和機械性能。

4）經成本核算，改進設計后既節約了原材料，又降低了生產成本。

圖8 法蘭和錐體焊接焊縫示意圖

［1］ 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊［M］.3 版.北京：機械工業出版社，2008.

［2］ 徐灝.機械設計手冊［M］.3 版.北京：機械工業出版社，1992.