薄壁氣化爐激冷室筒身堆焊變形研究及應(yīng)對(duì)措施

張永光，銀潤邦，羅永飛，朱超兵

（東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川德陽 618000）

1 概述

國內(nèi)某大型氣化爐激冷室直徑大（DN3884），壁厚薄（36mm），內(nèi)壁需要堆焊6mm 不銹鋼耐蝕層，該工程對(duì)幾何尺寸要求很高，筒體每3m 的直線度偏差不大于2mm，設(shè)備總體的直線度偏差不大于7mm，殼體的圓度偏差不大于5mm。由于大面積堆焊會(huì)產(chǎn)生很大的焊接應(yīng)力，而大直徑薄壁容器的剛性差，因此堆焊后會(huì)產(chǎn)生很大的變形，主要體現(xiàn)在直徑收縮、橢圓度和直線度的變化。對(duì)于如此小壁厚大直徑的筒體堆焊，國內(nèi)尚無成功經(jīng)驗(yàn)可借鑒。因此，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，掌握薄壁大直徑容器堆焊變形情況和準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，需制定嚴(yán)格的防變形方案并進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證堆焊的可行性。

從國內(nèi)外的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)看，為起到內(nèi)壁耐腐蝕作用，除了內(nèi)壁堆焊不銹鋼耐蝕層外，不銹鋼復(fù)合板也在很多化工容器上使用，那么在該氣化爐上應(yīng)用復(fù)合板是否可行，也是本實(shí)驗(yàn)所研究和分析的內(nèi)容。通過堆焊和復(fù)合板兩種方案優(yōu)劣性對(duì)比，以選擇最合理的方案應(yīng)用于產(chǎn)品。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)用筒體DN3884，壁厚36mm，L=2 000mm，材質(zhì)為Q235B ，為了增加筒體的剛性，在筒體兩端面及每間隔約600mm 裝焊防變形法蘭撐，支撐材質(zhì)為16MnR，法蘭撐厚度為50mm，為增加支撐剛性，采用較寬的法蘭，如圖1，圖2所示。

堆焊采用成熟的埋弧帶極堆焊工藝，焊帶為EQ309MoL，60×0.5，為減小焊接變形，焊接時(shí)采用較小的焊接線能量，堆焊規(guī)范與常規(guī)堆焊規(guī)范比較如表1所示；其線能量比常規(guī)氣化爐產(chǎn)品降低19%。過渡層堆焊厚度約3.5mm。中間消應(yīng)力熱處理時(shí)試件豎立放置以減小變形，熱處理規(guī)范為630℃/2～2.5h。熱處理后堆焊面層約3.5mm，堆焊順序采用由中間向兩側(cè)堆焊的方式。

圖1 支撐示意圖

圖2 試件支撐實(shí)物圖

表1 堆焊規(guī)范對(duì)比

2.2 檢驗(yàn)數(shù)據(jù)

試件在加固完防變形工裝后，在堆焊前對(duì)外πD、圓度、直線度均測量并做了記錄，過渡層堆焊后、熱處理后和面層堆焊后分別再次對(duì)筒體的外πD、圓度、直線度進(jìn)行測量檢查，檢驗(yàn)方式及檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見下。

2.2.1 直線度

在圓周方向0°、90°、180°、270°做好標(biāo)記打上洋沖眼，堆焊過渡層前后、熱處理后、堆焊面層后均在同一位置測量筒身的直線度，測量位置如圖3所示；測量結(jié)果如表2所示。

圖3 直線度測量位置

表2 直線度測量結(jié)果

由表2可見，堆焊完過渡層后直線度偏差已經(jīng)明顯增加，其直線度偏差已經(jīng)達(dá)到5mm，在堆焊面層后偏差最大達(dá)到7mm。最大變形位置在靠近兩端約500mm 處。

2.2.2 外πD測量

外πD 測量位置示意圖見圖4，堆焊過渡層前后、熱處理后、堆焊面層后均在a、b、c、d、e、f、g 位置測量，測量結(jié)果，如表3所示。

圖4 外πD測量位置示意圖

表3 外πD測量結(jié)果

從表3可見，堆焊過渡層后外πD 明顯縮小，最大處πD縮小39mm。熱處理后，應(yīng)力得以釋放，變形也發(fā)生了變化，與熱處理相比，外πD 回復(fù)了4mm，但仍比原始尺寸縮小35mm 之多。而堆焊完面層后，變形情況更加嚴(yán)重，最嚴(yán)重處收縮量達(dá)52mm，最大變形位置在靠近兩端約500mm 處。

2.2.3 圓度

堆焊過渡層前后、熱處理后、堆焊面層后均在a、b、c、d、e、f、g位置測量圓度，圓度測量位置示，如圖5所示；在筒身兩端 0°、22.5°、45°、67.5°、90°、112.5°、135°、157.5°的位置進(jìn)行測量，測量結(jié)果如表4所示。

圖5 圓度測量位置示意圖

表4 圓度偏差表

由表4可見，堆焊后筒體的圓度偏差也很大，最大處偏差達(dá)到12mm，比堆焊前大7mm，嚴(yán)重超出設(shè)計(jì)的圓度要求。

3 堆焊可行性分析

本試件中，筒體的防變形支撐已經(jīng)加固的很密集，且采用較厚較寬的鋼板作為工裝，有很大的剛性，同時(shí)采用了小的焊接線能量和對(duì)稱焊接的順序，即使這樣，在堆焊完第一層后就發(fā)生了較大的變形，直線度偏差最大達(dá)7mm，圓度最大偏差達(dá)13mm，周長收縮最大處達(dá)到39mm，且收縮不均勻。再經(jīng)過中間熱處理和堆焊第二層后變形更加明顯，尤其是周長收縮，最大處收縮52mm。產(chǎn)品要求筒體每3m 的直線度偏差不大于2mm，設(shè)備總體的直線度偏差不大于7mm，殼體的圓度偏差不大于5mm，需要堆焊的激冷室筒身總長度為10.7m。按目前的實(shí)驗(yàn)情況，激冷室堆焊后，無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的尺寸，因此激冷室內(nèi)壁耐蝕層采用堆焊制造是不可行的。

4 復(fù)合鋼板制造可行性分析

按照目前實(shí)驗(yàn)情況看，堆焊后激冷室的直線度等尺寸難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為解決該問題，查詢了國內(nèi)外的大型氣化爐制造技術(shù)，雖然沒有文獻(xiàn)報(bào)道如此薄壁大直徑氣化爐制造經(jīng)驗(yàn)，但有部分厚壁氣化爐是采用復(fù)合板制造的。氣化爐采用復(fù)合板的情況如表5所示。

表5 國內(nèi)復(fù)合鋼板制氣化爐案例

由表5可見，在氣化爐上應(yīng)用復(fù)合板是有業(yè)績可參照的，而且復(fù)合板制造氣化爐激冷室和加氫反應(yīng)器等容器的工藝已經(jīng)非常成熟。

與堆焊相比，復(fù)合板可解決堆焊變形問題，且減少了過渡層后中間熱處理，從而減小熱處理變形，因此，對(duì)于尺寸精度要求高的大直徑薄壁容器的耐蝕層采用復(fù)合鋼板是比較理想的制造方式。

5 結(jié)束語

1）通過試件實(shí)驗(yàn)掌握了大直徑薄壁容器堆焊的變形數(shù)據(jù)和變形規(guī)律；

2）對(duì)于尺寸精度要求高的大直徑薄壁容器的耐蝕層采用堆焊工藝制造是不可取的；

3）對(duì)于尺寸精度要求高的大直徑薄壁容器的耐蝕層采用復(fù)合鋼板是比較理想的制造方式。