鍋爐制造火焰矯正工藝分析

顧 江 徐長虹 王燕飛

（1.山東佳恒鍋爐設備有限公司，德州 251100；2.濟南市特種設備檢驗研究院，濟南 250001；3.濟南鍋爐集團有限公司，濟南 250001）

火焰矯正一般是在軸類零件彎曲的最高點區域內用氧乙炔焰進行點熱，此時受熱點膨脹，軸的彎曲程度也會增加。隨著溫度下降，工件逐漸收縮，兩端出現一定上撓和彎曲度，為可矯正范疇。操作者的技術越好，最終校正工藝越明顯。目前，火焰矯正主要有線狀加熱法、點狀加熱法、三角形加熱法3 種。熱矯正的操作與焊接熱循環相似，工作人員在操作過程中需要嚴格控制操作工藝，以防材料過度變形。結合某公司生產型號為SHL50-1.25-SC Ⅲ的生物質鍋爐，通過局部火焰加熱進行矯正，剖析熱矯正工藝，對今后類似技術的研究具有一定意義。

1 鍋爐鋼結構焊接變形的原因及火焰矯正的具體施工方式

1.1 鍋爐鋼結構焊接變形的原因

第一，殘余應力。在鋼結構制造中，殘余應力一般是為了消除外力或不均勻的溫度場等作用而形成的。鍋爐制造過程中，加工及強化工藝都可能產生殘余應力，導致出現焊接變形。第二，熱量控制不當。鍋爐制造過程中，通過高溫電弧對金屬進行熔焊操作，此時的熱量控制對材料成型至關重要。金屬在熱效應作用下會發生變形，若熱量控制良好，則鋼結構的形狀就能被很好地固定，否則將出現熱應力變形的情況[1]。

1.2 鍋爐制造火焰矯正的具體施工方式

1.2.1 角變形

這種變形主要是鍋爐容器不同部位的變形，矯正時對溫度的要求很高，正常情況下需要保證溫度在650 ℃，并實施線狀加熱。隨著溫度的提升，材料的結構逐漸發生變化。該變化一般來源于橫向，也就是隨著加熱線的寬度越大，橫向收縮程度也越大。在后續冷卻中需要注意，禁止使用水冷卻，相關位置也只能在一定范圍內進行冷卻，不能超過焊角范圍。工作人員需要在相關工藝條件下操作，掌握火焰矯正的真正技巧[2]。

1.2.2 彎曲變形

梁、撐部位出現彎曲變形較多，需要對工件進行防變形干擾，然后實施線狀加熱。這一過程需要與加熱帶同步進行，防止出現溫度不一致的情況，降低變形的可能性。這種方式導致的橫向收縮比較大，要求施工人員具備成熟的操作技巧，對施工要求更高。目前，操作需要多名施工人員配合，在線狀加熱金屬材料后，在工作人員配合下由材料的中部向周圍延伸，再實施分層加熱。該過程要嚴格控制溫度，盡量減少矯正次數[3]。

2 鍋爐制造火焰矯正工藝

2.1 結構設計

集箱與膜式壁管及下降管的連接形式如圖1 所示。整個集箱由20 號鋼制作，包含碳、硅、錳、磷、硫、鉻、鎳、銅等元素，具有良好的塑韌性。集箱局部受熱，焊縫同側分布，當焊縫銜接到一起時，很容易出現縱向收縮導致撓曲變形。該集箱長度較長，質量大，焊接存在一定難度。為了防止變形，操作時需要有一定技巧，即焊接前預制工裝，采取防變形措施。即使如此，焊接后也有變形的可能。《水管鍋爐第5 部分：制造》（GB/T 16507.5—2022）規定，當兩端封閉集箱總長不超過20 m 時，直線度偏差應不大于2.5 mm·m-1，且最大為16 mm[4]。為此，采用火焰矯正技術改善鍋爐的變形情況。

圖1 集箱管接頭連接形式

2.2 矯正原理

當鍋爐變形部位用火焰進行矯正時，變形部位的溫度不斷升高，加熱部位及周圍的鋼結構形態隨著溫度升高逐漸膨脹。由于所選鍋爐制造的材料為20 號鋼，在溫度升高的過程中會緩慢變形，而周圍部位的大部分鋼材處于常溫并未發生膨脹，形狀也相對穩定，從而阻礙和抑制受熱部位膨脹，使受熱部位受到徑向反作用力。當火焰的溫度逐漸升高超過20 號鋼的屈服點時，就會產生塑性壓縮變形。停止加熱后，隨著溫度降低，高溫下產生的局部壓縮變形依然被保留下來，因冷卻產生的收縮應力使其內部收縮，從而達到矯正的目的。

2.3 矯正方式

矯正方式對矯正效果影響較大，應選擇適合的方式進行加熱。針對彎曲變形，可以采取三角形加熱，即面狀加熱。從集箱彎曲外側開始加熱，基于火焰矯正原理從凸點進行加熱，選擇寬度為10～30 mm 的區域進行加熱。這樣的矯正效果會更好，主要是利用集箱底部邊界橫向收縮大于頂端橫向收縮的特點。工作人員需要先記錄變形的情況，找準加熱點及其數量。加熱范圍需要和圓周邊界協調，原則上需要小于120°，然后順著管中心方向加熱，防止溫度升高影響焊接區域。采取中性火焰加熱，燃燒物為氧氣、丙烷，烤把采用多孔擴散型。矯正完成后，需要檢測集箱的總體形狀和尺寸，要求所有數據符合《水管鍋爐第5 部分：制造》（GB/T 16507.5—2022）的規定。加熱過程中，熱量循環可能對集箱產生一定殘余應力，導致焊縫出現變形，影響焊接外觀，需要總體檢查集箱表面，防止裂紋產生[5]。

2.4 加熱溫度

加熱溫度需要符合鍋爐制造相關標準，并結合相關經驗選擇合適的溫度進行加熱。在不同的熱處理標準下，制造要求會發生變化，因此熱矯正需要考慮材料的相變溫度，最好低于這一溫度，并結合制造標準及材料本身的耐受進行熱處理。例如，不銹鋼矯正時，溫度應高于475 ℃。此溫度為脆性溫度，在具體操作中不可直接加熱，一般采取高頻熱點矯正或其他不損害鋼結構的方法。集箱20 號鋼按照《低中壓鍋爐用無縫鋼管》（GB/T 3087—2022）規定制造，屬于優質碳素鋼，因此在加熱過程中要降低對原材料的損害。20 號鋼的相變溫度為726 ℃，同時需要結合低碳鋼的再結晶溫度（500～650 ℃），因此加熱溫度應控制在650 ℃及以下。需要注意，在加熱一段時間后才可用空冷方式進行冷卻。

2.5 火焰矯正技巧

對于縱長焊縫，采用線狀加熱，以中間為起點不斷向兩端加熱，逐漸矯正彎曲變形的部位。為避免產生彎曲和扭曲變形，兩條加熱帶要同步進行。可以采取低溫矯正或中溫矯正方法，有利于減少焊接內應力。但是，這種方法在縱向收縮的同時會產生較大的橫向收縮，較難控制。

線狀加熱最好由兩人同時操作，采用三角形加熱方式。三角形的寬度不應超過板厚的2 倍，三角形的底與對應的翼板上線狀加熱寬度相等。加熱三角形應從頂部開始，然后從中心向兩側擴展，層層加熱直到三角形的底為止。加熱腹板時溫度不能太高，否則會造成凹陷變形，很難修復。

2.6 火焰矯正注意事項

第一，加熱溫度不宜過高，否則可能導致金屬受到高溫破壞，嚴重時會使金屬融化。因此，矯正時要隨時注意觀察金屬的顏色，隨著顏色變化調節溫度，當達到要求溫度時要立刻將火焰抬高或移開，最終達到理想的矯正效果。第二，影響火焰矯正效果的3 大因素為加熱位置、加熱溫度和加熱區的形狀，相關人員在矯正時應特別留意。第三，火焰矯正只能作為一種矯正較小變形的輔助手段，不能負責全部的矯正工序。第四，火焰矯正加熱區應遠離梁中心和主梁的最大應力截面處（如焊縫區域等），同時應避免同一部位重復加熱，以防止產生更大的局部變形和金屬的過多氧化，引起金相組織和機械性能的變化。第五，火焰矯正時，當溫度為300～500 ℃時不宜進行錘擊。主梁腹板、上下蓋板盡量避免火焰加熱后采用錘打方法矯正變形。第六，加熱面積在一個截面上不能過大，可多選幾個截面分別進行。

3 熱矯正工藝模擬試驗

目前，針對熱矯正的研究較多，部分研究認為熱矯正后金相組織會發生變化，導致其力學性能隨之下降。為了不斷提升熱矯正工藝技術，需要在實踐中不斷研究，以充足的理論和數據作為支撐，其中熱矯正工藝模擬試驗就是其中之一。其與焊接工藝試驗類似，結合試驗中的相關數據，保證材料在熱矯正后期的性能能夠滿足工藝需求。同時，開展熱矯正工藝模擬試驗有助于節約成本、簡化流程，以最簡單、最快速的方式驗證材料的性能，從而找到最合適的矯正溫度。

結合《鍋爐和壓力容器用鋼板》（GB/T 713—2014），試驗材料選取板厚為20 mm 的Q345R 鋼，并對其在40 mm 寬范圍內進行火焰加熱。矯正前需要做好充分準備。先加熱背面堆焊，讓板面形狀在一定程度上發生變化，再一邊加熱一邊檢測溫度。檢測儀器為紅外線測溫儀，觀察顏色變化，待出現暗紅色即可逐漸遷移烤槍。記錄板面紅色位的溫度數據，并繼續移動烤槍，調整速度，讓溫度保持在600 ℃左右，測量此時的實際溫度為640 ℃，最后進行空冷。矯正試驗完成后，檢查板面外觀，合格后方可截取試樣，沖擊試樣取自距母材受熱表面0.5～2.0 mm。熱矯正后的力學試驗結果表明，溫度矯正后的母材性能符合標準要求。

4 結語

鍋爐結構一旦出現變形，會給相關設備、人員帶來嚴重威脅，因此火焰矯正是十分關鍵的環節。在日常的生產制造工藝中，大部分情況都能通過火焰矯正技術來處理變形結構，因此該技術在鍋爐制造中得到了廣泛運用。通過深入分析集箱變形熱矯正的工藝方法，在熱矯正過程中應明確材料的脆性溫度和行業制造標準，最終做出正確的決定。在熱矯正過程中，相關參數可能隨著溫度變化而變化，而鍋爐行業相關性能和工藝的標準也并非一成不變，應結合不同標準確保熱矯正過程可控，最終使產品能夠被正常使用。