堆焊管板平面度的控制

呂延茂

(中石化集團(tuán)南化公司化工機(jī)械廠)

管板是反應(yīng)器、換熱器類設(shè)備中的主要受壓元件之一，其分別與管程、殼程的殼體相連接。相對(duì)厚度較小、直徑較大的管板其特性之一就是抗彎曲變形的能力較低。

通常堆焊管板的基體材料為低合金鋼鍛件。按照帶極堆焊的工藝規(guī)范，以同心圓法進(jìn)行帶極堆焊奧氏體不銹鋼，相當(dāng)數(shù)量的堆焊管板存在不同程度的下凹變形。控制堆焊管板平面度最常用、最直接、最有效的方法是進(jìn)行機(jī)械校平。但當(dāng)管板直徑較大時(shí)，機(jī)械校平往往受到企業(yè)設(shè)備能力的限制而不能實(shí)現(xiàn)。

南化公司化工機(jī)械廠的帶極堆焊始于20世紀(jì)80年代初，當(dāng)時(shí)主要用于尿素設(shè)備封頭、管板和甲醇塔管板等的堆焊。在2009年以前，相對(duì)厚度較小、直徑較大的管板，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)把管板基體的堆焊面在堆焊前加工成龜背狀，以控制堆焊管板的平面度。

近年來(lái)，引進(jìn)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化速度顯著加快，大型化工設(shè)備日益增多，且對(duì)堆焊管板的平面度也提出了較高的要求。堆焊管板的平面度是衡量這一類產(chǎn)品制造水平的指標(biāo)之一。因此，必須進(jìn)一步探索控制堆焊管板平面度的措施。

1 堆焊管板變形量的工程計(jì)算

影響管板堆焊變形的因素包括管板材料、結(jié)構(gòu)形狀、焊接材料和焊接工藝等。具體的管板及其堆焊過(guò)程的情況往往與計(jì)算公式所適用的條件不完全相同，因而管板實(shí)際的變形量與計(jì)算變形量存在偏差具有必然性。關(guān)鍵的問(wèn)題在于控制堆焊過(guò)程中變形的偏差程度。

2 堆焊模式

按照管板堆焊變形的機(jī)理，管板堆焊的模式可分為兩大類：兩塊管板疊置堆焊和單塊管板堆焊。按照影響堆焊變形的相關(guān)因素，這兩大類又可分為若干小類。

2.1 管板疊置堆焊

先將兩塊管板疊置并固焊成整體，然后再進(jìn)行堆焊。這種堆焊模式導(dǎo)致管板變形的因素是疊置管板整體的殘余內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)疊置管板拆開(kāi)為兩塊管板時(shí)，其每一塊管板的變形是在瞬間突變式形成的。

平面度檢測(cè)：只有在疊置管板拆開(kāi)之后，才能檢測(cè)單塊管板的平面度。

2.2 單塊管板堆焊

單塊管板堆焊時(shí)，造成管板變形的因素主要是在堆焊過(guò)程中連續(xù)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。其管板變形的形成不同于管板疊置堆焊，它是在堆焊過(guò)程中漸進(jìn)式形成的。

平面度檢測(cè)：可以在堆焊過(guò)程中隨時(shí)檢測(cè)平面度的變化狀況。

3 平面度的控制

堆焊管板平面度的控制內(nèi)容包括堆焊變形量和變形軌跡。自2009年以來(lái)，我們通常的做法是：按照不同類別的堆焊模式采用工程計(jì)算的方法計(jì)算管板堆焊的變形量，并采用預(yù)變形措施，把管板基體的堆焊面加工成龜背狀。平面度的控制措施：采用相對(duì)穩(wěn)定的工藝參數(shù)施焊，焊前加工好合適的預(yù)變形量，同時(shí)設(shè)法降低或利用內(nèi)應(yīng)力。

3.1 管板疊置堆焊的平面度

疊置堆焊的管板拆開(kāi)為兩塊管板之后，堆焊管板的平面度即發(fā)生改變。顯然在疊置管板拆開(kāi)之前的堆焊過(guò)程中，難以采取有效的控制措施。相對(duì)厚度較小、直徑較大的管板疊置堆焊后的單塊管板平面度，基本上取決于計(jì)算預(yù)變形量的準(zhǔn)確性和采取的實(shí)際預(yù)變形量。

3.2 單塊管板堆焊的平面度

單塊管板單面堆焊以預(yù)變形量來(lái)控制其堆焊變形量。在堆焊過(guò)程中按控制點(diǎn)檢測(cè)變形量和平面度，并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)相機(jī)采取控制措施，適當(dāng)調(diào)整相關(guān)的焊接工藝措施，這樣可以使堆焊管板平面度的控制效果較為理想。

單塊管板兩面堆焊是單面堆焊的延續(xù)，屬于另一種形式的單塊管板堆焊模式。應(yīng)用兩面堆焊變形量基本相等的原理控制平面度，效果良好。但堆焊面的直徑越大，增加的堆焊成本就越高。

3.3 管板的平面度控制實(shí)例

管板鉆孔后的平面度僅僅是單件堆焊管板的平面度，管板與殼體組焊后的管板平面度才是堆焊管板最終的平面度。在設(shè)備的制造過(guò)程中，相對(duì)厚度較小、直徑較大的堆焊管板最終平面度的控制，屬于糸統(tǒng)工程的范疇。

至今，南化公司化機(jī)廠控制相對(duì)厚度較小、直徑較大的堆焊管板的最終平面度技術(shù)，在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。例如：德納公司環(huán)氧乙烷反應(yīng)器，其管板規(guī)格為外徑4880 mm、內(nèi)徑4700 mm、總厚度320 mm、堆焊區(qū)基體厚度150 mm。堆焊模式為單塊管板堆焊。結(jié)果堆焊管板最終的平面度小于4 mm。揚(yáng)子公司環(huán)氧乙烷反應(yīng)器設(shè)備質(zhì)量為830 t，是迄今為止國(guó)內(nèi)制造的直徑最大的環(huán)氧乙烷反應(yīng)器。其管板規(guī)格為外徑6980 mm，內(nèi)徑6760 mm，總厚度350 mm，堆焊區(qū)基體厚度180 mm。堆焊模式為單塊管板堆焊。結(jié)果堆焊管板最終的平面度小于5 mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）按照不同類別的堆焊模式采用工程計(jì)算方法計(jì)算管板的變形量，較為符合按帶極堆焊工藝規(guī)范堆焊管板的變形情況，具有有效控制堆焊管板平面度的實(shí)際意義。尤其是對(duì)于初次堆焊相對(duì)厚度較小、直徑較大的管板，以工程計(jì)算和調(diào)整工藝措施相結(jié)合的方法控制管板堆焊的平面度較為有效。

（2）采用單塊管板堆焊的模式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變形直觀，可定點(diǎn)檢測(cè)，控制措施較多。尤其是堆焊過(guò)程處于受控狀態(tài)，能夠有效地控制鍛件管板堆焊的平面度。

（3）在設(shè)備的制造過(guò)程中，控制相對(duì)厚度較小、直徑較大的管板最終的平面度，屬于系統(tǒng)工程的范疇。只要認(rèn)真落實(shí)措施，嚴(yán)格進(jìn)行系統(tǒng)控制，對(duì)于相對(duì)厚度較小、堆焊區(qū)直徑不大于7000 mm的堆焊管板，最終平面度可以控制在5 mm之內(nèi)。