煙氣輪機(jī)法蘭錐體結(jié)構(gòu)及制造工藝改進(jìn)

金森乾，劉致遠(yuǎn)

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

0 引 言

煙氣輪機(jī)是石油煉制過程——催化裂化裝置上再生煙氣能量回收系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，工作在600～720℃的高溫和腐蝕性的石油煙氣中，工作環(huán)境惡劣。煙氣輪機(jī)殼體是煙機(jī)氣動(dòng)流道的重要組成部分，法蘭錐體是煙機(jī)殼體中的關(guān)鍵零件。法蘭錐體作為整體鑄造件，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該鑄件的材質(zhì)為ZG1Cr18Ni9，鑄造成本較高。根據(jù)煙氣輪機(jī)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(jié)構(gòu)示意圖

由法蘭錐體的結(jié)構(gòu)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(guī)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(shè)計(jì)時(shí)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(dǎo)致后續(xù)的機(jī)械加工量大、加工周期長(zhǎng)。而且由于加工余量過大，導(dǎo)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(bǔ)縮來消除內(nèi)部缺陷，只能通過自補(bǔ)縮，內(nèi)部的疏松缺陷難以避免，往往需要補(bǔ)焊處理。

由以上分析可知，法蘭錐體的這種結(jié)構(gòu)不適合整體鑄造，由于制造成本高、工期長(zhǎng)，工件的質(zhì)量也難以保障，需要技術(shù)人員進(jìn)行必要的改進(jìn)。

1 法蘭錐體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為減少毛坯鑄造缺陷及機(jī)加工的工作量，我們將煙氣輪機(jī)法蘭錐體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。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(jìn)

原工件的鑄造工藝是整體鑄造，因此包括木模也是整體結(jié)構(gòu)。為減少生產(chǎn)成本，首先要對(duì)木模做必要的改動(dòng)。

我們選擇YL12000Q 型煙氣輪機(jī)的法蘭錐體作為改進(jìn)試制的第一件。原結(jié)構(gòu)的三維造型見圖2，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后鑄造法蘭部分的三維造型見圖3。

圖2 法蘭錐體結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的零件造型

圖3 法蘭錐體結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的鑄造法蘭造型

通過對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，法蘭部分的幾何尺寸變化不大，因此在原結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上做適當(dāng)改進(jìn)，就可以實(shí)現(xiàn)模型以舊代新，并鑄造出法蘭部分。

模型利用原結(jié)構(gòu)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(gè)50 mm 高的定位芯頭。為形成內(nèi)部形狀，在法蘭內(nèi)部出一個(gè)芯子，需單獨(dú)做一個(gè)芯盒。模型結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖如圖4。

圖4 模型結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖

為進(jìn)一步節(jié)約木料和工時(shí)，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(jié)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(shí)物

圖6 法蘭內(nèi)部芯盒實(shí)物（1/6 芯盒）

法蘭部分的外模見圖5，內(nèi)部芯盒見圖6。

造型時(shí)先制出6 個(gè)芯子。在外模造好砂型后，將6 個(gè)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(zhì)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(xué)成分相接近的不銹鋼焊條，同時(shí)在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)見圖8，在焊接時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

1）法蘭部分不應(yīng)有氣孔、砂眼、夾渣及裂紋等影響強(qiáng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2）法蘭鑄造毛坯在焊接前要進(jìn)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(yù)防晶間腐蝕。

3）法蘭和錐體焊接時(shí)焊條采用奧137 或其它不銹鋼焊條，環(huán)焊縫對(duì)口錯(cuò)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(guī)程進(jìn)行，未注單面雙面無坡口角焊縫的焊角高度等于較薄構(gòu)件的厚度。

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

6）最后，殼體與進(jìn)氣錐一起進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力0.588 MPa。

5 結(jié) 論

通過YL12000Q 型煙氣輪機(jī)法蘭錐體的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，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(duì)改進(jìn)后的工件做水壓試驗(yàn)及局部著色滲透檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量完全合格，表明這種結(jié)構(gòu)改進(jìn)完全合理可行，并可推廣應(yīng)用到其它功率煙氣輪機(jī)的法蘭錐體結(jié)構(gòu)中。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)及制造工藝的改進(jìn)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）單獨(dú)鑄造法蘭部分，使鑄造難度大大降低，并合理利用了原結(jié)構(gòu)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(duì)鑄件組織致密、缺陷少，提高了工件的組織質(zhì)量和機(jī)械性能。

4）經(jīng)成本核算，改進(jìn)設(shè)計(jì)后既節(jié)約了原材料，又降低了生產(chǎn)成本。

圖8 法蘭和錐體焊接焊縫示意圖

［1］ 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)［M］.3 版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.3 版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.