小直徑集箱管焊接變形及控制

程緒民 周光祿（山東華昱壓力容器有限公司 濟(jì)南 250305）

小直徑集箱管焊接變形及控制

程緒民 周光祿
（山東華昱壓力容器有限公司 濟(jì)南 250305）

論文針對光熱發(fā)電設(shè)備中連接存儲高溫高壓熱能介質(zhì)的重要承壓部件-集箱管制造過程中產(chǎn)生的難題給出了筆者的經(jīng)驗，從而減少焊接變形，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，對相關(guān)人員有借鑒作用。

集箱管 焊接變形 預(yù)防措施

1　產(chǎn)品概述

集箱管是近年來不同于太陽能光伏發(fā)電的一種新興太陽能發(fā)電——光熱發(fā)電設(shè)備中連接存儲高溫高壓熱能介質(zhì)的重要承壓部件。

筆者公司于2015年8月份承接了某光熱發(fā)電設(shè)備公司太陽能集箱管的生產(chǎn)加工承攬加工訂單，集箱管材質(zhì)為低碳、低合金的珠光體型熱強(qiáng)鋼12Gr1MoVG鍋爐管，其結(jié)構(gòu)形式為：在主管徑向方向上縱向焊接18只支支管，支管中心距160mm；主管直徑φ60mm，壁厚5mm，長度2800mm，支管直徑φ35mm，壁厚8mm；焊接結(jié)構(gòu)采用騎座式全焊透形式；技術(shù)要求為縱向支管端面不平度不大于1.5mm，主管直線度不大于2.5mm；集箱管運行規(guī)范是介質(zhì)為430℃的高溫水，工作壓力為19MPa。

2　集箱管工藝試驗

2.1集箱管開孔變形工藝試驗

試驗?zāi)康模禾岣呱a(chǎn)效率，保證工期，管孔開孔采用數(shù)控全自動氣割加工可行性。

為此，選取如圖1所示的4根相同的集箱管，分別進(jìn)行了氣割開孔和鉆床鉆孔工藝試驗。

圖1　集箱管結(jié)構(gòu)示意圖

對氣割開孔試驗的集箱管按順序（L=160mm）連續(xù)氣割開孔（直徑19mm），氣割開孔后經(jīng)測量直線度，產(chǎn)生了向集箱管縱向開孔一側(cè)的凹形彎曲變形，變形偏差為3mm～3.5mm。

對采用鉆床進(jìn)行機(jī)加工鉆孔后，進(jìn)行了直線度的測量，產(chǎn)生的彎曲度偏差均在2mm，未出現(xiàn)較大的彎曲變形。

綜合試驗結(jié)論：由于在采用火焰切割過程中，采用熱輸入較小，管子壁厚相對較大，變形量與鉆床鉆孔變形量相比偏差基本相一致，只要在焊接過程中采取可行的焊接工藝，是能保證集箱管技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，所以決定采用火焰切割管孔工藝。

2.2集箱管焊接工藝試驗

在單根集箱管上進(jìn)行焊接變形試驗（焊接參數(shù)見表1），從集箱管兩端同時向中心焊接，結(jié)果焊接結(jié)束后，集箱管出現(xiàn)側(cè)彎現(xiàn)象，經(jīng)測量側(cè)彎偏差30mm，變形嚴(yán)重（測量結(jié)果如圖2所示），經(jīng)單根焊接試驗證明，單根產(chǎn)品如無有效防變形措施是不能滿足圖樣設(shè)計要求的。

表1　焊接參數(shù)

圖2　集箱管側(cè)彎變形示意圖

3　集箱管變形產(chǎn)生原因分析

經(jīng)試驗分析，影響集箱管焊接變形主要有以下兩種因素：

3.1縱向開孔變形

集箱管在縱向中心線上密集開設(shè)了中心距160mm，直徑19mm管孔，由于集束管數(shù)量龐大及火焰切割管孔對集箱管加熱的局部性，導(dǎo)致集箱管軸向有輕微撓曲度變形ΔL（如圖3所示），經(jīng)檢測變形量ΔL最大為3mm～3.5mm。

圖3　集箱管軸向變形示意圖

3.2焊接變形

集束管上管接頭的焊接（管接頭高度100mm，DN20， 壁厚8mm，中心距160mm），由于技術(shù)要求管接頭采用打坡口全焊透結(jié)構(gòu)，所以在焊接工藝中要求氬弧焊打底，手工焊填充蓋面。由于支管為騎座式安裝，造成填充金屬較多，熱輸入較大，加之支管之間間距短，支管數(shù)量多，并且整個產(chǎn)品焊接過程處于不均勻加熱和冷卻狀況，從而導(dǎo)致集箱管由于焊接殘余應(yīng)力在縱向和橫向產(chǎn)生變形（如圖4所示）。

圖4　集箱管縱向（上圖）、橫向變形（下圖）示意圖

導(dǎo)致焊接變形的因素有多種［1］，例如所采用的焊接方法、焊接電流、焊接電壓、焊接順序等。在各種焊接工藝因素中，焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊懽顬橹饕?，一般情況下，改變焊接順序可以改變殘余應(yīng)力的分布及應(yīng)力狀態(tài)，降低焊接變形率，多層焊以及焊接工藝參數(shù)也對焊接變形起著主導(dǎo)作用。因此，必須利用特殊的工藝規(guī)程和措施達(dá)到減少焊接殘余應(yīng)力和變形，改善殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)。

4　集箱管焊接防變形措施

1）縱向變形控制措施：采用兩組產(chǎn)品一對進(jìn)行組裝對接（如圖5所示），這樣裝配使焊后的殘余變形在縱向方向上能夠相互拘束——相當(dāng)于剛性固定——對產(chǎn)品焊接變形起到控制作用［2］。

圖5　集箱管組對示意圖

2）橫向變形控制措施：針對集箱主管橫向變形，設(shè)計了專用組裝工裝，采用夾具進(jìn)行剛性固定，控制產(chǎn)品焊接時產(chǎn)生的的彎曲變形及撓曲度變形［2］。

3）焊接順序的控制：由于焊接順序是影響焊接變形的一個重要因素，因此采用兩名焊工對稱、跳焊從兩端向中間的焊接方法進(jìn)行焊接（如圖6所示），這樣可以使焊接變形減小，達(dá)到總體變形減小的目的［3］。

圖6　集箱管施焊示意圖

另外，焊接采用小電流、快速焊接工藝（焊接參數(shù)見表2），減少熱輸入，降低焊接變形量［4］。

表2　焊接參數(shù)

4）焊后熱處理：由于焊后熱處理有著將彈性變形轉(zhuǎn)化為塑性變形的能力，起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)尺寸的作用［5］，對集箱管進(jìn)行670℃的爐內(nèi)整體消除應(yīng)力熱處理。

5　成品檢測

經(jīng)過嚴(yán)格按制定的防變形措施進(jìn)行小批量生產(chǎn)，集箱管最后加工為成品后，經(jīng)抽樣檢測，縱向變形量（最大為1.5mm）及橫向變形量（最大為1.0mm）得到了有效控制，縱向支管端面不平度不大于1.5mm，主管直線度不大于2.5mm，各檢驗項目均符合圖樣設(shè)計要求（檢測結(jié)果見表3）。

隨后，產(chǎn)品投入批量生產(chǎn)，經(jīng)檢測，無不合格品出現(xiàn)。

表3　抽檢記錄

6　結(jié)論

對集箱管這種小直徑產(chǎn)品在組對裝配、焊接順序、熱處理規(guī)范等各方面從試驗出發(fā)，根據(jù)試驗取得的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料，采取合理有效的工藝措施，就能保證產(chǎn)品質(zhì)量符合設(shè)計要求。

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Welding Deformation and its Control of Small Diameter Header Tube

Cheng Xumin Zhou Guanglu
(Shandong huayu pressure container co., LTD Ji'nan 250305)

To puzzle in the manufacturing process of an important compression part, header tube, which is used to connect storage of high temperature and high pressure heat medium for solar-thermal power generation equipment, suggestion is given combining the author's experience, that could reduce welding deformation, improve production efficiency， guarantee product quality， and be reference for relevant personnel.

Header tube Welding deformation Preventive measures

X924

B

1673-257X（2016）07-0068-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.07.018

程緒民（1960～），男，總工程師，高級工程師，從事壓力容器產(chǎn)品開發(fā)及技術(shù)管理工作。
（

2015-10-27）