大直徑超限設(shè)備制造過程變形控制技術(shù)①

朱小燕 張正棠 王喜平 王化明 唐國強

(新疆蘭石重裝能源工程有限公司)

近幾年我國的壓力容器設(shè)備日益大型化，例如塔器、加氫反應(yīng)器、球罐及AP1000安全殼等在設(shè)計上都超出了以往的規(guī)模，超限大型薄壁容器設(shè)備的發(fā)展前景日趨廣闊。變形在壓力容器制造行業(yè)非常普遍，無論是部件制造、各部件組對焊接、整體成型、壓力試驗、運輸，還是現(xiàn)場安裝都會產(chǎn)生變形。只要將變形控制在合理的范圍內(nèi)，就不會對設(shè)備的生產(chǎn)和運行造成影響。很多時候，變形都是平時生產(chǎn)操作中累計誤差積累到一定程度而引起的。在最初的研究中,主要基于出現(xiàn)的一些問題進行應(yīng)對和解決。如王長生等對薄板焊接變形的影響因素及控制方案進行了研究[1]；金志浩和于暢洋對大型安全殼瓣片的防變形進行設(shè)計分析[2]；王佳穎對薄壁零件制造的變形進行了分析，并提出應(yīng)對措施[3]。

壓力容器制造過程中一旦發(fā)生變形，會使其嚴(yán)密性、可靠性和安全性受到較大影響。引起變形的原因主要有：沒有按照制造工藝設(shè)計方案的要求，影響了下料的準(zhǔn)確性；模具的尺寸和形狀不符合制造工藝的要求；組裝過程中，零部件和元件的配合尺寸不吻合[4,5]。筆者以MN再生塔的制造為例,結(jié)合以往生產(chǎn)制造各類容器的經(jīng)驗，對大型超限設(shè)備在生產(chǎn)制造以及運輸過程中出現(xiàn)的變形問題進行闡述，并做出變形控制。

1 MN再生塔生產(chǎn)制造中的變形

1.1 規(guī)格介紹

MN再生塔立式安裝主殼體總高40 495mm，規(guī)格φ6000/φ4500mm×29550mm×(4+16/4+20/4+26)mm(筒體)/(4+20)mm(封頭)，體積為730m3。設(shè)備主要受壓元件材料為Q345R+S30403，金屬質(zhì)量為149.33t。該設(shè)備設(shè)計壓力為0.60MPa，工作壓力為0.26～0.27MPa，設(shè)計溫度為80(上段)/150(下段)℃，最高工作溫度為48℃，最低工作溫度為40℃，臥式氣壓試驗壓力為0.66MPa。

1.2 變形原因分析

1.2.1焊接造成的變形

大直徑超限薄壁容器由于直徑較大，在筒體縱縫焊接時，采用筒體縱縫橫焊，焊接過程中未采取一定的防護措施，焊完后發(fā)現(xiàn)焊縫出現(xiàn)較大的變形，筒體幾乎成橢圓形狀。在焊接縱縫過程中，焊接工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，電流過大，焊接速度過快，導(dǎo)致產(chǎn)生熱變形，焊縫產(chǎn)生內(nèi)凹現(xiàn)象，經(jīng)過校正后在筒節(jié)內(nèi)部打支撐才能恢復(fù)制造工藝要求的形狀和尺寸。

1.2.2滾輪架上組對產(chǎn)生的變形

由于再生塔筒體直徑很大，容器外壁很薄，將筒體分段放置在滾輪架上時，通過滾輪架的轉(zhuǎn)動加上筒體自重的原因，筒體已變形，在焊接組對過程中無法保證直線度。

1.2.3筒體上開孔造成的變形

MN再生塔生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜，內(nèi)件安裝較多、接管也多，筒體上需要開制大量接管孔，而設(shè)備本身直徑較大，壁厚較薄，在用切割機氣割孔的同時已經(jīng)有微小的變形，開完孔后組裝接管時，由于接管自身重量較大，在進行接管和筒體焊接的同時，筒體上開孔處局部溫度過高，無法承載接管的重量，導(dǎo)致接管在筒體開孔處發(fā)生坍塌、內(nèi)陷，影響安裝尺寸。

1.3 應(yīng)對辦法

根據(jù)現(xiàn)場出現(xiàn)的以上問題，針對超大直徑容器采用筒體分瓣卷制，卷完后將分瓣卷制的筒節(jié)放置在專用工裝中，并在筒節(jié)端口加防變形支撐，如圖1所示。

圖1 筒體分瓣卷制、打支撐

在對超限設(shè)備焊縫焊接中，采取縱、環(huán)縫立焊，避免變形，立焊的關(guān)鍵要控制好對口錯邊量，一旦縱縫控制不好成形后進行環(huán)縫組對時，對口錯邊量將非常大，無法進行組焊，經(jīng)過試驗后將對口錯邊量控制好，筒體組對效果很好，及時完成了產(chǎn)品的生產(chǎn)，得到了用戶的一致好評?？v縫立焊、筒體環(huán)縫立式組對如圖2所示。

圖2 縱縫立焊、筒體環(huán)縫立式組對

對于整體卷制的筒體卷板完成、校圓合格以后，端口立即打米字形支撐(圖3)，將各筒節(jié)吊放在滾輪架上，塔段筒節(jié)進行對接，測量塔體筒體的直線度，直線度合格后，采用八塊拉筋板均布焊在組對環(huán)縫上并焊牢，之后再測直線度，直線度合格后方可焊接組對環(huán)縫。

圖3 米字形打支撐

裝焊接管時，對變形小的進行矯正，重新組裝；如果坍塌、內(nèi)陷比較嚴(yán)重，則直接報廢。對于人孔和大接管集中在同一方位上進行安裝時，采用反變形方法或者在接管焊接位置邊緣200mm處筒體內(nèi)部打支撐的措施來預(yù)防焊接過程中或焊后造成的變形以及直線度偏差過大。

另外，在筒節(jié)端口比較臨近的位置裝有人孔或者大接管時，可以先在筒體上將孔開好，廠內(nèi)不進行焊接，待現(xiàn)場環(huán)縫組裝完成后在進行人孔和大接管的焊接。對公稱直徑大于350mm的接管在開孔位置距離接管邊緣200mm處裝防變形支撐，防變形支撐有一字形、十字形和米字形，視具體情況而定。

2 質(zhì)量控制方案

2.1 塔器成型后整體直線度測量控制

對于臥置長度為41m的大直徑超限塔器來說，要求塔體總直線度小于40mm，測量難度較大，如果單靠水準(zhǔn)儀進行測量的話，只能測量上、下方位的直線度，而塔器外面兩側(cè)直線度無法測量。筆者采用水準(zhǔn)儀測量上、下塔體直線度；采用在上、下封頭中心同方位的接管上固定一角鋼拉線測量塔體兩側(cè)直線度。整體測量完后，塔體旋轉(zhuǎn)0～360°，采用水準(zhǔn)儀測量檢查，測量結(jié)果在允許范圍之內(nèi)，具體做法為：用一角鋼固定在上、下封頭中心接管同一方位上，并伸出超出筒體外壁200mm，角鋼上拉一根0.5mm鋼絲，拉緊并與塔體保持平行；在塔體上用數(shù)對線自然垂下，并低于鋼絲繩；通過測量鋼絲繩和細(xì)線之間的距離判斷塔體的整體直線度(圖4)。

圖4 塔體整體直線度測量方法

2.2 設(shè)備熱處理過程筒體變形控制

設(shè)備整體制造完成后，進行焊后熱處理，熱處理的目的主要在于消除焊接殘余應(yīng)力、軟化淬硬區(qū)、通過高溫改變內(nèi)部組織形態(tài)、減少鋼板中的氫含量、提高鋼板沖擊韌性同時改善鋼板材料的力學(xué)性能，減少筒體變形的風(fēng)險。而在熱處理過程中會導(dǎo)致主體筒體出現(xiàn)變形，必須采取一定的防變形措施，MN再生塔在熱處理過程中采取的防止筒體變形措施有：

a. 在熱處理之前選擇合適的、符合規(guī)范要求和規(guī)格的熱處理爐，控制好爐內(nèi)溫度，保證爐內(nèi)溫度均勻、準(zhǔn)確，爐壁火焰噴嘴處設(shè)擋火墻，火焰不得直接接觸或接近工件；

b. 根據(jù)熱處理爐的規(guī)格和結(jié)構(gòu)，合理設(shè)置臨時支座對筒體進行支撐，防止加熱過程中由于溫度導(dǎo)致產(chǎn)生的熱變形；

c. 根據(jù)筒體長度和設(shè)備變徑位置，在筒節(jié)內(nèi)部適當(dāng)位置打支撐(米字型)和筒體防變形支撐圈；

d. 在大接管外伸偏重處，臨時設(shè)置防變形支撐；

e. 嚴(yán)格遵守?zé)崽幚硪?guī)定，保證溫度在合適范圍內(nèi)，杜絕超溫現(xiàn)象。

2.3 設(shè)備運輸過程中變形控制

以往都是塔器在制造完畢后，整體發(fā)貨運輸，由于設(shè)備本身的重量，加上路面的不平整，車輛行駛速度不均勻，對設(shè)備會造成水平和豎直方向上的作用力，這些作用力和重力相互作用，在設(shè)備上產(chǎn)生扭曲和彎曲應(yīng)力，使設(shè)備變形，影響設(shè)備整體直線度和平整度，在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，尤其對焊縫處造成應(yīng)力集中，嚴(yán)重的焊縫處斷裂。因此，選擇合適的運輸方式也尤為重要，對于大型超限設(shè)備，目前采取筒節(jié)分瓣運往現(xiàn)場之后組焊，完成后續(xù)工作。

3 結(jié)束語

從現(xiàn)場制造MN再生塔的實際效果來看，使用防變形支撐和筒體立式組裝、焊接、運輸?shù)姆椒ㄊ强尚?、可靠的。制造壓力容器的關(guān)鍵工序就是焊接，焊接的進度直接影響到產(chǎn)品整體的制造質(zhì)量和施工進度。所以，首先要制定出現(xiàn)場實用、可行的焊接施工方案，其次要準(zhǔn)備好施工所用的各種工具、設(shè)備和防護裝置，這樣才能保證大型超限薄壁設(shè)備的順利制造和施工進度的合理規(guī)劃，保證設(shè)備更加安全、高效、快速的完工。

[1] 王長生，薛小懷，樓松年，等.薄板焊接變形的影響因素及控制[J].焊接技術(shù)，2005,34(4):3～4.

[2] 金志浩，于暢洋.大型安全殼瓣片的防變形設(shè)計分析[J].沈陽化工大學(xué)學(xué)報，2013,27(3):3～5.

[3] 王家穎.大型薄壁零件防變形加工工藝[J].高效數(shù)控加工，2011,23(24):79～82.

[4] 白巨娟，夏淑秋.CO2吸收塔的制造及安裝[J].壓力容器，2004,26(11)：46～49.

[5] 陳月紅.壓力容器制造中常見問題及分析[J].裝備制造技術(shù)，2010，(7)：163～165.