大型焊接部件弧形密封面制作工藝研究

黃攀宇 母 波 劉永紅 趙 寬 唐淋偉

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽(yáng) 621000)

某國(guó)家重大項(xiàng)目中的試驗(yàn)裝置(內(nèi)徑5 m，長(zhǎng)度10.5 m，重約270 t，結(jié)構(gòu)如圖1所示)，材料Q345R，主筒體壁厚30 mm，兩端有支座，外周筋板加強(qiáng)。由于需要從頂部反復(fù)吊入吊出大型試驗(yàn)件，頂部設(shè)置有7 m×4 m的開(kāi)口，開(kāi)口處設(shè)計(jì)頂蓋與試驗(yàn)裝置主筒體之間連接，頂蓋相對(duì)主筒體可以自由開(kāi)啟閉合，頂蓋與試驗(yàn)裝置主筒體之間通過(guò)同心弧形面密封，密封面間隙要求小于1 mm。在頂蓋閉合密封時(shí)，試驗(yàn)裝置內(nèi)腔抽真空至100 Pa，保壓1 h后要求真空壓強(qiáng)不高于266 Pa。

1 弧形密封面加工工藝路線分析

弧形密封面是整個(gè)試驗(yàn)裝置制作的關(guān)鍵。焊接結(jié)構(gòu)件上的密封面制作通常有兩種方式。一種是焊前加工法，在焊接前將密封面加工到尺寸，然后通過(guò)工藝方法控制變形來(lái)達(dá)到圖紙要求。另外一種是焊后加工方法，預(yù)留機(jī)械加工余量，焊接后整體加工到尺寸。一般情況下選擇的是焊后加工法。但大型焊接結(jié)構(gòu)件制作安裝，不僅要考慮制作工藝、制作成本和質(zhì)量控制，還須考慮安裝時(shí)現(xiàn)場(chǎng)條件、施工進(jìn)度等諸多因素的影響。本例中的產(chǎn)品尺寸大，質(zhì)量大，在焊接結(jié)構(gòu)件上加工真空弧形密封面，國(guó)內(nèi)也沒(méi)有查到可類(lèi)比實(shí)例參考，缺乏

類(lèi)似施工經(jīng)驗(yàn)。為擇優(yōu)選擇密封面加工時(shí)機(jī)，本文從質(zhì)量、進(jìn)度及成本等方面進(jìn)行對(duì)比分析：

(1)弧形密封面焊前加工

①在廠內(nèi)分段預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)焊接，所需的運(yùn)輸設(shè)備為常規(guī)設(shè)備，運(yùn)輸成本較低。

②需要現(xiàn)場(chǎng)搭建臨設(shè)和輔助設(shè)施，制作成本較高。

③焊前加工，部件尺寸較小，常規(guī)的車(chē)床和數(shù)控銑床就能保證加工，加工成本較低。

④密封面機(jī)械加工后的質(zhì)量保持，靠焊接過(guò)程保證，受不可控因素影響，對(duì)焊接工藝要求高，且密封面質(zhì)量保證難度大。

⑤主體在現(xiàn)場(chǎng)施工，受環(huán)境影響大，與土建交叉多，進(jìn)度保證有一定難度。

(2)弧形密封面焊后加工

①在廠內(nèi)整體制作到位，所需的運(yùn)輸設(shè)備為特種車(chē)輛，道路條件受限，運(yùn)輸成本較高。

②利用廠內(nèi)輔助設(shè)施，制作成本較低。

③焊后整體加工，部件尺寸大，需要大尺寸鏜銑類(lèi)加工中心等設(shè)備，加工成本較高。

④密封面精度靠機(jī)加設(shè)備保證，較容易保證密封面質(zhì)量。

⑤主體在廠內(nèi)完成，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間短，交叉施工少，進(jìn)度保證相對(duì)容易。

通過(guò)比較可知，弧形密封面無(wú)論是焊前加工還是焊后加工，都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件(本項(xiàng)目產(chǎn)品安裝現(xiàn)場(chǎng)土建施工正在進(jìn)行，大型龍門(mén)吊安裝缺少空間)，最大限度降低成本，在進(jìn)度符合項(xiàng)目要求的前提下，考慮試驗(yàn)裝置實(shí)際使用過(guò)程中對(duì)弧形密封面密封間隙敏感，但對(duì)密封面形狀精度要求不高的工況，最終將試驗(yàn)裝置弧形密封面加工時(shí)機(jī)確定為模塊化制作的焊前加工方案。這個(gè)方案的最大優(yōu)點(diǎn)就是成本低、質(zhì)量可控、進(jìn)度周期滿(mǎn)足建設(shè)需求。該方案將試驗(yàn)裝置分成了1個(gè)主筒體、2個(gè)支座(圖2)和1個(gè)頂蓋(圖3)三大模塊，各模塊在工廠制作，整體熱處理后機(jī)械加工裝配面、安裝面，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)組焊，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)焊縫進(jìn)行局部熱處理?；⌒蚊芊饷婧盖凹庸?，通過(guò)工藝手段在主筒體模塊和頂蓋模塊上制作完成，并在制造廠內(nèi)調(diào)整、修配密封間隙，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)只需裝配，并進(jìn)行少量的焊接施工，最大限度降低焊接熱對(duì)弧形密封面的影響，保證主筒體和頂蓋之間弧形密封面貼合時(shí)的間隙滿(mǎn)足圖紙要求。

2 弧形密封面焊前加工重難點(diǎn)分析

2.1 主筒體和頂蓋變形

主筒體是開(kāi)孔較大的圓筒體，頂蓋是一個(gè)圓心角為119°的大型圓弧形焊接結(jié)構(gòu)件，密封板與主筒體和頂蓋之間要進(jìn)行焊接，焊后進(jìn)行局部熱處理，這類(lèi)結(jié)構(gòu)和相關(guān)的施工必將導(dǎo)致主筒體和頂蓋變形，變形的大小將直接影響密封間隙小于1 mm技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2.2 弧形密封面的加工

主筒體和頂蓋上的密封面為空間凹槽弧形密封面，工件尺寸較大、剛性差，加工中零件輪廓容易變形，變形的大小也將直接影響密封間隙小于1 mm技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2.3 應(yīng)力消除

構(gòu)件卷制、焊接、機(jī)械加工和主筒體上開(kāi)孔，都將在主筒體和頂蓋內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致構(gòu)件開(kāi)裂、產(chǎn)生翹曲、變形、焊件尺寸發(fā)生變化等，因此須采取措施消除應(yīng)力。

3 弧形密封面焊前加工重難點(diǎn)解決措施

3.1 主筒體和頂蓋變形控制措施

弧形密封面加工后安裝在試驗(yàn)裝置筒體和頂蓋上，弧形密封面采用焊前加工方式，首先必須控制試驗(yàn)裝置主筒體和頂蓋尺寸公差和形位公差，控制加工后的密封面組焊時(shí)變形量。為了保證這一要求，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制：

(1)下料尺寸控制

在考慮焊縫收縮的情況下，主筒體和頂蓋的每塊板料采取數(shù)控火焰切割下料，確保坡口加工后實(shí)際和理論展開(kāi)尺寸的誤差小于2 mm，對(duì)角尺寸誤差小于2 mm。

(2)主筒體及頂蓋同心度控制

主筒體和頂蓋都由多段拼焊而成。首先要控制各段的圓度，卷筒后進(jìn)行校正，要求支撐后圓度不超過(guò)3 mm，端面垂直度小于1 mm。頂蓋分段卷制，卷制前劃?rùn)z查線，防止組焊后母線不直或者扭曲。分段后筒體裝配焊接采用垂直裝配、吊線檢查的方式，確保主筒體任意母線直線度小于5 mm。頂蓋因制作難度較大，在焊接后允許火焰校正，圓度誤差不超過(guò)5 mm，母線直線度小于7 mm。

(3)工裝措施控制

在主筒體、頂蓋筒體內(nèi)部除了采用常規(guī)輔助支撐加強(qiáng)外，主筒體還利用內(nèi)部的2個(gè)環(huán)形支撐圈作為校圓工裝(見(jiàn)圖4)，將支撐圈外圓機(jī)械加工后壓入主筒體內(nèi)部，既能校正筒體橢圓，又能增加筒體剛度。頂蓋圓弧翼板焊后在車(chē)床上加工內(nèi)弧面，并使其尺寸與頂蓋筒體外圓一致，焊接時(shí)利用圓弧翼板剛性相對(duì)好的特點(diǎn)，對(duì)頂蓋筒體支撐和校正(見(jiàn)圖5)。

(4)焊接間隙控制

主筒體和頂蓋上的每塊筋板和翼板在切割時(shí)預(yù)留余量，組對(duì)時(shí)根據(jù)實(shí)際尺寸打磨修整，減少主筒體和頂蓋各筋板的組對(duì)間隙，減少焊接時(shí)的收縮變形。

3.2 弧形密封面加工控制措施

3.2.1密封面分段

為了機(jī)械加工方便，將密封面從主筒體和頂蓋殼體上剝離到密封板上。同時(shí)，為了降低加工難度，主筒體和頂蓋上的弧形密封面按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分成4段，即2個(gè)直段和2個(gè)圓弧段，圓弧面車(chē)床上加工成形，直段部分按照空間弧形密封面形狀數(shù)控加工成形，并將密封面進(jìn)行配對(duì)、裝配、修整，確保主筒體和頂蓋上各自密封面相互貼合。

3.2.2 密封面組對(duì)焊接工藝

以頂蓋和主筒體互為剛性支撐，采用搭積木組對(duì)工藝控制二者間的密封間隙。具體做法是先在主筒體上劃線，確定密封面的位置，然后在筒體上開(kāi)工藝手孔，供焊接內(nèi)部的密封角焊縫，最后將開(kāi)好坡口的主筒體密封板組焊到主筒體上。為減小焊接變形，焊接密封板時(shí)采用從中間往兩側(cè)分段退焊，分段密封面對(duì)接部位采用樣板校對(duì)打磨光滑。

主筒體和對(duì)應(yīng)的密封板焊接完成后，再在主筒體密封面上貼裝頂蓋密封板，采用龍門(mén)卡將兩密封板的間隙消除，塞尺檢測(cè)合格后，側(cè)面焊接鎖緊塊，使兩密封面拉緊貼牢。然后在頂蓋密封面上貼裝已經(jīng)點(diǎn)固裝配好筋板和翼板的頂蓋，也采用龍門(mén)卡將頂蓋和頂蓋密封板貼緊，塞尺檢測(cè)合格后，焊接頂蓋密封板和頂蓋(密封面組焊示意圖如圖6)。

3.3 應(yīng)力消除措施

為了減少弧形密封面變形，采用整體退火方式消除應(yīng)力。試驗(yàn)裝置板材厚度差異大，其中連接板厚100 mm，殼體壁厚30 mm，單一部件熱處理總重量達(dá)220 t。如按照GB 150-2011《壓力容器》要求制訂熱處理工藝參數(shù)，熱處理溫度600 ℃±20 ℃，保溫時(shí)間4 h。但由于本項(xiàng)目屬于大型焊接結(jié)構(gòu)件的退火，高溫下材料強(qiáng)度快速下降，自重和高溫下的剛度不足引起熱處理變形必須考慮，因此，為了減小高溫變形，參考ASME VIII-1《壓力容器建造規(guī)則》的要求，通過(guò)適當(dāng)減低熱處理溫度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間達(dá)到消除應(yīng)力效果，實(shí)際的熱處理工藝如圖7。同時(shí)退火時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)熱處理爐底部要求用水準(zhǔn)儀找平，確保爐底

部平面度誤差小于5 mm。

(2)為了防止中部塌陷，中部焊接輔助支座，并在爐內(nèi)用耐火磚墊牢。

(3)在出火點(diǎn)不能直燒工件前提下，熱處理爐盡可能多布出火點(diǎn)。

(4)為了減少高溫下的零件變形，所有開(kāi)孔面暫不開(kāi)孔，內(nèi)部采用大量鋼管支撐，提升剛度。

(5)所有加工面涂高溫漆保護(hù)，防止加工面熱處理中氧化。

(6)安裝鎧裝熱電偶多點(diǎn)測(cè)溫：頂蓋均布6個(gè)、試驗(yàn)裝置主筒體均布4個(gè)、密封面部位均布4個(gè)。在熱處理時(shí)根據(jù)熱電偶的溫度調(diào)整相應(yīng)出火點(diǎn)的火頭大小，保證熱處理爐內(nèi)任意范圍內(nèi)的溫差應(yīng)≤10 ℃。

4 弧形密封面加工及密封效果

試驗(yàn)裝置退火后，在拆除內(nèi)部支撐、打開(kāi)密封面鎖緊塊、主筒體開(kāi)孔后，通過(guò)塞尺檢查密封面間隙，密封面中部貼合間隙均在0.6 mm以?xún)?nèi)，其余部位間隙小于1 mm，達(dá)到圖紙要求，間隙偏大部位主要分布在頂蓋四角附近。

試驗(yàn)裝置出廠前對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行真空密封試驗(yàn)，采用φ24 mm真空橡膠條對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行密封，在真空抽到100 Pa后，保壓1 h，真空壓力為170 Pa，優(yōu)于266 Pa設(shè)計(jì)指標(biāo)，弧形密封面密封達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

原焊后加工施工方案周期預(yù)計(jì)90天，制造施工成本約520萬(wàn)元。采用焊前加工方案，整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施結(jié)束，施工周期共用65天，制造施工成本花費(fèi)約450萬(wàn)元。與焊后加工方案比較，焊前加工方案施工周期提前了25天，制造施工成本節(jié)約了70萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

本文完成了大型焊接結(jié)構(gòu)件弧形密封面的焊接、熱處理及機(jī)械加工等工藝研究。該研究的成功開(kāi)展，解決了大型焊接件弧形密封面加工制作的技術(shù)難題，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，確保了大型焊接結(jié)構(gòu)件弧形密封面加工質(zhì)量的符合性，節(jié)約了時(shí)間和資金成本，同時(shí)也可以為類(lèi)似大型焊接弧形密封面的加工制作提供有效的參考。