鍋爐制造火焰矯正工藝探討

李壯壯

山東中杰特種裝備股份有限公司 山東菏澤 274000

1 序言

熱矯正裝置簡單、操作靈活，是焊后矯形常用的方法之一。其原理是利用火焰加熱時產(chǎn)生的局部壓縮塑性變形，使伸長的部位冷卻后局部縮短，利用收縮的變形抵消焊接引起的變形。熱矯正有著與焊接相似的熱循環(huán)，加熱溫度和冷卻方式的不同會對材料的性能造成不利影響。另外，由于熱矯正引起的殘余應(yīng)力和外來載荷所產(chǎn)生的拉應(yīng)力疊加，當(dāng)疊加載荷達(dá)到鋼材的屈服極限時，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，甚至斷裂，因此應(yīng)嚴(yán)格控制熱矯正工藝。熱矯正一般適用于塑性較好的材料。

我公司承建的型號為SHL50-1.25-SCⅢ生物質(zhì)鍋爐在現(xiàn)場組焊后集箱發(fā)生變形，直線度超出標(biāo)準(zhǔn)要求，需采用局部火焰加熱對其進(jìn)行矯形后達(dá)到技術(shù)要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

集箱與膜式壁管及下降管的連接形式如圖1所示，集箱展開圖如圖2所示。集箱材質(zhì)為20鋼，化學(xué)成分見表1，該材料塑韌性較好。焊縫較多且布置在集箱中性軸一側(cè)，集箱局部受熱，如果將焊縫連起來看成一條直線，則由縱向收縮導(dǎo)致?lián)锨冃?，再加上集箱長度較長，在自身重力的影響下對組焊造成困難，反變形操作困難，焊后集箱彎曲變形較大。產(chǎn)品建造按GB/T 16507.5—2022《水管鍋爐 第5部分：制造》規(guī)定，當(dāng)兩端封閉集箱總長＜20m時，直線度偏差應(yīng)≤2.5mm/m，且最大為16mm/m。

表1 20鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

圖1 集箱管接頭連接形式

3 火焰矯正工藝

為保證矯正的效果，應(yīng)合理選擇加熱方式、位置和溫度。加熱方式可分為點(diǎn)狀、線狀和面狀加熱，彎曲變形宜采用面狀加熱，即三角形加熱[1]。應(yīng)用火焰矯形原理，加熱位置應(yīng)選擇在材料彎曲外側(cè)。圖3所示為集箱加熱位置，三角形底邊位于彎曲凸點(diǎn)，寬度在10～30mm，這樣可很好地利用底邊橫向收縮大于頂端橫向收縮的特點(diǎn)來矯正彎曲。矯正前應(yīng)仔細(xì)檢測變形情況，確定加熱位置和加熱點(diǎn)數(shù)量，加熱范圍不超過總管120°所對應(yīng)的圓周上，避開管接頭焊縫及熱影響區(qū)，加熱方向從管中心向兩側(cè)進(jìn)行[2]。加熱火焰宜采用較安全的氧、丙烷氣氛，為了避免滲碳和過燒，宜使用中性焰，烤把使用多孔擴(kuò)散型。20鋼按照GB/T 3087—2022《低中壓鍋爐用無縫鋼管》規(guī)定制造，屬于優(yōu)質(zhì)碳素鋼，根據(jù)以往工藝經(jīng)驗(yàn)，在盡量減少對材料性能不利的原則下，規(guī)定加熱最高溫度≤650℃（溫度控制在580～620℃），禁止在300～500℃下進(jìn)行矯正，冷卻方式選擇空冷。火焰加熱時單從金屬顏色判斷溫度是不準(zhǔn)確的，因?yàn)轭伾赡苁艿讲煌馁|(zhì)、天氣、個人感覺的影響，而熱矯正過程應(yīng)嚴(yán)格控制加熱溫度，在實(shí)際操作過程中，應(yīng)配備檢驗(yàn)人員測量溫度，溫度測量可以用紅外線測溫槍、測溫蠟筆及熱電偶（用熱電偶測量有難度）等可行方式。二次矯正時避開原來的加熱位置，不斷觀察矯正效果，防止矯正過度。矯正后對集箱的尺寸和加熱區(qū)域的外觀進(jìn)行檢測，集箱全長度直線度偏差≤5mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。由于熱循環(huán)易產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力，會加大附近焊縫所受應(yīng)力，因此對焊接接頭的外觀也應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)，不得有裂紋等缺陷。

圖3 集箱加熱位置示意

4 加熱溫度探討

通過比較國內(nèi)外鍋爐制造標(biāo)準(zhǔn)對成形溫度的要求，結(jié)合以往工藝經(jīng)驗(yàn)對熱矯正加熱溫度的選擇給出合理性建議，此外還參考了鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，見表2、表3。

表2 鍋爐制造標(biāo)準(zhǔn)對比

表3 鋼結(jié)構(gòu)制造標(biāo)準(zhǔn)對比

值得一提的是，鍋爐相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并沒有對熱矯正操作有明確規(guī)定，根據(jù)冷/熱成形在標(biāo)準(zhǔn)中的定義，熱矯正可能也適用。本文將管子冷/熱成形的溫度要求適用于熱矯正，應(yīng)變量不予考慮。

熱矯正可選擇加熱溫度區(qū)間較大，但一般要求不超過其材料相變溫度Ac1。根據(jù)相變溫度經(jīng)驗(yàn)公式可求得20鋼的Ac1為726℃，但500～650℃矯正溫度已超過低碳鋼再結(jié)晶溫度（再結(jié)晶溫度是指冷變形金屬開始進(jìn)行再結(jié)晶的最低溫度）[3]，屬于GB/T 16507.5—2022規(guī)定的熱成形范疇，需要考慮是否進(jìn)行恢復(fù)材料性能熱處理，而這種情況在EN 12952-5：2021中會產(chǎn)生冷成形和熱成形兩種不同情況，相應(yīng)的熱處理要求也不同，而在美標(biāo)中碳素鋼在此溫度成形不需要后續(xù)熱處理。不同標(biāo)準(zhǔn)對冷熱成形的制造要求不盡相同，建議矯正溫度應(yīng)不超過材料相變溫度點(diǎn)，同時應(yīng)避開藍(lán)脆及回火脆性溫度區(qū)間，結(jié)合產(chǎn)品制造要求考慮進(jìn)行矯正后熱處理；不銹鋼矯正溫度要避免475℃脆性，工程上直接對不銹鋼火焰加熱一般是不允許的，可采用高頻熱點(diǎn)矯正和其他可行的方法。

5 熱矯正工藝模擬試驗(yàn)

有不少研究者對熱矯正后的性能做了試驗(yàn)研究，認(rèn)為可能會導(dǎo)致金相組織的變化，使力學(xué)性能下降[4]。為了給熱矯正工藝提供依據(jù)，建議進(jìn)行熱矯正工藝模擬試驗(yàn)，其類似焊接工藝試驗(yàn)，以確定材料經(jīng)熱矯正后仍然滿足性能要求，以此指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)，熱矯正工藝模擬試驗(yàn)現(xiàn)在很多工程上都有應(yīng)用。

為了簡化工藝流程，降低成本，進(jìn)行了熱矯正工藝模擬試驗(yàn)，以驗(yàn)證熱矯正后材料的力學(xué)性能，選出合適的矯正溫度?？紤]到公司常用材料，根據(jù)GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》，選用板厚為20mm的Q345R鋼作為試驗(yàn)材料，對其40mm寬范圍內(nèi)進(jìn)行火焰加熱，如圖4所示，矯正前在其加熱背面堆焊，使試板產(chǎn)生一定變形。加熱過程中使用紅外線測溫儀檢測溫度，當(dāng)加熱部位稍變暗紅色時，緩慢勻速向前移動烤槍，屆時讀取加熱紅色部位溫度數(shù)值，調(diào)整烤槍移動速度，測溫點(diǎn)隨著烤槍等速向前移動，使溫度控制在600℃左右，實(shí)測最高溫度640℃，冷卻方式選擇空冷。矯正完成經(jīng)外觀檢查合格后在加熱部位截取試樣，沖擊試樣取自距母材受熱表面0.5～2mm，試驗(yàn)結(jié)果見表4。試驗(yàn)結(jié)果表明，在該溫度矯正后的母材性能依然符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 熱矯正后力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 熱矯正示意

6 結(jié)束語

本文對集箱變形熱矯正的工藝方法做了基本探討，尤其是矯正溫度要考慮材料脆性溫度及產(chǎn)品制造標(biāo)準(zhǔn)的要求，做出合理的選擇。熱矯正方法可選擇的變數(shù)太多，建議鍋爐行業(yè)對其性能和工藝規(guī)范進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，同時企業(yè)應(yīng)制定內(nèi)控技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確保熱矯正過程可控，矯正后材料的性能達(dá)到使用要求。