鄭維信 胥文魁 寧興盛 朵元才 王志剛

(蘭州蘭石重型裝備股份有限公司)

大直徑管板堆焊制造技術(shù)

鄭維信*胥文魁 寧興盛 朵元才 王志剛

(蘭州蘭石重型裝備股份有限公司)

介紹了大直徑、大厚度15CrMo+SS堆焊管板的生產(chǎn)制造技術(shù)。由于管板直徑大，相對(duì)厚度較薄，堆焊時(shí)很容易產(chǎn)生變形，在制造過程中需從毛坯件加工余量、管板加工工序、焊接方法、焊接規(guī)范及防變形措施等方面加以控制。

大直徑管板 15CrMo+SS堆焊 變形

換熱設(shè)備是石化裝置的核心設(shè)備，通常情況下，換熱器管程介質(zhì)具有腐蝕性且流速較大，這就要求管板管程側(cè)或雙側(cè)具有耐腐蝕層。設(shè)計(jì)時(shí)一般選用復(fù)合板或堆焊結(jié)構(gòu)，其中堆焊結(jié)構(gòu)管板是生產(chǎn)廠家的首選[1]。在管板進(jìn)行單側(cè)堆焊時(shí)，管板單面從中心向四周或從四周向中心部位加熱，整個(gè)受熱面溫度極不均勻，造成管板中心和四周膨脹和收縮不同[2]。從中心向四周堆焊時(shí)，中心區(qū)域的收縮大于四周的；反之，四周的收縮變形要大于中心區(qū)域。隨著堆焊層數(shù)的疊加，搭接量增多，管板的焊接變形增大[3]。如不對(duì)管板本身進(jìn)行外加約束力或采取反變形措施，將不能保證管板的最終成形尺寸。筆者通過分析管板堆焊的變形特點(diǎn)，采用預(yù)留變形量和嚴(yán)格控制帶極堆焊工藝參數(shù)的方法，圓滿完成了設(shè)備的生產(chǎn)制造任務(wù)。

1 堆焊技術(shù)及制造難點(diǎn)

帶極埋弧堆焊(SAW)和電渣帶極堆焊(SMAW)都適合于平面或曲面堆焊，比如換熱器管板和壓力容器內(nèi)壁。帶極埋弧堆焊時(shí)，焊接電流通過電極和母材產(chǎn)生電弧，熔化焊材和母材進(jìn)行堆焊。由于電弧熔化電極的同時(shí)也熔化了母材，使母材有了較大的熔深和稀釋率(一般為10%～15%[4])。電渣堆焊是靠電阻熔化焊材和母材進(jìn)行的堆焊，熔深淺、焊接電流大、熱輸入量大，母材稀釋率在5%～10%左右，焊接變形也大，母材和堆焊層之間的邊界層晶粒粗大，使堆焊層抗氧剝離性能較差。兩者相比較而言，帶極埋弧堆焊焊接質(zhì)量穩(wěn)定、效率高，堆焊道數(shù)少，可以盡可能地降低熱輸入量，減小管板變形[5]。

某升級(jí)改造生產(chǎn)清潔化學(xué)品項(xiàng)目的FT合成反應(yīng)器，管板材料15CrMo(H)鍛，管板厚度為190+6.5mm(管板凈尺寸)，外徑為4 845mm。管板訂料重量約43 500kg(含殼程側(cè)加工量約13 000kg)。由于管板直徑大，相對(duì)厚度較薄，堆焊時(shí)很容易產(chǎn)生變形。

2 毛坯件加工

考慮到管板堆焊后變形較大，為保證管板加工后的最終尺寸和管板堆焊后的不平度，在采購(gòu)管板毛坯件之前，增加毛坯件的加工余量。在毛坯件外徑和厚度上留加工余量，即管板毛坯件的尺寸為外徑+15mm、厚度+15mm，并且管板待堆焊面預(yù)留10mm的反變形量。

鍛件到廠復(fù)驗(yàn)合格后按圖1初車加工管板。離管板鍛件上表面50mm處畫刻度線，以便以刻度為基準(zhǔn)找平管板堆焊面。

圖1 初車尺寸

3 管板堆焊制造過程

3.1過渡層堆焊

管板過渡層堆焊采用帶極埋弧堆焊，管板中心φ200mm部位和帶極埋弧無法堆焊的部位采用手工焊條電弧焊。由于母材和堆焊層金屬的熱膨脹系數(shù)不同，焊接產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，且堆焊過程中母材對(duì)過渡層合金元素的有一定的稀釋作用，故堆焊焊材選用高鉻鎳E309LMo。

將管板在加熱爐內(nèi)整體預(yù)熱至120℃以上，出爐帶溫進(jìn)行堆焊。堆焊前徹底清理待堆焊面氧化皮、油污及雜質(zhì)等，并進(jìn)行100%MT檢測(cè)，按NB/T 47013.4-2015中Ⅰ級(jí)合格。堆焊時(shí)由內(nèi)圈向外圈堆焊，堆焊一遍，過渡層堆焊總厚度2mm≤δ≤3mm，搭接量控制在8～10mm，表面不平度不超過1.5mm。過渡層堆焊工藝見表1。內(nèi)圈堆焊時(shí)熱源較集中，道間溫度偏高，為避免高溫下的焊接變形同時(shí)降低不銹鋼層的熱裂紋傾向，盡量采用小規(guī)范焊接[6，7]。若堆焊過程中中斷，再次堆焊前應(yīng)重新進(jìn)行預(yù)熱，使用環(huán)形火焰預(yù)熱工裝均勻加熱整個(gè)管板。

表1 過渡層堆焊工藝參數(shù)

3.2表層堆焊

管板表層堆焊采用帶極埋弧焊焊接，堆焊順序由內(nèi)圈向外圈，中心部位采用焊條電弧焊堆焊。堆焊兩遍，表層堆焊總厚度不小于3.5mm，保證表層有效厚度大于3.0mm。堆焊時(shí)，嚴(yán)格控制焊接熱輸入量，控制層間溫度不超過100℃(表2)。為保證表層堆焊厚度和化學(xué)成分要求，應(yīng)使用較大的焊接速度和較小電流，盡可能縮小熔池和熱影響區(qū)的范圍，降低局部溫度升高造成焊接應(yīng)力和焊接變形[7,8]。

表2 表層堆焊工藝參數(shù)

3.3熱處理

管板堆焊完成后，對(duì)堆焊面進(jìn)行100%PT檢測(cè)，按NB/T 47013.3-2015中Ⅰ級(jí)合格。將管板整體進(jìn)爐進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。熱處理過程中管板應(yīng)墊平放穩(wěn)，以減小變形。擺放爐車臨時(shí)支座時(shí)，需要合理避開燒嘴，防止火焰直接打到管板面或支座上，灼傷管板局部。嚴(yán)格控制爐內(nèi)氣氛，爐內(nèi)采用負(fù)壓，具體工藝規(guī)范為：熱處理材料15CrMo(H)鍛+309LMo，裝爐溫度低于400℃，升溫速率不超過55℃/h，恒溫溫度690±14℃，保溫結(jié)束后以不高于55℃/ h的速率冷至400℃后出爐空冷。

3.4油壓機(jī)校平

管板表層堆焊完成后，為保證堆焊總厚度和管板不平度，增加在萬噸油壓機(jī)進(jìn)行校平工序。經(jīng)過對(duì)該項(xiàng)目8件堆焊后管板變形量的測(cè)量，直徑方向變形量在30～50mm。先對(duì)未堆焊面在壓機(jī)上多點(diǎn)壓平，再對(duì)堆焊面多點(diǎn)過量施壓，反復(fù)再對(duì)反面校平等措施，保證管板平面度符合圖樣要求。

3.5堆焊后加工

按圖紙要求以刻度線為基準(zhǔn)，加工堆焊表層。以堆焊面為基準(zhǔn)加工管板其余尺寸符合圖樣要求。加工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制切削量不大于0.5mm/r為宜。由于工件直徑大，未堆焊面(背面)余量較大，若切削量大時(shí)管板溫度極易升高，加工硬化應(yīng)力大，容易造成較大變形。置于寬闊的平臺(tái)上進(jìn)行時(shí)效處理，放置時(shí)間不少于72h，放置時(shí)應(yīng)墊平放穩(wěn)，并使堆焊面朝向地面，再進(jìn)行后續(xù)加工。

4 檢測(cè)分析

堆焊所用焊接材料(表3)符合技術(shù)文件要求。通過堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分實(shí)測(cè)值與技術(shù)要求對(duì)比，結(jié)果證明熔敷金屬化學(xué)成分滿足圖紙要求(表4)。堆焊層表面按NB/T 47013.3-2015進(jìn)行100%PT檢測(cè)，結(jié)果表明表面不存在不可接受缺陷。堆焊層結(jié)合面按NB/T 47013.2-2015進(jìn)行100%UT 檢測(cè)，不存在堆焊層分層現(xiàn)象。堆焊層厚度測(cè)定采用超聲波檢測(cè)，共測(cè)定8點(diǎn)。檢測(cè)結(jié)果表明堆焊層最小厚度為6.3mm，最大7.2mm，滿足圖紙要求。

表3 堆焊鋼帶的化學(xué)成分 wt%

表4 堆焊層化學(xué)成分 wt%

產(chǎn)品技術(shù)要求鐵素體數(shù)FN為3.00～8.00。按照WRC的“不銹鋼焊縫金屬WRC-1992(FN)圖”[9]，進(jìn)行堆焊層鐵素體數(shù)的計(jì)算，F(xiàn)N為8.00。采用Magnetic method 磁性法[10]進(jìn)行測(cè)量，實(shí)測(cè)鐵素體數(shù)FN為6.08，兩種方法測(cè)量結(jié)果均滿足圖紙要求。

8件管板校平后采用水平測(cè)量?jī)x檢測(cè)管板水平度，測(cè)定不平度控制在3～6mm。管板其余尺寸經(jīng)測(cè)量均在圖紙要求公差范圍內(nèi)，符合文件規(guī)定。

5 結(jié)束語

大厚度、大直徑管板堆焊前采用預(yù)留變形余量，對(duì)待堆焊面進(jìn)行整體預(yù)熱處理，用帶極埋弧焊小電流、小規(guī)范；堆焊過渡層后進(jìn)爐進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，堆焊表層后在油壓機(jī)上進(jìn)行校平的工藝路線可以保證該類管板的最終成形尺寸和平直度。8件管板堆焊后最終平直度為3～6mm，證明該技術(shù)方案是可行有效的。

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*鄭維信，男，1984年5月生，工程師。甘肅省蘭州市，730087。

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0254-6094(2016)06-0816-03

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