堆焊管板平面度的控制

2013-04-10吕延茂

化工装备技术 2013年1期

吕延茂

(中石化集团南化公司化工机械厂)

管板是反应器、换热器类设备中的主要受压元件之一，其分别与管程、壳程的壳体相连接。相对厚度较小、直径较大的管板其特性之一就是抗弯曲变形的能力较低。

通常堆焊管板的基体材料为低合金钢锻件。按照带极堆焊的工艺规范，以同心圆法进行带极堆焊奥氏体不锈钢，相当数量的堆焊管板存在不同程度的下凹变形。控制堆焊管板平面度最常用、最直接、最有效的方法是进行机械校平。但当管板直径较大时，机械校平往往受到企业设备能力的限制而不能实现。

南化公司化工机械厂的带极堆焊始于20世纪80年代初，当时主要用于尿素设备封头、管板和甲醇塔管板等的堆焊。在2009年以前，相对厚度较小、直径较大的管板，依据经验把管板基体的堆焊面在堆焊前加工成龟背状，以控制堆焊管板的平面度。

近年来，引进设备的国产化速度显著加快，大型化工设备日益增多，且对堆焊管板的平面度也提出了较高的要求。堆焊管板的平面度是衡量这一类产品制造水平的指标之一。因此，必须进一步探索控制堆焊管板平面度的措施。

1 堆焊管板变形量的工程计算

影响管板堆焊变形的因素包括管板材料、结构形状、焊接材料和焊接工艺等。具体的管板及其堆焊过程的情况往往与计算公式所适用的条件不完全相同，因而管板实际的变形量与计算变形量存在偏差具有必然性。关键的问题在于控制堆焊过程中变形的偏差程度。

2 堆焊模式

按照管板堆焊变形的机理，管板堆焊的模式可分为两大类：两块管板叠置堆焊和单块管板堆焊。按照影响堆焊变形的相关因素，这两大类又可分为若干小类。

2.1 管板叠置堆焊

先将两块管板叠置并固焊成整体，然后再进行堆焊。这种堆焊模式导致管板变形的因素是叠置管板整体的残余内应力。当叠置管板拆开为两块管板时，其每一块管板的变形是在瞬间突变式形成的。

平面度检测：只有在叠置管板拆开之后，才能检测单块管板的平面度。

2.2 单块管板堆焊

单块管板堆焊时，造成管板变形的因素主要是在堆焊过程中连续产生的内应力。其管板变形的形成不同于管板叠置堆焊，它是在堆焊过程中渐进式形成的。

平面度检测：可以在堆焊过程中随时检测平面度的变化状况。

3 平面度的控制

堆焊管板平面度的控制内容包括堆焊变形量和变形轨迹。自2009年以来，我们通常的做法是：按照不同类别的堆焊模式采用工程计算的方法计算管板堆焊的变形量，并采用预变形措施，把管板基体的堆焊面加工成龟背状。平面度的控制措施：采用相对稳定的工艺参数施焊，焊前加工好合适的预变形量，同时设法降低或利用内应力。

3.1 管板叠置堆焊的平面度

叠置堆焊的管板拆开为两块管板之后，堆焊管板的平面度即发生改变。显然在叠置管板拆开之前的堆焊过程中，难以采取有效的控制措施。相对厚度较小、直径较大的管板叠置堆焊后的单块管板平面度，基本上取决于计算预变形量的准确性和采取的实际预变形量。

3.2 单块管板堆焊的平面度

单块管板单面堆焊以预变形量来控制其堆焊变形量。在堆焊过程中按控制点检测变形量和平面度，并依据经验相机采取控制措施，适当调整相关的焊接工艺措施，这样可以使堆焊管板平面度的控制效果较为理想。

单块管板两面堆焊是单面堆焊的延续，属于另一种形式的单块管板堆焊模式。应用两面堆焊变形量基本相等的原理控制平面度，效果良好。但堆焊面的直径越大，增加的堆焊成本就越高。

3.3 管板的平面度控制实例

管板钻孔后的平面度仅仅是单件堆焊管板的平面度，管板与壳体组焊后的管板平面度才是堆焊管板最终的平面度。在设备的制造过程中，相对厚度较小、直径较大的堆焊管板最终平面度的控制，属于糸统工程的范畴。

至今，南化公司化机厂控制相对厚度较小、直径较大的堆焊管板的最终平面度技术，在国内处于领先水平。例如：德纳公司环氧乙烷反应器，其管板规格为外径4880 mm、内径4700 mm、总厚度320 mm、堆焊区基体厚度150 mm。堆焊模式为单块管板堆焊。结果堆焊管板最终的平面度小于4 mm。扬子公司环氧乙烷反应器设备质量为830 t，是迄今为止国内制造的直径最大的环氧乙烷反应器。其管板规格为外径6980 mm，内径6760 mm，总厚度350 mm，堆焊区基体厚度180 mm。堆焊模式为单块管板堆焊。结果堆焊管板最终的平面度小于5 mm。