不锈钢蒸发冷凝器焊接问题分析及对策

2014-11-24瑞星集团有限公司山东东平271509巩汝强张道福

金属加工(热加工) 2014年4期

瑞星集团有限公司（山东东平 271509）巩汝强张道福

1.概述

2012年12月，我公司承接了两台FN=1600m2蒸发冷凝器的制作任务，该设备是CO2气提法年产80万t尿素装置中的关键蒸发设备之一，总重36t，其结构如图1所示。

图1 FN=1600m2蒸发冷凝器结构

该设备管板外径为2260mm，管板厚度100mm，管板上钻φ25.4mm管孔3544个，换热管规格为φ25mm×1.6/L=6000mm。该设备公称直径为DN2100mm，壳程筒体厚14mm，壳程上半部分有DN2400mm导流筒一件，上面有φ1032mm×16mm接管一件，材质均为022Cr19Ni10（00Cr19Ni10）。该设备上下两管箱部分材质为Q345R，筒体厚18mm，其中上管箱上面有φ932mm×16mm接管两件。

2.焊接难点分析

（1）易产生焊接变形壳程导流筒和上管箱上面都有大尺寸开孔，焊接接管时容易产生筒体塌陷变形。尤其是壳程导流筒部分，其材质为022Cr19Ni10，该类材料线膨胀系数较大，传热系数较小，更容易产生较大的焊接变形。

（2）影响管板的密封性能管板与壳程筒体接头连接形式如图2所示。由图2可看出，焊接管板与筒体的角焊缝时，焊缝填充金属较多，如果控制不当，随着焊缝金属的冷却收缩，容易产生管板边缘部分向筒体部分拉伸、管板中间部分向外突出变形的现象，从而影响管板的密封性能。

图2 管板与壳体接头连接形式

（3）焊接热输入的控制管板直径较大，换热管根数较多，焊接换热管与管板角焊缝时，热输入过于集中，如果控制不当，容易导致管板发生不规则的波浪形变形。

3.施焊方案及控制措施

（1）导流筒及管箱焊接的控制措施为防止导流筒及管箱大口径接管在焊接过程中发生变形，我们采取了一系列的防变形措施。

第一，使用辅助支撑工装。根据以往的制作经验，我们根据导流筒和管箱的内径尺寸分别制作了两套防变形支撑工装。工装分为上、下两部分，由弧形垫板、弓形板、筋板和圆形垫板组成，工装结构如图3所示。

图3 支撑工装结构

焊接接管前，先将上、下两部分支撑工装分别放置于接管筒体及其对应的位置，使用1台32t螺旋千斤顶放置在中间圆形垫板上，使用4台16t螺旋千斤顶放置在外面4块圆形垫板上，将上下两部分顶紧。当螺旋千斤顶的旋出长度不足时，可在千斤顶顶盖上面放置长度、直径适宜的高压管短节，使工装的弧形垫板与导流筒或管箱筒体的内壁紧密接触，以有效地防止焊接过程中筒体的径向变形。具体操作场景如图4所示。

根据我们多年的施工经验，焊接前可以使用千斤顶将筒体向外支撑出6～8mm的变形量，这样焊接完成后，由于工装的支撑作用，筒体的塌陷变形很小，与6～8mm的预变形量基本上可以抵消掉。这样既有效降低了实际变形量，又减少了焊接残余应力。

图4 工装使用情况场景

第二，焊接时严格控制焊接热输入。使用小电流多层多道快速焊法，焊接时焊条不作横向摆动，控制焊道之间的层间温度＜60℃。每焊完一层，检查合格后用小刨锤敲打焊缝表面金属至焊道模糊，以释放焊接应力，待焊缝金属冷却到60℃以下时再进行下一道的焊接，如此反复直至全部焊完。待焊缝完全冷却后再拆除掉支撑工装。

（2）管板与筒体角焊缝焊接的控制措施使用管箱法兰对管板进行刚性固定。制作过程中先不进行管箱法兰的焊接，焊接管板前，使用双头螺柱把管箱法兰与管板牢固地紧固在一块，如图5所示，对管板的边缘部分起到了有效的固定作用，降低了管板焊后边缘部位受力拉伸变形的可能。

如图6所示，将管板中间部分10根换热管临时抽出，使用圆钢加工10根M24×6080mm拉杆，穿入管孔中用螺母紧固，然后对每根拉杆周围的6根换热管的两端进行焊接，相当于对管板中间部分进行了10处支撑和固定，降低了管板中部向外突出变形的可能。

采用合理的焊接参数，严格控制焊接热输入，采用小电流多层多道快速施焊的方法进行焊接，焊接时焊条不做横向摆动。每焊完一层，检查合格后用小刨锤敲打焊缝表面金属至焊道模糊，以释放焊接应力。待焊缝金属冷却到60℃以下时再进行下一道的焊接。因该设备筒体直径较大，焊接时采用两名焊工分段对称施焊，下一层焊缝起点与上一层焊缝起点错开90°，焊接参数如表1所示。