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常见问题

90°弯头内壁整体堆焊

更新时间  2021-07-22 21:45 阅读
90°弯头的内壁堆焊是加氢反应器的制造难点之一。 目前通常是采取将 90°弯头分为 3 段, 各段分别堆焊后装配在一起,再对连接缝进行组焊和堆焊的制造工艺。 该工艺不仅繁琐,而且质量 不易控制。 为了解决这个制造难题,在现有堆焊设备和焊接变位机的基础上,通过开发一些简单的 辅助工装,成功实现了 90°弯头的内壁整体堆焊。 并详细介绍了 90°弯头的制造难点、内壁整体堆 焊的原理及对辅助工装的要求。

某公司 150 万 t/a 柴油加氢精制装置中加氢 精制反应器是目前为止采用国产钢板制造的最大 板厚的加氢反应器,其上、下封头上各有一个 90° 弯头需要整体堆焊。 目前国际上容器制造厂都在 不断地研究和改进 90°堆焊弯头的制造工艺,以 减少过多的制造工序。 研究方向有两个[1] :一是先对直管进行堆焊再弯制成弯头。 该方案需要的 设备简单,但要求严格控制制造工艺,主要存在的 问题是堆焊层经过高温成型、正火(或淬火)、回 火和焊后消应力热处理后,堆焊层的贴合率、抗晶 间腐蚀性能及弯头基体的力学性能是否仍能满足 技术条件的要求。 国外某些厂家在此方向研究比 较成功[2] ,比如 Kobe 公司就具有直管堆焊后再 弯曲(90°弯头)的技术[3] ;另一个方向是研究专 用的焊机,直接对弯头进行堆焊。 该方向较容易保证堆焊层的性能,但焊机研发需要投入大量资 金和技术。 国内某研究所已成功研发出 90°弯头 内壁整体堆焊焊机,但该焊机结构复杂、价格较贵 且需要对每种弯头专门设计机头。

目前,国内各制造厂对 90°堆焊弯头主要采 用的还是“三等分,各自堆焊、再组焊及堆焊”的 制造工艺[4] 。 该制造工艺不仅费时费力,而且弯 头的堆焊层往往质量最薄弱。 上海石化机械制造 有限公司从 2010 年开始对 90°弯头的内壁整体 堆焊进行研发,通过利用常规的 FCAW 堆焊设备 和焊接变位机械,成功实现了 90°弯头内壁整体 堆焊。 堆焊层成型美观,性能可靠

90°弯头的堆焊原理 每个标准的等径 90°弯头有如下特点: (1)每个 90°弯头的内壁面可以看成是一个 圆绕一条直线旋转 90°而成; (2)不论弯头处于何种位置,其每个圆截面 的最低点在一个平面上; (3)每个圆截面的最低点所在的平面垂直于 弯头的旋转轴; (4)每个圆截面的最低点所构成的曲线为圆 弧线。 因此,可以将 90°弯头的内壁堆焊看成一条 条圆弧面的堆焊,这些圆弧面的中心轴都为弯头 的旋转轴.

其基本工作原理是工作台的旋转轴与翻转轴 互相垂直,工作台旋转的传动装置由位于两侧的 翻转轴支撑着,通过扇形齿轮传动装置使翻转轴 在 0°~140°范围内倾斜或翻转。 根据座式焊接变位器的工作原理,将焊枪固 定在一个圆环形支撑圈上,支撑圈的弯曲半径与 弯头每个圆截面圆心所构成的圆弧线的半径相 等。 将 90°弯头固定在工作台上,使 90°弯头的旋 转轴、工作台的旋转轴及焊枪支撑圈的旋转轴同 轴。 焊接时焊枪固定不动,弯头随工作台绕其中 心轴旋转。 每完成一条圆弧面的堆焊,使弯头随 工作台绕轴翻转一定角度,同时调整焊枪,使焊枪 始终竖直向下,然后再进行下一条圆弧面的堆焊。 这样就可以完成所有圆弧面的堆焊。

焊枪支持装置 由于在焊接过程中,焊枪不动,焊枪一端为每 个弯头圆截面的最低点;另一端为该圆截面的圆 心。 焊枪的支撑装置必须满足以下几点: (1)可以调节焊枪的上下位移; (2)焊枪能随着旋转工作台一起翻转,但不 能随其一起旋转; (3)可以自由调节焊枪与水平面的角度。 经过不断尝试,利用常见的进给机构和碳钢 棒成功地研发出了焊枪支持装置。 2.2 焊机要求 刚开始的设想是采用 TIG 堆焊,但对 TIG 焊 的机头改进难度较大,并且 TIG 堆焊对待堆焊面 的要求更高,易发生夹钨及夹渣缺陷。 FCAW 堆 焊的电弧热量比较集中,规范合适时飞溅少且对 待堆焊面的要求不高,最大的优点是其机头小,改 进容易。 尽管在堆焊过程中会产生熔渣,但经过 验证,只要焊接规范适宜和焊材选用合适,熔渣的 起脱位置不会导致砸灭电弧或影响电弧的稳定性 等现象的发生。

为了模拟产品的实际堆焊情况,采用一个与 产品弯头规格和材质均相同的弯头进行 90°弯头 内壁整体堆焊模拟试验。 弯头的 DN 为 450 mm。

采用喷沙及机械打磨方式将弯头内壁清理干 净,并对待堆焊面进行 MT 检测。 检测合格后用 高压气体并辅助以机械打磨清除 MT 检测留下的 磁粉等污物。 使旋转工作台处于水平位置,将弯头按图 2 所示装配到焊接变位机上,并将整个弯头预热至 100 ~120 ℃。

将整个弯头的内壁堆焊按每个圆截面分成 0°~90°,90°~180°,180°~270°及 270°~360°四 个区域(将最初与旋转工作台接触的位置定义为 270°)。

调整焊枪,使焊枪对准 270°圆弧面的一端。 根据焊接工艺卡中的焊接速度调整好旋转工作台 的转速,必要时进行测速。 引燃电弧,使弯头随旋 转工作台绕着旋转工作台的旋转轴旋转,焊枪固定不动,进行该角度圆弧面的堆焊,堆焊厚度约为 3 mm。 此后通过调节旋转工作台的转速以及旋 转工作台的翻转角度,逐个进行 270°~360°区域 中其他圆弧面的堆焊。 270°~360°区域内圆弧线堆焊完毕后,使旋 转工作台绕其旋转轴旋转 180°,然后逐条进行 270°~180°区域内圆弧线的堆焊。 180°~360°区域内过渡层全部堆焊完毕后, 立即对堆焊的过渡层进行300 ~350 ℃ ×2 h 的消 氢处理。 将弯头从旋转工作台上卸下,使弯头翻转 180°后将其固定到旋转工作台上。 此时弯头的 90°圆弧面与旋转工作台接触。 将弯头重新预热 到100 ~120 ℃,并按上述步骤依次进行0°~180° 区域内圆弧面的堆焊。 堆焊完毕后立即对堆焊的 过渡层进行 300 ~350 ℃ ×2 h 消氢处理。 对整个过渡层进行 UT 及 PT 检测(文中 UT, PT,MT 的检测比例均为 100%,合格级别均为Ⅰ 级)。 检测完毕后用棉纱沾丙酮清除检测留下的 污物,待挥发一段时间后,用干净面纱再擦拭一次 过渡层。

面层堆焊步骤与过渡层堆焊相同,面层采用 冷堆,堆焊厚度约 3.5 mm,堆焊完毕后对其进行 UT 及 PT 检测。