不銹鋼蒸發(fā)冷凝器焊接問題分析及對策

瑞星集團有限公司（山東東平 271509）鞏汝強 張道福

1.概述

2012年12月，我公司承接了兩臺FN=1600m2蒸發(fā)冷凝器的制作任務(wù)，該設(shè)備是CO2氣提法年產(chǎn)80萬t尿素裝置中的關(guān)鍵蒸發(fā)設(shè)備之一，總重36t，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 FN=1600m2蒸發(fā)冷凝器結(jié)構(gòu)

該設(shè)備管板外徑為2260mm，管板厚度100mm，管板上鉆φ25.4mm管孔3544個，換熱管規(guī)格為φ25mm×1.6/L=6000mm。該設(shè)備公稱直徑為DN2100mm，殼程筒體厚14mm，殼程上半部分有DN2400mm導流筒一件，上面有φ1032mm×16mm接管一件，材質(zhì)均為022Cr19Ni10（00Cr19Ni10）。該設(shè)備上下兩管箱部分材質(zhì)為Q345R，筒體厚18mm，其中上管箱上面有φ932mm×16mm接管兩件。

2.焊接難點分析

（1）易產(chǎn)生焊接變形 殼程導流筒和上管箱上面都有大尺寸開孔，焊接接管時容易產(chǎn)生筒體塌陷變形。尤其是殼程導流筒部分，其材質(zhì)為022Cr19Ni10，該類材料線膨脹系數(shù)較大，傳熱系數(shù)較小，更容易產(chǎn)生較大的焊接變形。

（2）影響管板的密封性能 管板與殼程筒體接頭連接形式如圖2所示。由圖2可看出，焊接管板與筒體的角焊縫時，焊縫填充金屬較多，如果控制不當，隨著焊縫金屬的冷卻收縮，容易產(chǎn)生管板邊緣部分向筒體部分拉伸、管板中間部分向外突出變形的現(xiàn)象，從而影響管板的密封性能。

圖2 管板與殼體接頭連接形式

（3）焊接熱輸入的控制 管板直徑較大，換熱管根數(shù)較多，焊接換熱管與管板角焊縫時，熱輸入過于集中，如果控制不當，容易導致管板發(fā)生不規(guī)則的波浪形變形。

3.施焊方案及控制措施

（1）導流筒及管箱焊接的控制措施 為防止導流筒及管箱大口徑接管在焊接過程中發(fā)生變形，我們采取了一系列的防變形措施。

第一，使用輔助支撐工裝。根據(jù)以往的制作經(jīng)驗，我們根據(jù)導流筒和管箱的內(nèi)徑尺寸分別制作了兩套防變形支撐工裝。工裝分為上、下兩部分，由弧形墊板、弓形板、筋板和圓形墊板組成，工裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 支撐工裝結(jié)構(gòu)

焊接接管前，先將上、下兩部分支撐工裝分別放置于接管筒體及其對應(yīng)的位置，使用1臺32t螺旋千斤頂放置在中間圓形墊板上，使用4臺16t螺旋千斤頂放置在外面4塊圓形墊板上，將上下兩部分頂緊。當螺旋千斤頂?shù)男鲩L度不足時，可在千斤頂頂蓋上面放置長度、直徑適宜的高壓管短節(jié)，使工裝的弧形墊板與導流筒或管箱筒體的內(nèi)壁緊密接觸，以有效地防止焊接過程中筒體的徑向變形。具體操作場景如圖4所示。

根據(jù)我們多年的施工經(jīng)驗，焊接前可以使用千斤頂將筒體向外支撐出6～8mm的變形量，這樣焊接完成后，由于工裝的支撐作用，筒體的塌陷變形很小，與6～8mm的預(yù)變形量基本上可以抵消掉。這樣既有效降低了實際變形量，又減少了焊接殘余應(yīng)力。

圖4 工裝使用情況場景

第二，焊接時嚴格控制焊接熱輸入。使用小電流多層多道快速焊法，焊接時焊條不作橫向擺動，控制焊道之間的層間溫度＜60℃。每焊完一層，檢查合格后用小刨錘敲打焊縫表面金屬至焊道模糊，以釋放焊接應(yīng)力，待焊縫金屬冷卻到60℃以下時再進行下一道的焊接，如此反復(fù)直至全部焊完。待焊縫完全冷卻后再拆除掉支撐工裝。

（2）管板與筒體角焊縫焊接的控制措施 使用管箱法蘭對管板進行剛性固定。制作過程中先不進行管箱法蘭的焊接，焊接管板前，使用雙頭螺柱把管箱法蘭與管板牢固地緊固在一塊，如圖5所示，對管板的邊緣部分起到了有效的固定作用，降低了管板焊后邊緣部位受力拉伸變形的可能。

如圖6所示，將管板中間部分10根換熱管臨時抽出，使用圓鋼加工10根M24×6080mm拉桿，穿入管孔中用螺母緊固，然后對每根拉桿周圍的6根換熱管的兩端進行焊接，相當于對管板中間部分進行了10處支撐和固定，降低了管板中部向外突出變形的可能。

采用合理的焊接參數(shù)，嚴格控制焊接熱輸入，采用小電流多層多道快速施焊的方法進行焊接，焊接時焊條不做橫向擺動。每焊完一層，檢查合格后用小刨錘敲打焊縫表面金屬至焊道模糊，以釋放焊接應(yīng)力。待焊縫金屬冷卻到60℃以下時再進行下一道的焊接。因該設(shè)備筒體直徑較大，焊接時采用兩名焊工分段對稱施焊，下一層焊縫起點與上一層焊縫起點錯開90°，焊接參數(shù)如表1所示。

表1 管板與殼體的焊接參數(shù)

圖5 使用管箱法蘭對管板進行剛性固定

圖6 雙頭螺栓在管板上的分布位置示意

（3）換熱管焊接的控制措施 因設(shè)備管板面積較大，焊接前我們把管板分成8個區(qū)，如圖7所示。焊接時采用兩名焊工對稱施焊，第一名焊工按1、7、2、8區(qū)依次施焊，第二名焊工按5、3、6、4區(qū)依次施焊，焊接每個區(qū)內(nèi)的換熱管時，均按照從中心向邊緣焊接的順序進行焊接。

圖7 管板分區(qū)焊接示意

焊接采用氬弧焊，焊絲牌號：H03Cr21Ni10Si，其焊接參數(shù)如表2所示。

表2 換熱管管束焊接參數(shù)

4.結(jié)語

通過以上控制措施，我們順利完成了FN=1600m2蒸發(fā)冷凝器的制作，經(jīng)檢驗各項均符合圖樣和有關(guān)規(guī)范的要求，壓力試驗、氣密性試驗合格。

由此，我們得出結(jié)論：大型不銹鋼蒸發(fā)冷凝器由于材料和結(jié)構(gòu)的特殊性，容易產(chǎn)生焊接變形，但只要善于分析和總結(jié)，對癥下藥，從工藝措施、焊接參數(shù)、焊接方法等方面加以注意，是完全可以把焊接變形控制到最小限度的。