鎳基合金堆焊管板機(jī)加工后密封面平面度控制措施

趙 祥 蔣國(guó)輝

中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)有限公司 河南洛陽(yáng) 471023

鎳基合金堆焊管板是換熱器中的重要承壓元件，既要承受高壓，又要承受高溫腐蝕介質(zhì)的沖擊，運(yùn)行工況較為惡劣。鎳基合金是一種穩(wěn)定的耐蝕合金，同時(shí)具有良好的耐腐蝕性和耐高溫性，被廣泛應(yīng)用于存在氯化物腐蝕的設(shè)備中。某化工工程中間油- 油換熱器內(nèi)操作介質(zhì)氯離子含量高達(dá)13 萬(wàn)ppm，對(duì)耐點(diǎn)蝕要求極高。因此，設(shè)計(jì)單位將鎳基合金作為換熱器管板耐腐蝕堆焊材質(zhì)，執(zhí)行ASME 標(biāo)準(zhǔn)制造。

鎳基合金堆焊管板既能滿足工程中耐腐蝕和耐高溫的需要，而且有很好的強(qiáng)度和良好的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能，又大幅降低了管板的制造成本，具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性。但是鎳基合金加工性能差，切削力大，切削溫度高，刀具磨損嚴(yán)重，對(duì)于這種材質(zhì)的堆焊后加工，如果不能有效控制加工后的平面度，極易造成水壓試驗(yàn)時(shí)泄露。因此，需要合理控制加工過(guò)程，減少管板加工過(guò)程的變形，滿足密封面平面度要求。

1 管板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與技術(shù)要求

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

作為浮頭式換熱器，管板主要材質(zhì)為SA- 266M Gr.2N 鍛件，在管程側(cè)表面堆焊厚度為6mm 材質(zhì)N08825 鎳基合金，固定管板直徑φ1687mm，浮動(dòng)管板直徑φ1585mm，厚度均為118mm，每塊管板上均布有1596 個(gè)φ25.25mm 的管孔。管孔群分布如圖1 所示。

圖1 固定管板圖

1.2 技術(shù)要求

固定管板中心有12mm 隔板槽，槽內(nèi)堆焊鎳基合金。換熱管管板密封面平面度要求小于0.2mm，密封面粗糙度為Ra6.3μm，密封面厚度6mm。管板密封面應(yīng)與軸線垂直，其垂直度公差為0.3mm。除注明外，其余表面粗糙度為Ra12.5μm。

2 加工難點(diǎn)

2.1 工藝方案的選擇

根據(jù)復(fù)合管板的制造特點(diǎn)，結(jié)合公司的設(shè)備能力，制定了管板的制造工藝流程：機(jī)加工待堆焊面→管板反變形→帶極堆焊過(guò)渡層→消氫處理→帶極堆焊復(fù)層→管板校平→機(jī)加工管板→管孔鉆孔。

（1）將第一塊管板殼程側(cè)（堆焊面的背面）車平，并以其為基準(zhǔn)面加工管板管程側(cè)（正面）碳鋼密封面和凸臺(tái)，加工后的碳鋼密封面到基準(zhǔn)面的距離較圖紙尺寸增加10mm 后續(xù)加工余量。然后將管板的帶堆焊面做反變形，即堆焊面中心呈上凸的形狀，反變形量20mm，詳見圖2。

圖2 反變形示意圖

（2）對(duì)管板過(guò)渡層進(jìn)行堆焊，堆焊完成后進(jìn)行消氫處理，消氫溫度為200～250℃,時(shí)間1h。堆焊復(fù)層后，使用油壓機(jī)對(duì)管板進(jìn)行校平，要求校平后平面度不大于2mm。

（3）以管板背面為基準(zhǔn)，以加工余量10mm 加上背面與碳鋼密封面理高度再加上6.5mm 為管板密封面的最終機(jī)加工高度，依次加工凸臺(tái)堆焊面、隔板堆焊面，保證凸臺(tái)與密封面的高度差為6mm。

（4）以管板機(jī)加工后的堆焊面為基準(zhǔn)，加工管板背面密封面、凸臺(tái)、管板外圓至圖紙尺寸。

（5）加工管孔，然后以管板堆焊面為基準(zhǔn)，加工固定管板的隔板槽堆焊面，保證凸臺(tái)與隔板槽的高度差6mm，且隔板槽略低于密封面。圖3 為固定管板的加工示意圖。

圖3 固定管板加工示意圖

2.2 加工難點(diǎn)

管板堆焊完成后進(jìn)行校平，校平后在立式車床上加工：先加工堆焊面，然后將管板下機(jī)床；翻轉(zhuǎn)管板，將殼程側(cè)表面朝上在車床上加工；加工完成后，到數(shù)控龍門鉆銑床進(jìn)行管孔加工；鉆孔時(shí)將堆焊面朝上放置在機(jī)床上，找正時(shí)發(fā)現(xiàn)管板有下凹的現(xiàn)象；測(cè)量管板的平面度，發(fā)現(xiàn)堆焊面一側(cè)中心比四周低0.4mm，表明管板發(fā)生了變形。

3 難點(diǎn)分析與改進(jìn)

3.1 難點(diǎn)的分析

管板在車床加工完后發(fā)生平面變形，說(shuō)明鎳基合金堆焊管板在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變形，需要分析原因。

3.1.1 鎳基合金材質(zhì)的原因

N08825 鎳基合金具有較強(qiáng)的抗塑性變形能力，造成加工硬化嚴(yán)重，切削溫度高。在切削這種材料時(shí)，由于切削力較大，切削變形劇烈，發(fā)生在管板、刀具以及剝離的切屑之間的劇烈摩擦，產(chǎn)生大量的切削熱量。因此造成切削區(qū)域附近積攢了大量的熱量無(wú)法迅速散開，導(dǎo)致切削溫度非常高。而管板直徑大，切削量大時(shí)管板溫度極易升高，導(dǎo)致加工硬化應(yīng)力大，容易加大變形。

3.1.2 管板殘余應(yīng)力的釋放

鎳基合金堆焊采用帶極埋弧焊堆焊，熱輸入大，線能量大。同時(shí)在管板的制造過(guò)程中，先使用油壓機(jī)對(duì)管板做了反變形，在堆焊完成后使用油壓機(jī)進(jìn)行校平。加工完成后，由于堆焊和兩次沖壓形成的殘余應(yīng)力逐漸釋放，造成管板表面變形。

3.1.3 加工時(shí)堆焊層局部凹陷處補(bǔ)焊的影響

由于加工時(shí)發(fā)現(xiàn)局部有凹陷，補(bǔ)焊時(shí)又使用焊條進(jìn)行補(bǔ)焊，造成熱輸入較大，對(duì)周圍加工過(guò)的表面產(chǎn)生拉力。同時(shí)，由于焊接時(shí)間上的差異會(huì)形成差異化的熱量釋放過(guò)程。

3.2 改進(jìn)方案與實(shí)施

通過(guò)對(duì)管板加工后變形的原因分析，堆焊過(guò)程和校平可以控制加工前的平面度，減少加工過(guò)程中的變形釋放量。關(guān)鍵在于加工過(guò)程中通過(guò)對(duì)加工參數(shù)的合理設(shè)定和時(shí)效處理方法，控制加工中管板應(yīng)力和熱量的釋放。改進(jìn)后的方案在第二塊管板上進(jìn)行實(shí)施。

（1）反變形控制：待表面加工完成后，使用油壓機(jī)對(duì)管板背面進(jìn)行沖壓反變形，以降低反變形沖壓尺寸，沖壓時(shí)反變形尺寸以10mm 為宜。

（2）帶極堆焊時(shí)要嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，并使用測(cè)溫儀及時(shí)測(cè)量，控制層間溫度，減少熱輸入量。焊道間搭接均勻，由外向內(nèi)依次堆焊，堆焊參數(shù)見表1。

表1 堆焊層工藝參數(shù)

（3）使用2000t 油壓機(jī)對(duì)管板校平，校平時(shí)避免同一位置的反復(fù)沖壓，同時(shí)降低校平過(guò)程中產(chǎn)生的波浪。對(duì)于局部凹陷要測(cè)量深度，做好標(biāo)記。堆焊完成校平時(shí)，整個(gè)平面的平面度要在2mm 左右。校平產(chǎn)生的波浪變形只要按理論計(jì)算能夠滿足機(jī)加工要求的焊層厚度即可，隨后可以在加工時(shí)進(jìn)行局部補(bǔ)焊。在加工堆焊層時(shí)，若發(fā)現(xiàn)有凹陷需要在車削還有余量時(shí)提前補(bǔ)焊，補(bǔ)焊采用氬弧焊等熱輸入小的焊接形式。

（4）機(jī)加工堆焊層時(shí)，要先對(duì)管板進(jìn)行找正，然后粗車堆焊層表面。加工過(guò)程中控制車床轉(zhuǎn)速不超過(guò)25r/ min，縱向進(jìn)刀量不大于0.5mm，切削進(jìn)給量在0.25～0.4mm/ r。使用切削液對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行冷卻，堆焊層車平前進(jìn)行補(bǔ)焊；補(bǔ)焊后，將補(bǔ)焊部位與管板堆焊層表面加工平，整個(gè)堆焊層留1mm 余量；加工完成后放置12h，然后測(cè)量管板堆焊面平面度。校平后的堆焊管板見圖4。

圖4 校平后的堆焊管板圖

（5）精車管板堆焊層：將管板堆焊層加工至圖紙尺寸，密封面加工至6.5mm，密封面堆焊層厚度按上偏差執(zhí)行，避免管板變形后密封面沒(méi)有加工余量，粗糙度加工至6.3μm。加工過(guò)程中，控制機(jī)床轉(zhuǎn)速不超過(guò)12.5r/ min，縱向進(jìn)刀量不大于0.25mm，切削進(jìn)給量0.08～0.18mm/ r。在堆焊層尺寸加工至圖紙要求后停車，以四周為百分表基準(zhǔn)零點(diǎn)。測(cè)量發(fā)現(xiàn)管板中心圓點(diǎn)為- 0.06mm，放置工件4h 后測(cè)量平面度，發(fā)現(xiàn)中心為- 0.1mm。

（6）在平面度滿足要求后將管板翻轉(zhuǎn)，對(duì)管板殼程側(cè)進(jìn)行加工，直至圖紙尺寸。加工完成后測(cè)量平面度，以管板四周平面為百分表對(duì)零基準(zhǔn)，測(cè)量管板中心圓點(diǎn)值為0.14mm。如果以殼程側(cè)為上表面，整個(gè)管板平面呈現(xiàn)中心高四周低的形態(tài)，差值約0.1mm。

（7）通過(guò)以上措施較好地控制了管板車削加工后的平面度，滿足了管板鉆孔的需要。但是在后續(xù)管孔鉆削時(shí)由于采用龍門鉆銑床高速鉆孔，而管板母材與堆焊層材質(zhì)切削性能差異大。針對(duì)母材和堆焊層截然不同的切削性能，需要分步鉆孔：先將復(fù)合層鉆掉，再鉆通孔，兩次鉆孔都采用走s 型的方式進(jìn)行。根據(jù)管板的特點(diǎn)對(duì)鉆孔順序進(jìn)行改進(jìn)，充分保證管板復(fù)合層鎳基合金散熱的均勻性和管板承受鉆孔沖擊力的均勻性。

（8）以管板堆焊面密封面為基準(zhǔn)，在數(shù)控龍門鉆銑床上銑出管板中心隔板槽堆焊面，保證凸臺(tái)與隔板槽的高度差6mm，且隔板槽略低于密封面。

3.3 管板平面度測(cè)量

管板鉆孔完成后測(cè)量管板平面度。將管板靜置在立式車床上，以堆焊?jìng)?cè)加工完的密封面進(jìn)行8 點(diǎn)對(duì)稱找正，對(duì)稱找正偏差不大于0.1mm。使用百分表測(cè)量管板平面度，發(fā)現(xiàn)管板平面度為0.2mm，密封面平面度為0.08mm，滿足技術(shù)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鎳基合金堆焊管板機(jī)加工過(guò)程中變形原因的分析，從堆焊過(guò)程控制到改進(jìn)管板機(jī)加工過(guò)程中切削參數(shù)，解決了鎳基合金堆焊管板加工過(guò)程中的變形問(wèn)題，保證了管板密封面的平面度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了鎳基合金堆焊管板一次加工的合格率，不僅提高了質(zhì)量可靠性，而且掌握了加工方法。