大直径超限设备制造过程变形控制技术①

朱小燕 张正棠 王喜平 王化明 唐国强

(新疆兰石重装能源工程有限公司)

近几年我国的压力容器设备日益大型化，例如塔器、加氢反应器、球罐及AP1000安全壳等在设计上都超出了以往的规模，超限大型薄壁容器设备的发展前景日趋广阔。变形在压力容器制造行业非常普遍，无论是部件制造、各部件组对焊接、整体成型、压力试验、运输，还是现场安装都会产生变形。只要将变形控制在合理的范围内，就不会对设备的生产和运行造成影响。很多时候，变形都是平时生产操作中累计误差积累到一定程度而引起的。在最初的研究中,主要基于出现的一些问题进行应对和解决。如王长生等对薄板焊接变形的影响因素及控制方案进行了研究[1]；金志浩和于畅洋对大型安全壳瓣片的防变形进行设计分析[2]；王佳颖对薄壁零件制造的变形进行了分析，并提出应对措施[3]。

压力容器制造过程中一旦发生变形，会使其严密性、可靠性和安全性受到较大影响。引起变形的原因主要有：没有按照制造工艺设计方案的要求，影响了下料的准确性；模具的尺寸和形状不符合制造工艺的要求；组装过程中，零部件和元件的配合尺寸不吻合[4,5]。笔者以MN再生塔的制造为例,结合以往生产制造各类容器的经验，对大型超限设备在生产制造以及运输过程中出现的变形问题进行阐述，并做出变形控制。

1 MN再生塔生产制造中的变形

1.1 规格介绍

MN再生塔立式安装主壳体总高40 495mm，规格φ6000/φ4500mm×29550mm×(4+16/4+20/4+26)mm(筒体)/(4+20)mm(封头)，体积为730m3。设备主要受压元件材料为Q345R+S30403，金属质量为149.33t。该设备设计压力为0.60MPa，工作压力为0.26～0.27MPa，设计温度为80(上段)/150(下段)℃，最高工作温度为48℃，最低工作温度为40℃，卧式气压试验压力为0.66MPa。

1.2 变形原因分析

1.2.1焊接造成的变形

大直径超限薄壁容器由于直径较大，在筒体纵缝焊接时，采用筒体纵缝横焊，焊接过程中未采取一定的防护措施，焊完后发现焊缝出现较大的变形，筒体几乎成椭圆形状。在焊接纵缝过程中，焊接工艺参数选择不当，电流过大，焊接速度过快，导致产生热变形，焊缝产生内凹现象，经过校正后在筒节内部打支撑才能恢复制造工艺要求的形状和尺寸。

1.2.2滚轮架上组对产生的变形

由于再生塔筒体直径很大，容器外壁很薄，将筒体分段放置在滚轮架上时，通过滚轮架的转动加上筒体自重的原因，筒体已变形，在焊接组对过程中无法保证直线度。

1.2.3筒体上开孔造成的变形

MN再生塔生产工艺流程复杂，内件安装较多、接管也多，筒体上需要开制大量接管孔，而设备本身直径较大，壁厚较薄，在用切割机气割孔的同时已经有微小的变形，开完孔后组装接管时，由于接管自身重量较大，在进行接管和筒体焊接的同时，筒体上开孔处局部温度过高，无法承载接管的重量，导致接管在筒体开孔处发生坍塌、内陷，影响安装尺寸。

1.3 应对办法

根据现场出现的以上问题，针对超大直径容器采用筒体分瓣卷制，卷完后将分瓣卷制的筒节放置在专用工装中，并在筒节端口加防变形支撑，如图1所示。

图1 筒体分瓣卷制、打支撑

在对超限设备焊缝焊接中，采取纵、环缝立焊，避免变形，立焊的关键要控制好对口错边量，一旦纵缝控制不好成形后进行环缝组对时，对口错边量将非常大，无法进行组焊，经过试验后将对口错边量控制好，筒体组对效果很好，及时完成了产品的生产，得到了用户的一致好评。纵缝立焊、筒体环缝立式组对如图2所示。

图2 纵缝立焊、筒体环缝立式组对

对于整体卷制的筒体卷板完成、校圆合格以后，端口立即打米字形支撑(图3)，将各筒节吊放在滚轮架上，塔段筒节进行对接，测量塔体筒体的直线度，直线度合格后，采用八块拉筋板均布焊在组对环缝上并焊牢，之后再测直线度，直线度合格后方可焊接组对环缝。

图3 米字形打支撑

装焊接管时，对变形小的进行矫正，重新组装；如果坍塌、内陷比较严重，则直接报废。对于人孔和大接管集中在同一方位上进行安装时，采用反变形方法或者在接管焊接位置边缘200mm处筒体内部打支撑的措施来预防焊接过程中或焊后造成的变形以及直线度偏差过大。

另外，在筒节端口比较临近的位置装有人孔或者大接管时，可以先在筒体上将孔开好，厂内不进行焊接，待现场环缝组装完成后在进行人孔和大接管的焊接。对公称直径大于350mm的接管在开孔位置距离接管边缘200mm处装防变形支撑，防变形支撑有一字形、十字形和米字形，视具体情况而定。

2 质量控制方案

2.1 塔器成型后整体直线度测量控制

对于卧置长度为41m的大直径超限塔器来说，要求塔体总直线度小于40mm，测量难度较大，如果单靠水准仪进行测量的话，只能测量上、下方位的直线度，而塔器外面两侧直线度无法测量。笔者采用水准仪测量上、下塔体直线度；采用在上、下封头中心同方位的接管上固定一角钢拉线测量塔体两侧直线度。整体测量完后，塔体旋转0～360°，采用水准仪测量检查，测量结果在允许范围之内，具体做法为：用一角钢固定在上、下封头中心接管同一方位上，并伸出超出筒体外壁200mm，角钢上拉一根0.5mm钢丝，拉紧并与塔体保持平行；在塔体上用数对线自然垂下，并低于钢丝绳；通过测量钢丝绳和细线之间的距离判断塔体的整体直线度(图4)。

图4 塔体整体直线度测量方法

2.2 设备热处理过程筒体变形控制

设备整体制造完成后，进行焊后热处理，热处理的目的主要在于消除焊接残余应力、软化淬硬区、通过高温改变内部组织形态、减少钢板中的氢含量、提高钢板冲击韧性同时改善钢板材料的力学性能，减少筒体变形的风险。而在热处理过程中会导致主体筒体出现变形，必须采取一定的防变形措施，MN再生塔在热处理过程中采取的防止筒体变形措施有：

a. 在热处理之前选择合适的、符合规范要求和规格的热处理炉，控制好炉内温度，保证炉内温度均匀、准确，炉壁火焰喷嘴处设挡火墙，火焰不得直接接触或接近工件；

b. 根据热处理炉的规格和结构，合理设置临时支座对筒体进行支撑，防止加热过程中由于温度导致产生的热变形；

c. 根据筒体长度和设备变径位置，在筒节内部适当位置打支撑(米字型)和筒体防变形支撑圈；

d. 在大接管外伸偏重处，临时设置防变形支撑；

e. 严格遵守热处理规定，保证温度在合适范围内，杜绝超温现象。

2.3 设备运输过程中变形控制

以往都是塔器在制造完毕后，整体发货运输，由于设备本身的重量，加上路面的不平整，车辆行驶速度不均匀，对设备会造成水平和竖直方向上的作用力，这些作用力和重力相互作用，在设备上产生扭曲和弯曲应力，使设备变形，影响设备整体直线度和平整度，在内部产生应力，尤其对焊缝处造成应力集中，严重的焊缝处断裂。因此，选择合适的运输方式也尤为重要，对于大型超限设备，目前采取筒节分瓣运往现场之后组焊，完成后续工作。

3 结束语

从现场制造MN再生塔的实际效果来看，使用防变形支撑和筒体立式组装、焊接、运输的方法是可行、可靠的。制造压力容器的关键工序就是焊接，焊接的进度直接影响到产品整体的制造质量和施工进度。所以，首先要制定出现场实用、可行的焊接施工方案，其次要准备好施工所用的各种工具、设备和防护装置，这样才能保证大型超限薄壁设备的顺利制造和施工进度的合理规划，保证设备更加安全、高效、快速的完工。

[1] 王长生，薛小怀，楼松年，等.薄板焊接变形的影响因素及控制[J].焊接技术，2005,34(4):3～4.

[2] 金志浩，于畅洋.大型安全壳瓣片的防变形设计分析[J].沈阳化工大学学报，2013,27(3):3～5.

[3] 王家颖.大型薄壁零件防变形加工工艺[J].高效数控加工，2011,23(24):79～82.

[4] 白巨娟，夏淑秋.CO2吸收塔的制造及安装[J].压力容器，2004,26(11)：46～49.

[5] 陈月红.压力容器制造中常见问题及分析[J].装备制造技术，2010，(7)：163～165.