φ3 800 mm鲁奇式加压气化炉壳体的焊接

第39卷第4期机械工程学报Vol.39 No.42003年4月CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGApr.200 3φ3800mm鲁奇式加压气化炉壳体的焊接^迟永军(哈尔滨锅炉厂有限责任公司哈 尔滨150040)摘要:介绍了先进的鲁奇炉代表型MARK" IV/4 型φ3 800 mm鲁奇式加压气化炉壳体的焊接工艺及相关要求。根据产品的结构特点确定试验方案，在试验的基础上针对产品制造过程中的一些疑难问题进行方案论证和工艺攻关。制订了科学合理的焊接工艺方案，采取-系列措施保证产品质最和控制焊接变形，实现壳体纵环缝焊接采用窄间際埋弧焊自动跟踪压道焊工艺。成功地解决了鲁奇式φ3800 mm加压气化炉壳体焊接在质量性能、控制焊接变形等方面存在的难题，获得了满意的焊接效果。该项目的研制成功为承制大型疲劳容器和耐高温、高压的机械传动设备积累了宝贵的经验。关键词:气化炉壳体焊接工艺质量控制产品应用中團分类号: TG4410前言随着国民经济的快速发展和对外开放步伐的加43 848+5快，特别是我国加入WTO后所面临的机遇和挑战，州000+5城市煤气化已显得越来越重要，目前呈加速发展阶段。德国鲁奇公司为代表的鲁奇式加压气化炉以适应煤种广、气化强度大、气化效率高、碳转化率高及可远距离输送等优点已成为国际上公认的先进的图1气化炉整体结构示意图煤制气设备。“鲁奇式办3800 mm加压气化炉关键设备研制”是“九五”国家重大技术装备科研攻关的纵、环缝近20条，均为焊透式结构，A、B类焊项目，哈尔滨锅炉厂以河南义马煤气工程2台气化缝总长度110m;焊缝质量要求高，需进行100%X炉的制造为依托，承担了专题的攻关任务，并于射线探伤+100%超声波探伤+100%磁粉探伤检验，2001年8月26日通过专家鉴定。φ3 800 mm加压且性 能(例如: Axr≥31 J)和尺寸精度(φ4204 mm士气化炉作为大型疲劳容器和耐高温、高压的机械传5 mm)都有较高要求，加之气化炉壳体具有规格尺寸动设备，对质量、性能和尺寸精度都有极高要求。大(φ4204 mmX 73 mm, 70 mm, 52 mm)及BHW-35由f该产品是以焊接结构为主，且焊缝数量之多、材质焊接性差等特点，焊接难度是空前的。②为要求之高、难度之大在容器制造中是极其少见的，了获得较高冲击韧度的焊接接头和小的焊接变形，.一些容器焊接的常规方法和手段已经无法满足该产应采用热输入量相对较低、冲击韧度相对较高并具品的质量和性能要求。因此，对焊接工艺方案进行有自回火作用的窄间隙埋弧焊方法，但欲成功应用充分论证和对-些焊接难点进行工艺试验和技术攻窄间隙自动跟踪压道焊技术，还应进行大量工艺准关是十分必要的。备和试验工作。③BHW- 35材料本身合金元素质量分数高、淬硬倾向大，加之简体规格尺寸大、散1难点概述热快，冷裂倾向十分严重。④气化炉外壳的A、B类焊缝除了进行正常的消除应力热处理之外，封头➊气化炉壳体采用双层套简式结构(见图1),及锥体成形要进行热冲压，简体由于纵缝焊接变形壳体组件以焊接结构为主，其中BHW-35材料组较大也要进行正火校圆。为保证母材性能，热冲压成的外部壳体，包括封头、锥体、膨胀节以及简身及热中国煤化工<温度，而焊缝化学成0HC N M H G这种正火热循环国家科委计划编号(973190102).2020114 收到初稿，2002022 收到将导玖按大力子任能的r牌，必须选择合适的焊接修改稿材料来确保接头性能满足技术条件要求。⑤为保2003年4月迟永军: φ3 800 mm鲁奇式加出气化炉壳体的焊接103证环缝的焊接质量,使环缝坡口装配尺寸能够满足实践，为确保试验结果真实、可靠和工艺正确，评窄间隙埋弧自动焊工艺要求，对于大直径厚壁壳体定时应尽可能模拟产品的实际情况。来说是困难的。⑥气化炉作为大型耐高温、高压2.1.1试验 条件及试验方案的确定的机械传动设备，对壳体的公差尺寸要求极为严(1)母材选择。根据气化炉壳体的规格尺寸，格，特别是锥体的中下部，分布有大小26个管接分别选定璧厚50mm及75mm两种典型规格的头，均为焊透式结构，采取必要措施严格控制焊接BHW - 35材料做为试验材料，其规格及化学成分变形将显得尤为重要。列于表1。(2)焊材选择。窄间隙埋弧焊的难点之一是脱渣2窄间隙埋弧焊的应用困难，焊剂是否具有良好的工艺性能，特别是脱渣性如何，对能否获得稳定的焊接质量是至关重要的。-方面，窄间隙埋弧焊与普通埋弧焊相比,由国产SJ101烧结焊剂，不仅脱渣性良好，而且抗裂性于坡口角度变小，热输入量及线能量明显减小，母强，回收容易。因此，决定采用SJ10I焊剂。由于封材稀释率低，热影响区变窄，有利于接头韧性的提头及锥体成形要进行正火温度下的热冲压，筒体纵高和减小焊接变形。另一方面，由于坡口尺寸特点，缝焊后要进行正火校圆。按常规BHW-35 材料窄每层只焊两道，下一层对上一层具有明显的自回火间隙埋弧焊应选择H08Mn2Mo焊丝+SJ101焊剂，作用，焊缝金属晶粒将得到细化，焊缝金属韧性也但焊缝经920-940 C/1.5 h正火+610~630 C/2.5 h将进一步得到改善。这对于增加焊接接头抗疲劳能退火，抗拉强度只有530~540 MPa，强度低于力和寿命具有十分重要的意义。因此，气化炉壳体575~-735 MPa的标准规定值。根据这-情况及以往的焊接，关键在于能否成功应用窄间隙埋弧焊工的经验，对要进行正火+退火的焊缝应选用更高强艺，并提高焊接- -次合格率。对此，进行了大量的度级别的H08Mn2NiMoA焊丝+SJ101焊剂，对只技术准备和工艺试验工作。进行退火的焊缝，应选用H08Mn2MoA焊丝+ SJ1012.1窄间隙埋弧焊工艺评定试验焊剂。对手工焊打底焊缝选择J707和J607焊条。焊接工艺评定试验是产品制造工艺的一种典型焊材化学成分分别列于表2和表3。表1试验用母材化学成分一览表母材牌号壁厚化学成分的质量分数w/%占/mC_SMnPMNbCrBHW-35 500.130.411.450.008 0.0010.760.360.01.27BHW-35 750.10.0.001.01BHW-35标准值≤0.150.15~0.5 1.2~1.6<0.02 <0.02 0.8~ 1.00.3~0.40.01~ 0.030.2~0.4表2评定用焊材化学成分一览表焊材牌号直径化学成分的质量分数w%D/mmSiAn_CNi____ Mo16074.080.52.50.0190.0140.3J6070.100.391.440.0200150.34J7070.090.601.770.0270.00707.070.40650.030.026H08Mn2MoA09.210.0050.120.08HO8Mn2NiMoA 40.191.680.015080.49表3 SJ101 焊剂的化学成分的质分数w/%系统和焊剂回收装置，从而为工艺试验及气化炉壳成分SiO+TiO, CaO+MgO__ ALO,+MnO体焊接创造了必要条件。21.46_30.7817.9中国煤化工是窄间隙埋弧焊标准值(3)设备。从瑞典ESAB公司引进了4X20-3025~3515~3015~25的重上，给古头际和初步试验情优，确定坡口形式见图DH.c N M H G先进经验的基础4MRS102A型窄间隙埋弧焊设备，焊头带机械跟踪2，接头形式见图3。104机槭I、程学报第39卷第4期表6接头硬度评定结果硬度(HV10)|硬度(HV10)微观组织.微观组织i__ SMAW'NGSAW"SMAWNGSAWR10士1热影!焊缝母材焊缝时材焊缝s母材烨缝a母材响x响风响区259 276 254 264 286 254体+体+|体+ |体+ |体+70-号262 286 | 245269 279 245铁系铁素铁账{铁素|铁敷铁素.」| 体体体体体体附2试验坡口贝氏氏贝氏氏贝氏贝氏279 | 306 | 298 286 296 298体+|体+体+|体+ |体+体282 306 | 279 | 288 296279铁系铁东铁索|铁载铁东|铁索体体体体体体注:①手1电弧邶② 窄间歐坪弧焊图3接头形式图(5)试验方案确定。BHW- 35 材料本身合金元素质量分数高、淬硬倾向人，加之简体规格尺寸大、散热快、冷裂倾向严重。根据这一情况，结合产品的米料进行了铁研试验，根据铁研试验结果并在借鉴国内外成熟经验的基础上，确定了预热、后图4控力试样图热温度(见表4)。综合各方面因素，最后确定了详细的试验方案列于表4。表4工艺试验方案.评定试柞材质 预热后热层彻热处理时间场编编号规格温度 温度*θ/C温度0/心8mm_ 0/C_ 0/C920-940 1.5184 4(BHW- -35)≥150 300-400 150-300 620-640 2.5590-610 4.5(8HW--35)≥IS0 20-250 150-300 90-610 5.0图5弯曲试样图法:●后热时间为2h2.1.2工艺评定试验及结果分析按表4确定的工艺方案及选定的最佳工艺参数进行了工艺评定试验，试验结果见表5和表6。图4、图5是两项评定试验的弯曲试样及拉力试样照片，焊缝微观金相组织见图6。表5力学性能评定结果中击样(抗拉强度斯裂侧弯|结果缺口位置[ 类型 冲击吸收功(a)试样4(M)试样5号aMPa|位置 d-3a缺[|__ A./]图6焊缝金相组织图X 250685SMAW V| 90, 80，62|埠焊4| 662|100合NGSAW V| 110 56, 70从以上试验数据可以看出，焊接工艺评定的各676川 4个|格热影SMAW| V86，190，220项性能指标均符合或超过设计要求及相关标准的规67，外啊区NGSAW V 78. 80. 76定，同时也说明为产品制订的工艺参数，包括焊材SMAW V_ 170, 174， 134|炸.|100=|合年I NGSAW V| 138. 96, 98选用硕执曲外期马相培T地参数等是科学的、69个格热影SMAWIV120.224.238合理中国煤化工拟产品的各种热循|外响区NGSAW V 128. 138， 108环过IMYHCNMHG然分布比较均匀，汁:①FI电弧焊② 窄间腺埋弧焊无明显变化，并且与母材相当，说明未出现近缝区2003年4月迟永军: φ3 800 mm鲁奇式加压气化炉壳体的焊接105硬化倾向，冲击韧度和冷弯性能得到明显改善。从等过程的温度损失， 在炉中加热至230 ~250 C均探伤结果看，焊接接头未出现裂纹、夹渣等缺陷，热1h,焊接过程中用煤气管道加热维持最低层说明焊缝中氢质量分数得到了有效控制。间温度≥150C。焊接中断或焊接结束后，对璧2.2 窄间隙埋弧焊在气化炉壳体上的应用厚小于70mm的工件时应立即吊进加热炉中进行2.3.1提高产品焊接质量的措施200~ 250C/2h后热，对壁厚大于或等于70 mm最佳的工艺方案及设备工装等只能为产品施焊的工件应立即吊进加热炉中进行300~400C/2h提供必要条件，但欲获得较高的焊接- -次合格率，消氢处理。事实表明，在气化炉壳体焊接过程中由还须进-步采取一些严格的质量控制措施，才能确于采取上述温度控制措施，有效地防止焊接裂纹的保产品的焊接质量，从而获得性能优良、质量可靠产生。的产品。中间热处理(1)确保窄间隙坡口尺寸和装配尺寸是保证焊下部组件的管接头数量较多，焊接内应力和收接质量的关键。由于焊接工作是多层多道连续进缩力很大，严重时会发生裂缝现象。在部分管接头行，上一层质量及成形对下一层有较大影响。如果焊缝焊妥后，应作一次中间热处理，以防在应力集坡口尺寸出现宽窄不均等情况，会给控制焊接规范中处产生裂纹，同时也有利于稳定形状，控制加工带来难以适从的后果，增大了产生焊接缺陷的机尺寸。实践证明，对于密集形管接头结构壳体的焊率。特别是环缝坡口的组对和加工，对纵缝焊接时接，中间热处理是缓解或降低焊接残余应力的- -种出现的角变形必须采取特殊的校正措施，来确保产有效措施。品的焊接质量。(2)采取严格的预热、层间、后热及消氢等温4焊接变形控制措施度控制措施(详见3.1条)，防止冷裂纹的产生。(3)在窄间隙埋弧焊焊接时，为获得优质无缺气化炉作为大型焊接结构的耐高温、高压的机陷的焊缝，正确的选择规范参数是至关重要的，除械传 动设备，不但对焊缝的内在质量及力学性能要按焊接工艺规程规定的范围选定各项参数外，操作求很高，而且对壳体的公差尺寸及加工精度要求也过程中还应注意焊接电流、电弧电压与焊接速度的极为严格。 能否满足图样的公差尺寸及加工精度要适当匹配，对于保证焊缝质量也是十分重要的，最求，关键在于装配精度及焊接变形的控制。根据气直观的评定准则是焊缝表面呈弯月形，焊道平整光化炉壳体的结构特点及焊缝分布情况，采取以下措滑无咬边现象。此外，在环缝焊接时，为保证焊接施来控制焊接变形。线能量一致，随着焊层的增加，工件转速应相应地(1)严格控制装配精度，对一- 些关键件采用激自动降低，从而保证焊接速度不变。光测准仪测量的方法，确认各项尺寸符合要求后方(4)焊接过程中要认真监控焊头距坡口侧壁的可进行定位焊接。距离及焊接电流的变化，确保焊头自动跟踪及滚轮(2)确保刚性固定措施及定位焊牢靠，以防预架防偏移功能的有效性。热和焊接过程中由于定位不牢或刚性小而产生变(5)焊接中途，如发现缺陷，应及时去除缺陷形。并修补平整。此外焊剂应按规定温度严格烘干，重(3)管接头焊接变形控制，在锥体中下部分布复使用的焊剂必须严格过筛。有大小26个管接头，均为焊透式结构。一方面应2.3.2施焊结果保证管接头的焊接质量，另-方面要保证焊接后机对气化炉主壳体纵环缝进行了100% 射线探伤械加工的尺寸公差，难度很大。检验-次焊接合格率达99.7% ,经进行100%磁粉(4)管接头角焊缝焊接前先根据装配检测的公探伤检验-次合格率达100%。差趋势和可能变形方向，决定开始起焊部位和焊接次序，通过焊接收缩量调整装配公差尺寸。如轴套3防止冷裂纹的措施的.上端组装时趋向正公差，焊接时应先焊接轴套.上部外侧坡口，下部外侧坡口只作打底焊，不得一次3.1温度控制焊满中国煤化工预热方式及效果对大直径厚壁容器的焊接至关|YHCNMHG3接变形量，以保重要。由于气化炉壳体直径大，环缝焊接时间长，证机械加工余量。故应整体进炉加热。考虑到出炉、吊运及焊前准备(6)采用多道、多层和分道焊技术，减少焊接机械工程学报第39卷第4期表71m 窄间隙焊缱节约焊材质量内应力，改善接头性能。焊丝质量mikg焊剂质量m/kg(7)锥体上管接头数量多，数量分布不均匀，壁厚节约焊节约百焊接收缩量并不相同，内外坡口焊接时应注意保持δ.mm宽坡[]间腺丝质量分比c1%宠坡口窄间腺剂质量分比c1%焊接收缩量相对平衡。52 8.6 6.28.1(8)焊至-半时进行中间热处理以利于稳定形70 12.8 9.6 4.5 32.119.6 13.3 6.3__ 32.1_状，控制尺寸。6结论5应用 效果与经济效益(1)通过制订科学合理的焊接I工艺方案，对一(1)鲁奇式φ3800mm加压气化炉研制成功些关键的焊接工序实行严格的质量控制、温度控制后，经实际运行和机械工业联合会组织的专家鉴及变形控制,对保证大型疲劳容器鲁奇式φ3800mm定，整机性能达到20世纪90年代初国际先进水平，加压气化炉的质量和性能是十分重要的。造价大大低于进口气化炉。这势必加快鲁奇式气化(2)通过确定合理的坡口形式、选择合适的焊炉在我国的推广步伐，并节约大量外汇，同时对我剂、配备高灵敏度的自动防偏移功能的焊接滚轮架国的大中城市减少燃煤污染、净化城市空气质量将及采用具有自动跟踪控制系统的窄间隙埋弧焊机,起到举足轻重的作用，其社会效益和环保效益是不可以实现大直径厚壁容器窄间隙埋弧焊自动跟踪压言而喻的。道焊工艺。为获得满意的接头质量，必须严格控制(2)由于窄间隙埋弧焊具有高精度自动跟踪坡口的加工质量、保证焊头跟踪精度及规范参数的控制系统，能使焊丝与坡口对中良好，精确地控合理匹配。制焊丝与侧壁的距离，无偏移，从而为获得高致(3)对BHW-35钢的焊接，只要预热、层间、密性的焊缝奠定了基础。与宽坡口埋弧焊相比，后热及消氢等温度控制措施合理，焊接材料、工艺由于窄间隙埋弧焊坡口窄、焊材消耗量小、热输参数及焊后热处理参数选择得当，可以有效地防止入量低、焊接时间短，获得了较小的焊接变形，冷裂倾向并获得综合性能良好的焊接接头。降低了应力开裂倾向，实现了优质、高效、低成(4)通过选择比母材强度级别高的焊接材料可本焊接。以克服由于正火导致接头强度的下降，并获得致密(3)由于工艺参数选用合理及采取-系列提高性及力学性能良好的焊接接头。质量措施，大大提高了焊接一次合格率， RT 检验(5)由于窄间隙埋弧焊焊道间的自回火作用及一次焊接 合格率达99.7%。选择合适的工艺参数，与普通埋弧焊相比焊接接头(4)由于焊接工艺方案制订科学合理及采取的冲击韧性得到大大提高。系列防变形措施，使焊接变形得到了有效控制。(6)严格控制焊接变形，是保证气化炉壳体机(5)由于采取的预热、层间、后热及消氢等温械加工尺 寸及精度要求的重要措施。度控制措施合理，有效地防止了冷裂纹的产生。(7)窄间隙埋弧焊是一种高效优质的焊接方(6)窄间隙埋弧焊效益估算法，焊接总效率与普通埋弧焊(壁厚: 50~70 mm)计算基础:宽坡口以9°计算，窄间隙坡口平相比可提高30%~40%，节约焊材28%~32%。均以2°计算，宽坡口埋弧焊电流为650 A,熔敷参考文献效率为7.5 kg/h,窄间隙电流为600 A，熔敷效率按7kg/h计算。.!陈釗虹. 焊接手册(第2版).北京:机械工业出版杜, 2001材料:窄间隙焊缝节约焊材质量见表7。由表2张富巨，罗传红.窄间隙焊及其新进展.焊接技术, 2000,8可以看出焊丝与焊剂可节约28%~32%左右。29(6): 33~36坡口加工:由于窄间隙坡口变窄，加工金属量3钱百年.14CrIMo钢埋弧焊缝韧性研究.见:第八次全减少，效率提高30%~ 40%。国焊接会议论文集第2册，1997: 123~ 125焊接效率:由表7可以看出，在节约焊材的同4刘家发.低合金高强钢13MnNiMoNbR钢板窄坡口埋弧时，焊接效率也将相应提高28%~32%，但由于窄中国煤化工:文集第2册，2001:间隙埋弧焊规范小，实际熔敷效率下降6%， 同时|YHCNMH G考虑焊丝、焊剂的辅助时间，总的焊接时间可缩短5张建强. .埋弧窄间隙焊接接头断裂特性研究.见:第十30%~ 40%左右。次全国焊接会议论文集第2册，2001: 247~2522003年4月迟水军: φ3 800 mm鲁奇式加压’(化炉壳体的焊接1076潘卫星.厚板理弧自动焊的焊接控制.焊接技术，2000,the deformation caused by the welding by mcans of 8 series of29(4): 34~35technology，narrow gap automatic tracing bead welding isadopted for the longtudinal and girth welding of the shell. TheWELDING FOR THE SHELL OF φ 3800most dificuit points are solved for welding the shell of largeLURGI PRESSURJZED GASIFIERpressurized gasiier such as assuring the welding quality andcontolling the deformation caused by welding, the weldingChi Yongjunresut is satisfied. The success for this term study, valuable(Harbin Boiler Works Company Ltd)experience is accumulated for manufacturing large fatigue vesseland high temperature high pressure mechanical drivingAbstract: The welding procedure specfication and thconcermed requirement for the shell of中3800 mm pressurizedKey words: Gasifler Shellgasifier with the advanced- MARK* IV/4 type is introduced .Welding procedure specifcationThe test plan is to be determined based on the constructionQuality conrol Product ppicacioincharacters. On the basis of test the plan is proven according to the作者简介:迟水军，男，1964 年出生，啥尔滨锅炉厂有限责任公司Idifficulty points in the producing process and find the suitable艺处T艺员，高级I:程师。主要从有锅炉及压力容器产晶焊接T:艺的technology in the manufacturing. While the scientific reasonable研究、开发和成用，并获得s项省级工艺成果奖。welding procedure plan, assure quality of the product and control《机械工程学报》创刊50周年“机械工程技术的历史、进展与展望”主题征文50年前，我国机械工程科技领域的批著名专家创办了《机械工程学报》。50年来，《机械工程学报》始终站在中国机械工程科技发展的最前沿，忠实地记载了中国-代代机械工程专家、学者们的呕心沥血之作，紧密地跟踪与展示了中国机械I程界的发展。《机械I程学报》为纪念创刊50 周年，拟就“机械工程技术的历史、进展与展望”的主题，向广大读者、.作者征文，征文将发表在2003年中国机械工程学会年会论文集上E，其中的优秀论文将在《机械工程学报》上陆续发表。欢迎广大读者、作者踊跃投稿，真诚地期待广大读者、作者与我们共同庆祝《机械工程学报》创刊50周年。征文范围(下列专业领域的历史、进展与展望):(1)先进制造技术与机械I程科学技术前沿。(2)数控和并行机床、具、精密、超精密和高速加J、特种加I和纳米技术。(3)机械传动与流体传动、机器人与机构学、机械设计与动力学。(4)材料、热处理、铸造、焊接、压力加工、润滑和摩擦学。(5)振动、冲击、噪声、状态监测与故障诊断。(6)精密仪器与自动化测试技术、过程控制与误差补偿。(7)其他机械工程技术。征文截止日期: 2003年6月30日征文联系人:杨绍臣王淑芹电话: 010-88379011邮编: 100037征文具体要求，请登陆《机械工程学报》网站查询。网址: wwcjme .com.cn中国煤化工MYHCNMHG