CN104148773B - 一种控制大型金属管板拼焊变形的方法 - Google Patents

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Abstract

一种控制大型金属管板拼焊变形的方法，大型金属管板直径为5？000㎜～10？000㎜，厚度为60㎜～400mm；材料为GB150.2钢板的拼焊；管板坯料用2～3块钢板拼焊，焊接坡口型式采用不对称的窄间隙U形坡口，坡口尺寸：R＝10㎜～12㎜，便于提高焊接熔合质量和清根；上坡口深度t1比下坡口深度长8㎜～10㎜，在清根后，上、下坡口焊缝填充金属基本相同；坡口钝边t2＝1～3㎜,坡口角度α＝3°～5°、根部间隙j＝0～2㎜，以减少焊接金属的填充量；等等。本发明可精确控制管板的拼焊变形，减少管板毛坯金属耗用量。

Description

一种控制大型金属管板拼焊变形的方法
技术领域
本发明涉及一种控制大型金属管板拼焊变形的方法，用于石油、化工行业大型反应容器、换热器的金属管板毛坯的制作。
背景技术
大型容器，特别是大型反应容器，由于生产工艺的要求和容器内介质、温度、压力因素的影响，大型容器管板直径在5000㎜～10000㎜，厚度60㎜～400mm。以5万吨/年顺酐装置的关键设备——列管式固定管板反应器为例：反应器上、下管板直径φ6000mm，厚度140㎜，材料为Q345R(正火)钢，管板的平面度允差≤3mm，每个管板上开设有26180个反应管孔。由于管板直径大于4800㎜，采用整体锻件，成本很高；采用整块钢板制作管板毛坯，虽能保证管板的平面度，但国内外均无大于4800㎜幅宽的钢板供应。因此，对于直径大于4800㎜的管板,需要进行拼板焊接。钢板的拼板焊接，由于焊接应力的作用，使拼焊后管板坯料产生残余应力和变形，包括沿焊缝长度方向的纵向焊接残余应力和变形、垂直于焊缝长度方向的横向残余应力和变形以及焊缝厚度方向的残余应力和变形。对于厚度≥60㎜的长条钢板的拼焊，其变形的主要因素是横向残余应力和角变形，若以直径6000㎜,厚度140㎜，材料为Q345R(正火)钢的管板制作为例，管板毛坯(未开孔管板)的重量为31073Kg；采用幅宽为3000㎜的2块钢板拼接,当焊后管板角变形的角度达1°时，其角变形量达52.35㎜。则管板毛坯需要的钢板厚度达193～200㎜，拼焊后管板毛坯的金属重量比管板坯料所需的重量增加了11764kg～13317.7kg，钢板材料利用率仅为72.53％～70％，增大了金属耗用量和生产成本。因此如何控制管板拼焊的变形和管板校平是大型金属管板制作需要解决的难题。
大型管板的拼焊变形，若采用机械热校平，则需要大型压力机，国内一般化工装备制造
企业无此设备；专利201010153786.2提供了一种用于大型管板拼焊和热处理中控制变形的工艺，但该方法是：焊接时在拼接焊缝边界及热影响区安装防变形刚性支架，不仅不便于焊接操作，特别是不适宜效率高且焊接质量好的自动焊作业，且刚性支架要有足够的刚度，则支架的结构尺寸很大，金属耗用量大。两块钢板的对接焊接，从影响钢板变形的焊接残余应力分析，由焊缝及热影响区的纵向收缩和横向收缩不同造成横向残余应力在整个钢板上发生较大变化而产生钢板焊接角变形，其原因主要是横向收缩在板厚上的分布不均匀造成的。特别是对于厚钢板，焊缝深度很深，焊接均采用多道焊的方法，在焊接过程中，由于每道焊接都会产生一定的角变形，经多道焊接，横向收缩变形不断积累，造成焊接后钢板的较大角变形。即使安装了足够刚度的支架，也难消除焊接所产生的横向收缩变形，且增加了焊接应力。因此，焊接时安装防变形刚性支架，不仅耗材、耗时，费事，这种刚性支架也不能适应各种规格的管板制作，无形的增加了不必要的生产成本，对消除焊接所产生的横向变形作用也不大。另外，专利201010153786.2的焊接坡口根部半径R＝3～10㎜，实施例板厚180㎜，焊接坡口根部半径R＝5㎜，不利于焊接坡口底部的焊接熔合质量，特别是焊后的清根和焊层间的清理质量。
管板的拼焊，除采取措施减少焊接变形和焊接应力外，都采取通过热处理的方式来进一步消除焊接变形和焊接应力。专利201010153786.2采取在管板坯料上安装固定支架，在热处理过程中，随着温度的上升，刚性支架也因温度的升高而使刚性支架的刚度降低，消除焊接变形和焊接应力效果降低；专利200810018212.7超大型管板热校平方法介绍一种大型管板拼焊后的热处理方法，其缺陷在于，在拼焊后管板毛坯的凸面上，均匀放置配重进行热处理，由于管板焊接产生的角变形最大处主要在管板中部的焊缝处；从该专利的实施情况看：管板规格为φ4936㎜，厚度90㎜，材料为16MnR(Q345R),管板毛坯采用2块2500×5000×110㎜的钢板拼焊，按所公开的方法，进行热处理后的实测结果：热处理前的不平度为36㎜，热处理并经校平后的不平度为24㎜，变形管板的校平其效果并不高，厚度90㎜的管板用110㎜的钢板拼焊，管板毛坯的加工余量为20㎜，增加了金属耗用量和加工成本，很不经济。
发明内容
本发明正是为了克服现有技术存在的不足和缺陷，提供一种控制大型金属管板拼焊变形的方法，采取合理的焊接方法和焊接工艺，减少大型管板坯料拼焊的焊接变形和焊接应力；采用了合理的热处理工艺和工装，通过热处理，消除管板坯料拼焊的焊接应力，进一步减少了焊接变形。本发明是通过如下技术方案来实现的。
一种控制大型金属管板拼焊变形的方法，本发明特征在于：大型金属管板(管板直径为5000㎜～10000㎜，厚度为60㎜～400mm；材料为GB150.2《压力容器第2部分：材料》规定的钢板)的拼焊，管板坯料用2～3块钢板拼焊，焊接坡口型式采用不对称的窄间隙U形坡口，坡口尺寸：R＝10㎜～12㎜，便于焊接熔合质量和清根；上坡口深度t1比下坡口深度长8㎜～10㎜，在清根后，上、下坡口焊缝填充金属基本相同；坡口钝边t2＝1～3㎜,坡口角度α＝3°～5°、根部间隙j＝0～2㎜，以减少焊接金属的填充量；采用焊前预热，以减少焊接过程中的温差应力和变形，预热温度根据钢板的材质确定；用CO2气体保护焊或者氩弧焊打底，按照焊接工艺评定的焊接工艺参数和焊接顺序a、b、c、d、e……，用自动埋弧焊对管板坯料正面和背面交替施焊，直至焊接完成；焊接过程中，焊缝背面的焊接坡口两侧继续预热，并保持焊接的预热温度，防止局部冷却速度不一致造成局部变形；每道焊缝(除第1道及最后1道)焊接完成后，用气铲锤击焊缝，使焊缝金属减薄而向四周延展，补偿焊缝的一部分收缩，以减小焊接应力与变形量，并测定管板坯料的最大角变形角度不超过1°，否则翻转管板坯料再进行焊接；管板坯料拼接焊缝焊接完成后，打磨管板毛坯上的焊缝至与母材平齐，经无损检测合格后，按管板毛坯的直径尺寸将管板坯料切割成圆形；再将管板毛坯放入热处理炉内进行校平和消除焊接残余应力的热处理，进一步减少管板毛坯的焊接变形。
本发明测定管板坯料的最大角变形角度(β)的方法是：以6个支撑平台3的顶面所构成的平面为基准面，测量焊后管板坯料底面端部至基准面的距离，按下列公式计算出管板坯料角变形的角度β：
Δ＝Sinβ·L…………〖1〗
式中：
Δ——焊后管板坯料底面端部至基准面P的距离(角变形量)，㎜；
β——角变形的角度，°；
L——管板坯料底面焊缝中心至端部的横向尺寸，㎜。
本发明管板毛坯校平和消除焊接残余应力的热处理方法是：将支撑垫铁置于热处理炉平车台上，找平；再将管板毛坯凸面向上吊装在支撑垫铁上，在管板毛坯凸面的焊缝上和焊缝两侧的1/3管板毛坯半径处放置垫铁；在垫铁上面交错放置3～4层配重块，配重块的总重量为管板毛坯重量的1.8～2.8倍，按管板材料热处理试验得出的热处理参数进行热处理，在热处理过程中，管板毛坯释放和消除焊接应力，在配重块的重力作用下使管板毛坯落在支撑垫铁上，进一步消除管板毛坯的焊接变形，并稳定其形状和尺寸。
本发明与现有大型管板拼焊变形控制方法相比，其优点在于：
1)本发明采用自由状态下施焊，减小焊接拘束度；
2)无大型的焊接工装，节约了不必要的金属耗用量，降低了制作成本；
3)采用能量集中的热源和快速焊接的埋弧自动焊的焊接方法，减少了焊接变形，提高了焊接效率；
4)采用焊前预热、焊接过程中，焊缝背面的焊接坡口两侧继续预热，并保持焊接的预热温度，防止局部冷却速度不一致造成局部变形；
5)每道焊缝(除第1道及最后1道)焊接完成后，采用气铲锤击焊缝，使焊缝金属减薄而向四周延展，补偿焊缝的一部分收缩，以减小焊接应力与变形量，
6)每道焊缝焊接完成后，就测定管板毛坯的最大角变形角度不超过1°，否则翻转管板坯料进行焊接，使焊接变形相互抵消，并使焊接变形处于可控范围内；
7)管板毛坯的热处理，在管板毛坯凸面的焊缝上和焊缝两侧的1/3管板毛坯半径处放置垫铁，在垫铁上面放置3～4层配重块，以使管板毛坯加热均匀，且垫铁的重量集中于管板毛坯变形最大部位，使管板热处理消除管板毛坯焊接应力和校平效果更好。
附图说明
图1为本发明的焊接坡口示意图；
图2为本发明的焊接工装示意图；
图3为本发明的焊接顺序示意图；
图4为本发明的焊接角变形角度测量的示意图；
图5为本发明的管板毛坯热处理方式示意图。
具体实施方式
见图1，图2，图3，一种控制大型金属管板拼焊变形的方法，本发明特征在于：大型金属管板(管板直径为5000㎜～10000㎜，厚度为60㎜～400mm；材料为GB150.2《压力容器第2部分：材料》规定的钢板)的拼焊，管板坯料用2～3块钢板拼焊，焊接坡口型式采用不对称的窄间隙U形坡口，坡口尺寸：R＝10㎜～12㎜，便于提高焊接熔合质量和清根；上坡口深度t1比下坡口深度长8㎜～10㎜，在清根后，上、下坡口焊缝填充金属基本相同；坡口钝边t2＝1～3㎜,坡口角度α＝3°～5°、根部间隙j＝0～2㎜，以减少焊接金属的填充量；采用焊前预热，以减少焊接过程中的温差应力和变形，预热温度根据钢板的材质确定；用CO2气体保护焊或者氩弧焊打底，按照焊接工艺评定的焊接工艺参数和焊接顺序a、b、c、d、e……，用自动埋弧焊对管板坯料正面和背面交替施焊，直至焊接完成；焊接过程中，焊缝背面焊接坡口两侧继续预热，并保持焊接的预热温度，防止局部冷却速度不一致造成局部变形；每道焊缝(除第1道及最后第1道)焊接完成后，用气铲锤击焊缝，使焊缝金属减薄而向四周延展，补偿焊缝的一部分收缩，以减小焊接应力与变形量，并测定管板坯料的最大角变形角度β不超过1°，否则翻转管板坯料再进行焊接；管板坯料拼接焊缝焊接完成后，打磨管板毛坯11上的焊缝至与母材平齐，经无损检测合格后，按管板毛坯11的直径尺寸将管板坯料切割成圆形；再将管板毛坯11放入热处理炉内进行校平和消除焊接残余应力的热处理，进一步消除管板毛坯11的焊接变形。
本发明所述的测定管板坯料的最大角变形角度β的方法是：以6个支撑平台3的顶面所构成的平面为基准面P，测量焊后管板坯料底面端部至基准面P的距离Δ，按下列公式计算出管板坯料角变形的角度β：
Δ＝Sinβ·L…………〖1〗
式中：
Δ——焊后管板坯料底面端部至基准面P的距离(角变形量)，㎜；
β——角变形的角度，°；
L——管板坯料底面焊缝中心至端部的横向尺寸，㎜。
本发明所述的管板毛坯校平和消除焊接残余应力的热处理方法是：将支撑垫铁10置于热处理平车台9上，找平；再将管板毛坯11凸面向上吊装在支撑垫铁10上，在管板毛坯11凸面的焊缝上和焊缝两侧的1/3管板毛坯11半径处放置垫铁12；在垫铁12上面放置3～4层配重块13，配重块13的总重量为管板毛坯11重量的1.8～2.8倍，按管板材料热处理试验得出的热处理参数进行热处理，在热处理过程中，管板毛坯11释放和消除焊接应力，在配重块13的重力作用下使管板毛坯11落在支撑垫铁10上，以进一步消除管板毛坯11的焊接变形，并稳定其形状和尺寸。
下面结合附图及5万吨/年顺酐装置的关键设备——列管式固定管板反应器为实施例，作具体的说明。
实施例是对本发明的内容进一步说明，而不是对本发明范围的限制。
实施例：
5万吨/年顺酐装置的关键设备——列管式固定管板反应器上、下管板，设计要求：直径6000mm，厚度140mm，材质：Q345R，管板平面度允差≤3mm，每个管板上开设有26180个反应管孔。
实施步骤如下：
(一)管板毛坯的拼焊变形控制：
1)为保证管板的加工精度，管板毛坯11预留10㎜的精加工裕量，因此选用幅宽3000㎜+10～20㎜的正偏差钢板，长度6020㎜，厚度t＝150㎜，材质为Q345R(正火)的钢板1和钢板2拼焊为管板坯料；
2)钢板1、钢板2采用卷板机校平；
3)钢板1、钢板2的拼接边用机加工开设焊接坡口，焊接坡口为不对称的窄间隙U形坡口，坡口尺寸：R＝12㎜，t1＝80㎜，t2＝2㎜,α＝4°；
4)坡口面进行100％MT(磁粉)检测，合格后打磨清理坡口及两侧；
5)在平板上设6个支撑平台3，调整支撑平台3使其顶面在同一水平面内，将钢板1、钢板2拼接边相向地放置于支撑平台3上，支撑平台3在每块钢板下成三角形布置；在钢板1和钢板2的背面两端焊接坡口的两侧，距钢板端部边缘100㎜～200㎜、距坡口中心线20㎜～30㎜处，各放置1个千斤顶4，调节钢板焊接坡口两边的高度使其一致，并使焊接坡口根部间隙j＝0～2㎜；用5块连接筋板5跨过焊接坡口焊接在两块钢板背面，使钢板1和钢板2连接成一个整体，以防止焊接第一、二道焊接时，因焊接应力过大拉裂或第一次翻转钢板时扯裂(连接筋板5在第一次翻转钢板焊接时去除)；在钢板1、钢板2的两端部正中位置各焊接1个吊耳6，用于起吊和翻转管板毛坯；在钢板1、钢板2的两端部焊接坡口钝边t2处各焊接一件引弧板7，在引弧板7的上、下的两侧、沿焊接坡口两边，距焊接坡口边缘5～10㎜的位置各焊接一块挡板8；
6)施焊前在钢板正面和钢板背面的坡口两侧150～200㎜范围内，同时采用煤气进行均匀的预热，以减少焊接残余应力和焊接变形，预热温度150℃～180℃，预热时间40～60分钟，使预热均匀。
7)先用CO2气体保护焊进行封底焊接，再用自动埋弧焊按焊接顺序a、b、c、d、e……，对管板坯料正面和背面交替施焊，直至焊接完成；自动埋弧焊的焊接工艺参数为：焊接电流450A～600A，电弧电压32V～36V，焊接速度50～55cm/min，层间温度150～260℃；
8)焊接过程中，焊缝背面焊接坡口两侧150～200㎜范围内继续预热，并保持在预热温度范围内，防止局部冷却速度不一致造成局部变形；每道焊缝(除第1道及最后1道)焊接完成后，采用气铲锤击焊缝，使焊缝金属减薄而向四周延展，以补偿焊缝的一部分收缩，以减小焊接应力与变形量，并测定管板坯料的最大角变形角度β不超过1°，否则翻转管板坯料再进行焊接，这样正面和反面交替进行焊接，使管板坯料正、反两面的焊接角变形相互抵消；
9)焊接完成后，对焊缝进行温度250℃～350℃持续2～2.5小时的消氢处理，消氢处理完成后，覆盖保温棉自然冷却至室温；
10)打磨焊缝与母材平齐，进行100％UT(超声波)检测，Ⅰ级合格；
11)按管板毛坯11的直径尺寸(φ6020㎜)，将管板坯料切割成圆形。
(二)管板毛坯的热处理校平和消除焊接残余应力的控制：
1)用支撑垫铁10置于热处理炉平车台9上，找平；
2)将管板毛坯11凸面向上吊装在支撑垫铁10上；
3)在管板毛坯11凸面的焊缝上和焊缝两侧的1/3管板毛坯11半径处放置垫铁12；
4)在垫铁12上面放置4层配重块13，每件配重块的的重量为11000kg,总重量为66000kg；
5)按本管板毛坯材料Q345R钢，厚150㎜的热处理试验得到的热处理参数(进炉温度≤350℃，升温速度50℃/h～60℃/h，热处理温度620℃±20℃，保温4小时，降温速度50℃～60℃/h，至炉温≤200℃时出炉空冷)对管板毛坯11进行热处理；在热处理过程中，管板毛坯11释放和消除焊接应力，在配重块13的重力作用下使管板毛坯11落在支撑垫铁10上，以消除管板毛坯11的焊接变形，并稳定其形状和尺寸。
(三)检验验证
按上述方法对管板毛坯拼焊和热处理校平，经检测，在热处理前，管板毛坯11左侧端部角变形量Δ为18.3mm(即角变形的角度β＝0.35°)，右侧端部角变形量Δ为15.7mm(即角变形的角度β＝0.30°)；经热处理校平后，管板毛坯11的平面度4.5～6.5mm。
因此，本实施例采用的钢板厚度t＝150㎜(即有10mm的加工裕量)，足以保证管板毛坯11精加工到厚度为140㎜、管板平面度允差≤3mm的要求。

Claims (3)

1.一种控制大型金属管板拼焊变形的方法，其特征在于：大型金属管板直径为5000㎜～10000㎜，厚度为60㎜～400㎜；材料为GB150.2钢板的拼焊；管板坯料用2～3块钢板拼焊，焊接坡口型式采用不对称的窄间隙U形坡口，坡口尺寸：R=10㎜～12㎜，便于提高焊接熔合质量和清根；上坡口深度t1比下坡口深度长8㎜～10㎜，在清根后，上、下坡口焊缝填充金属基本相同；坡口钝边t2=1~3㎜,坡口角度α＝3°～5°、根部间隙j＝0～2㎜，以减少焊接金属的填充量；采用焊前预热，以减少焊接过程中的温差应力和变形，预热温度根据钢板的材质确定；用CO2气体保护焊或者氩弧焊打底，按照焊接工艺评定的焊接工艺参数和焊接顺序用自动埋弧焊对管板坯料正面和背面交替施焊，直至焊接完成；焊接过程中，焊缝背面焊接坡口两侧继续预热，并保持焊接的预热温度，防止局部冷却速度不一致造成局部变形；除第1道及最后1道以外，每道焊缝焊接完成后，用气铲锤击焊缝，使焊缝金属减薄而向四周延展，补偿焊缝的一部分收缩，以减小焊接应力与变形量，并测定管板坯料的最大角变形角度（β）不超过1°，否则翻转管板坯料再进行焊接；管板坯料拼接焊缝焊接完成后，打磨管板毛坯（11）上的焊缝至与母材平齐，经无损检测合格后，按管板毛坯（11）的直径尺寸将管板坯料切割成圆形；再将管板毛坯（11）放入热处理炉内进行校平和消除焊接残余应力的热处理，进一步消除管板毛坯（11）的焊接变形。
2.根据权利要求1所述的一种控制大型金属管板拼焊变形的方法，其特征在于：所述的测定管板坯料的最大角变形角度（β）的方法是：以6个支撑平台（3）的顶面所构成的平面为基准面（P），测量焊后管板坯料底面端部至基准面（P）的距离（Δ），按下列公式计算出管板坯料角变形的角度（β）：
Δ＝Sinβ·L
式中：
Δ——焊后管板坯料底面端部至基准面（P）的距离即角变形量，㎜；
β——角变形的角度，°；
L——管板坯料底面焊缝中心至端部的横向尺寸，㎜。
3.根据权利要求1所述的一种控制大型金属管板拼焊变形的方法，其特征在于：所述的管板毛坯校平和消除焊接残余应力的热处理方法是：将支撑垫铁（10）置于热处理平车台（9）上，找平；再将管板毛坯（11）凸面向上吊装在支撑垫铁（10）上，在管板毛坯（11）凸面的焊缝上和焊缝两侧的1/3管板毛坯（11）半径处放置垫铁（12）；在垫铁（12）上面放置3～4层配重块（13），配重块（13）的总重量为管板毛坯（11）重量的1.8～2.8倍；按管板材料热处理试验得出的热处理参数进行热处理，在热处理过程中，管板毛坯（11）释放和消除焊接应力，在配重块（13）的重力作用下使管板毛坯（11）落在支撑垫铁（10）上，以进一步消除管板毛坯（11）的焊接变形，并稳定其形状和尺寸。
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