大型焊接部件弧形密封面制作工藝研究

黃攀宇 母 波 劉永紅 趙 寬 唐淋偉

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川 綿陽 621000)

某國家重大項目中的試驗裝置(內徑5 m，長度10.5 m，重約270 t，結構如圖1所示)，材料Q345R，主筒體壁厚30 mm，兩端有支座，外周筋板加強。由于需要從頂部反復吊入吊出大型試驗件，頂部設置有7 m×4 m的開口，開口處設計頂蓋與試驗裝置主筒體之間連接，頂蓋相對主筒體可以自由開啟閉合，頂蓋與試驗裝置主筒體之間通過同心弧形面密封，密封面間隙要求小于1 mm。在頂蓋閉合密封時，試驗裝置內腔抽真空至100 Pa，保壓1 h后要求真空壓強不高于266 Pa。

1 弧形密封面加工工藝路線分析

弧形密封面是整個試驗裝置制作的關鍵。焊接結構件上的密封面制作通常有兩種方式。一種是焊前加工法，在焊接前將密封面加工到尺寸，然后通過工藝方法控制變形來達到圖紙要求。另外一種是焊后加工方法，預留機械加工余量，焊接后整體加工到尺寸。一般情況下選擇的是焊后加工法。但大型焊接結構件制作安裝，不僅要考慮制作工藝、制作成本和質量控制，還須考慮安裝時現場條件、施工進度等諸多因素的影響。本例中的產品尺寸大，質量大，在焊接結構件上加工真空弧形密封面，國內也沒有查到可類比實例參考，缺乏

類似施工經驗。為擇優(yōu)選擇密封面加工時機，本文從質量、進度及成本等方面進行對比分析：

(1)弧形密封面焊前加工

①在廠內分段預制、現場組對焊接，所需的運輸設備為常規(guī)設備，運輸成本較低。

②需要現場搭建臨設和輔助設施，制作成本較高。

③焊前加工，部件尺寸較小，常規(guī)的車床和數控銑床就能保證加工，加工成本較低。

④密封面機械加工后的質量保持，靠焊接過程保證，受不可控因素影響，對焊接工藝要求高，且密封面質量保證難度大。

⑤主體在現場施工，受環(huán)境影響大，與土建交叉多，進度保證有一定難度。

(2)弧形密封面焊后加工

①在廠內整體制作到位，所需的運輸設備為特種車輛，道路條件受限，運輸成本較高。

②利用廠內輔助設施，制作成本較低。

③焊后整體加工，部件尺寸大，需要大尺寸鏜銑類加工中心等設備，加工成本較高。

④密封面精度靠機加設備保證，較容易保證密封面質量。

⑤主體在廠內完成，現場施工時間短，交叉施工少，進度保證相對容易。

通過比較可知，弧形密封面無論是焊前加工還是焊后加工，都有各自的優(yōu)缺點。根據現場條件(本項目產品安裝現場土建施工正在進行，大型龍門吊安裝缺少空間)，最大限度降低成本，在進度符合項目要求的前提下，考慮試驗裝置實際使用過程中對弧形密封面密封間隙敏感，但對密封面形狀精度要求不高的工況，最終將試驗裝置弧形密封面加工時機確定為模塊化制作的焊前加工方案。這個方案的最大優(yōu)點就是成本低、質量可控、進度周期滿足建設需求。該方案將試驗裝置分成了1個主筒體、2個支座(圖2)和1個頂蓋(圖3)三大模塊，各模塊在工廠制作，整體熱處理后機械加工裝配面、安裝面，運輸到現場組焊，并對現場組對焊縫進行局部熱處理。弧形密封面焊前加工，通過工藝手段在主筒體模塊和頂蓋模塊上制作完成，并在制造廠內調整、修配密封間隙，現場安裝時只需裝配，并進行少量的焊接施工，最大限度降低焊接熱對弧形密封面的影響，保證主筒體和頂蓋之間弧形密封面貼合時的間隙滿足圖紙要求。

2 弧形密封面焊前加工重難點分析

2.1 主筒體和頂蓋變形

主筒體是開孔較大的圓筒體，頂蓋是一個圓心角為119°的大型圓弧形焊接結構件，密封板與主筒體和頂蓋之間要進行焊接，焊后進行局部熱處理，這類結構和相關的施工必將導致主筒體和頂蓋變形，變形的大小將直接影響密封間隙小于1 mm技術指標的實現。

2.2 弧形密封面的加工

主筒體和頂蓋上的密封面為空間凹槽弧形密封面，工件尺寸較大、剛性差，加工中零件輪廓容易變形，變形的大小也將直接影響密封間隙小于1 mm技術指標的實現。

2.3 應力消除

構件卷制、焊接、機械加工和主筒體上開孔，都將在主筒體和頂蓋內部產生應力，導致構件開裂、產生翹曲、變形、焊件尺寸發(fā)生變化等，因此須采取措施消除應力。

3 弧形密封面焊前加工重難點解決措施

3.1 主筒體和頂蓋變形控制措施

弧形密封面加工后安裝在試驗裝置筒體和頂蓋上，弧形密封面采用焊前加工方式，首先必須控制試驗裝置主筒體和頂蓋尺寸公差和形位公差，控制加工后的密封面組焊時變形量。為了保證這一要求，從以下幾個方面進行控制：

(1)下料尺寸控制

在考慮焊縫收縮的情況下，主筒體和頂蓋的每塊板料采取數控火焰切割下料，確保坡口加工后實際和理論展開尺寸的誤差小于2 mm，對角尺寸誤差小于2 mm。

(2)主筒體及頂蓋同心度控制

主筒體和頂蓋都由多段拼焊而成。首先要控制各段的圓度，卷筒后進行校正，要求支撐后圓度不超過3 mm，端面垂直度小于1 mm。頂蓋分段卷制，卷制前劃檢查線，防止組焊后母線不直或者扭曲。分段后筒體裝配焊接采用垂直裝配、吊線檢查的方式，確保主筒體任意母線直線度小于5 mm。頂蓋因制作難度較大，在焊接后允許火焰校正，圓度誤差不超過5 mm，母線直線度小于7 mm。

(3)工裝措施控制

在主筒體、頂蓋筒體內部除了采用常規(guī)輔助支撐加強外，主筒體還利用內部的2個環(huán)形支撐圈作為校圓工裝(見圖4)，將支撐圈外圓機械加工后壓入主筒體內部，既能校正筒體橢圓，又能增加筒體剛度。頂蓋圓弧翼板焊后在車床上加工內弧面，并使其尺寸與頂蓋筒體外圓一致，焊接時利用圓弧翼板剛性相對好的特點，對頂蓋筒體支撐和校正(見圖5)。

(4)焊接間隙控制

主筒體和頂蓋上的每塊筋板和翼板在切割時預留余量，組對時根據實際尺寸打磨修整，減少主筒體和頂蓋各筋板的組對間隙，減少焊接時的收縮變形。

3.2 弧形密封面加工控制措施

3.2.1密封面分段

為了機械加工方便，將密封面從主筒體和頂蓋殼體上剝離到密封板上。同時，為了降低加工難度，主筒體和頂蓋上的弧形密封面按照結構特點分成4段，即2個直段和2個圓弧段，圓弧面車床上加工成形，直段部分按照空間弧形密封面形狀數控加工成形，并將密封面進行配對、裝配、修整，確保主筒體和頂蓋上各自密封面相互貼合。

3.2.2 密封面組對焊接工藝

以頂蓋和主筒體互為剛性支撐，采用搭積木組對工藝控制二者間的密封間隙。具體做法是先在主筒體上劃線，確定密封面的位置，然后在筒體上開工藝手孔，供焊接內部的密封角焊縫，最后將開好坡口的主筒體密封板組焊到主筒體上。為減小焊接變形，焊接密封板時采用從中間往兩側分段退焊，分段密封面對接部位采用樣板校對打磨光滑。

主筒體和對應的密封板焊接完成后，再在主筒體密封面上貼裝頂蓋密封板，采用龍門卡將兩密封板的間隙消除，塞尺檢測合格后，側面焊接鎖緊塊，使兩密封面拉緊貼牢。然后在頂蓋密封面上貼裝已經點固裝配好筋板和翼板的頂蓋，也采用龍門卡將頂蓋和頂蓋密封板貼緊，塞尺檢測合格后，焊接頂蓋密封板和頂蓋(密封面組焊示意圖如圖6)。

3.3 應力消除措施

為了減少弧形密封面變形，采用整體退火方式消除應力。試驗裝置板材厚度差異大，其中連接板厚100 mm，殼體壁厚30 mm，單一部件熱處理總重量達220 t。如按照GB 150-2011《壓力容器》要求制訂熱處理工藝參數，熱處理溫度600 ℃±20 ℃，保溫時間4 h。但由于本項目屬于大型焊接結構件的退火，高溫下材料強度快速下降，自重和高溫下的剛度不足引起熱處理變形必須考慮，因此，為了減小高溫變形，參考ASME VIII-1《壓力容器建造規(guī)則》的要求，通過適當減低熱處理溫度，延長保溫時間達到消除應力效果，實際的熱處理工藝如圖7。同時退火時應注意以下幾點：

(1)熱處理爐底部要求用水準儀找平，確保爐底

部平面度誤差小于5 mm。

(2)為了防止中部塌陷，中部焊接輔助支座，并在爐內用耐火磚墊牢。

(3)在出火點不能直燒工件前提下，熱處理爐盡可能多布出火點。

(4)為了減少高溫下的零件變形，所有開孔面暫不開孔，內部采用大量鋼管支撐，提升剛度。

(5)所有加工面涂高溫漆保護，防止加工面熱處理中氧化。

(6)安裝鎧裝熱電偶多點測溫：頂蓋均布6個、試驗裝置主筒體均布4個、密封面部位均布4個。在熱處理時根據熱電偶的溫度調整相應出火點的火頭大小，保證熱處理爐內任意范圍內的溫差應≤10 ℃。

4 弧形密封面加工及密封效果

試驗裝置退火后，在拆除內部支撐、打開密封面鎖緊塊、主筒體開孔后，通過塞尺檢查密封面間隙，密封面中部貼合間隙均在0.6 mm以內，其余部位間隙小于1 mm，達到圖紙要求，間隙偏大部位主要分布在頂蓋四角附近。

試驗裝置出廠前對試驗裝置進行真空密封試驗，采用φ24 mm真空橡膠條對試驗裝置進行密封，在真空抽到100 Pa后，保壓1 h，真空壓力為170 Pa，優(yōu)于266 Pa設計指標，弧形密封面密封達到設計要求。

原焊后加工施工方案周期預計90天，制造施工成本約520萬元。采用焊前加工方案，整個項目實施結束，施工周期共用65天，制造施工成本花費約450萬元。與焊后加工方案比較，焊前加工方案施工周期提前了25天，制造施工成本節(jié)約了70萬元。

5 結語

本文完成了大型焊接結構件弧形密封面的焊接、熱處理及機械加工等工藝研究。該研究的成功開展，解決了大型焊接件弧形密封面加工制作的技術難題，填補了國內空白，確保了大型焊接結構件弧形密封面加工質量的符合性，節(jié)約了時間和資金成本，同時也可以為類似大型焊接弧形密封面的加工制作提供有效的參考。