锅炉汽包封头的制造工艺

摘  要: 根据锅炉汽包热压封头的制造工艺顺序, 详细论述了常用热压封头的展开尺寸的计算、划线、气割、热压以及成形后封头的划线加工和封头管接头管孔的加工及装配等工序, 指出了相关工序的关键技术和经验数据, 为相似锅炉汽包热压封头的制造工艺提供了可以借鉴的方法。
关键词: 热压; 封头; 制造; 工艺管管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机道切割机，相贯线切割机

0     引  言
    锅炉汽包是由筒节和封头及其它部件组成的一个整体, 由于封头有球形、椭圆形等, 在其面上管接头的种类多且管孔的位置变化多样, 加工、组装、焊接困难, 使用特殊工装较多, 并且封头上组装的零件较多, 质量要求高, 所以封头的制造最为复杂。封头的制造方法很多, 有人工锤打、落锤法、爆炸成型、旋压法、冲压法等, 常用的冲压法又分为冷冲压、热冲压,下面介绍大型电站锅炉汽包封头热冲压法的制造工艺。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

1     封头毛坯展开尺寸的计算管道切割机，相贯线切割机
    下面介绍汽包常用的椭圆封头和球形封头的毛坯展开尺寸的计算方法。

1 . 1  椭圆封头毛坯尺寸展开计算方法
1 . 1 . 1  标准椭圆封头 ( a= 2b )
    (1)周长法。它的基本原理是令封头毛坯直径等于成型封头的周边长度, 周长P =π/2  ,+ 2△,是拉伸系数, 一般取= 0 . 75 , △是机械加工余量, 图1为椭圆封头尺寸示意图。

        

图1    椭圆封头尺寸示意图

   (2)系数近似计算法。= p(d1+d)+2h-d, 系数p取值如下表1所示, 根据实践经验取p=1.21比较合适, 此种方法常用于计算标准椭圆封头毛坯的展开尺寸。

    

    (3)等面积法。椭圆封头中性层展开的面积应等于半椭圆体的面积与封头直边部分面积的总和, 即如下公式所示。 =, 用等面积法计算椭圆毛坯尺寸更符合实际情况, 但是实际用得较少。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

1 . 1 . 2   深椭圆封头 ( a< 2b)
    对于深椭圆封头毛坯展开尺寸采用近似计算方法, = p (d1+ d) 2h- d, 对于a= 800 , b= 640这样的深椭圆封头, 根据经验取系数p = 1.31 。

1 . 1 . 3   椭圆封头翻边人孔预开孔计算方法
    预开孔尺寸A, B计算方法见下面的公式, 对于axb= 400x300 , 预开孔尺寸AxB = 290 x190 ,,B=。为防止板边裂开, 划线时人孔长轴应垂直于钢板轧制方向。

1 . 2  球形封头毛坯尺寸展开计算方法
    球形封头毛坯展开尺寸计算方法很多, 有系数法、面积法、体积法等, 系数法如: = d1 +H +,= 3R + h+ , 其计算方法简单, 但是计算数据偏大, 与实际不符合; 体积计算方法与实际吻合, 但是计算公式复杂, 实际生产中很少使用。在实际生产中用得较多的是面积计算方法, 它与实际情况比较接近, 它是由弧形面积和圆柱部分面积组成, 即:
, 化简得, h为圆柱部分的高度, △为加工余量, 根据实际经验一般取 △= 30~40mm。

2     封头的划线、 气割、 拼接管道切割机，相贯线切割机
    按照封头毛坯展开尺寸进行放样划线, 采用半自动气割下料。封头原则上采用整块钢板压制而成, 对于19Mn6 , 13 MnNMo54的厚板是定尺寸供货, 所以汽包封头原则上采用整块钢板压制而成。如果需要拼接, 一只封头允许采用最多两块钢板拼接而成, 但是拼逢中心距封头中心线不得大于0 . 3d(d是封头直径 ), 且避开人孔及人孔加强覆盖部位, 并避开加强板和封头连接的角焊缝,也不得通过板边人孔和板边的圆弧部分; 需要拼接的, 先按拼接下料图下料, 经气割、拼装、焊妥,检验合格之后进行二次划线下料。

3     封头的压制成形管道切割机，相贯线切割机
3 . 1  拼板封头
    拼缝封头一般都采用电渣焊, 所以晶粒粗大,不利于超探而必须正火, 为了确保封头成形好, 工艺上采取在压制前把焊缝加强高批磨平, 同时为了减少钢板进一次加热炉, 工艺上把拼缝超探调到压制后进行。为了减少氧化皮的生成和厚度减薄量, 需要在封头上涂刷高温涂料。

3 . 2  加热规范的选择
    汽包封头大多采用热冲压成形, 如果加热温度过高, 会使晶粒组织长大变粗, 则使材料的塑性、韧性降低; 对有拼缝的边, 则达不到细长晶粒的目的, 对薄壁封头还会引起鼓包, 过高温度还会引起氧化皮增多, 表面质量差; 但是, 如果加热温度过低, 没有达到材料冲压时的塑性变形, 这样不仅增加了冲压力, 而且易引起裂纹产生, 所以必须控制冲压温度, 根据长期的实践经验以及材料的性质, 加热规范见表2 。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

3 . 3  封头热冲压
    根据封头内径和厚度选取冲压设备, 严格按照热冲压的技术规范和材质的加热规范、始压及终压温度, 要求操作者提前做好一切准备工作, 工件出炉后, 要求技术熟练, 动作准确, 掌握时机, 安全操作, 一次成形。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

3 . 4  封头热冲压后热处理
    不管对于是拼板碳钢封头, 还是低合金封头,原则上都采用正火冲压, 所以热冲压后都不做正火处理, 但是, 对于13 MnNMo54这种材料, 由于是在正火+ 回火状态下使用, 所以对它在热冲压后还必须作高温回火处理, 回火温度 640 ℃ ~ 660℃, 保温 3min/mm。

4     封头的划线和加工管道切割机，相贯线切割机
4 . 1  翻边椭圆人孔封头的划线
4 . 1 . 1  划封头高度线
    封头平放在平台上, 垫平找正, 用划针盘划出整个封头的高度线H, 并向上放10 mm 机加工余量; 气割封头环形直边余量, 并留10 mm 机加工余量, 立车车环缝余量及坡口。

4 . 1 . 2  划翻边人孔线管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
    按图划线, 手工气割人孔直边余量, 并按图批人孔和加强圈坡口, 组装加强板并焊妥后再由立车加工人孔密封面。

4 . 2  圆形人孔封头的划线
    (1)封头高度线H。由于圆形人孔是在封头冲压后加工而成的, 不像翻边人孔冲压封头时一起冲出来的, 所以它的高度线有两种划法: 方法一, 封头放在平台上用垫片找正垫平, 用划针盘划线, 与翻边人孔封头划线一样。方法二, 以封头内底部圆为基准, 用粉线、钢板尺、圆规, 从内表面划高度线, 并引到封头外表面。
    第一方法比较准确, 但是必须有大平台和大的划针盘; 第二种方法没有第一种方法准确, 但是它不需要平台和划针盘, 只用简单的粉线、钢板尺、圆规划线工具就可以。由于封头环形坡口是在立车上加工, 在立车平台上上还需要重新找正,实际加工时是以立车找正的中心线为准, 而划线中心只是气割人孔用的, 工艺上考虑到划线中心偏移, 造成人孔尺寸加工不出来, 所以加工余量留得较多, 一般420 mm 的人孔, 气割孔为380mm, 因此有足够加工余量, 所以对于封头高度划线, 在生产实践中采用第二种方法为主。

    (2)封头人孔线 (人孔设在封头中心)。高度线划好后, 按圆周弧长四等分, 划十字线交于封头中心, 再划人孔气割线380 mm。

    (3)封头上轴向或径向或垂直于轴向的水位表管、平衡容器管孔和其它小管孔的划线, 原则上在封头环形坡口加工完成后, 以端面为基准, 重新划封头四相线, 并在平台上放样, 把这些小管孔线引到封头上去, 并做好相线和管孔标记。

    (4)与封头中心线成一定夹角的人孔、下降管孔、给水管孔及其它管孔的划线。首先, 初划封头四相线和直边余量线 (留 10mm 机加余量); 其次, 在余量上装四块辅助板, 再精划四相线, 并在平台上放样划人孔气割线、下降管孔线、给水管孔线、安全阀管孔线以及它们的检查基准线和十字中心线, 并放样划出其它管孔线。

4 . 3  封头坡口的加工
    (1)封头直边余量用余量气割机气割。封头放在回转工作台上随工作台旋转, 割枪放在固定的支架上, 割枪与工件的距离、上下高度民主及气割角度都可以调整, 工作台旋转一圈, 封头余量就全部割掉。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

    (2)环形坡口的加工。封头在热压时直边要增厚, 一般增厚为板厚的10% 左右, 所以, 存在一个削边的问题。封头环形壁厚与其相接的筒节环形壁厚 之差, 如果是卷制筒节, 且, 且 , 可以不削边; 但是, 如果是压制筒节, 且 ，且, 则这种情况可以不削边, 但是焊接时需要圆滑过渡。如果厚度差超过上述规定, 封头必须进行削边, 因为封头直段增厚在外壁, 所以封头削边一般都在外表面削边; 如果, 筒节的名义内径增大, 而封头还是原来内径, 所以封头内径偏小, 就必须双面削边, 其削边长度。

    (3)环形坡口的加工。锅炉汽包封头是受压部件, 一般采用双面 U 形坡口, 所以采用立车加工坡口。封头放在平台上, 用划针盘找正后, 用垫板垫好, 使用3~ 4只夹爪支座紧定封头, 按照技术要求加工封头环缝。车环缝余量到封头高度后, 按工艺要求削边, 削边斜度与母材交界处要求圆滑过渡, 不允许有台阶出现, 然后加工内外坡口, 并用样板检查坡口 R及角度, 符合技术。对于超过立车范围的大直径薄壁封头, 或者是直径较小的薄壁封头的环形坡口, 一般采用单面V形坡口, 从用封头余量气割机气割或用手工批磨; 对于大直径不锈钢或铝合金封头, 不能采用气割的,采用内装米字形支撑的, 用立车加工封头环形坡口。

4 . 4  人孔、下降管孔、给水管孔等管孔的加工
    (1)对于管径较大的管孔, 其管孔在机加工之前需要先气割, 留下足够的机加工余量 (一般单边留15~ 20mm )上立车加工, 气割一般采用手工定心气割。
    (2)如果人孔在封头中心, 给水管孔在轴向方向, 就不需要辅助工装, 手工气割孔后, 直接放在立车平台上加工管孔。
    (3)如果人孔、下降管孔、给水管孔等管孔设置在偏离中心一定角度方向, 就必须按照前面划线要求, 在余量上装四块辅助板, 经立车车平后,把封头组装在专用工装上, 见图2, 进行气割孔和机加工孔。气割完一个孔后, 拆下工装, 封头调头180°。重新装上工装, 再气割另一个孔, 立车加工孔时也按照这种方法。

     

图2   下降管孔加工专用工装

  
    (4)安全阀管座孔和其它小管径的管孔方向大多是垂直于轴向或平行于轴向, 其管孔的加工常采用移动式镗床。一种情况是: 把封头组装于工装筒节 (一般为产品筒节), 用拉筋板把筒节和封头焊牢, 把筒和封头一起放到滚轮架上, 利用移动式镗床进行钻扩孔。另一种情况是: 封头与产品筒身全部组装焊妥, 重新校划四相线和孔线, 利用移动式镗床加工筒身管孔时一起加工封头上的孔。在实际生产中常采用第二种方法, 除非封头要单独组装下降管管接头、给水管套管, 或者封头与筒身组装焊妥后, 镗床加工封头上管孔困难, 此时才采用第一种方法。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

5  封头的组装管道切割机，相贯线切割机
5 . 1  封头与人孔加强圈的组装和焊接
    (1)对于 200 MW 以下的汽包封头大多采用椭圆封头和深椭圆封头, 有时也采用球形封头, 它们大多设置人孔加强圈, 这是一种焊不透结构, 首先封头与加强板单独组装点焊, 在封头与筒身组装环缝时一起焊妥。首先, 加强圈外缝手工焊打底, 约 20~ 30mm高, 然后自动焊焊妥, 要求焊缝与封头母材连接处圆滑过渡; 其次, 内壁手工封底焊妥。
    (2)对于 200 MW 以上的汽包, 由于压力为超高压汽包, 材料选用13MnNMo54 , 该材料对焊接质量要求高, 所以加强圈与封头的焊接选为焊透型结构。首先, 加强圈与封头组装点焊, 然后组装在一工装筒节上, 用拉筋板焊牢; 加强圈与封头环缝焊前预热150e ~ 200e , 手工外环缝打底焊20~ 30mm, 然后, 外环缝自动焊, 焊后立即消氢处理, 拆除工装, 批磨平焊疤, 进行磁粉探伤; 由于加强圈内外圆和厚度方向都留有一定加工余量, 所以, 将封头放在立车上车加强圈内外圆及焊缝R和高度H 至技术要求。

5 . 2  封头与下降管管接头的组装和焊接
    大型的气包封头上的下降管管接头, 一般设置在偏离球心45°方向, 封头与下降管组装是放在专用工装上进行, 见图3 , 坡口形式一般采用插入管坡口。首先, 把下降管接头的内垫板组装于封头下降管管孔的封头内壁并焊妥, 然后把封头组装于工装上, 把下降管接头用起吊夹具吊在封头的下降管管孔内, 用角尺弧形样板找正管接头垂直度, 并用检查圆检查管接头对中性, 合格后用四块拉筋板固定妥; 预热150℃ ~ 200℃, 然后手工打底焊至约30 mm 高, 拆除拉筋板, 继续手工焊, 由于焊接工作量大, 一个管接头允许上四个合格焊工, 两个一组对着焊, 中途交换, 但不停焊, 要求连续焊完, 层间温度, 不低于200℃ , 焊后立即在300℃~ 400℃保温4小时消氢处理, 然后批除内垫板, 批焊根; 若用碳弧气铇, 铇后磨去深碳层,并进行磁粉探伤, 合格后在内壁封底焊。批磨焊疤后要进行磁粉探伤检查, 焊缝打磨后需100 %超探合格。

图3   封头与下降管管接头的组装和焊接专用工装示意图

5 . 3  封头与给水套管管接头的组装和焊接
    一般情况下, 给水套管在封头上的位置有两种形式, 一种是平行于轴线方向; 一种是偏离一相线一定角度, 且又偏离封头端面一个角度, 但是这两种形式与封头的连接都采用座入式。前一种封头与给水管组装不需要专用工装和垫板, 直接把封头扣放在平台上进行 (使用工具和要求与前面下降管装配一样)。对后一种封头与给水套管的组装虽然不要垫板, 但要在专用工装上进行, 见图4 , 装配和要求与下降管接头一样。外壁手工焊,焊前预热150℃~ 200℃ , 焊条选用结557 , 3 . 2焊条打底焊至20mm, 拆除拉筋板, 再使用5焊条焊妥内壁。是否封底焊分两种情况: 对于套管内径比较大, 便于在内壁挑焊根的封底焊, 管孔内径和相接口套管内径不留余量, 外壁焊妥后 (如果工艺要求, 需消氢处理的则立即消氢处理), 批内壁焊根, 然后手工封底焊。

     

图4   封头与给水套管管接头的组装和焊接

    另一种情况是管孔和套管孔内径比较小, 不便于内壁批挑焊根, 则采取管孔和套管内孔留余量的方法。外壁焊妥 (工艺要求需消氢处理的,则立即消氢处理), 合格后再一起用移动式镗床镗内孔及焊根, 角焊缝是否超探, 需根据孔径大小由工艺决定。

5 . 4  封头与安全阀管接头的组装和焊接
    安全阀管接头一般设置在压临界汽包中, 其位置有设置在封头上的, 有设置在筒身两端的。由于安全阀管座内孔小 (一般为76 mm ), 所以无论是在封头上还是在筒身上, 都是在封头与筒身组装焊接后, 在组装其它管接头时, 一起组装安全阀管座。安全阀管座有设在iv相线的, 也有设置在iv相线两侧的, 组装时同样需要用样板、角尺找正, 用检查圆检查对中性, 合格后用拉筋板固定, 用3. 2焊条手工焊到一定厚度后, 拆除拉筋, 再用5焊条焊妥, 焊前预热150℃~ 200℃。

    若安全阀管座材料 为: 20G, SA - 105 ,15Cr Mo , 则安全阀管座坡口为焊透型结构, 为了确保焊透, 则在管孔和汽包孔相接一段留余量, 焊妥后用移动式镗床镗内孔至技术要求。

5 . 5  封头上其余管接头的组装和焊接
    封头上其余管接头一般是小管接头, 如: 水位表管接头、平衡容器管接头等, 它们的组装和焊接一般是在筒身与封头组装焊妥后进行, 因为, 它们的位置多数是轴向或平行于轴向的, 组装时不需要特殊工装, 直接按照技术要求装配即可。 管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机

6     结束语管道切割机，相贯线切割机
    锅炉汽包封头的设计规格及技术参数也是各不相同的, 而且锅炉汽包封头的制造工艺相对于汽包筒节来说更复杂一些, 尤其是其各种管接头管孔的加工和装配更为复杂, 因此, 需要掌握封头制造工序的关键技术和经验数据, 确保汽包封头的质量。文章论述的热压常用封头的制造工艺和一些经验技术参数, 为相关锅炉汽包封头的设计和制造提供了可以借鉴的方法。

本文作者：田红   廖正祝

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