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大型轴流压缩机机壳焊接工艺及变形控制

徐 金 梁彦荣 杨建伟* / 西安陕鼓动力股份有限公司    

摘要:分析了大型轴流压缩机焊接机壳的结构特点,选择(Ar)80%+(CO2)20%富氩混合气体保护焊的焊接工艺方法,并按标准进行了相关工艺试验,通过合理的拼装顺序有效控制了机壳的焊接变形,焊后各项指标达到设计要求。
关键词:大型轴流;焊接机壳;变形控制
中图分类号:TH432.1 文献标志码:A
The Welding Process and Deformation Control of Large Axial-Flow Compressor Casing
Abstract: In this paper, the structure features of large type axial compressor welding casing was analyzed. The welding process method of (Ar) 80% + (CO2) 20% argon-rich mixed gas shielded arc welding was selected, then relative process testing was carried out according to standards. Finally the casing welding distortion was effective controlled by logical sequence of welding, and the performance indexes after welding all met the design requirements.
Key words: large axial-flow compressor; welded casing; deformation control
0 引言
  轴流压缩机由于其效率高、能耗低、流量调节范围宽及变工况运行时效率变化不大等优点,在炼油、冶炼高炉、化肥、电站、制药、污水处理和风动试验等行业都有着广泛的应用[1] 。此设备的机壳部分(又称外缸)起到支撑机组内部构件如叶片承缸和调节缸之用,又辅助作为进气、排气蜗室之用。以往产品的机壳均为铸造结构,由于国家对环境保护及能源消耗的要求,加上铸造结构机壳由于加工周期长、生产成本高等自身弱点而逐步被焊接结构机壳所取代,作为首次设计及生产的大型焊接机壳,由于机壳本身对内部尺寸精度及上下壳体扣合间隙都有很高的要求,采用焊接结构后,焊接所带来的应力与变形问题也突显出来[2] ,能否保证整个壳体的焊接质量及有效地进行焊接变形控制将对壳体后序的加工、水压及装配精度产生很大的影响。
1 轴流机壳的结构和技术要求
1.1 轴流机壳壳体结构

  此轴流焊接机壳总体轮廓尺寸为7.69m×4.9m×4.24m,机壳设计质量近100t,其结构示意图见图1,机壳壳体主要由中分法兰、外壳板、端板、两侧的密封组件、支撑板组件、进气管道、出气管道、机壳附属吊耳、筋板等组成。其中,壳体中分法兰焊前厚度达210mm,其余材料厚度范围为30~70mm。

1.2 材料选用
  机壳主体材料主要选用Q390C,Q390C是屈服强度为390MPa级的低合金高强度结构钢,适用于制造船舶、容器、桥梁等承受动载荷的结构,具有优良的焊接性能[3] 。由于焊接厚度较大,参照相关标准要求在原工艺试验的基础上对主要结构的焊缝进行工艺补充试验以保证焊缝质量要求。
1.3 焊接技术要求
  1) 上下壳体中分法兰变形及对角变形要一致,并在一定余量之内;
  2) 端板、密封组件、支撑组件的同轴度要求一致;
  3) 对焊缝进行无损探伤检查,保证焊缝质量要求;
  4) 壳体压力试验符合图纸要求;
  5)其它组装线性尺寸公差应按照JB/T5000.3-1998重型机械通用技术条件焊接件技术要求规定。
2 焊接工艺试验
2.1 焊接方法选择

  根据生产状况和设备条件,从焊接工艺性、焊接质量、焊接效率等方面对CO2气体保护焊、Ar+CO2富氩混合气体保护焊及手工电弧焊三种方法进行分析,见表1[4]

表 1 焊接方法对比分析

焊接方法

操作稳定性

焊接工艺性

焊缝外观质量

焊接效率

CO 2 气体保护焊

富氩混合保护焊

手工电弧焊

  从表1可以看出,手工电弧焊虽然焊接工艺性和焊接质量均比较好,但由于焊接效率太低而无法采用,在大型构件的焊接中,只能在施焊的位置难以达到的地方进行补充焊接。CO2气体保护焊在达到射流过渡时将产生大量的飞溅,使焊接工艺性变差,较多的飞溅又增加了后序的清理难度。而采用富氩混合气体保护焊时,焊接电弧柔和,熔滴呈稳定的轴向射流过渡,飞溅较少,熔敷效率较高,焊缝成型比CO2气体保护焊更加美观。经比较,用(Ar)80%+(CO2)20%富氩混合气体保护焊的工艺方法更加适用于此类大型机壳结构件的焊接。
2.2 焊缝结构分析
  壳板分三段拼接,接头为对接型式的对接焊缝,壳体与端板之间为角接接头的对接焊缝,壳体与中分法兰及端板与中分法兰之间均为角焊缝,加强筋及吊耳和壳板之间的焊缝为T型接头角焊缝。
2.3 焊接工艺试验
  按JB4708-2000标准的相关要求,对此机壳主要焊缝型式进行分析并进行焊接工艺试验和接头性能测试试验,试验设备为XD500S型熔化极气体保护焊,选用焊丝牌号ER50-6,规格Φ1.2,保护气体为(Ar)80%+(CO2)20%,试板的材料和厚度与定子外壳选材一致,接头型式为对接接头对接焊缝和角接头对接焊缝,具体焊接工艺参数见表2。

表 2 焊接工艺参数

接头型式

板厚/mm

焊接电流/I

电弧电压/V

焊接速度/(cm/min)

气体流量/(L/min)

对接焊缝

210

280 ~ 300

27 ~ 30

23 ~ 25

15 ~ 20

对接焊缝

90

260 ~ 300

27 ~ 29

23 ~ 25

15 ~ 20

角接焊缝

50

240 ~ 280

26 ~ 29

22 ~ 24

15 ~ 20

T 型焊缝

50

260 ~ 280

26 ~ 29

20 ~ 25

15 ~ 20

2.4 性能检测
  将性能试样分别按照JB4730-2000标准进行RT和UT无损检测,达到了合格要求,对焊缝部位进行性能测试,各接头强度数据见表3,冲击性能数据见表4。

表 3 试样拉伸性能试验

拉伸试样

抗拉强度

屈服强度

断裂位置

试样一

524.6

246.0

焊缝

试样一

525.9

307

焊缝

试样二

572.4

389.8

焊缝

试样二

567.3

401.0

焊缝

表 4 试样冲击性能试验

试样名称

冲击位置

性能试验数据

试样一

焊缝冲击

218.8 342.5 327.5

热影响区

372.5 137.5 287.5

试样二

焊缝冲击

273.8 250 241.3

热影响区

208.8 260 212.5

  对每个对接试样均进行4个侧弯试验,试样厚度S=12,弯心直径D=48,弯曲角度180°,按JB4744-2000结果合格。
3 焊接变形控制与检查
3.1 焊接变形控制

  焊接变形控制主要依靠各组件合理的拼装和焊接顺序来完成[5] ,其焊接过程主要按如下两个步骤进行。
3.1.1 组件焊接
  拼焊部件为外壳板组件、中分法兰组件、进气支撑板组件、排气支撑板组件及左右密封板组件。由于外壳板较长,对于焊接变形将无法进行校圆,焊接时通过内部增加支撑以保证外壳板的圆度,焊缝为X坡口,通过对称施焊来减少焊接变形及筒体内部焊接应力。
3.1.2 部件、组件拼接
  先以中分面为基准,将中分法兰放于工作平台上,在中分法兰上按以下顺序进行拼焊:
  1) 拼装左、右密封板组件及锥板于中分法兰上,完成与中分法兰之间焊缝的焊接;
  2) 在中分法兰上拼焊外壳板,焊接外壳板与中分法兰的内部焊缝;
  3) 在中分法兰上拼焊左侧端盖,并焊接与壳板之间的外部焊缝;
  4) 焊接左侧端盖与左侧锥板之间的焊缝;
  5) 在中分法兰上拼焊右侧端盖,并焊接与壳板之间的外部焊缝,由于机壳放于水平工作台上,在不移动工件的情况下,右侧端盖与右侧锥板之间的焊缝均在壳体内部无法焊接,所以先暂不焊接;
  6) 焊接外壳板及两侧端盖与法兰之间的外部焊缝;
  7) 焊完所有的外部焊缝之后将机壳抬起,焊接右侧端盖与锥板间焊缝;
  8) 机壳翻面,将中分法兰面朝上,焊接壳体内所有焊缝;
  9) 拼机壳内部支撑板组、扩压板组组件,并焊接与壳板之间的焊缝。
3.2 焊后检验
3.2.1 焊接组件检查
  制定工艺及技术要求,对各组件焊缝外观及尺寸进行检查,对筒体的对接焊缝、中分法兰对接焊缝等重要部位焊缝进行超声波探伤检查。
3.2.2 机壳整体焊后外观检查
  机壳整体焊后对焊缝外观进行检查和无损探伤检验,并对机壳主要关键部位尺寸进行了检查。
  通过对焊缝尺寸及壳体尺寸进行检查,各项精度指标均达到技术要求,能很好的保证后期机壳的顺利加工。
4 结论
  1) 选用(Ar)80%+(CO2)20%富氩混合气体保护焊的焊接工艺方法焊接此类轴流压缩机外壳,焊缝质量可靠,焊接效率高。

  2) 此产品的焊接采用了合理的拼装、焊接顺序,可以有效的控制定子外壳的焊接变形,采用此种工艺,能将此类大型构件焊后的变形控制在一定范围内,保证后序加工需求及产品质量。

参 考 文 献

[1] 谭永刚,张璞,韩增福.离心压缩机窄流道叶轮焊接技术研究及应用现状[J]. 风机技术,2012(5):64-69.
[2] 丁如义,孟鑫,田梦远,等.大型轴流压缩机焊机机壳结构设计及优化[J]. 风机技术,2012(5):39-43.
[3] 王柏山,杨正栋.风力发电机定子外壳的焊接工艺[J].焊接技术,2011,40(1):33-35.
[4] 王宗杰,臧汝恒,李德元.工程材料焊接技术问答[M]. 北京:机械工业出版社,2002.
[5] 郝建国,王润军,聂万隆,等.进出口焊接机壳的拼装- 焊接技术浅谈[J]. 风机技术,2010(6):42-44,80.
[6] 田梦远,张建勋,丁如义,等.CAD/CAE在轴流压缩机机壳铸改焊结构设计中的应用[J]. 风机技术,2012(5):49-53.