CN109693020A - 接管与内径Di＜600mm的筒体焊接变形控制方法及工装 - Google Patents

接管与内径Di＜600mm的筒体焊接变形控制方法及工装 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种接管与内径Di＜600mm的薄壁筒体防变形工装，包括圆棒、内撑筒、内撑板、J形板，内撑筒、内撑板套装在圆棒上，内撑板承受垂直施加的外力后将内撑筒顶紧到筒体的焊接坡口处的内壁上，内撑筒对焊接坡口处的内壁形成径向支撑，J形板对称连接在圆棒上，其内凹处放置接管法兰的边缘，保证两接管法兰面开裆尺寸L为公差上限，从而保证接管与筒体的焊缝轴向所受约束一致，还公开了一种利用上述工装的焊接变形的控制方法，使筒体塌陷变形得到有效控制。

Description

接管与内径Di＜600mm的筒体焊接变形控制方法及工装
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其是接管与薄壁筒体焊接技术领域。
背景技术
接管与筒体焊接塌陷变形控制一直是换热器、压力容器制造领域的技术难题。而一旦接管与筒体焊后接后变形超差而又不能通过校正达到要求，将给现场安装接口等方面带来不便，严重时甚至引起产品报废。
目前，为了控制焊接变形，当筒体内径Di≥600mm时，一般采用接管孔开内坡口+筒体外侧装焊抱箍或内侧装焊支撑的方式控制接管焊接变形，但去除防变形临时附件焊缝时，容易造成筒体壁厚减薄超差；当筒体内径Di＜600mm时，通常采用接管孔开外坡口+筒体内侧装支撑的方式来控制接管焊接变形，焊接时由于接管壁厚较薄，现有的内侧支撑一般采用支撑杆上加装支撑板的结构，导致内侧支撑无法直接撑住接管，因此接管处于自由状态未受有效约束，变形控制效果较差。
而当筒体、接管材质为奥氏体不锈钢时，焊接变形控制难度更大，往往需同时兼顾背面通氩气保护的要求；一旦变形超差，校正极其困难，且采用热校时必须将温度控制在425℃以下，否则会造成不锈钢敏化、抗晶间腐蚀性能下降，难以取得理想效果；而采用液压千斤顶或油压机冷校时，筒体会出现局部鼓包或内侧整圈凹陷。
当小型换热器水室的筒体(即筒体内径Di＜600mm、壁厚δ≤12mm)上对称布置有带法兰的接管时，一般会发生以下焊接变形：1、椭圆变形：法兰的直径发生变化，沿筒身的轴向法兰直径变大，沿筒身环向法兰直径变小，法兰变成椭圆形。2、角变形：法兰整体变成蝶形。此变形与焊接坡口形式有关，采用内坡口焊接的法兰中心向内凹，采用外坡口焊接的法兰中心向上凸。3、马鞍形变形：法兰平面变成弧面。4、整体塌陷：法兰整体向筒身内部塌陷，法兰焊后平面标高低于焊前平面标高。以上四种变形并不是单独存在的，***式法兰的变形是由四种基本变形叠加综合而成。随着不同影响因素的变化，其中的某种变形表现的强一些，而其他变形表现的弱一些。
而以上法兰焊接变形会导致以下危害：1、法兰面不平，法兰失去密封性能，产品无法进行水压试验，更无法安装运行；2、法兰面整体塌陷，导致外部连接管路的安装位置、安装尺寸偏离原设计要求，为了保证设计要求，与法兰连接的外部连接零件需要按照实际情况单独加工，给用户造成很大损失。
为了解决上述问题，申请人利用小型换热器水室的筒体上对称布置有带法兰的接管的结构特点，从防变形工装的设计、装配和焊接过程控制方面进行创新改进，使筒体塌陷变形得到有效控制，避免出现需要校正的情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种使薄壁筒体塌陷变形得到有效控制的方法及工装。
本发明所采用的技术方案是：接管与内径Di＜600mm的薄壁筒体防变形工装，包括圆棒，用于贯穿接管、筒体的焊接坡口并伸出接管的端部，且能够对接管的内壁形成径向支撑，焊接时，圆棒保证接管与筒体的焊缝在周向所受约束一致；
内撑筒，焊接时置于筒体的焊接坡口处的内壁上，且套装在圆棒上，对焊接坡口处的筒体内壁形成反变形量，减少接管的焊接变形量；
内撑板，焊接时置于内撑筒远离筒体内壁的一端，且套装在圆棒上，内撑板承受垂直施加的外力后将内撑筒顶紧到筒体的焊接坡口处的内壁上，内撑筒对焊接坡口处的内壁形成径向支撑；
J形板，J形板对称连接在圆棒上，其内凹处放置接管法兰的边缘，J形板与接管法兰接触的一面垂直于圆棒，保证安装时J形板的內侧面紧贴接管法兰的内侧面，J形板限定接管在纵向上与筒体的相对位置，从而保证两接管法兰面开裆尺寸L为公差上限，保证接管与筒体的焊缝轴向所受约束一致。
进一步地，所述圆棒为圆钢制成，保证圆棒具有一定的刚性，对J形板、接管能够起到支撑作用。
进一步地，通过液压千斤顶对内撑板垂直施加外力，控制接管的端面与筒体内壁的错边量≤0.5mm，保证接管焊接后的尺寸符合设计要求。
接管与内径Di＜600mm的薄壁筒体焊接塌陷变形的控制方法，包括以下步骤：
(a)设计、制作如上所述的防变形工装；
(b)将待焊接的接管和筒体与步骤(a)中制作的防变形工装的圆棒、J形板、内撑筒、内撑板装配，保证J形板的内侧面紧贴接管的接管法兰的内侧面，保证两接管法兰面开裆尺寸L为公差上限；
(c)向步骤(b)中装配完成的内撑板上施加垂直压力，保证能够将内撑筒顶紧到筒体的焊接坡口处的内壁上对焊接坡口形成反变形量，减少接管的焊接变形量；
(d)将接管焊接到筒体的焊接坡口处，两接管逐层交替焊接，平焊位置施焊，直至焊妥；
(e)步骤(d)中焊接完成后，拆除防变形工装。
进一步地，步骤(b)中，装配J形板与圆棒时按偏公差上限调整两接管法兰面开裆尺寸L，调整到位后焊接J形板与圆棒，焊接时交替对称施焊并随时监测焊接变形，确保J形板与接管的接管法兰内侧面贴紧。
进一步地，步骤(c)中，内撑板间用液压千斤顶预顶紧，控制接管的端面与筒体内壁的错边量≤0.5mm，保证接管焊接后的尺寸符合设计要求。
进一步地，步骤(d)中，当接管与筒体的材质为奥氏体不锈钢时，每层焊后须在1分钟内进行冷却，使焊接应力得到及时释放，避免不锈钢敏化、抗晶间腐蚀性能下降，保证产品质量。
进一步地，需要焊接保护时，进行步骤(d)之前，封闭接管的端口，调整接管与筒体的焊接坡口的装配间隙使其均匀一致，并封闭焊接坡口同时预留出气口，然后向筒体内通入氩气直至筒体、接管内充满氩气。
进一步地，步骤(d)中待接管与筒体焊接完成且焊缝冷却至室温后，将J 形板从圆棒上切除，以便拆除防变形工装。
本发明的有益效果是：
(1)利用圆棒及J形板同时实现对接管和筒体在焊接收缩方向的刚性约束，以控制焊接变形。
(2)在筒体焊接坡口处的内壁预装内撑筒、内撑板对其形成反变形，使焊接变形得到控制。
(3)筒体和接管的材质为奥氏体不锈钢时，焊后立即冷却使焊接应力得到及时释放，从而使焊接变形得到控制。
附图说明
图1是本发明防变形工装的装配主视图。
图2是使用本发明的变形控制方法后得到的产品结构示意图。
图3是本发明防变形工装的装配右视图。
图中标记为：1-接管，2-接管法兰，3-筒体，4-J形板，5-内撑筒，6-内撑板，7-液压千斤顶，8-圆棒，9-焊接坡口，10-封头，L-接管法兰面开裆尺寸，d1-J形板与接管法兰外圆之间的间隙，d2-内撑筒内壁距筒体的焊接坡口边缘的距离。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明所述的薄壁筒体为内径Di＜600mm、壁厚δ≤12mm的筒体，如图1、图3所示，本发明的防变形工装，包括
圆棒8，用于贯穿接管1、筒体3的焊接坡口9并伸出接管1的端部，且能够对接管1的内壁形成径向支撑，为了保证圆棒8具有足够的刚性对J形板4、接管1形成支撑，一般采用圆钢制作圆棒8；
内撑筒5，焊接时置于筒体3的焊接坡口9处的内壁上，且套装在圆棒8上，对焊接坡口9处的筒体3内壁形成反变形量，减少接管1的焊接变形量；
内撑板6，焊接时置于内撑筒5远离筒体3内壁的一端，且套装在圆棒8上，内撑板6承受垂直施加的外力后将内撑筒5顶紧到筒体3的焊接坡口9处的内壁上，内撑筒5对焊接坡口9处的内壁形成径向支撑；
为了便于安装，可以将内撑筒5和内撑板6做成一体结构，在内撑板6中心位置开有能够供圆棒8穿过的通孔，为了保证内撑筒5对筒体3的施力均匀，内撑筒5与筒体3接触的端面和内撑板6与液压千斤顶7接触的一面均要保证一定的平整度。
还包括J形板4，J形板4一般有两组，每组有四个，两组J形板4分别连接在圆棒8的两端，J形板4较长的一边对称垂直地连接在圆棒8上，J形板4 的内凹处放置接管法兰2的边缘，为了保证放置时J形板4的內侧面紧贴接管法兰2的内侧面，必须保证焊接后的J形板4与接管法兰2接触的一面垂直于圆棒 8。
本发明还提供一种接管1与内径Di＜600mm的薄壁筒体3焊接塌陷变形的控制方法，包括以下步骤：
(a)设计、制作如上所述的防变形工装；
(b)将待焊接的接管1和筒体3与步骤(a)中制作的防变形工装的圆棒8、 J形板4、内撑筒5、内撑板6装配，保证J形板4的内侧面紧贴接管1的接管法兰2的内侧面；
装配J形板4与圆棒8时按偏公差上限调整两接管法兰面开裆尺寸L，调整到位后焊接J形板4与圆棒8，焊接时交替对称施焊并随时监测焊接变形，确保J形板4与接管法兰2内侧面贴紧。
(c)向步骤(b)中装配完成的内撑板6上施加垂直压力，保证能够将内撑筒5顶紧到筒体3的焊接坡口9处的内壁上对焊接坡口9形成反变形量，减少接管1的焊接变形量；
内撑板6间用液压千斤顶7预顶紧，控制接管1的端面与筒体3内壁的错边量≤0.5mm，保证接管1焊接后的尺寸符合设计要求。
如果需要焊接保护，液压千斤顶7顶紧内撑板6之后，封闭接管1的端口，调整接管1与筒体3的焊接坡口9的装配间隙使其均匀一致，并封闭焊接坡口9 同时预留出气口，然后向筒体3内预通氩气，当打火机在出气口处打不着火时，表明筒体3及接管1的空气已排尽并充满氩气。
(d)将接管1焊接到筒体3的焊接坡口9处，两接管1逐层交替焊接，平焊位置施焊，直至焊妥；
当接管1与筒体3的材质为奥氏体不锈钢时，每层焊后须在1分钟内进行冷却，一般可采用将洁净白布在水中浸湿后敷在焊缝上来实现水冷，冷却过程中可向白布喷水，水质需符合相应产品水压用水的要求。
(e)步骤(d)中焊接完成后，拆除防变形工装。
待接管1与筒体3焊接完成且焊缝冷却至室温后，切除J形板4与圆棒8 的临时焊缝，以便拆除防变形工装。拆除防变形工装前，在接管法兰2的端面上安装保护垫，然后采用切割砂轮片切除J形板4与圆钢的临时焊缝，切除时切口尽量小，以便J形板4重复使用。
实施例1：
以国产三代核电压水堆核岛辅助***内的主泵密封水热交换器的接管1与水室的筒体3的焊接为例，来说明本发明接管1与内径Di＜600mm的薄壁筒体3 焊接塌陷变形的控制方法的应用情况：
上述的主泵密封水热交换器用于冷却来自反应堆冷却剂泵轴密封水的引漏水和上充泵小流量管线的回水，是一个双管程、双壳程的小型U形管式换热器。如图2所示，换热器的水室由封头10、筒体3、接管法兰2、水室隔板(图中未示出)及水室隔板两侧对称布置的两个接管法兰2接管1组成，接管1与筒体3 采用嵌入式焊接结构。
筒体3与封头10、接管法兰2的环缝，以及筒体3与接管1的全焊透角焊缝，均需进行100％RT探伤。为满足焊缝射线探伤及工件尺寸检查要求，水室的整体装焊及探伤顺序为：装焊筒体3与封头10、接管法兰2的环缝→环缝RT探伤→筒体3上开焊接坡口9→在筒体3的焊接坡口9处装焊接管1→接管1与筒体3的焊缝RT探伤→在筒体3内装焊水室隔板。
筒体3与封头10、接管法兰2环缝RT探伤合格后，筒体3上加工焊接接管 1的焊接坡口9，焊接坡口9为外坡口形式。
接管1焊接防变形工装材质均采用06Cr19Ni10，其中：采用1件规格Ф100mm 的圆钢作为圆棒8；J形板48件，厚度为30mm，在两接管1的连接接管法兰2 上对称布置；内撑筒5和内撑板6各2件，内撑筒5规格Ф219×20；其中筒体 3规格为Ф325×6，接管1规格为Ф140×16。另外，接管法兰面开裆尺寸L为 400±3.2mm。为确保J形板4能够多次重复利用，将J形板4与接管法兰2外圆之间的间隙d1设计成20mm；同时，将内撑筒5内壁距筒体3的焊接坡口9边缘距离d2设计成17mm，确保防变形效果。
具体的，接管1与筒体3的装焊及探伤流程为：
(1)装配防变形工装与筒体3和接管1。
1)先将圆棒8从接管1内穿过，试装J形板4。两接管1开裆尺寸800mm 按802mm调整，调整到位后采用手工TIG焊点固并焊妥J形板4与圆棒8，焊接时交替对称施焊并随时监测焊接变形，确保J形板4与接管法兰2的内侧面贴紧。
2)两个内撑板6之间用液压千斤顶7预顶紧，消除筒体3内壁与接管1端面的错边，使筒体3内侧形成一定反变形。
3)采用密封纸板、胶带等封闭筒体3的开口端以及接管法兰2边缘与圆棒 8之间的间隙，调整接管1与筒体3焊接坡口9的装配间隙使其均匀一致，用胶带封闭接管1与焊接坡口9之间的间隙，并预留出气口。开始预通氩气，当打火机在出气口处打不着火时，表明水室内的空气已排尽并充满氩气。
4)撕开焊接坡口9处的部分胶带，采用手工TIG焊进行点固接管1，每个接管1至少均布点固4处。
(2)焊接接管1与筒体3。
采用手工TIG焊焊接接管1与筒体3的焊缝，两接管1逐层交替焊接，平焊位置施焊，每层焊后须在1分钟内进行冷却，直至焊妥。
(3)拆除防变形工装。
待接管1与筒体3焊妥且焊缝冷却至室温后，在接管法兰2面安装保护垫，然后采用切割砂轮片切除J形板4与圆钢临时焊缝，切除时切口尽量小，以便J 形板4多次重复使用。
考虑到接管1焊接时背面需通氩气保护，设计、装配时内撑板6与圆棒8 间单边存在4mm的间隙，以便通入氩气。为了确保焊接变形控制效果，接管1 与筒体3每层焊接完后，立即采用A级水浸湿的洁净白布敷在焊缝上冷却，从而使焊接应力得到快速释放，避免防变形工装拆除后出现反弹。
采用本申请的方法完成4台主泵密封水热交换器水室的接管1与筒体3的焊接，其接管法兰2面开裆尺寸实测值为397至399mm，焊接坡口9毗邻区域筒体 3未出现凹陷，各项尺寸无需校正即检查合格，而焊缝100％RT也全部一次性合格，取得了十分理想的应用效果。

Claims (9)

1.接管与内径Di＜600mm的薄壁筒体防变形工装，其特征在于：包括
圆棒(8)，用于贯穿接管(1)、筒体(3)的焊接坡口(9)并伸出接管(1)的端部，且能够对接管(1)的内壁形成径向支撑；
内撑筒(5)，焊接时置于筒体(3)的焊接坡口(9)处的内壁上，且套装在圆棒(8)上；
内撑板(6)，焊接时置于内撑筒(5)的远离筒体(3)内壁的一端，且套装在圆棒(8)上，内撑板(6)承受垂直施加的外力后将内撑筒(5)顶紧到筒体(3)的焊接坡口(9)处的内壁上，内撑筒(5)对焊接坡口(9)处的内壁形成径向支撑；
J形板(4)，J形板(4)对称连接在圆棒(8)上，其内凹处放置接管法兰(2)的边缘，J形板(4)与接管法兰(2)接触的一面垂直于圆棒(8)。
2.如权利要求1所述的接管与内径Di＜600mm的薄壁筒体防变形工装，其特征在于：所述圆棒(8)为圆钢制成。
3.如权利要求1所述的接管与内径Di＜600mm的薄壁筒体防变形工装，其特征在于：通过液压千斤顶(7)对内撑板(6)垂直施加外力。
4.接管与内径Di＜600mm的薄壁筒体焊接塌陷变形的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(a)设计、制作权利要求1-2所述的防变形工装；
(b)将待焊接的接管(1)和筒体(3)与步骤(a)中制作的防变形工装的圆棒(8)、J形板(4)、内撑筒(5)、内撑板(6)装配，保证J形板(4)的内侧面紧贴接管(1)的接管法兰(2)的内侧面；
(c)向步骤(b)中装配完成的内撑板(6)上施加垂直压力，保证能够将内撑筒(5)顶紧到筒体(3)的焊接坡口(9)处的内壁上对焊接坡口(9)形成反变形量；
(d)将接管(1)焊接到筒体(3)的焊接坡口(9)处，两接管(1)逐层交替焊接，平焊位置施焊，直至焊妥；
(e)步骤(d)中焊接完成后，拆除防变形工装。
5.如权利要求4所述的接管与内径Di＜600mm的薄壁筒体焊接塌陷变形的控制方法，其特征在于：步骤(b)中，装配J形板(4)与圆棒(8)时按偏公差上限调整两接管法兰面开裆尺寸L，调整到位后焊接J形板(4)与圆棒(8)，焊接时交替对称施焊并随时监测焊接变形，确保J形板(4)与接管(1)的接管法兰(2)的内侧面贴紧。
6.如权利要求4所述的接管与内径Di＜600mm的薄壁筒体焊接塌陷变形的控制方法，其特征在于：步骤(c)中，内撑板(6)间用液压千斤顶(7)预顶紧，控制接管(1)的端面与筒体(3)内壁的错边量≤0.5mm。
7.如权利要求4所述的接管与内径Di＜600mm的薄壁筒体焊接塌陷变形的控制方法，其特征在于：步骤(d)中，当接管(1)与筒体(3)的材质为奥氏体不锈钢时，每层焊后须在1分钟内进行冷却。
8.如权利要求4所述的接管与内径Di＜600mm的薄壁筒体焊接塌陷变形的控制方法，其特征在于：需要焊接保护时，进行步骤(d)之前，封闭接管(1)的端口，调整接管(1)与筒体(3)的焊接坡口(9)的装配间隙使其均匀一致，并封闭焊接坡口(9)同时预留出气口，然后向筒体(3)内通入氩气直至筒体(3)、接管(1)内充满氩气。
9.如权利要求4所述的接管与内径Di＜600mm的薄壁筒体焊接塌陷变形的控制方法，其特征在于：步骤(d)中待接管(1)与筒体(3)焊接完成且焊缝冷却至室温后，将J形板(4)从圆棒(8)上切除，然后拆除防变形工装。
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