離心壓縮機風筒內壁鑲嵌小尺寸防腐襯板工藝方法研究

白俊峰，王安妮，郭鵬，梁盈，史天翔，張淇

離心壓縮機風筒內壁鑲嵌小尺寸防腐襯板工藝方法研究

白俊峰，王安妮，郭鵬，梁盈，史天翔，張淇

（沈鼓集團股份有限公司 透平工藝部，遼寧 沈陽 110869）

酸性介質離心壓縮機機殼風筒內壁鑲嵌防腐襯板能有效提升機組的耐腐蝕性。通過梳理離心壓縮機風筒內壁鑲嵌小尺寸防腐襯板工藝方法及3 mm襯板單件加工存在的實際問題，分析傳統(tǒng)工藝方案所造成的防腐襯板“鼓包”問題原因。以有限元理論為基礎，運用切削力原理和靜力學分析方法，計算傳統(tǒng)工藝方案和一次加工成型方案中不同厚度襯板單件加工最大理論變形量，將理論變形量進行對比分析，優(yōu)化并制定風筒內壁鑲嵌小尺寸防腐襯板的工藝方案，同時將傳統(tǒng)工藝方案和優(yōu)化后工藝方案進行制造成本對比，并對優(yōu)化后工藝方案進行實際加工驗證。該研究為小尺寸防腐襯板的加工提供了理論依據，同時為解決防腐襯板“鼓包”問題奠定實踐基礎。

離心壓縮機；風筒；防腐襯板；鼓包；靜力學分析

承載高壓力介質的離心壓縮機的機殼材料通常選用碳鋼材質，其強度較高，且價格便宜。針對二氧化碳、硫化氫等酸性介質的離心壓縮機，若介質中組分含水，則酸性介質遇水成酸，對碳鋼有較大的腐蝕性。為強化離心壓縮機機殼抗腐蝕能力，通常需要在機殼內部堆焊不銹鋼防腐層或焊接不銹鋼防腐襯板，其中不銹鋼相比于碳鋼具有良好的耐酸性[1]。目前，針對產生腐蝕性氣體的離心壓縮機在設計結構上多采用堆焊304耐蝕合金，其中進、出風筒以及筒體開孔內部采用鑲嵌304不銹鋼耐蝕襯板方案，工藝上采用拼裝、焊接方法加以固定[2]，但在實際生產加工過程中，鑲嵌在機殼風筒內壁的小尺寸防腐襯板在精加工后會出現(xiàn)局部“鼓包”情況，造成質量問題，最終返修處理。

1 小尺寸防腐襯板傳統(tǒng)加工工藝方案

針對離心壓縮機風筒內壁的防腐處理工藝，通常是將不銹鋼板材卷制成型，以焊接的方式將其鑲嵌在風筒內壁，形成防腐襯板。常規(guī)防腐襯板的厚度為3 mm，如圖1所示[3]。

當風筒內孔直徑小于100 mm時，不銹鋼板材卷制成型困難，且由于內孔尺寸過小，焊接操作者在小孔內施焊操作不便。因此針對小尺寸的防腐襯板，常規(guī)下料方案為采用不銹鋼棒料鋸切而成。

根據防腐襯板設計圖紙尺寸公差要求，防腐襯板單件的直徑尺寸極限偏差為±0.10 mm。實際生產中，3 mm壁厚的不銹鋼防腐襯板在單件精加工后經常出現(xiàn)直徑尺寸超差，這導致了防腐襯板在與風筒內壁鑲嵌的過程中出現(xiàn)無法將襯板安裝到位的情況，因此在實際生產操作中不再將防腐襯板一次加工成型。

風筒內壁鑲嵌防腐襯板的傳統(tǒng)工藝方案為，先將棒料粗加工后焊接鑲嵌至機殼上，再應用鏜床將其加工至圖紙尺寸。即將防腐襯板單件在圖紙要求的3 mm壁厚基礎上單邊預留2～3 mm余量，將防腐襯板通過焊接的方式鑲嵌在風筒內部，最后利用鏜床平旋盤對防腐襯板進行精加工，將襯板單邊預留的2～3 mm余量鏜削去除。鏜削加工襯板過程如圖2所示。

1.已鑲嵌至風筒內壁的不銹鋼防腐襯板。

圖1 離心壓縮機風筒及3 mm壁厚防腐襯板示意圖

1.離心壓縮機風筒；2.防腐襯板（包含精加工前需要加工去除的余量）；3.鏜床刀具；4.鏜床滑枕；5.機床工作臺面。

圖2 采用鏜床加工機殼風筒內防腐襯板示意圖

2 襯板“鼓包”問題分析

實踐發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)工藝方案鑲嵌襯板的離心壓縮機風筒內壁偶爾會出現(xiàn)“鼓包”情況，“鼓包”位置通常位于風筒內壁的襯板局部，如圖3所示。通過拆卸、測量“鼓包”的防腐襯板，發(fā)現(xiàn)襯板存在厚度不均情況，同時，“鼓包”部位的襯板厚度遠不足圖紙規(guī)定的3 mm。

分析研究發(fā)現(xiàn)，造成上述現(xiàn)象的原因如下：在鏜床精加工風筒內孔防腐襯板時，加工襯板的中心基準通過風筒法蘭端面的密封面止口及風筒襯板內壁確定，然而機殼筒體風口與風筒均為獨立件加工好后焊接而成，筒體風口與風筒內壁同軸度無法保證，所以防腐襯板的實際中心位置較難定位。同時，襯板為薄壁件，將襯板焊接鑲嵌后會出現(xiàn)襯板與風筒內壁服帖程度不佳的情況。綜上，在鏜床精加工襯板時就會出現(xiàn)去除襯板余量不等的情況，造成襯板厚度不均，使得襯板較薄的部位出現(xiàn)“鼓包”現(xiàn)象。即，造成襯板“鼓包”的主要原因為襯板鑲嵌后存在變形，以及鏜床加工中心定位不準確。因此原工藝方案在制造過程中存在質量隱患，需研究一種防腐襯板焊接鑲嵌在風筒法蘭內壁后無需再進行加工的工藝方案，以杜絕“鼓包”問題再次出現(xiàn)。

圖3 防腐襯板“鼓包”位置

3 襯板的加工靜力學分析

鑒于小尺寸防腐襯板為薄壁件，加工變形是影響其尺寸精度的重要原因，因此以襯板單件車削加工作為研究對象，利用有限元方法對防腐襯板進行裝夾及切削靜力學分析，對比襯板傳統(tǒng)工藝方案以及一次加工成型方案中車削過程對襯板形變的影響，探索不同壁厚防腐襯板單件一次加工成型的可行性[4]。

3.1 傳統(tǒng)工藝方案襯板單件加工變形量

傳統(tǒng)工藝方案的襯板單件結構為襯板內孔尺寸在設計尺寸的基礎上，留有一定加工余量，襯板小端內孔直徑與大端內孔直徑相等即可，如圖4所示。根據實際產品結構，簡化信息后設計尺寸如表1所示。

襯板在車削加工過程中受到切削力和裝夾力的影響?？紤]到襯板為薄壁件，相比于小進給、小切深所產生的切削力，較大的裝夾力是影響襯板變形的主要因素。因此，通過對襯板進行三維建模，再利用ANSYS Workbench在襯板外圓處施加四處夾緊力載荷來模擬車床四爪夾盤對防腐襯板的裝夾作用，計算分析裝夾力對襯板變形的影響[5-6]。

圖4 襯板原工藝方案二維圖

表1 傳統(tǒng)工藝方案襯板尺寸

注：襯板長度為384 mm。

裝夾力受到切削力、工件離心力、工件自重等影響，本文假設車床四爪夾盤在裝夾棒料至車削其達要求尺寸后不做調整變化，即假定每個夾爪針對防腐襯板的預緊力載荷始終為2000 N。

切削力可以根據經驗公式進行估算[7-8]：

加工材料選用不銹鋼，刀具材料選用硬質合金，通過查詢“計算車削切削力的指數公式中的系數和指數”表格[6]可知：

由于計算車削切削力的指數公式中的系數和指數表格針對不銹鋼材料缺少背向力和進給力的系數和指數，所以本文以結構鋼材料的系數和指數數據作為計算背向力和進給力的替代數據，查詢可知[6]：

將上述參數代入式（1），計算得：

施加載荷后的防腐襯板受力如圖5所示[10]，變形云圖如圖6所示。最大變形量為0.091 mm。

圖5 襯板施加載荷示意圖

圖6 施加載荷后襯板變形云圖

3.2 一次加工成型襯板單件加工變形量

一次加工成型的襯板結構襯板所有位置壁厚均保持一致，如圖7所示。

圖7 襯板一次加工成型方案二維圖

壁厚3 mm襯板的尺寸如表2所示。

表2 一次加工成型方案襯板尺寸

注：襯板長度為384 mm，壁厚為3 mm。

在相同的裝夾力2000 N的作用下，通過靜力學分析模擬計算，得到襯板最大變形量達到0.144 mm，如圖8所示。

圖8 施加載荷后襯板變形云圖（壁厚3 mm）

對比上述兩種不同方案的襯板加工變形量，壁厚3 mm襯板一次加工成型方案的加工變形量是傳統(tǒng)加工方案變形量的1.5倍，佐證了3 mm壁厚襯板加工的傳統(tǒng)工藝方案優(yōu)于一次成型加工方案。經分析，兩者產生的變形均為彈性形變，因此3 mm壁厚襯板結構的剛性低于傳統(tǒng)工藝方案襯板結構。由于加工過程中工件過大的彈性形變會降低工件加工后的尺寸精度，因此需要增加一次加工成型方案中襯板的壁厚以提升其剛性[12]。在襯板內孔尺寸不變的情況下，假定將壁厚分別向外延伸至4 mm和5 mm，襯板尺寸如表3所示。

表3 不同壁厚下一次加工成型方案襯板尺寸

注：襯板長度為384 mm。

參照3 mm壁厚襯板的車削加工，在加工參數和裝夾力均不變的情況下對4 mm和5 mm壁厚的襯板進行靜力學分析模擬計算，變形云圖如圖9所示，得到襯板最大變形量分別為0.094 mm和0.069 mm。

圖9 不同壁厚下施加載荷后襯板應力云圖

3.3 對比及分析

對傳統(tǒng)加工方案和三種不同壁厚的小尺寸防腐襯板進行靜力學分析，對比不同方案的襯板車削變形量，如圖10所示?？梢钥闯觯? mm壁厚襯板一次加工成型變形量與傳統(tǒng)襯板加工方案變形量接近，但5 mm壁厚襯板車削加工變形量比3 mm和4 mm壁厚方案小?？梢缘贸鼋Y論，4 mm和5 mm壁厚襯板的單件一次加工成型方案均可作為傳統(tǒng)加工方案的替代方案，其中5 mm壁厚襯板的單件加工方案最優(yōu)。

圖10 襯板單件不同制造方案車削變形量對比圖

4 小尺寸防腐襯板加工優(yōu)化方案

4.1 優(yōu)化方案

襯板一次加工成型方案可有效避免“鼓包”現(xiàn)象的發(fā)生，同時，5 mm壁厚襯板加工的變形量小于傳統(tǒng)工藝方案，因此優(yōu)化后的防腐襯板加工方案為，采用5 mm壁厚的襯板進行一次加工成型，并將原壓縮機風筒法蘭內孔直徑增加4 mm，最后將襯板與風筒內壁進行焊接鑲嵌，如圖11所示。

4.2 成本對比

以上述襯板為例，評估兩種方案的制造成本。該制造成本由兩部分組成，分別為原材料成本和加工成本。針對傳統(tǒng)工藝方案中將防腐襯板預先留余量再進行鏜削的加工方案，防腐襯板選用材料為S30408的棒料，下料尺寸為120 mm×404 mm，原材料市場價格約700元，采用普通臥式車床車削的加工費用約200元，采用數控鏜床精鏜的加工費用約2000元，因此傳統(tǒng)襯板加工方法的總制造成本約為2900元。

將防腐襯板直接加工成型后再焊接至風筒內壁的加工方案，以5 mm壁厚襯板為例，防腐襯板材料、下料尺寸、原材料市場價格、普通臥式車床車削的加工費用都不變，省去精鏜工序所產生的費用，因此襯板一次加工成型方案的總制造成本約為900元。

對比可知，以棒料為原材料的襯板一次加工成型方案制造成本是傳統(tǒng)加工方案的三分之一，因此采用5 mm壁厚襯板一次加工成型后直接焊接鑲嵌至風筒內壁的方案，不僅可以避免“鼓包”問題，同時制造成本低廉，且通過減少加工工序縮短了實際生產制造周期。

4.3 加工驗證

對5 mm壁厚防腐襯板進行實際車削加工驗證，如圖12所示。經實際測量，加工后尺寸均在公差范圍之內，與理論計算變形量相符，證明了優(yōu)化后方案的實際加工可行性。同時，通過焊接方法將5 mm壁厚防腐襯板鑲嵌至風筒內壁，未出現(xiàn)操作困難和質量不良的問題，優(yōu)化后的理論方案得到了有效驗證。

圖11 離心壓縮機風筒及5 mm壁厚防腐襯板示意圖

圖12 防腐襯板的車削加工過程及成品

5 結論

通過梳理酸性介質離心壓縮機機殼風筒內壁鑲嵌小尺寸不銹鋼防腐襯板工藝方法，分析了傳統(tǒng)工藝方案中造成防腐襯板“鼓包”的原因，通過對小尺寸防腐襯板進行三維建模，利用有限元分析方法計算得出了襯板的傳統(tǒng)工藝方案和一次加工成型車削加工方案的最大變形量。通過對比得出，襯板壁厚為5 mm時的一次成型加工理論變形量小于傳統(tǒng)工藝方案加工變形量。通過成本對比和實際加工論證了小尺寸防腐襯板一次加工成型工藝方案的可行性。實現(xiàn)了對離心壓縮機風筒內壁鑲嵌小尺寸防腐襯板工藝方法的優(yōu)化，解決了小尺寸防腐襯板“鼓包”問題。

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Processing Method of Inlaid Small Size Anti-corrosion Lining Plate on the Inner Wall of Air Duct for Centrifugal Compressor

BAI Junfeng，WANG Anni，GUO Peng，LIANG Ying，SHI Tianxiang，ZHANG Qi

(ProcessingDepartment,Shenyang Blower Works Group Corporation, Shenyang 110869, China )

The application of inlaid anti-corrosion lining plate on the inner wall of air duct of the acid medium centrifugal compressor can effectively improve the corrosion resistance of the unit. The process method of and the actual problems existing in the processing of single piece of 3mm lining plate were reviewed. The causes of the “bulge” problem for the lining plate caused by traditional process method were analyzed. The cutting force principle and the static mechanics analysis method were used to calculate the maximum theoretical deformation for single piece of lining plate in both traditional process and single process forming based on the finite element theory. The process program was optimized and formulated by the comparative analysis of theoretical deformation. The manufacturing cost was compared between the traditional process method and the optimized process method, and the optimized process method was verified by actual processing. The theoretical basis for the processing of small-size anti-corrosion lining plate can be provided, which lays the practical foundation for solving the problem of “bugle” of anti-corrosion lining plate.

centrifugal compressor；air duct；anti-corrosion lining plate；bulge；statics analysis

TH452

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.12.010

1006-0316 (2023) 12-0060-06

2023-04-12

白俊峰（1987－），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為離心式壓縮機關鍵零部件工藝設計，E-mail：29408119@qq.com。