鍋爐制造火焰矯正工藝分析

顧 江 徐長虹 王燕飛

（1.山東佳恒鍋爐設(shè)備有限公司，德州 251100；2.濟南市特種設(shè)備檢驗研究院，濟南 250001；3.濟南鍋爐集團有限公司，濟南 250001）

火焰矯正一般是在軸類零件彎曲的最高點區(qū)域內(nèi)用氧乙炔焰進行點熱，此時受熱點膨脹，軸的彎曲程度也會增加。隨著溫度下降，工件逐漸收縮，兩端出現(xiàn)一定上撓和彎曲度，為可矯正范疇。操作者的技術(shù)越好，最終校正工藝越明顯。目前，火焰矯正主要有線狀加熱法、點狀加熱法、三角形加熱法3 種。熱矯正的操作與焊接熱循環(huán)相似，工作人員在操作過程中需要嚴格控制操作工藝，以防材料過度變形。結(jié)合某公司生產(chǎn)型號為SHL50-1.25-SC Ⅲ的生物質(zhì)鍋爐，通過局部火焰加熱進行矯正，剖析熱矯正工藝，對今后類似技術(shù)的研究具有一定意義。

1 鍋爐鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的原因及火焰矯正的具體施工方式

1.1 鍋爐鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的原因

第一，殘余應(yīng)力。在鋼結(jié)構(gòu)制造中，殘余應(yīng)力一般是為了消除外力或不均勻的溫度場等作用而形成的。鍋爐制造過程中，加工及強化工藝都可能產(chǎn)生殘余應(yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)焊接變形。第二，熱量控制不當(dāng)。鍋爐制造過程中，通過高溫電弧對金屬進行熔焊操作，此時的熱量控制對材料成型至關(guān)重要。金屬在熱效應(yīng)作用下會發(fā)生變形，若熱量控制良好，則鋼結(jié)構(gòu)的形狀就能被很好地固定，否則將出現(xiàn)熱應(yīng)力變形的情況[1]。

1.2 鍋爐制造火焰矯正的具體施工方式

1.2.1 角變形

這種變形主要是鍋爐容器不同部位的變形，矯正時對溫度的要求很高，正常情況下需要保證溫度在650 ℃，并實施線狀加熱。隨著溫度的提升，材料的結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化。該變化一般來源于橫向，也就是隨著加熱線的寬度越大，橫向收縮程度也越大。在后續(xù)冷卻中需要注意，禁止使用水冷卻，相關(guān)位置也只能在一定范圍內(nèi)進行冷卻，不能超過焊角范圍。工作人員需要在相關(guān)工藝條件下操作，掌握火焰矯正的真正技巧[2]。

1.2.2 彎曲變形

梁、撐部位出現(xiàn)彎曲變形較多，需要對工件進行防變形干擾，然后實施線狀加熱。這一過程需要與加熱帶同步進行，防止出現(xiàn)溫度不一致的情況，降低變形的可能性。這種方式導(dǎo)致的橫向收縮比較大，要求施工人員具備成熟的操作技巧，對施工要求更高。目前，操作需要多名施工人員配合，在線狀加熱金屬材料后，在工作人員配合下由材料的中部向周圍延伸，再實施分層加熱。該過程要嚴格控制溫度，盡量減少矯正次數(shù)[3]。

2 鍋爐制造火焰矯正工藝

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

集箱與膜式壁管及下降管的連接形式如圖1 所示。整個集箱由20 號鋼制作，包含碳、硅、錳、磷、硫、鉻、鎳、銅等元素，具有良好的塑韌性。集箱局部受熱，焊縫同側(cè)分布，當(dāng)焊縫銜接到一起時，很容易出現(xiàn)縱向收縮導(dǎo)致?lián)锨冃巍Ｔ摷溟L度較長，質(zhì)量大，焊接存在一定難度。為了防止變形，操作時需要有一定技巧，即焊接前預(yù)制工裝，采取防變形措施。即使如此，焊接后也有變形的可能?！端苠仩t第5 部分：制造》（GB/T 16507.5—2022）規(guī)定，當(dāng)兩端封閉集箱總長不超過20 m 時，直線度偏差應(yīng)不大于2.5 mm·m-1，且最大為16 mm[4]。為此，采用火焰矯正技術(shù)改善鍋爐的變形情況。

圖1 集箱管接頭連接形式

2.2 矯正原理

當(dāng)鍋爐變形部位用火焰進行矯正時，變形部位的溫度不斷升高，加熱部位及周圍的鋼結(jié)構(gòu)形態(tài)隨著溫度升高逐漸膨脹。由于所選鍋爐制造的材料為20 號鋼，在溫度升高的過程中會緩慢變形，而周圍部位的大部分鋼材處于常溫并未發(fā)生膨脹，形狀也相對穩(wěn)定，從而阻礙和抑制受熱部位膨脹，使受熱部位受到徑向反作用力。當(dāng)火焰的溫度逐漸升高超過20 號鋼的屈服點時，就會產(chǎn)生塑性壓縮變形。停止加熱后，隨著溫度降低，高溫下產(chǎn)生的局部壓縮變形依然被保留下來，因冷卻產(chǎn)生的收縮應(yīng)力使其內(nèi)部收縮，從而達到矯正的目的。

2.3 矯正方式

矯正方式對矯正效果影響較大，應(yīng)選擇適合的方式進行加熱。針對彎曲變形，可以采取三角形加熱，即面狀加熱。從集箱彎曲外側(cè)開始加熱，基于火焰矯正原理從凸點進行加熱，選擇寬度為10～30 mm 的區(qū)域進行加熱。這樣的矯正效果會更好，主要是利用集箱底部邊界橫向收縮大于頂端橫向收縮的特點。工作人員需要先記錄變形的情況，找準(zhǔn)加熱點及其數(shù)量。加熱范圍需要和圓周邊界協(xié)調(diào)，原則上需要小于120°，然后順著管中心方向加熱，防止溫度升高影響焊接區(qū)域。采取中性火焰加熱，燃燒物為氧氣、丙烷，烤把采用多孔擴散型。矯正完成后，需要檢測集箱的總體形狀和尺寸，要求所有數(shù)據(jù)符合《水管鍋爐第5 部分：制造》（GB/T 16507.5—2022）的規(guī)定。加熱過程中，熱量循環(huán)可能對集箱產(chǎn)生一定殘余應(yīng)力，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)變形，影響焊接外觀，需要總體檢查集箱表面，防止裂紋產(chǎn)生[5]。

2.4 加熱溫度

加熱溫度需要符合鍋爐制造相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗選擇合適的溫度進行加熱。在不同的熱處理標(biāo)準(zhǔn)下，制造要求會發(fā)生變化，因此熱矯正需要考慮材料的相變溫度，最好低于這一溫度，并結(jié)合制造標(biāo)準(zhǔn)及材料本身的耐受進行熱處理。例如，不銹鋼矯正時，溫度應(yīng)高于475 ℃。此溫度為脆性溫度，在具體操作中不可直接加熱，一般采取高頻熱點矯正或其他不損害鋼結(jié)構(gòu)的方法。集箱20 號鋼按照《低中壓鍋爐用無縫鋼管》（GB/T 3087—2022）規(guī)定制造，屬于優(yōu)質(zhì)碳素鋼，因此在加熱過程中要降低對原材料的損害。20 號鋼的相變溫度為726 ℃，同時需要結(jié)合低碳鋼的再結(jié)晶溫度（500～650 ℃），因此加熱溫度應(yīng)控制在650 ℃及以下。需要注意，在加熱一段時間后才可用空冷方式進行冷卻。

2.5 火焰矯正技巧

對于縱長焊縫，采用線狀加熱，以中間為起點不斷向兩端加熱，逐漸矯正彎曲變形的部位。為避免產(chǎn)生彎曲和扭曲變形，兩條加熱帶要同步進行?？梢圆扇〉蜏爻C正或中溫矯正方法，有利于減少焊接內(nèi)應(yīng)力。但是，這種方法在縱向收縮的同時會產(chǎn)生較大的橫向收縮，較難控制。

線狀加熱最好由兩人同時操作，采用三角形加熱方式。三角形的寬度不應(yīng)超過板厚的2 倍，三角形的底與對應(yīng)的翼板上線狀加熱寬度相等。加熱三角形應(yīng)從頂部開始，然后從中心向兩側(cè)擴展，層層加熱直到三角形的底為止。加熱腹板時溫度不能太高，否則會造成凹陷變形，很難修復(fù)。

2.6 火焰矯正注意事項

第一，加熱溫度不宜過高，否則可能導(dǎo)致金屬受到高溫破壞，嚴重時會使金屬融化。因此，矯正時要隨時注意觀察金屬的顏色，隨著顏色變化調(diào)節(jié)溫度，當(dāng)達到要求溫度時要立刻將火焰抬高或移開，最終達到理想的矯正效果。第二，影響火焰矯正效果的3 大因素為加熱位置、加熱溫度和加熱區(qū)的形狀，相關(guān)人員在矯正時應(yīng)特別留意。第三，火焰矯正只能作為一種矯正較小變形的輔助手段，不能負責(zé)全部的矯正工序。第四，火焰矯正加熱區(qū)應(yīng)遠離梁中心和主梁的最大應(yīng)力截面處（如焊縫區(qū)域等），同時應(yīng)避免同一部位重復(fù)加熱，以防止產(chǎn)生更大的局部變形和金屬的過多氧化，引起金相組織和機械性能的變化。第五，火焰矯正時，當(dāng)溫度為300～500 ℃時不宜進行錘擊。主梁腹板、上下蓋板盡量避免火焰加熱后采用錘打方法矯正變形。第六，加熱面積在一個截面上不能過大，可多選幾個截面分別進行。

3 熱矯正工藝模擬試驗

目前，針對熱矯正的研究較多，部分研究認為熱矯正后金相組織會發(fā)生變化，導(dǎo)致其力學(xué)性能隨之下降。為了不斷提升熱矯正工藝技術(shù)，需要在實踐中不斷研究，以充足的理論和數(shù)據(jù)作為支撐，其中熱矯正工藝模擬試驗就是其中之一。其與焊接工藝試驗類似，結(jié)合試驗中的相關(guān)數(shù)據(jù)，保證材料在熱矯正后期的性能能夠滿足工藝需求。同時，開展熱矯正工藝模擬試驗有助于節(jié)約成本、簡化流程，以最簡單、最快速的方式驗證材料的性能，從而找到最合適的矯正溫度。

結(jié)合《鍋爐和壓力容器用鋼板》（GB/T 713—2014），試驗材料選取板厚為20 mm 的Q345R 鋼，并對其在40 mm 寬范圍內(nèi)進行火焰加熱。矯正前需要做好充分準(zhǔn)備。先加熱背面堆焊，讓板面形狀在一定程度上發(fā)生變化，再一邊加熱一邊檢測溫度。檢測儀器為紅外線測溫儀，觀察顏色變化，待出現(xiàn)暗紅色即可逐漸遷移烤槍。記錄板面紅色位的溫度數(shù)據(jù)，并繼續(xù)移動烤槍，調(diào)整速度，讓溫度保持在600 ℃左右，測量此時的實際溫度為640 ℃，最后進行空冷。矯正試驗完成后，檢查板面外觀，合格后方可截取試樣，沖擊試樣取自距母材受熱表面0.5～2.0 mm。熱矯正后的力學(xué)試驗結(jié)果表明，溫度矯正后的母材性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語

鍋爐結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)變形，會給相關(guān)設(shè)備、人員帶來嚴重威脅，因此火焰矯正是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。在日常的生產(chǎn)制造工藝中，大部分情況都能通過火焰矯正技術(shù)來處理變形結(jié)構(gòu)，因此該技術(shù)在鍋爐制造中得到了廣泛運用。通過深入分析集箱變形熱矯正的工藝方法，在熱矯正過程中應(yīng)明確材料的脆性溫度和行業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)，最終做出正確的決定。在熱矯正過程中，相關(guān)參數(shù)可能隨著溫度變化而變化，而鍋爐行業(yè)相關(guān)性能和工藝的標(biāo)準(zhǔn)也并非一成不變，應(yīng)結(jié)合不同標(biāo)準(zhǔn)確保熱矯正過程可控，最終使產(chǎn)品能夠被正常使用。