烟气轮机法兰锥体结构及制造工艺改进

金森乾，刘致远

（1.渤海装备兰州石油化工机械厂，兰州 730060；2.甘肃省炼化特种装备工程技术研究中心，兰州 730060）

0 引 言

烟气轮机是石油炼制过程——催化裂化装置上再生烟气能量回收系统的关键设备，工作在600～720℃的高温和腐蚀性的石油烟气中，工作环境恶劣。烟气轮机壳体是烟机气动流道的重要组成部分，法兰锥体是烟机壳体中的关键零件。法兰锥体作为整体铸造件，结构如图1 所示。该铸件的材质为ZG1Cr18Ni9，铸造成本较高。根据烟气轮机功率大小不同，该件的重量也不同，一般小则接近1 t，大则重4～5 t。

图1 法兰锥体结构示意图

由法兰锥体的结构示意图可以看出，该件由两部分组成，即法兰部分与锥体部分。法兰部分截面厚大，一般超过100 mm 以上，形状也不规则，因此适合于铸造成型。锥体部分壁较薄，最大的壁厚也不超过20 mm。为消除黑皮、夹砂和夹渣等铸造缺陷以及保证壁厚，在铸造工艺设计时锥体单边的加工余量至少10 mm，两边为2 0mm，加工量总和超过了铸件本身的厚度。这样导致后续的机械加工量大、加工周期长。而且由于加工余量过大，导致里面的疏松缺陷暴露出来，而这些薄壁部分又无法通过放置冒口补缩来消除内部缺陷，只能通过自补缩，内部的疏松缺陷难以避免，往往需要补焊处理。

由以上分析可知，法兰锥体的这种结构不适合整体铸造，由于制造成本高、工期长，工件的质量也难以保障，需要技术人员进行必要的改进。

1 法兰锥体结构改进

为减少毛坯铸造缺陷及机加工的工作量，我们将烟气轮机法兰锥体的结构进行了改进。即将该件的法兰部分和锥体部分分开，法兰部分采用铸造工艺成型，锥体部分采用下料铆焊工艺成型，最后再将这两部分焊接在一起。

2 法兰部分铸造工艺改进

原工件的铸造工艺是整体铸造，因此包括木模也是整体结构。为减少生产成本，首先要对木模做必要的改动。

我们选择YL12000Q 型烟气轮机的法兰锥体作为改进试制的第一件。原结构的三维造型见图2，结构改进后铸造法兰部分的三维造型见图3。

图2 法兰锥体结构改进前的零件造型

图3 法兰锥体结构改进后的铸造法兰造型

通过对比不难发现，法兰部分的几何尺寸变化不大，因此在原结构模型的基础上做适当改进，就可以实现模型以旧代新，并铸造出法兰部分。

模型利用原结构模型的法兰部分外模，除在尺寸上做必要修改外，再在法兰下部出一个50 mm 高的定位芯头。为形成内部形状，在法兰内部出一个芯子，需单独做一个芯盒。模型结构改进示意图如图4。

图4 模型结构改进示意图

为进一步节约木料和工时，此芯盒只做360°的1/6，即只做出60°部分，芯盒宽度200 mm 左右即可，也没必要做整体。目的是节约木料和减轻砂芯的重量，便于造型工操作。

图5 法兰部分外模实物

图6 法兰内部芯盒实物（1/6 芯盒）

法兰部分的外模见图5，内部芯盒见图6。

造型时先制出6 个芯子。在外模造好砂型后，将6 个芯子下芯组芯，中间空余部分填干砂或型砂。然后浇注成型。

3 锥体部分的铆焊制造

锥体部分用20 mm 厚的不锈钢板直接下料，材质为0Cr18Ni9。先按图形放样、下料，铆制成锥体形状后，再用手工电焊焊接成型。焊条选择与锥体母材化学成分相接近的不锈钢焊条，同时在结构上去掉原铸造圆弧边，以便于制做，如图7。

4 法兰部分和锥体部分的焊接

法兰与锥体的焊缝结构见图8，在焊接时要注意以下几点：

1）法兰部分不应有气孔、砂眼、夹渣及裂纹等影响强度的铸造缺陷。如有缺陷，必须采取措施消除。

图7 锥体部分结构简图

2）法兰铸造毛坯在焊接前要进行固溶处理。热处理工艺为：1050 ～1100 ℃保温+水冷，以确保铸件基体组织奥氏体化，减少晶界碳化物析出，预防晶间腐蚀。

3）法兰和锥体焊接时焊条采用奥137 或其它不锈钢焊条，环焊缝对口错边不大于钢板厚度的10%。

4）焊接要求按JB/Z105-73 钢制压力容器焊接规程进行，未注单面双面无坡口角焊缝的焊角高度等于较薄构件的厚度。

5）法兰锥体与壳体组焊后整体进行稳定化处理，即850～880 ℃保温+空冷，进一步消除和预防晶间腐蚀，等热处理后再进行机加工。

6）最后，壳体与进气锥一起进行水压试验，试验压力0.588 MPa。

5 结 论

通过YL12000Q 型烟气轮机法兰锥体的结构改进，即将法兰部分采用铸造工艺成型、锥体部分采用下料铆焊工艺成型，最后再将这两部分焊在一起。对改进后的工件做水压试验及局部着色渗透检测后发现，质量完全合格，表明这种结构改进完全合理可行，并可推广应用到其它功率烟气轮机的法兰锥体结构中。

通过对比发现，结构及制造工艺的改进主要有以下优点：

1）单独铸造法兰部分，使铸造难度大大降低，并合理利用了原结构的模型。

2）锥体部分不存在加工余量，使加工周期大大缩短。

3）由于锥体部分是轧制钢板，因此相对铸件组织致密、缺陷少，提高了工件的组织质量和机械性能。

4）经成本核算，改进设计后既节约了原材料，又降低了生产成本。

图8 法兰和锥体焊接焊缝示意图

［1］ 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册［M］.3 版.北京：机械工业出版社，2008.

［2］ 徐灏.机械设计手册［M］.3 版.北京：机械工业出版社，1992.