船舶压载水处理系统UV反应器焊接变形控制
时间：2020-12-19 00:05:16 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：UV反应器是船舶压载水处理系统的核心部件;其内部的液体流场分布、紫外线光场分布以及紫外光强值的精确设置，是决定整个压载水处理系统对船舶压载水的微生物、细菌处理效果的技术核心所在。所以，UV反应器的焊后变形及尺寸精度情况是影响反应器内部流场分布、光场分布及紫外光强值精确测定的主要因素，因此焊后变形及尺寸精度控制是其制造的重点及难点。本文通过对UV反应器制造的材料因素、结构因素及制造因素进行分析;从零部件的预制切割到装配、再到部件焊接逐序制定工艺管控措施。经验证，UV反应器焊后变形及尺寸精度均达到设计要求，证明工艺措施可靠有效。
关键词：压载水;UV反应器;变形控制;尺寸精度
中图分类号：U664.85 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）06-0062-02
0 前言
为防止船舶压载水排放引起的外来物种入侵，病原体传播导致的环境、人类健康、财产及资源方面损害，国际海事组织（IMO）通过了《2004年国际船舶压载水与沉积物控制和管理公约》，2017年9月8日公约正式生效。船舶压载水处理系统是履约的关键装备。其中机械式过滤+紫外线灭活是压载水处理中的主流、高效的处理方式，而UV反应器是整套处理系统的核心部件之一，其制造的精度直接影响压载水对生物的处理效果。
因其工作环境接触包括海水、淡水、混合水等各种水域，遂整体采用316L不锈钢全熔透焊接而成。如图1：UV反应器结构原理简图。UV反应器核心技术就是科学设置通过UV反应器压载水的流场分布和紫外光场分布，以及对不同压载水流量的紫外线强度剂量的科学设置;要保证流场、光场以及紫外线强度都在理论设计范围内，这就要求UV反应器的变形控制及尺寸精度在设计的公差范围内。
1 制造焊接的重点及难点分析
1.1 材料因素
与普通碳钢相比，奥氏体不锈钢的电阻可达碳钢的5倍，线膨胀系数比碳钢约大50%，热导率比碳钢低，仅为其1/3[1]。在焊接局部加热和冷却的条件下，焊接接头在冷却过程中可形成较大的拉应力，导致焊缝及其周围区域产生较大的焊接变形[2];由此可推算出，不锈钢焊后受热变形量与碳钢相比呈倍数增加。由此，控制焊接变形是UV反应器焊接中的一个难点。
1.2 结构因素
UV反应器结构如图2，反应器主体为异径四通结构，此四通结构为非标尺寸，定做成本较高，并且精度无法满足设计要求，故采用管路焊接。各型号反应器的主管管径为240mm≤D≤600mm，支管管径为200mm≤D≤560mm，壁厚7mm≤δ≤10mm;主管与支管管径相差10-50mm，主、支管管径相接近，主管相贯处较狭窄，此处强度较弱。
另外，从图2的结构图中可看到，相贯的异径四通一侧集中多个角度不一、大小不同的小尺寸接管，同時还有一个观察孔;此面形成多个应力集中点，结构完全不对称。设计要求整体管路焊后椭圆度不超过±0.5%D（D为管路公称外径），几个接管中的两个为测量紫外线光强度的传感器座，为确保所测量光强的精确性，从而指导设置正确的光强值，此传感器座焊后尺寸精度须保证在零点几毫米范围内，焊接控制难度大。控制焊接座的焊后尺寸精度是一个难点。
1.3 制造因素
在焊前准备过程中，由于整体结构为管与管相贯，并且相贯的两管直径相接近;常规的相贯管切割难免造成相贯缝隙大小不一，导致焊缝各处拘束度不同;坡口角度不均匀，使整个焊缝各处的填充金属量不均匀，从而加大焊缝内应力，引起焊缝变形增大。由图2结构图可知，主管切割面积较大，在采用热切割时，会引起主管较大变形。因此，减小或消除焊前准备对焊接变形及精度的影响因素是一个重点。
2 工艺措施
焊接应力和变形是由多种因素交互作用而导致的结果。对于复杂焊接结构件焊接应力与变形控制要从多方面着手，在每道工序进行严格控制，减小热输入，并且减小焊接热输入的不均匀性，包括控制焊接电流的大小、同参数对称焊接、保证坡口的均匀性等;采用合理的装配、焊接顺序，尽量减小装配间隙[3]。
2.1 针对材料因素的工艺措施
我们采取热量集中，线能量小的焊接方法，小焊接规范，快焊速，小层间温度，尽量减小焊缝金属填充量。
2.2 针对结构因素的工艺措施
尽量保证装配的精度，减小或消除焊缝装配间隙。由于铬镍奥氏体不锈钢常温时的力学性能优于碳钢，低温时又具有机械强度高、韧性好的优良特性，因此焊件焊后立即进行快速冷却和矫正，均不引起焊缝的开裂[4]。所以，焊接时可使用机械方法进行固定，待焊缝完全冷却后松开夹具。采用专门的焊接夹具，用机械方法施加拘束力，可使焊缝区域的焊接变形倾向减小，从而达到满意的成形外观[2]。焊接时分段对称焊接，先焊接变形大的区域，让焊接应力充分释放，再焊接变形小的区域，有利于减小焊后的整体变形。
2.3 针对制造因素的工艺措施
优化切割方案，选用切割变形小的方式切割下料;通过预先矫形等方法减小焊缝的不均匀性;选择合适的坡口形式，减少坡口的不均匀性及减少焊接填充量。
3 制造焊接工艺
3.1 切割方案
针对UV反应器各部件对精度要求，结合公司现有设备条件，下料切割备选方案有三种：数控等离子相贯线切割机切割、数控线切割机切割、机械加工。
（1）日常切割不锈钢管路的最常规、最简便的方法为等离子相贯线切割机切割。由图2结构图可知，主管切割面积较大，切割受热后会引起主管的变形。经试验，等离子相贯线切割机切割后椭圆度变形最大达6mm，最小处3mm，变形不均匀，矫正很困难。
（2）采用线切割机切割，切割后的筒体几乎无变形，但切割后主管与支管相贯处不能完全吻合，需要采用手工修磨方式进行相贯面的修磨，并且坡口需要单独加工。
