锅炉制造火焰矫正工艺分析

顾 江 徐长虹 王燕飞

（1.山东佳恒锅炉设备有限公司，德州 251100；2.济南市特种设备检验研究院，济南 250001；3.济南锅炉集团有限公司，济南 250001）

火焰矫正一般是在轴类零件弯曲的最高点区域内用氧乙炔焰进行点热，此时受热点膨胀，轴的弯曲程度也会增加。随着温度下降，工件逐渐收缩，两端出现一定上挠和弯曲度，为可矫正范畴。操作者的技术越好，最终校正工艺越明显。目前，火焰矫正主要有线状加热法、点状加热法、三角形加热法3 种。热矫正的操作与焊接热循环相似，工作人员在操作过程中需要严格控制操作工艺，以防材料过度变形。结合某公司生产型号为SHL50-1.25-SC Ⅲ的生物质锅炉，通过局部火焰加热进行矫正，剖析热矫正工艺，对今后类似技术的研究具有一定意义。

1 锅炉钢结构焊接变形的原因及火焰矫正的具体施工方式

1.1 锅炉钢结构焊接变形的原因

第一，残余应力。在钢结构制造中，残余应力一般是为了消除外力或不均匀的温度场等作用而形成的。锅炉制造过程中，加工及强化工艺都可能产生残余应力，导致出现焊接变形。第二，热量控制不当。锅炉制造过程中，通过高温电弧对金属进行熔焊操作，此时的热量控制对材料成型至关重要。金属在热效应作用下会发生变形，若热量控制良好，则钢结构的形状就能被很好地固定，否则将出现热应力变形的情况[1]。

1.2 锅炉制造火焰矫正的具体施工方式

1.2.1 角变形

这种变形主要是锅炉容器不同部位的变形，矫正时对温度的要求很高，正常情况下需要保证温度在650 ℃，并实施线状加热。随着温度的提升，材料的结构逐渐发生变化。该变化一般来源于横向，也就是随着加热线的宽度越大，横向收缩程度也越大。在后续冷却中需要注意，禁止使用水冷却，相关位置也只能在一定范围内进行冷却，不能超过焊角范围。工作人员需要在相关工艺条件下操作，掌握火焰矫正的真正技巧[2]。

1.2.2 弯曲变形

梁、撑部位出现弯曲变形较多，需要对工件进行防变形干扰，然后实施线状加热。这一过程需要与加热带同步进行，防止出现温度不一致的情况，降低变形的可能性。这种方式导致的横向收缩比较大，要求施工人员具备成熟的操作技巧，对施工要求更高。目前，操作需要多名施工人员配合，在线状加热金属材料后，在工作人员配合下由材料的中部向周围延伸，再实施分层加热。该过程要严格控制温度，尽量减少矫正次数[3]。

2 锅炉制造火焰矫正工艺

2.1 结构设计

集箱与膜式壁管及下降管的连接形式如图1 所示。整个集箱由20 号钢制作，包含碳、硅、锰、磷、硫、铬、镍、铜等元素，具有良好的塑韧性。集箱局部受热，焊缝同侧分布，当焊缝衔接到一起时，很容易出现纵向收缩导致挠曲变形。该集箱长度较长，质量大，焊接存在一定难度。为了防止变形，操作时需要有一定技巧，即焊接前预制工装，采取防变形措施。即使如此，焊接后也有变形的可能。《水管锅炉第5 部分：制造》（GB/T 16507.5—2022）规定，当两端封闭集箱总长不超过20 m 时，直线度偏差应不大于2.5 mm·m-1，且最大为16 mm[4]。为此，采用火焰矫正技术改善锅炉的变形情况。

图1 集箱管接头连接形式

2.2 矫正原理

当锅炉变形部位用火焰进行矫正时，变形部位的温度不断升高，加热部位及周围的钢结构形态随着温度升高逐渐膨胀。由于所选锅炉制造的材料为20 号钢，在温度升高的过程中会缓慢变形，而周围部位的大部分钢材处于常温并未发生膨胀，形状也相对稳定，从而阻碍和抑制受热部位膨胀，使受热部位受到径向反作用力。当火焰的温度逐渐升高超过20 号钢的屈服点时，就会产生塑性压缩变形。停止加热后，随着温度降低，高温下产生的局部压缩变形依然被保留下来，因冷却产生的收缩应力使其内部收缩，从而达到矫正的目的。

2.3 矫正方式

矫正方式对矫正效果影响较大，应选择适合的方式进行加热。针对弯曲变形，可以采取三角形加热，即面状加热。从集箱弯曲外侧开始加热，基于火焰矫正原理从凸点进行加热，选择宽度为10～30 mm 的区域进行加热。这样的矫正效果会更好，主要是利用集箱底部边界横向收缩大于顶端横向收缩的特点。工作人员需要先记录变形的情况，找准加热点及其数量。加热范围需要和圆周边界协调，原则上需要小于120°，然后顺着管中心方向加热，防止温度升高影响焊接区域。采取中性火焰加热，燃烧物为氧气、丙烷，烤把采用多孔扩散型。矫正完成后，需要检测集箱的总体形状和尺寸，要求所有数据符合《水管锅炉第5 部分：制造》（GB/T 16507.5—2022）的规定。加热过程中，热量循环可能对集箱产生一定残余应力，导致焊缝出现变形，影响焊接外观，需要总体检查集箱表面，防止裂纹产生[5]。

2.4 加热温度

加热温度需要符合锅炉制造相关标准，并结合相关经验选择合适的温度进行加热。在不同的热处理标准下，制造要求会发生变化，因此热矫正需要考虑材料的相变温度，最好低于这一温度，并结合制造标准及材料本身的耐受进行热处理。例如，不锈钢矫正时，温度应高于475 ℃。此温度为脆性温度，在具体操作中不可直接加热，一般采取高频热点矫正或其他不损害钢结构的方法。集箱20 号钢按照《低中压锅炉用无缝钢管》（GB/T 3087—2022）规定制造，属于优质碳素钢，因此在加热过程中要降低对原材料的损害。20 号钢的相变温度为726 ℃，同时需要结合低碳钢的再结晶温度（500～650 ℃），因此加热温度应控制在650 ℃及以下。需要注意，在加热一段时间后才可用空冷方式进行冷却。

2.5 火焰矫正技巧

对于纵长焊缝，采用线状加热，以中间为起点不断向两端加热，逐渐矫正弯曲变形的部位。为避免产生弯曲和扭曲变形，两条加热带要同步进行。可以采取低温矫正或中温矫正方法，有利于减少焊接内应力。但是，这种方法在纵向收缩的同时会产生较大的横向收缩，较难控制。

线状加热最好由两人同时操作，采用三角形加热方式。三角形的宽度不应超过板厚的2 倍，三角形的底与对应的翼板上线状加热宽度相等。加热三角形应从顶部开始，然后从中心向两侧扩展，层层加热直到三角形的底为止。加热腹板时温度不能太高，否则会造成凹陷变形，很难修复。

2.6 火焰矫正注意事项

第一，加热温度不宜过高，否则可能导致金属受到高温破坏，严重时会使金属融化。因此，矫正时要随时注意观察金属的颜色，随着颜色变化调节温度，当达到要求温度时要立刻将火焰抬高或移开，最终达到理想的矫正效果。第二，影响火焰矫正效果的3 大因素为加热位置、加热温度和加热区的形状，相关人员在矫正时应特别留意。第三，火焰矫正只能作为一种矫正较小变形的辅助手段，不能负责全部的矫正工序。第四，火焰矫正加热区应远离梁中心和主梁的最大应力截面处（如焊缝区域等），同时应避免同一部位重复加热，以防止产生更大的局部变形和金属的过多氧化，引起金相组织和机械性能的变化。第五，火焰矫正时，当温度为300～500 ℃时不宜进行锤击。主梁腹板、上下盖板尽量避免火焰加热后采用锤打方法矫正变形。第六，加热面积在一个截面上不能过大，可多选几个截面分别进行。

3 热矫正工艺模拟试验

目前，针对热矫正的研究较多，部分研究认为热矫正后金相组织会发生变化，导致其力学性能随之下降。为了不断提升热矫正工艺技术，需要在实践中不断研究，以充足的理论和数据作为支撑，其中热矫正工艺模拟试验就是其中之一。其与焊接工艺试验类似，结合试验中的相关数据，保证材料在热矫正后期的性能能够满足工艺需求。同时，开展热矫正工艺模拟试验有助于节约成本、简化流程，以最简单、最快速的方式验证材料的性能，从而找到最合适的矫正温度。

结合《锅炉和压力容器用钢板》（GB/T 713—2014），试验材料选取板厚为20 mm 的Q345R 钢，并对其在40 mm 宽范围内进行火焰加热。矫正前需要做好充分准备。先加热背面堆焊，让板面形状在一定程度上发生变化，再一边加热一边检测温度。检测仪器为红外线测温仪，观察颜色变化，待出现暗红色即可逐渐迁移烤枪。记录板面红色位的温度数据，并继续移动烤枪，调整速度，让温度保持在600 ℃左右，测量此时的实际温度为640 ℃，最后进行空冷。矫正试验完成后，检查板面外观，合格后方可截取试样，冲击试样取自距母材受热表面0.5～2.0 mm。热矫正后的力学试验结果表明，温度矫正后的母材性能符合标准要求。

4 结语

锅炉结构一旦出现变形，会给相关设备、人员带来严重威胁，因此火焰矫正是十分关键的环节。在日常的生产制造工艺中，大部分情况都能通过火焰矫正技术来处理变形结构，因此该技术在锅炉制造中得到了广泛运用。通过深入分析集箱变形热矫正的工艺方法，在热矫正过程中应明确材料的脆性温度和行业制造标准，最终做出正确的决定。在热矫正过程中，相关参数可能随着温度变化而变化，而锅炉行业相关性能和工艺的标准也并非一成不变，应结合不同标准确保热矫正过程可控，最终使产品能够被正常使用。