QC成果报告-创新衬钛换热器制造方法

成果名称：创新衬钛换热器制造方法 小组名称： 制造分公司QC小组 发表人： 毛 昀 镇海石化建安工程有限公司 2015年7月一、 前言钛在国防军事、医疗和化工领域等方面应用广泛，利用钛的抗蚀、热导率和强度的性能优势,可制成的钛冷凝器和热交换器已在化工部门广泛应用。镇海石化建安工程有限公司承接了3台衬钛换热器(如图一)，为首次整体制造，其制造要求和难度也是空前，目前没有任何经验可以借鉴。我公司对其结构特点、衬钛管板的加工及整体制造难点作了攻关，解决了制造过程中的加工工艺以及铆工制造上的难题。图一 衬钛换热器 制图人：沈照裕 制图时间：2014年3月7日这次我公司制造的是炼油四部II套常减压装置常顶换热器，规格为BEM1200-0.48/2.35-635-6/19-I，其技术特性见下表： 换 热 器 技 术 特 性容器类别三类换热面积m2635容积m316.67壳程管程壳程管程最高工作压力Mpa2.130.28焊缝系数0.851.0最高工作温度116106无损检测射线100%级合格100%级合格设计压力Mpa2.350.48超声100%级合格100%级合格设计温度160200焊后热处理见技术条件管板设计压力Mpa2.15水压试验Mpa2.940.65介质混合进料（冷介质）反应流出物（热介质）气密性试验Mpa/腐蚀余量 mm/保温材料及容重超轻硅酸铝程数11保温厚度 mm7070主材Q345R/Q235R/TA2-M/10/TA1-M(换热管)技术标准压力容器安全技术监察规程GB151-1999、GB15-2011、HG20584-2011表一 衬钛换热器技术特性 制表人：毛昀 制表时间：2014年3月10日 2、 小组概况201443表二 小组简介 制表人：毛昀 制表时间：2014年3月 11日序号姓名性别文化程度职务或工种小组内任何职受TQC教育时间1毛昀男大学制造一部主任组长1202李富强男大学制造五部主任副组长1203傅成义男大学技术协办组员804林靖女大学技术协办组员805周达波男大学班长组员806李嵘基男大学副班长组员807王敏燕女大学班长组员808吕国梁男大学班长组员809朱明辉男大学副班长组员8010沈照裕男大学施工技术组员80表三 小组成员简介 制表人：毛昀 制表时间：2014年3月12日三、选题理由我公司是以检维修为核心、设备制造为主导业务的企业，公司改制后谋求发展就必须立足镇海炼化公司的基础上，加快了向市场化靠拢的步伐。本次QC针对衬钛换热器制造的创新能扩大公司业务承接的范围，也有利于公司自身制造素质能力的提高。企业竞争力的需要：设备制造是我公司主业，高附加值的制造任务逐年在递增，工作量日益繁重，提高衬钛换热器的制造质量，对提升公司制造的品牌效应及市场竞争力，扩大公司对外知名度都有极大的意义。选题理由 发展趋势的需要：无论是现在的衬钛，还是将来其他专用特殊新型材料在衬钛换热器的应用，必将成为压力容器制造行业的趋势。对衬钛设备的制造经验和提高质量的方法，对将来新型材料的适应有着不可忽视的作用。生产现状的需要：衬钛换热器的材料比较特殊，制造工期紧张，制造步骤繁琐，对制造质量要求又比较苛刻。提高衬钛换热器制造一次合格率，对衬钛换热器在制造、检验和验收等环节提出更高要求。 图二 选题理由 制图人：毛昀 制图时间：2014年3月20日确定课题：承接的炼油四部II套常减压装置常顶衬钛换热器，材质及结构特殊，目前尚无整台制造的业绩，因此设计制造难度较大。衬钛换热器在国内的应用仍然较少的主要原因是制造中有几大难点：管孔精度要求高，管孔应严格与轴线垂直，其垂直度允差为60m；钛管与钢管贴合率控制难度大。根据以上情况，QC小组成员决心通过创新的方法，确立衬钛换热器制造的新方法。故最终确定吧“创新衬钛换热器制造方法”作为本次QC活动的课题。四、设定目标在没有衬钛换热器制造资料的情况下我们必须通过创新的方法来探索这一新型换热器的制造方案，所以QC小组把目标确定为：u 建立衬钛换热器的制造新方法为了能够验证衬钛换热器的制造新方法的建立，QC小组参照公司普通换热器的整体组装合格率的要求控制衬钛换热器组装合格率。 施工号类型13715-500113715-501213715-502513715-503813715-504613715-5068管板管孔精度98.5%98.6%97.6 %99.2%98.5%99.5%焊接合格率96.3%97.4%98.3%96.5%97.2%97.2%制造一次合格率98.6%98.8%98.5%98.7%97.7%98.8%表四 普通换热器产品整体组装合格率调查记录表 制表人：毛昀 制表时间：14年3月25日五、目标可行性分析明确课题及目标差距后，小组成员立即着手对现有的设备、人员、工艺进行了调查分析（具体见图三）。 可行性分析设备现有金加工设备可以保证加工过程中的产品精度要求，从而保证零件的装配质量。可以确保98以上的管孔精度及方位尺寸，使穿管过程中减少了组装间隙。人员小组成员工作能力强，每周参加2至4次的技术碰头会，且记录并分析每个衬钛换热器的制造节点。我们有平均10年换热器制造经验的小组成员，在具体制造操作中能把人为失误降至最低。我公司普通换热器的制造工艺十分先进，拥有自己的一套制造经验和改进机制，积极探索新的工艺、新的技术方法，在不断创新中接近于找到理想的方案来确立。工艺图三 可行性分析 制图人：毛昀 制图时间：2014年3月21日 六、 方案制定及论证 1.提出各种方案针对衬钛换热器的以上制造难点，QC小组成员运用头脑风暴法，围绕实现小组活动目标，提出了许多加工方案和组装的方法，初步归纳成以下三种方案：方案一：镗床数显加工，拉杆组装法管板管孔定位加工，通过镗床（T6112）数显定位基准，通过定位沉孔进行管孔的引孔、粗钻和精钻工序。在穿装过程中，选用自制的胀管工装，工装的一端连着支撑杆，先把支撑杆穿过钛管，然后自制工装压入钛管一端，然后拉工装，工装经过，钛管被胀开压紧钢管达到目的。选择方案一镗床数显加工，拉杆组装法的理由分析：该方案可以解决衬钛换热器管板管孔的加工的精度要求，依靠镗床数控定位来满足管孔加工的位置度。拉杆组装法操作简单，利用抽芯机从钛管的一端拉至另一端，无需找正工装操作方便、效果高。方案二：摇臂钻床定位加工，油压柔性组装法通过摇臂钻床定位加工，选择相应18.6的钻头进行管孔的粗钻，然后用19.2的钻头再进行粗孔的扩孔到图纸要求大小。在穿装过程中，通过密封一端，在另一端通入高压油的办法使钛管向外塑性变形，然后贴紧外钢管的内壁。选择方案二摇臂钻床定位加工，油压柔性组装法的理由分析：该方案在普通摇臂钻床进行加工，通过一次性在摇臂钻床进行，保证了加工垂直度的要求，提高钻孔速度，利用刃磨及切削液来控制加工精度的要求。油压柔性组装法的采用，考虑到这种方法在穿装过程中，钛管与钢管的贴合受力均匀，可以的到较大的贴合力，对钛管的伤害也比较小。方案三：四刃铣刀数控定位，水压钢球组装自制四刃铣刀定位工装，采用数控、镗床（T6112）数显定位相结合，保证衬钛层槽与管孔的同心度要求。采用粗钻、半精钻定位和精钻金加工工艺，保证衬钛管箱管孔精度要求。在穿装过程中，通过密封一端，在另一端放置相应尺寸的钢珠，再通高压水，通过高压水挤压钢球向前移动的办法使钛管向外塑性变形，然后贴紧外钢管的内壁。选择方案三四刃铣刀数控定位，水压钢球组装的理由分析：该方案在选择上考虑了管孔与钛孔加工的同心度要求，利用四刃铣刀把定位与加工一次成型，有利于提高管孔精度。水压钢球组装利用水枪加压钢球的方法，利用钢球前移来达到钛管贴合力的均匀释放。 2. 各种方案的验证方案一验证：在2014年3月到4月，小组成员进行了方案一的镗床加工进行可行性实验。选择了一块试验管板进行实验，管板样板如图四。图四 管板 制图人：沈照裕 制图时间：2014年3月25日刀具应该采用硬度较高，耐磨性能比较好的材料制作，采用的材料是T8，热处理硬度HRC50-55。钻头与孔的配合采用H7/K6，我们进行了粗钻，具体要求见图五。图五 管板加工 制图人：沈照裕 制图时间：2014年3月25日 在钻孔的制造过程中，发现了以下问题：(1)管板在加工的过程中要保证每个管板的上、下两平面的平行度误差在0.10mm的范围内。(2)制作4个等高块，等高块的高度以两管板上下叠放时留有2030mm间隙为好，以利于铁屑的排除。工件钻孔时，先将管板按照管子穿入的安装位置上下叠放，这样可以保证即使管板制造有一定的误差时，也不影响管子的胀接。将管板的中间垫好等高块，以利于铁屑的排出。然后将管板使用角尺和百分表找好正后，固定在找正好的工作台上。钻孔时先钻出两端的孔的各一个，在这两个孔中插入定位销，可以防止窜动，可以钻一排孔。在没有孔的位置插上盲销，防止误钻孔。以此类推，至钻完所有的管孔。清理管板中间的铁屑，防止损坏刀具或铁屑进入管孔影响表面粗糙度。镗孔时随时测量管孔尺寸，检测表面粗糙度，必要时加以调整。钻孔时的转速为280r/min,进刀量0.20mm/转，乳化液冷却。镗孔时的转速为60r/min，进刀量0.10mm/转。小组一共钻了2块试验管板，钻孔完成，对管孔进行了严格精密的检验，并将其检验结果汇总分析(表四)。检查项目设计图纸要求检查结果孔径d=19.22，=19.34最小管桥96%的必须4.59mm，4%的允许最小值为2.98mm，且不超过5个=3.5mm，4.0mm，4.4mm，4.5mm共4个，其余管桥都大于4.59mm管孔垂直度60m最大垂直度80m管孔综合精度/82.4% 表五 试验一加工结果 制表人：毛昀 制表时间：2014年5月19日在穿装过程中，先清洗了钢管和钛管的内壁，将里面的杂质清理干净。为了防止工装穿行过程摩擦过大，可能损伤钛管，我们在每根管子穿入前在工装端涂上适量的油，用来减少摩擦。图六 胀钛管工装 制图人：沈照裕 制图时间：2014年5月20日先设计并金加工工装（如上图六），再工装的一端焊上8的圆钢。先把钛管穿入钢管中，再将工装的一端先穿入钛管内，然后通过拉杆，利用抽芯机从钛管的一端拉至另一端，使工装缓缓的穿过管子，由于穿行过程中，工装挤压钛管使钛管发生塑性变形然后紧贴钢管。方案一验证结果：用镗床加工方法加工管板，它的加工精度比较高，但是由于钻孔深度的影响，镗床钻孔的垂直度超差率达17.6%。在穿装过程中，发现钛管内壁的损伤比率较大，小组对钛管的结合率进行统计，试验一79根钛管与钢管贴合情况良好，有21根钛管贴合不合格。方案二验证：在2014年4月到2014年6月，小组成员进行了方案二的采用摇臂钻床，油压柔性组装加工进行可行性实验。在钻底孔时采用群钻式钻头，并将横刃修磨得尽量窄一些，这种钻头钻削时轻快，生产效率高，冷却效果好，并且切入工件时定心也好，同时由于横刃变窄后，钻孔时的轴向力也变小了，钻头的弯曲变形也就小了。用低于管孔名义尺寸1mm左右的标准麻花钻头，按已印好的窝孔，钻3050mm深，更换长刃麻花钻头、钻深至70mm左右，再次更换长刃麻花钻头(此次更换的钻头应是能加工管板孔的全长所需的钻头)将管板底孔钻成。全部底孔加工完毕后，采用普通长刃麻花钻头，其长度应大于所加工的管孔深度的3050mm。用这种长钻头磨成下排屑形式，进行扩孔。扩孔用钻头直径宜采用大于管孔名义尺寸0.030.05mm的大螺旋角钻头。在钻孔时冷却润滑液应以冷却为主，润滑为辅，所以我们选择浓度较稀的乳化液，并以大流量注入钻头的工作面处。这种冷却液的冷却效果好，有利于降低切削温度和切削扭矩，提高刀具的耐用度。在扩孔时也采用同样的冷却润滑液。图七 钻孔加工工序 制图人：毛昀 制图时间：2014年6月9日选取与方案一相同的管板作为试验对象。先在上面按要求画线，并做严格检验。同样完成2块管板的钻孔，对管孔进行了严格精密的检验，并将其检验结果汇总分析。检查项目设计图纸要求检查结果孔径d=19.22，=19.34最小管桥 96%的必须4.59mm，4%的允许最小值为2.98mm，且不超过5个=3.8mm，4.0mm，4.3mm，4.3mm，4.5mm共5个，其余管桥都大于4.59mm管孔垂直度60m最大垂直度60m管孔综合精度/89.8%表六 试验二加工结果 制表人：毛昀 制表时间：2014年8月5日在穿装过程中，先清洗了钢管和钛管的内壁，然后将特别研制的密封杆插入钛管中，固定住密封杆，在钛管的另一端用油枪顶住加油压。钛管在油压作用下不断径向膨胀直至发生塑性变形，并贴紧钢管(如图八)。 图八 试验二胀管示意图 制图人：沈照裕 制图时间：2014年8月11日方案二验证结果：在普通摇臂钻床上，用加长麻花钻，采用常规工艺方法，进行加工。这种方法由于受机床本身精度、刚性和所用工具的制造精度等诸因素的影响，虽然QC小组经过分析研究通过改变麻花钻头的切削角度，改变切屑的流向，选择适当的切削用量搭配，但管板管孔合格率仅为89.8%。对钛管与钢管的结合率进行统计，试验二85根钛管与钢管贴合情况良好，符合图纸要求，有15根钛管贴合不合格。而且对管子中的油处理比较麻烦，油溢出管子后不容易清理。方案三验证：在2014年4月到2014年6月，小组成员进行了方案三的数控定位，采用自制四刃铣刀工装加工进行可行性实验。通过定位及引孔的工序，考虑及铰量与钻孔的扩大量，钻头直径为19.0mm，即单面留量为0.2mm，钻头用标准高速钢钻头，钻孔时二块板同时加工，单面钻削长度为60mm，每次刃磨可钻100个孔。钻头用标准高速钢钻头，钻孔时二块板同时加工，单面钻削长度为60mm，每次刃磨可钻100个孔。最后进行了精钻，我们自制了四刃铣刀（如图九），利用镗床（T6112）数显定位相结合，用自制四刃铣刀加工在数控钻床定位孔的基础上，通过管孔与钛环孔一次加工成型的工艺，确保了管孔加工的垂直度和同心度要求。 图九 自制四刃铣刀 制图人：沈照裕 制图时间：2014年9月4日 同样完成了2块管板的钻孔，对管孔进行了严格精密的检验，并将其检验结果汇总分析(表六)。 检查项目设计图纸要求检查结果孔径d=19.25，=19.28最小管桥96%的必须4.59mm，4%的允许最小值为2.98mm，且不超过5个=4.2mm，4.5mm共2个，其余管桥都大于4.59mm管孔垂直度60m最大垂直度55m管孔综合精度/99.8%表七 试验三加工结果 制表人：毛昀 制表时间：2014年10月13日通过将钛管插入钢管中，利用水压打压钢球，挤压钢球中前端的钛管向外扩张，直至将钢球从另一端打出（如图十）。试验中在钢球后面塞入适量的渗料带，可以起到一定的密封作用，有助于钢球的前进。 图十 试验三胀管示意图 制图人：沈照裕 制图时间：2014年10月15日方案三验证：数据统计方案三的结果完全满足了要求，管板管孔孔径的合格率达99.8%，管孔的垂直度为55m，高于比图纸要求的60m。对钛管与钢管的结合率进行统计，试验三钛管与钢管贴合率合格率达95%。在穿装过程中，对钛管的伤害较小，操作也比较简单，用水压钢球的方法作业效率较前提高了30%以上。三种方案比较：方案的可行性分析方案项目方案一方案二方案三可行性1. 在孔径和最小管桥加工方面均符合要求，但在管孔垂直度有80m，与图纸要求的60m相差较大，管孔合格率只有82.4%2. 钛管与钢管的贴合度只有79%，同时对钛管的内表面的磨损比较严重，磨损率达20%1.在管孔加工的孔径、最小管桥以及垂直度60m方面均能较好的满足图纸要求，管孔合格率只有89.8%2.在穿装过程中钛管和钢管贴合率为85%，对钛管的伤害程度较小1.管孔精度、垂直度55m满足图纸要求管孔合格率为99.8%2.钛管和钢管贴合率达95%，水压能减小钛管胀管后的回弹，同时能对钛管进行清洗总结方案三能有效地解决方案一、二的管孔精度要求，管孔合格率达99.8%，钛管与钢管贴合率合格率达95%表八 方案可行性分析表 制表人：毛昀 时间2012年7月方案的经济性分析项目 方案方案一方案二方案三经济性（按300个管孔计算）在管孔加工方面费用较少1500元，在组装方面经常是钛管破裂导致钛管报废，加上胀管时间较长，人力投入较多，费用在6000元以上该方案虽然能确保管孔的精度，但加工过程却很费力，所需加工费用在8000元以上（600小时的工时，钻头400元的损耗），组装后的油污清理费用也较大人力物力至少投入3000元该方案实施使加工变的容易，成本费用在2000元内（150小时的工时，钻头200元的损耗）。合理的胀管方式能节约很大的人力物力总结方案三能有效地控制生产成本，加工费用在2000元表九 方案经济性分析表 制表人：毛昀 时间2012年7月方案的可操作性分析项目 方案方案一方案二方案三可操作性1. 管孔与钛环加工需要二次找正，在找正过程中约每100mm产生累计误差达0.2mm2. 钛管贴合拉管的力度不好掌握1. 定位孔控制难度大，需要磨好切削刀具，刀具的角度比较难控制2.安装过程中油压比较难控制，10%的钛管会发生回弹现象，贴合不紧密，穿装完后，对油污的清理比较麻烦1. 预先制作好四刃铣刀，通过数控定位加工，管孔与钛环加工一次加工成型,劳动强度低，加工效率提高了30%总结方案三相比较方案一、二可降低劳动强度30% 表十 方案可操作性分析表 制表人：毛昀 时间2012年7月根据以上分析，无论从方案的可行性、经济性还是可操作性，我QC小组一致认为方案三的四刃铣刀数控定位，水压钢球组装是衬钛换热管的最佳制造方法。围绕这种方法，小组成员对该方案进行递进分析，四刃铣刀数控钻床定位，水压钢球组装的要素为合理的胀管水压和焊接工艺参数及要求：u 合适的水压进行打压，能控制好钛管与钢管的结合率，防止管子胀爆，同时又能减少为钛管的伤害u 专门针对钛材研制相应的焊接工艺规程来控制钛材的焊接七、 将四刃铣刀数控定位，水压钢球组装法具体化并制定对策 序号要 素对 策目 标措 施负责人完成时间、地点 1合适的胀管水压在钛管与钢管贴合难的问题上运用工装提高钛管与钢管的贴合率，目标达到99%对胀管时的水压进行检测，采用分级打压的办法，记录贴合率和胀爆率，在钢球前放黄油，以减少钢球对钛管的损伤周达波沈照裕不锈钢厂房2014.68 2钛材焊接工艺参数及要求针对钛材专门制定焊接工艺规程，并进行评定钛材焊接100%合格，且一次顺利通过无损检测根据专门制定的焊接工艺规程，用惰性气体（纯度在99.99%以上的氩气）充分保护下，让公司顶尖的焊工施焊林靖王敏燕不锈钢厂房2014.911表十一 对策措施表 制表人：毛昀 制表时间：2014年11月12日八、对策实施实施一: 合适的胀管水压进行打压，能控制好钛管与钢管的结合率，防止管子胀爆，同时又能减少为钛管的伤害 钛管穿入前基管内进行彻底的脱脂处理，以去除基管内壁的油污、铁锈等杂质，对于个别较难穿入的钛管用自制拔管工装将其拉入基管内，拔管工装见图十一。为保证钛管与基管的结合率，制造该设备前进行了大量的试验。图十一 拔管工装 制图人：沈照裕 制图时间：2014年11月17日对钛管打压从20Mpa开始，以5Mpa为阶段分次往上打压，使6m长钛管均匀膨胀，并对每根管子的结合率进行检查。当钛管内压力达到30Mpa以上时，钛管膨胀与基管能紧密贴合，不使管子的换热性能大幅降低，试验压力打到了40Mpa。经过初步试验发现试验水压在30Mpa到35Mpa时，钛管与钢管的贴合率比较高，钛管的胀爆率也比较低。为此，又以1Mpa为一级，从31MPa开始向上打，直到34Mpa，对结果用同样的办法进行数据统计。进过细化试验我们从图十二中可以看出当水压在32Mpa时，管子的贴合率高于99%，符合我们的目的。为了增强施压的密封性，小组又自制了多个专门的密封工装和打压工装(如图十三)。图十三 密封和打压工装 制图人：沈照裕 制图时间：2014年11月18日实施效果：通过小组的努力与创新，根据理论联系实际需要制作了专门的工装，根据科学的方法选定了胀管水压为32Mpa。事实证明提高了钛管与钢管的贴合率，达到目标值99%以上。 图十二 不同压力的胀管情况 制图人：沈照裕 制图时间：2014年11月17日实施二: 专门针对钛材研制相应的焊接工艺规程来控制钛材的焊接根据钛材的特性，专门制定了相应的焊接工艺规程，用来保证钛材焊接一次成型合格率。经过多次实践，选择了以下最佳焊接工艺参数（表十二）。焊接工艺参数焊接层次焊接方法焊材牌号规格(mm)电源极性1GTAWTA2 2.0DC EN焊接电流（）焊接电压（）焊接速度 （mm/s）Ar气流量（L/Min）609012141.01.5正面：812，拖罩：1215背面：1012表十二 焊接工艺参数 制表人：毛昀 制表时间：2014年11月24日同时也提出了焊接要求并加以实施，以保证钛焊接质量。序号措施序号措施1组对前仔细清理坡口及其周围20mm范围的油污、氧化皮、水质等任何杂物，见金属光泽，焊接前，用丙酮擦净待焊区域。2焊接时起弧时应提前送气，熄弧时使用电流衰减和延时装置，焊丝的加热端应始终保 持在氩气保护之下，熄弧后保护罩不得立即曝露在大气下，应放置几秒种后再取下，如污染则切除3钛板焊接时焊接区域采用氩气保护拖罩等措施防止污染，焊件背面充氩气保护。4焊接过程中随时观察焊缝及热影响区的表面色泽，若出现深蓝色或暗灰色必须彻底打磨去除后重焊，焊缝及热区应尽量保证银白色或金黄色。5焊接接头中钛板与基层钢不允许相互熔合，施工过程忌用铁器直接与钛面接触，以免铁污染。6施焊时严格控制焊接线能量，不得随意采用大规范施焊，层间温度控制在100以下，防止焊接变形。7焊接完毕后，检查焊缝内外表面，若发现焊缝表面有咬边、未熔合等缺陷，应及时打磨或补焊, 焊接完毕后打磨焊缝余高至与母材平齐。8由有此证且具备钛材施焊经验的焊工担任焊接工作。表十三 焊接工艺要求 制表人：毛昀 制表时间：2014年11月24日 通过实施二，钛材焊接100%合格，且一次顺利通过无损检测。九、 确认效果1. 目标值完成情况经过小组成员的集思广益，脚踏实地的对衬钛换热器制造孜孜以求的技术公关。得以这台衬钛换热器按时出厂，我们现汇总QC活动中记录的各项数据成果。 人员类型毛昀李富强林靖李嵘基沈照裕吕国梁管孔精度99.3%99.7%99.1%99.4%99.2%99.4%钛管与钢管贴合率99.7%99.1%99.6%100%99%99%制造平均合格率99.5%99.4%99.35%99.7%9