黃軍

摘要：殼牌帶廢鍋流程氣化爐具有能源煤種適應(yīng)性廣、碳轉(zhuǎn)化率高、單系列生產(chǎn)能力大、運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，但其基礎(chǔ)投資大、制造難度大、制造精度要求高，制造技術(shù)被國(guó)外壟斷，國(guó)內(nèi)無制造經(jīng)驗(yàn)。提出了針對(duì)殼牌氣化爐及化工容器產(chǎn)品中非直線型厚壁大直徑筒體對(duì)接環(huán)縫的自動(dòng)焊工藝方法。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、產(chǎn)品重心、裝配尺寸要求、自動(dòng)焊焊接特點(diǎn)等方面介紹了如何實(shí)現(xiàn)非直線型厚壁大直徑筒體橢圓截面的自動(dòng)焊。該工藝成功應(yīng)用于工程實(shí)踐，效果良好。

關(guān)鍵詞：非直線型;橢圓截面;裝配要求;產(chǎn)品重心

中圖分類號(hào)：TG409 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001-2303（2020）08-0096-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.20

0 前言

近20年來，我國(guó)煤氣化以傳統(tǒng)技術(shù)為主，工藝落后、環(huán)保設(shè)施不健全、煤炭利用效率低、污染嚴(yán)重，甚至每種氣化工藝只能適應(yīng)相應(yīng)的某些煤種。殼牌煤氣化技術(shù)是目前世界上先進(jìn)的潔凈煤氣化技術(shù)之一，具有煤種適應(yīng)性廣、單系列生產(chǎn)能力大、碳轉(zhuǎn)化率高、產(chǎn)品氣體質(zhì)量好、氣化氧耗低、熱效率高、運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)、負(fù)荷調(diào)節(jié)方便和環(huán)境效益好等特點(diǎn)[1-8]。

殼牌帶廢鍋流程氣化爐分為氣化室、激冷室、輸氣導(dǎo)管、轉(zhuǎn)向室、合成氣冷卻器上段、合成氣冷卻器下段六大組件，其中輸氣導(dǎo)管殼體直徑達(dá)到3 m以上，屬于厚壁筒體范疇，其筒節(jié)與筒節(jié)之間夾角為非180°直線角，呈一定角度分布，其截面為橢圓形。在殼牌帶廢鍋流程氣化爐中，輸氣導(dǎo)管的角度要求高，且作為壓力容器外殼，對(duì)焊縫質(zhì)量、成型外觀都有檢驗(yàn)要求。文中從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、產(chǎn)品重心計(jì)算、裝配位置要求、自動(dòng)焊焊接特點(diǎn)、焊接效率等方面介紹了如何實(shí)現(xiàn)輸氣導(dǎo)管殼體筒節(jié)之間環(huán)縫的自動(dòng)焊。氣化爐結(jié)構(gòu)如圖1所示，輸氣導(dǎo)管如圖2所示。

1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及精度要求

以東方鍋爐股份有限公司承制的某項(xiàng)目氣化爐為例，該氣化爐高約65 000 mm，總噸位接近2 000 t，其中輸氣導(dǎo)管殼體內(nèi)徑3 350 mm，壁厚90 mm，筒節(jié)間角度為157.5°（見圖2）。制造技術(shù)要求為：

（1）筒節(jié)間角度偏差要求±0.25°。

（2）筒節(jié)間環(huán)焊縫合格率99%。

（3）筒節(jié)焊縫檢測(cè)100%射線探傷合格，100%超聲波探傷合格，100%磁粉探傷合格。

在壓力容器制造中，對(duì)于相鄰兩筒節(jié)間構(gòu)成非180°夾角這種環(huán)縫焊接，通常采用手工焊，焊接周期長(zhǎng)、工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、焊縫坡口寬、焊縫返修工作量大且質(zhì)量不易保證。

2 自動(dòng)焊的必要性及可行性

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)焊焊接已批量用于壓力容器制造行業(yè)。

埋弧自動(dòng)焊具有以下特點(diǎn)：（1）生產(chǎn)效率高。可采用較大的電流，焊縫熔深大、熱量集中、焊接速度快，每個(gè)班焊縫填充金屬可達(dá)25 kg，生產(chǎn)效率為手工焊接的5倍以上。（2）埋弧自動(dòng)焊焊縫金屬質(zhì)量好，性能穩(wěn)定，且外表成型美觀，如圖3所示。（3）節(jié)約焊材。窄間隙埋弧焊的根部坡口僅為20 mm，頂部寬度僅28 mm，焊縫填充量少，可節(jié)約大量焊接材料。（4）改善勞動(dòng)條件，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

手工焊接具有以下特點(diǎn)：（1）生產(chǎn)效率低。每個(gè)班焊接焊條為8～10 kg，焊縫填充金屬約5 kg。（2）焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定且焊縫成形不美觀。（3）焊工連續(xù)作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

在本項(xiàng)目中殼體焊縫厚度達(dá)到90 mm以上，手工焊須采用全位置焊接，焊縫質(zhì)量極難保證，且焊接周期需7天，而自動(dòng)焊僅需2天。

針對(duì)此類特殊結(jié)構(gòu)的變坡口、非正圓結(jié)構(gòu)的工件，如何從下料、成型、矯正方面提升精度并特制工裝以適應(yīng)自動(dòng)焊的要求是項(xiàng)目的核心所在。

3 單筒節(jié)角度的控制

由于輸氣導(dǎo)管殼體采用鋼板卷焊制成，為保證其角度尺寸及橢圓截面的偏差，應(yīng)控制好筒體圓度。

3.1 下料、卷板成型控制

為保證筒節(jié)下料尺寸的精確性，應(yīng)確保鋼板對(duì)邊平行和鋼板對(duì)角線長(zhǎng)度相等，偏差控制在2 mm以內(nèi)。

鋼板采用冷卷成型，預(yù)彎時(shí)應(yīng)找正，使鋼板中心線與卷板機(jī)輥?zhàn)拥哪妇€垂直，防止卷圓時(shí)產(chǎn)生腰鼓及大小口形狀。筒節(jié)校圓時(shí)，控制筒節(jié)的橢圓度不大于3 mm。并確定卷板伸長(zhǎng)量，相鄰兩節(jié)成角度的筒體卷板伸長(zhǎng)量保持一致。

3.2 筒體坡口加工

由于裝配角度精度要求高，因此筒節(jié)端面坡口采用數(shù)控鏜銑床加工，以確保筒節(jié)端面與筒體周旋角度為11.25°，環(huán)縫采用非對(duì)稱式X型坡口，坡口內(nèi)主要焊縫金屬朝外側(cè)。

首先在立車上加工平筒體一端面的坡口（作為基準(zhǔn)面），之后將筒體放置在劃線工作平臺(tái)之上，放樣劃11.25°端面坡口線，并預(yù)留20 mm二次機(jī)加余量，采用半自動(dòng)火焰氣割去除大部分多余金屬。再在數(shù)控鏜銑床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上找正垂直，采用數(shù)控分層銑削方式加工出端面“U+V”型窄間隙坡口。

4 橢圓環(huán)縫自動(dòng)焊工裝設(shè)計(jì)

4.1 自動(dòng)焊焊接實(shí)現(xiàn)條件

首先，橢圓截面環(huán)縫必須垂直于地面，即與環(huán)縫自動(dòng)焊焊機(jī)機(jī)頭平行;其次，產(chǎn)品轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不攢動(dòng)，不發(fā)生軸線位移;最后，環(huán)縫焊接橢圓截面的長(zhǎng)軸與短軸之差不能超過焊機(jī)機(jī)頭的調(diào)整行程。

4.2 工裝設(shè)計(jì)理念

（1）筒節(jié)的重心落入其上工裝的旋轉(zhuǎn)面上，使得單獨(dú)筒節(jié)能夠放置在滾輪架上繞工裝中心軸平穩(wěn)自轉(zhuǎn)，兩節(jié)筒節(jié)裝配拼合后在焊接時(shí)，待焊接端面在旋轉(zhuǎn)焊接時(shí)就能夠具有更好的相對(duì)間的穩(wěn)定性。

（2）既要將筒體放置在滾輪架上勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，又要保證工裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易方便，同時(shí)也須考慮兩筒體偏心滾動(dòng)時(shí)的安全性。

（3）同時(shí)，為了保證產(chǎn)品安全及操作安全，工裝直徑必須大于筒體橢圓截面的長(zhǎng)軸值，工裝寬度必須大于滾輪架轉(zhuǎn)胎寬度，且留有攢動(dòng)量，以防止產(chǎn)品轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)脫離滾輪架。

5 筒節(jié)間自動(dòng)焊實(shí)現(xiàn)的方法

5.1 筒節(jié)間重心位置的計(jì)算

利用軟件建立產(chǎn)品三維模型，分析計(jì)算產(chǎn)品的裝配后的重心位置及偏移方向。經(jīng)計(jì)算產(chǎn)品重心位置回轉(zhuǎn)軸線與焊接時(shí)回轉(zhuǎn)軸線間坐標(biāo)位置為：X=74.4 mm，Y=39.0 mm，Z=0，如圖4所示。

5.2 設(shè)計(jì)專用工裝

通過專用工裝及筒節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)特性間配合來實(shí)現(xiàn)：兩筒節(jié)上的工裝同心，工裝帶動(dòng)筒體在滾輪架上以工裝中心軸為自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)，且工裝中心軸與筒體重心重合，由此確保筒體在自轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定可靠，確保焊接質(zhì)量，如圖5所示。

5.3 專用工裝的裝配

標(biāo)記筒體的四中線，在裝配平臺(tái)上放地樣，通過計(jì)算分別測(cè)量筒體四個(gè)象限點(diǎn)與工裝的距離，間接包裝工裝位置與兩筒體重心位置相重合，并通過加強(qiáng)拉筋連接工裝與筒體之間，如圖6所示。

5.4 產(chǎn)品的試轉(zhuǎn)動(dòng)

考慮到產(chǎn)品的偏心和裝配誤差，為保證產(chǎn)品轉(zhuǎn)動(dòng)和操作者的安全性，產(chǎn)品組件的試轉(zhuǎn)動(dòng)是非常有必要的。將組件放置在滾輪架上，行車輔助，試轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整專用工裝與筒體之間的距離，保證滾動(dòng)時(shí)組件在滾輪架上不攢動(dòng)，如圖7所示。

6 筒節(jié)間自動(dòng)焊的操作方法

文中筒體材料為SA387Gr11CL2，母材類別Fe-4，焊接前焊接工藝評(píng)定，合格后方可正式施焊。

焊接材料的選用：焊材牌號(hào)EB2R，回廠后對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析（見表1），滿足標(biāo)準(zhǔn)及本項(xiàng)目專用采購(gòu)技術(shù)協(xié)議后方可使用。

配套焊劑的選用：焊劑采用燒結(jié)型，焊劑牌號(hào)F55P-EB2R-B2。焊機(jī)回廠后對(duì)焊劑進(jìn)行P、S、水及雜物進(jìn)行鑒定，結(jié)果如表2所示。

焊接前清理焊縫，采用火焰專用噴槍進(jìn)行150 ℃預(yù)熱（見圖8），焊接過程中最大道間溫度250 ℃，焊后后熱消氫300～400 ℃/3～4 h。焊接電流采用直流反接，電流范圍500～600 A，焊接速度35～50 cm/min，線能量不大于35 kJ/cm。

根據(jù)ESAB十字臂埋弧焊焊機(jī)的原理及焊接速度，環(huán)縫焊接時(shí)采用設(shè)備自動(dòng)跟蹤和手工調(diào)節(jié)相結(jié)合的方法實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)頭位置，保證機(jī)頭與筒體之間的相對(duì)距離。焊接過程中對(duì)焊縫中間層、焊縫蓋層進(jìn)行VT檢測(cè)（見圖9）。

環(huán)縫焊接完成后，進(jìn)行100%射線檢測(cè)，環(huán)縫射線檢測(cè)時(shí)工裝暫不拆除，待整個(gè)產(chǎn)品合格后再行拆除。對(duì)焊縫進(jìn)行100%射線+100%超聲波+100%磁粉檢測(cè)，一次性合格，焊接效率較手工焊提高400%，同時(shí)由于焊縫金屬填充量小，產(chǎn)品角度尺寸更易得到保證。

7 結(jié)論

在帶廢鍋流程的殼牌氣化爐中，輸氣導(dǎo)管殼體屬于壓力容器外殼。由于結(jié)構(gòu)特殊，手工焊接無法保證其產(chǎn)品質(zhì)量，制造難度大。經(jīng)實(shí)際工程驗(yàn)證，采用文中所述的工藝方法可實(shí)現(xiàn)非直線型厚壁大直徑橢圓截面對(duì)接環(huán)縫的自動(dòng)焊，有效保證了產(chǎn)品焊接質(zhì)量，減少了生產(chǎn)車間工人勞動(dòng)強(qiáng)度，焊縫質(zhì)量也滿足產(chǎn)品要求，該工藝工裝設(shè)計(jì)技術(shù)還可推廣應(yīng)用于類似結(jié)構(gòu)的其他產(chǎn)品。

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收稿日期：2019-12-05;修回日期：2020-06-01

作者簡(jiǎn)介：黃 軍（1986— ），男，學(xué)士，主要從事壓力容器的焊接與研究工作。E-mail：huangj@dbc.com.cn。