大直徑壓力容器管板的加工

秦小川

（山西天脊煤化工集團股份公司)

壓力容器

大直徑壓力容器管板的加工

秦小川*

（山西天脊煤化工集團股份公司)

我國化工行業趨向大規模發展，就要求壓力容器制造得更大、更厚，因此壓力容器管板的直徑和厚度越來越大。如何充分利用現有設備加工大直徑管板，通過實踐摸索出一套獨特的加工方法。

壓力容器 大直徑管板 導向模板 加工

Abstract:With the large-scale developmentof China’s chemical industry,the pressure vessel requires bigger and thicker,so the diameter and thickness of the tube sheetneed bigger and bigger.A unique processingmethod had been explored by practice tomake fulluse of the existing equipment to produce large diameter tube plate.

Key words:Pressure vessel； Large diameter tube plate； Guide template； Processing

1 管板特點

此次加工的管板特點就是大直徑。管板坯料為餅型復合層堆焊鍛件，直徑為3.594m，厚度為89 mm，重量達7.5 t，進廠時已經完成車削工序，因此只需要進行鉆孔工序即可。但未找到能夠加工如此大工件的龍門式鉆床，只有一臺6080型搖臂鉆床，管板坯料 （以下簡稱坯料）的直徑超出搖臂長度，無法一次加工出全部管孔。

2 坯料進廠驗收

按照 《固定式壓力容器安全技術監察規程》的規定，這塊坯料進廠后要進行驗收。

首先，查看鍛件的質量證明書。質量證明書中注明：鍛件材料的化學成分和熱處理后的機械性能符合JB4726—2000中Ⅲ級規定，并且鍛件表面（不包括堆焊層表面）按照JB 4730.4—2005進行磁粉探傷Ⅰ級合格。

其次，目視測量坯料的厚度、圓度、直徑差、表面粗糙度等指標。檢查后發現，復合堆焊層表面部分區域堆焊高度不足，造成表面凹下不平，最低處低于圖紙尺寸近1mm。不銹鋼復合層表面無鐵銹侵染。

最后，經過無損檢測確認坯料內部無未熔合、折疊、分層、裂紋等缺陷，堆焊層內部無未熔合、裂紋等缺陷。

3 加工方法

鉆孔是利用不同材料的塑性、硬度差異，依靠工件與刀具的相對運動，將需要去除的材料從工件上 “剝離”。

為使刀具在直徑約3.6m的管板上做穩定的切削運動，我們制造了一個專用工作臺，尺寸為4m×4m×1m，用10#槽鋼和20mm鋼板組裝。

再制作一塊導向模板，規格為半徑1.8m，厚度20mm，直角邊偏出中心線100mm，即導向模板上含有管板全部孔眼的1/4。利用導向模板可以簡化劃線工序，還可以為鉆頭提供導向套的作用。

鉆孔前，將專用工作臺放置在搖臂鉆床的搖臂回旋范圍內，工作臺的四角用水平儀找平。再將坯料平放在工作臺上，中心重合，用千分表測出坯料表面的水平度，并調整使水平度差值保持在2mm范圍內。

坯料的水平度調好后，將導向模板放置在坯料上，并用卡具連接牢固，如圖1所示。按照1至4的順序調動模板，鉆頭對準導向模板的孔眼進刀，直至鉆孔完畢。

圖1 模板與管板坯料的連接

4 加工工藝

客戶要求管板孔徑為38.4+0.2mm，96%的管橋寬度為≥5.09mm，最小管橋寬度為3.05mm且不超過5個，管孔相對基層面的垂直度公差為0.1 mm，孔內粗糙度≤12.5μm。

材料性能：坯料的基層材質為20MnMoⅢ，厚度為82mm；復層材質為304L（00Cr19Ni10），厚度為7mm。材料的力學性能：20MnMoⅢ的抗拉強度為477MPa，屈服強度為330MPa；304L的抗拉強度為480MPa，屈服強度為177MPa。由此可以看出，304L比20MnMoⅢ較 “軟”，容易粘刀。

熱處理狀態：管板堆焊后進行消除應力熱處理。

選擇設備：現有一臺6080型搖臂鉆床。

選擇刀具：選用優質高速鋼鉆頭，直徑為38.4 mm，有效切削長度≥150mm。

選定切削要素：磨出10°左右的后刀刃利于排屑，40°～45°的主偏角以減少振動。

切削用量：進給量0.3mm/r（毫米/轉）；轉速： 150～180 r/m in （轉 / 分鐘）。

操作要求：

a.支撐平臺用槽鋼制作，管板水平放置其上，水平差值±1mm/m。

b.以基層為鉆入面，堆焊層為鉆出面，因為復層表面凹下不平，且304L材料較 “粘刀”，容易折斷刀具和造成孔徑超差。

c.進給深度達到10mm后回刀退屑。

d.為快速冷卻鉆頭，乳化液兌水稀釋，乳化液與水的比例為 1∶2。

e.模板與管板要裝夾牢固，不能有空隙。

f.交接班時進行自檢和互檢，檢查孔徑、表面質量和管橋寬度，抽查率為20%。

g.模板作為導向套使用，使用3副螺栓卡具與管板坯料連接固定。

h.用手持砂輪機清除管板表面的鐵屑，并用干凈紗布擦除乳化液，再涂抹機油防銹。

5 發現問題

剛開始加工時，就發現鉆頭進給困難，而且鉆床的搖臂有輕微晃動。嘗試切削10個管孔后，發現以下問題：

a.切削孔約一半深度時，刀頭發生燒結。

b.部分孔內徑超出上限值0.2mm。

c.切削過程中，模板有輕微振動，鉆頭處發出有規律的 “吱吱”響聲。

d.管橋寬度小于允許值5.09mm。

6 分析

產生以上問題的原因可能是：

a.刀頭燒結說明切削產生的熱量比較高，足以熔化鉆頭，這就需要減少切削熱的產生和加強鉆頭散熱。

b.孔內徑超差是因為模板與管板連接不牢固，引起鉆頭與管板相對運動，導致鉆頭受力失衡，鉆頭與孔內壁接觸的一側摩擦力較大，發出異響，嚴重時會折斷鉆頭。

c.管橋寬度小于規定值，主要因切削時徑向抗力過大，使刀具中心偏離進給方向，所以管孔會偏離設計位置，導致管橋寬度小于規定值。

d.切削過程中的異響是由于基層與復層之間存在熔合層，其力學性能與基層、復層都不同。通過在管板外圓側壁處測量硬度得知，熔合層的硬度較基層、復層高，硬度差異會引起鉆頭振動。

7 改進措施

a.對刀頭角度和切削用量做出調整：主偏角降為25°～30°，后角降為6°左右，轉速改為200 r/m in，進給量改為0.2mm/r。每次退刀后都要向鉆頭噴灑乳化液，為刀具降溫。這樣可以消除鉆頭燒結和管橋寬度小的問題。

b.增加夾具數量，由原來的3具增加為5具，并將鉆頭的直徑改為38.2mm，這樣可以消除孔內徑超差的問題。

c.要求操作人員在切削到70mm時改為全手動操作，手掌感覺到機床出現震動時降低轉速并緩慢進給，要求轉速降為150～160 r/m in。

通過實施改進措施，上述問題沒有再出現。共加工管板2塊，鉆孔5 455×2=10 910眼。經過檢驗，確認管孔尺寸、管橋寬度等指標均達到圖紙要求，管板加工完畢。

[1]胡農，劉繼福，邱彥龍.鉗工技師手冊 [M].北京:機械工業出版社，2006.

[2]胡農，劉繼福，邱彥龍.車工技師手冊 [M].北京:機械工業出版社，2006.

The Processing of the Tube Plate of Large Diameter Pressure Vessel

Qin Xiaochuan

TQ 053.2

2010-12-13）

*秦小川，男，1981年9月生，工程師。潞城市，047507。