等離子切割工藝在電站鍋爐施工中的應用

陳明，李琴

(1.中電投電力工程有限公司，上海市，200233;

2.哈密地區特種設備檢驗檢測所，新疆維吾爾自治區哈密市，839000)

0 引言

在電站建設中，鍋爐水冷壁及包墻過熱器對口焊接時，鰭片的切割工作量相當大。一般情況下1臺600MW超臨界機組鍋爐水冷壁現場安裝焊口約為14 000道，包墻過熱器約為3 000道，而每道焊口組對時均要對鰭片延管子軸向切割開縫(長度為400～1 000 mm)，以提高管子對口質量。傳統的切割方法是采用氧－乙炔火焰切割法。氧－乙炔火焰切割法應用廣、工藝成熟，已為電站建設發揮了重要作用。隨著近年來新建機組容量不斷增大，鍋爐水冷壁及包墻過熱器鰭片多為耐熱合金材質，如 15CrMo、12Cr1MoV、T23等，屬低中合金鋼，焊接的主要問題是冷裂紋、再熱裂紋和回火脆性［1］。這些耐熱合金材質采用氧－乙炔火焰切割法切割后，切口寬窄不均、表面粗糙，容易掛渣;而且切割面容易碳化和形成淬硬組織，在打磨不徹底的情況下進行密封焊接，易在焊縫內產生夾雜、未熔合、裂紋等缺陷，從而影響密封焊接質量。經調查，近年來在多個電廠發生過因鍋爐鰭片密封焊接質量差，引起焊縫開裂，導致爆管停機的事故。本文認為，采用氧－乙炔火焰切割法切割合金鰭片的工藝在技術上已顯現出不足，加之近年來氧、乙炔氣體價格的不斷攀高，給施工成本帶來一定的壓力，因此必須改進切割工藝。本文介紹等離子切割設備作業適應性的改進以及應用于實際工程的關鍵技術，并將其與氧－乙炔火焰切割法進行技術經濟對比分析，以期探索電站鍋爐鰭片切割新技術。

1 等離子切割設備作業適應性改進

普通等離子切割機標準配置的引出導線較短(約5m)，與其配合使用的空氣壓縮機是獨立的，作業半徑小，因此此類切割機較適合在室內固定工作區域作業。切割水冷壁及包墻鰭片時作業半徑大，特別是高空安裝時作業面與格柵平臺跨距大，當采用等離子切割機切割鍋爐鰭片時，需不斷地搬動切割機及空氣壓縮機，才能實現各施工位置的切割作業，施工極為不便，基本不能滿足大面積切割的需要。為了解決上述問題采取了如下措施:

(1)考慮到高空切割作業，確定作業時最遠的作業面與鍋爐格柵平臺的距離，然后向等離子切割機生產廠家定制加長型引出導線，長約20m。通過加長引出導線增加不移動設備時的作業半徑，同時將等離子切割機與空氣壓縮機進行組合。

(2)根據等離子切割機和空壓機的體積、質量制作1臺可靈活移動的小車，將切割機及空壓機固定在小車上，并做好防雨罩及接地裝置。小車的輪子直徑要選擇合理，要確保可以在水平放置的水冷壁管排及鍋爐格柵板上靈活行走且能靈活轉彎。

通過上述改進，鍋爐水冷壁及包墻過熱器鰭片可全部實現等離子切割，不再受設備作業半徑限制。等離子切割設備可移動小車如圖1所示。

圖1 等離子切割設備移動小車Fig.1 Travelling car with plasma cutting equipment

為了確保切割鰭片時切口的直線度及避免管子被割傷，根據水冷壁及包墻管子直徑專門設計了結構輕便、移動靈活的導向軌。導向軌有2種，一種用于水平作業，另一種用于垂直或其他方向的作業。垂直作業導向軌是在水平作業導向軌的基礎上增加了磁鐵裝置(如圖2所示)，可在呈垂直狀態的水冷壁或包墻上快速固定，快速分離，切割時只需將割炬置于導向軌中心，延導向軌中心劃動，即能實現快速直線切割。

圖2 磁吸式全位置固定導向軌Fig.2 Magnetic all position fixed guide rails

2 空氣等離子切割工藝

2.1 空氣等離子切割原理

等離子切割機是一種新型的熱切割設備，它是以氧氣或氮氣為工作氣體，利用高溫等離子電弧的熱量使工件切口處的金屬局部熔化和蒸發，并借高速等離子流的動量排除熔融金屬以形成割縫的一種加工方法［2］。按照等離子工作氣體的不同，可將等離子切割法分為等離子氧氣切割法、等離子氮氣切割法、等離子空氣切割法及等離子氬氣－空氣切割法［3］。切割過程中熔化的金屬幾乎不發生金屬燃燒，屬于物理切割，與氧－乙炔火焰切割有本質區別。等離子切割法不受材料燃點的影響，切割材料范圍廣，可用于不銹鋼、耐熱鋼、鋁、銅、鑄鐵、碳鋼等各種金屬材料的切割。

2.2 施工機具

等離子切割機(LGK100I)1臺、導向軌2套、微型空氣壓縮機1臺、移動小車1臺、噴嘴及電極若干(機具數量可根據現場情況合理配置)。

2.3 設備主要工況

微型空氣壓縮機排量≥0.3m3/min，額定排氣壓力為0.4～0.8 MPa，要有干燥器及過濾器，確保空氣清潔、干燥、無油。等離子切割機輸入電源電壓為380 V，額定輸出電流為100 A，額定輸出電壓為120 V。

2.4 操作人員

切割作業人員持特種作業操作證(在有效期內)，并經現場模擬考核合格［4］。

2.5 主要工藝參數

等離子切割鰭片主要工藝參數如表1所示。

2.6 操作流程及工藝

(1)操作流程為:預通氣→主電路供電→高頻引弧→切割過程→息弧→停止。

表1 等離子切割鰭片主要工藝參數Tab.1 Main process parameters of plasma cutting fins

(2)為保證割口垂直度，在切割時噴嘴要與工件垂直［5］。持槍姿勢原則上應使等離子焰流與鰭片垂直，以免增大等離子弧軌跡而影響切割速度。

(3)引弧切割時，應從鰭片的邊緣開始引弧，割炬噴嘴距鰭片的高度為2～5 mm(如圖3所示)。遇到需要從中間開始切割的鰭片，應先穿孔，再從孔的邊緣開始引弧。穿孔時割炬噴嘴距鰭片表面的距離應為切割時的2倍左右，且應呈一定的角度，以利于將熔化金屬吹走，防止反渣燒壞噴嘴。

圖3 引弧時割炬噴嘴與工件相對位置Fig.3 Relative position between arc torch nozzle and workpiece

(4)切割過程中，切割速度保持在能割穿工件就行，不宜太快或太慢，約為2 000 mm/min。要實時根據切割電弧的形態控制切割速度，切割電弧保持稍傾斜，這樣易于清理掛渣［6］，如圖4所示。切割速度過快不但割不透工件，反而會引起反渣燒壞噴嘴，或在切口下部掛渣呈硬珠狀，如圖5(a)所示;過慢則會導致噴嘴升溫過高，降低噴嘴使用壽命，且割縫變寬，熔渣增多，并可能會造成斷弧，而且在下部掛渣增多呈大泡狀，如圖5(b)所示;合適的切割速度則不會在切口下部產生熔渣，切面紋理如圖5(c)所示。

圖4 切割速度與切割電弧形態示意圖Fig.4 Cutting speed and cutting arc shape

圖5 切割速度過快、過慢、適宜時工件外貌Fig.5 Workpiece surface when cutting speed is too fast，too slow or appropriate

(5)停止切割時，要先松開割炬開關，然后再將割炬移離工件。

(6)工作時空氣壓力一般調節在0.3～0.5 MPa，因使用了加長型的導氣管需考慮長導氣管的壓降，空氣壓力應當根據實際情況在上限值之間變動以得到最佳匹配。如果壓力太低，將無力吹走熔化金屬，電極噴嘴冷卻不好易燒損;壓力太高，又會使割縫偏斜，切口溫度下降太快，使割縫金屬的熔化性和流動性不良，影響切割厚度。

2.7 安全操作注意事項

(1)保護接地線必須用截面積不小于10 mm2的電纜線，并可靠接地。

(2)安裝輸入、輸出電纜或氣管，安裝割炬或裝卸割炬配件時一定要切斷輸入電源。

(3)檢查確認割炬的電極、氣體分配器、噴嘴等是否緊固。

(4)切勿在通電的情況下移動切割機，設備通電后不得拆卸箱殼及接觸帶電零件。

(5)切割機的輸出電壓很高，裝配更換電極或噴嘴時必須關閉電源并戴上防護手套。

(6)割炬不能放在剛切割過的工件上，以免燒損割炬及護套。

(7)切割工作全部結束后，切斷電源開關和氣源閥。

3 等離子切割法與火焰切割法對比

3.1 切割質量對比

采用等離子切割法切割15CrMo鋼鰭片后，切割面光潔平整，表面氧化物極少，切縫均直，切口寬度均勻［7］，切縫通透性好有利于管子對口時彈性調整，可有效避免強力對口(見圖6(a));切割件背面基本沒有出現熔瘤或掛渣現象(見圖6(b));密封焊接前基本不用打磨清理，有利于降低施工成本，提高密封焊接質量。因等離子熱源較氧－乙炔火焰更為集中，切口熱影響區窄，且切割時使用導向軌能使切縫開在兩管子間中心位置，避免了因管子兩側受熱不均勻而發生彎曲變形，有利于保證管子對口質量。

圖6 采用等離子切割法切割后的水冷壁鰭片正背面形貌Fig.6 Front and back morphologies of water wall fins after plasma cutting

采用氧－乙炔火焰法切割15CrMo鋼鰭片，由于對Cr、Mo合金元素的切割性較差［8］，所以切割面粗糙，熱影響區寬(見圖7(a));背面容易掛渣(見圖7(b));密封焊前需大量進行打磨處理，直線度也有所不足，切割后的管子易發生彎曲變形，給管子對口帶來影響，易導致錯口或折口。

3.2 操作性對比

氧－乙炔火焰切割法切割時需雙手操作，因割具結構的特點不利于在某些空間狹小的位置作業，且對切割人員操作技術水平要求高，需經過專業的培訓，并要掌握一定的防止回火等安全技能［9］;等離子切割法操作簡單，而且是單手作業，因割具小、操作靈活故可進行困難位置的切割作業，對操作者的技術水平要求低，按照說明書在較短時間內即可掌握操作技能。

圖7 采用氧－乙炔火焰切割法切割后的水冷壁鰭片正背面形貌Fig.7 Front and back morphologies of water wall fins after oxy-acetylene flame cutting

3.3 切割速度對比

有研究認為，與火焰切割相比，在工件厚度小于25 mm的情況下，等離子切割法作業速度快、效率高、質量好，其切割速度幾乎是氧－乙炔切割法的5～6倍［10］。經實測，厚6～8 mm的鰭片用氧－乙炔切割法切割時，切割速度約為500 mm/min。由于火焰切割法切割時需對起點進行預熱，預熱時間為2～3 s;切割鰭片切縫短而密，需要頻繁地從起割點預熱切割，因此大大影響了切割速度。等離子切割法切割鰭片的速度約為2 500 mm/min，切割速度是氧－乙炔火焰切割法的5倍。

3.4 成本分析

以某發電公司“上大壓小”2×600MW機組工程為例，按實際情況進行對比。

(1)氧－乙炔火焰切割法。計算條件:氧氣每瓶為18元，乙炔每瓶為80元;每3 h用1瓶乙炔、2瓶氧氣;切割速度為500 mm/min。由此計算出每切割1m鰭片材料成本為1.3元。

(2)空氣等離子切割法。計算條件:噴嘴和電極是等離子切割的耗材，每2 h換1套噴嘴及電極，成本為12元;切割機每h用電量為19 kW·h，空氣壓縮機每 h用電量為5 kW·h，每 kW·h電費為0.8元;切割速度為2 500 mm/min。由此計算出每切割1m鰭片材料成本為0.2元。

綜上對比可知，在不考慮設備成本、人工成本的情況下，在切割6 mm厚的包墻鰭片時，采用等離子切割法的成本約為采用氧－乙炔火焰切割法成本的1/6。比較等離子切割法與火焰切割法切割的鰭片，前者切縫勻直、寬窄均勻，有利于密封焊接，焊后焊縫寬窄均勻，成形美觀，具有節約焊材的優勢。

4 結論

(1)空氣等離子切割機經改進輔助設備，可適用于電站鍋爐建設中鰭片的切割。

(2)空氣等離子切割法與氧－乙炔火焰切割法相比，具有切割質量好、成本低的優點，有利于提高鍋爐水冷壁、包墻管子對口質量;同時也有利于提高鰭片密封焊接質量，可降低由密封焊質量差導致鍋爐爆管而引起的非計劃停機的幾率。

(3)等離子切割鍋爐鰭片的工藝值得同類電站建設推廣應用。

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