一種新型封頭側孔接管法蘭馬鞍焊輔助工裝①

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(新疆蘭石重裝能源工程有限公司，新疆 哈密 839000)

在煉油化工行業，封頭上接管法蘭的焊接主要采用焊條電弧焊和馬鞍焊[1]，其焊接質量及焊接效率十分重要。粗芳烴加氫裝置或者多晶硅裝置中的封頭厚度較厚，若采用焊條電弧焊，焊接質量及焊接效率難以保證。馬鞍焊主要用于壓力容器制造，是在殼體、封頭、圓錐體上進行接管的自動埋弧焊接[2]。在目前封頭側孔馬鞍焊焊接過程中，封頭一般傾斜放置，馬鞍焊導電嘴隨著側孔的偏斜角轉動焊接[3]，即使按照焊接工藝評定的參數進行馬鞍焊，焊接過程中仍會產生不同程度的焊接缺陷，如氣孔、夾渣、焊瘤、冷裂紋、再熱裂紋及多變化裂紋等[4]。

為了提高封頭側孔接管法蘭和鍛管等的裝配精度和焊接質量，筆者設計了一種新型封頭側孔接管法蘭馬鞍焊輔助工裝，利用此輔助工裝可確保馬鞍焊導電嘴始終與焊接位置垂直，從而保證焊接的高質量、高精度、高效率和高可靠性[5]。文中以某粗芳烴加氫裝置中沸騰床反應器下封頭側孔接管法蘭焊接為例[6]，介紹了新型馬鞍焊輔助工裝的應用。

1 封頭側孔接管法蘭焊接方法

1.1 焊條電弧焊

焊條電弧焊是壓力容器制造中應用最廣泛的焊接方法。焊條電弧焊焊接過程中的相關設備及輔助工具有焊機、焊鉗、焊接電纜、面罩、敲渣錘和焊條保溫桶[7]。根據封頭的實際尺寸選用不同規格的焊條，選擇對應的焊接工藝參數進行焊接。焊條電弧焊常見的焊接缺陷有咬邊、焊瘤、電弧擦傷、未熔合、夾渣、未焊透、氣孔和裂紋等[8]。

1.2 馬鞍焊

馬鞍焊時，機械主體完成圓柱坐標運動，調整旋轉主軸與焊接接管中心軸接近同軸，完成圓柱坐標的旋轉運動，1個伸縮臂完成焊接旋轉半徑調節，伸縮臂端部安裝1個升降桿完成升降運動(即沿接管母線方向運動)[9]，由此完成空間相貫曲線的運動。馬鞍焊焊接過程中的相關設備以及輔助工具有馬鞍埋弧焊機、焊接夾具、工件變位設備、焊縫成型設備和焊機回收輸送設備等[10]。根據封頭實際尺寸選擇不同規格焊絲，選擇對應的焊接工藝參數進行焊接。馬鞍焊常見焊接缺陷有氣孔、夾渣和裂紋等[11]。

與焊條電弧焊比較，馬鞍焊具有以下優點：①生產效率高。②焊接時有熔渣保護，熔化金屬不與空氣接觸，因此焊縫金屬中含氮量降低，而且熔池金屬凝固較慢，液體金屬和熔化焊劑間的冶金反應充分，減少了焊縫中產生氣孔、裂紋的可能性[12]。③馬鞍焊焊接工藝參數通過自動調節保持穩定，對焊工操作技術要求不高，焊縫成型美觀、成分穩定、力學性能好且焊縫質量高[13]。④馬鞍焊弧光不外露，沒有弧光輻射，焊工工作強度低、勞動條件好[14-15]。

2 沸騰床反應器下封頭開孔情況

為了滿足生產需求，封頭上開孔情況愈加頻繁。某粗芳烴加氫裝置中沸騰床反應器的下封頭開有進料口N2、循環泵入口N3、循環泵出口N4、催化劑添加卸料口N5和人孔M2共5個孔，其中不在垂直方向的側孔有4個，見圖1。在當前的焊接方法以及輔助工裝下，這些側孔的裝配精度、焊接質量以及焊接安全性均存在不確定性，難以得到保證。

圖1 沸騰床反應器下封頭開孔圖

3 新型馬鞍焊輔助工裝結構及特點

新型馬鞍焊輔助工裝主要由墊板、立板、立管、支板、側板、螺母、螺柱和墊片等零件組成，具體結構及尺寸見圖2，俯視圖見圖3。

1.墊板 2.立板 3.立管1 4.立管2 5.支板 6.側板 7.立管4 8.立管5 9.螺柱 10.螺母 11.墊片圖2 新型馬鞍焊輔助工裝結構及尺寸

圖3 新型馬鞍焊輔助工裝俯視圖

該輔助工裝是為克服現有技術缺陷而全新設計制造的，其通用性強，操作簡單，易于移動，可以針對不同規格的封頭和接管法蘭多次重復利用，能夠改善接管法蘭、加強段等的焊接質量，提高焊接效率并降低成本[6]。

4 新型馬鞍焊輔助工裝操作應用

4.1 具體操作

不管封頭規格尺寸如何，套管1始終位于封頭端點處，即側孔處于水平位置后封頭一端的最高點。套管2/套管3與套管1之間距離為1 772 mm，套管2和套管3之間的橫向距離及套管2/套管3與套管1之間的縱向距離主要參照技術圖樣進行一次實際放樣，再按照安全生產過程中的實際位置確定。

待封頭側孔處于水平位置，封頭端點處套管1及套管2/套管3組成穩定的三角形后，再利用螺栓、螺母進行套管2/套管3與套管1水平高度差的調整，螺栓孔之間距離為300 mm，套管1有3擋可調整，套管2與套管3有2擋可調整，也可按實際生產需要對其距離進行細分(100 mm)。

根據不同規格的封頭以及不同方位的側孔，對立板、側板位置進行調整，然后采用角焊縫形式將立板、側板焊接固定。當封頭最高點位置與套管2/套管3對應的最低點為立板、側板處時，封頭即安全穩定，可進行馬鞍焊焊接。立板、側板的主要作用是保證封頭穩定防滑，提高封頭受外力作用時的安全性。

在采用此輔助工裝焊接過程中，要注意3個套管之間縱向及橫向距離的準確性，要在技術圖樣及實際安全生產規范內保證側孔始終處于水平位置。還需保證馬鞍埋弧焊機的高度、焊接參數的穩定性以及側板和立板的焊接強度，即確定操作安全性。

采用新型輔助工裝馬鞍焊后的沸騰床反應器下封頭成型美觀，見圖4。

圖4 沸騰床反應器下封頭側孔焊后成型效果

4.2 成型質量

利用新型輔助工裝進行封頭側孔接管法蘭馬鞍焊，不僅減少了操作工的打磨量，而且因側孔一直處于水平位置，因此提高了接管的裝配精度。與不采用輔助工裝的焊條電弧焊相比，馬鞍焊在焊接質量、外觀成型、裝配精度、焊接效率等方面均優于焊條電弧焊，2種焊接方法焊接質量無損檢測統計見表1。

表1 2種焊接方法焊接質量無損檢測統計

5 結語

設計的新型輔助工裝主要針對封頭側孔接管法蘭的馬鞍焊焊接，焊接時封頭的傾斜角度是根據側孔調整到水平時的角度而定的，即馬鞍焊時封頭始終處于一定的傾斜角狀態，而相對的接管法蘭、加強段等則處于水平位置，從而可以保證裝配精度(垂直度、水平度)。馬鞍焊后封頭側孔接管法蘭在焊接質量、外觀成型、裝配精度和焊接效率等方面均優于焊條電弧焊，制造成本低，通用性強，可重復利用。