直縫埋弧焊管坡口預(yù)熱裝置的設(shè)計(jì)

□ 路仁寬

中科北方裝備制造有限公司 遼寧營(yíng)口 115007

1 設(shè)計(jì)背景

大直徑鋼管通常采用直縫雙面埋弧焊或直縫埋弧焊方式基于鋼板成型,每根鋼管在縱向有一條焊縫[1]。直縫埋弧焊管的生產(chǎn)工藝靈活,可以生產(chǎn)工藝范圍內(nèi)任何規(guī)格與壁厚的鋼管。近年來,直縫埋弧焊管產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,要求也越來越高,合金鋼、大壁厚、高鋼級(jí)成為發(fā)展方向。在合金鋼管、管道、壓力容器管焊接前,為減小焊接的殘余應(yīng)力,改善焊縫的組織與性能,焊縫坡口應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱處理。高鋼級(jí)鋼管在冬季生產(chǎn)時(shí),為了防止產(chǎn)生焊接缺陷,也要在焊前對(duì)焊縫坡口進(jìn)行預(yù)熱處理[2-3]。對(duì)此,筆者設(shè)計(jì)了直縫埋弧焊管坡口預(yù)熱裝置。

2 現(xiàn)有加熱方式弊端

制管企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)線已使用多年,工藝及設(shè)備均已固定。原有的生產(chǎn)線,其工藝設(shè)計(jì)與設(shè)備工裝已不能滿足合金鋼、大壁厚、高鋼級(jí)的市場(chǎng)產(chǎn)品需求,加之技術(shù)條件等的限制,進(jìn)行合金鋼管、管道、壓力容器管焊接時(shí),為減小焊接的殘余應(yīng)力,只能采用將鋼管吊離連續(xù)作業(yè)生產(chǎn)線,離線對(duì)焊道進(jìn)行加熱的焊縫坡口預(yù)熱處理方式,進(jìn)而改善焊縫的組織與性能[4],這樣做存在一些弊端:

(1)預(yù)熱處理為離線作業(yè),生產(chǎn)不具有連續(xù)性,生產(chǎn)效率很低;

(2)加熱裝置大多為臨時(shí)制作,不能實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格鋼管產(chǎn)品之間的調(diào)整,無法適應(yīng)多種管徑及長(zhǎng)度變化;

(3)加熱裝置非專業(yè)定制,涉及的臨時(shí)工裝較多,既增加工裝制作成本,又降低工作效率;

(4)加熱裝置大多為非標(biāo)裝置,加熱效率較低,工人操作勞動(dòng)強(qiáng)度大,浪費(fèi)能源。

3 直縫埋弧焊管坡口預(yù)熱裝置

針對(duì)現(xiàn)有坡口加熱方式存在的弊端,設(shè)計(jì)了直縫埋弧焊管坡口預(yù)熱裝置,能夠在線對(duì)直縫埋弧焊管坡口進(jìn)行預(yù)熱。這一預(yù)熱裝備調(diào)整方便,由電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加熱區(qū)域和溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié),可以適應(yīng)不同管徑和管長(zhǎng)的鋼管。

3.1 結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的直縫埋弧焊管坡口預(yù)熱裝置包括龍門框架、升降機(jī)構(gòu)、懸掛裝置、加熱裝置、旋轉(zhuǎn)托輥裝置等部分,如圖1所示。

圖1 直縫埋弧焊管坡口預(yù)熱裝置結(jié)構(gòu)

龍門框架的橫梁上設(shè)置有升降機(jī)構(gòu),升降機(jī)構(gòu)包括多組同步運(yùn)行的蝸輪升降機(jī)。懸掛裝置沿龍門框架縱向設(shè)有長(zhǎng)梁,長(zhǎng)梁上部與蝸輪升降機(jī)中的升降絲桿連接,可隨升降絲杠升降。加熱裝置中的陶瓷加熱器縱向設(shè)置在懸掛裝置長(zhǎng)梁下方。龍門框架下方的地面上設(shè)有支撐、轉(zhuǎn)動(dòng)鋼管用的多個(gè)旋轉(zhuǎn)托輥裝置,旋轉(zhuǎn)托輥裝置安裝軸線與加熱裝置縱向中心線在同一立面內(nèi)。

龍門框架由兩根立柱和一根橫梁拼組焊接而成,立柱和橫梁均為由型鋼焊接的鋼結(jié)構(gòu)組件[5]。橫梁上焊接有加強(qiáng)斜筋,用于提高框架的整體剛性及抗彎能力。龍門框架的兩個(gè)立柱分別由地腳螺栓緊固在地面基礎(chǔ)上。

懸掛裝置與升降機(jī)構(gòu)連接如圖2所示。升降機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、傳動(dòng)軸、蝸輪升降機(jī)三部分,電機(jī)通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)蝸輪升降機(jī)同步運(yùn)行,蝸輪升降機(jī)中的升降絲桿向下穿過龍門框架的橫梁,與懸掛裝置連接[6]。升降機(jī)構(gòu)中,一臺(tái)電機(jī)通過五組聯(lián)軸器及兩根傳動(dòng)軸對(duì)三臺(tái)蝸輪升降機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),保證三臺(tái)蝸輪升降機(jī)的完全同步運(yùn)行。三臺(tái)蝸輪升降機(jī)分別驅(qū)動(dòng)三根升降絲桿。每根升降絲桿下端分別設(shè)有鎖緊套。升降機(jī)構(gòu)的電機(jī)、蝸輪升降機(jī)由螺栓固定在龍門框架的橫梁上,龍門框架的橫梁上開有通孔,升降絲桿從通孔中向下穿出。

圖2 懸掛裝置與升降機(jī)構(gòu)連接

懸掛裝置的長(zhǎng)梁與升降絲桿之間通過鎖緊裝置固定連接。鎖緊裝置包括固定在升降絲桿底端的鎖緊套和固定在長(zhǎng)梁對(duì)應(yīng)升降絲桿位置的固定套,鎖緊套和固定套之間通過固定螺栓連接。

懸掛裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。懸掛裝置由長(zhǎng)梁、下部鋼板、導(dǎo)向輪、軸承、銷軸、導(dǎo)向輪座組成[7-8]。長(zhǎng)梁為型鋼焊接件,下部水平焊接有下部鋼板,并設(shè)置加強(qiáng)筋板。長(zhǎng)梁兩端分別設(shè)置兩至四個(gè)導(dǎo)向輪,導(dǎo)向輪沿龍門框架的兩側(cè)立柱滾動(dòng),通過銷軸固定在導(dǎo)向輪座中。導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)軸上安裝有軸承。長(zhǎng)梁兩端分別以龍門框架的立柱作為導(dǎo)向柱,用于保證懸掛裝置上下運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性。長(zhǎng)梁上設(shè)有多個(gè)固定套,分別與升降絲桿底端的鎖緊套對(duì)應(yīng),并通過固定螺栓連接,使懸掛裝置由升降機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),完成升降動(dòng)作。

圖3 懸掛裝置結(jié)構(gòu)

加熱裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示,包括陶瓷加熱器、彈性鋼板、保溫棉等。彈性鋼板兩側(cè)通過多個(gè)支桿吊設(shè)在懸掛裝置長(zhǎng)梁下部鋼板的下方,每個(gè)支桿的兩端分別與彈性鋼板和懸掛裝置長(zhǎng)梁下部鋼板鉸接。彈性鋼板上鋪設(shè)陶瓷加熱器,陶瓷加熱器和懸掛裝置長(zhǎng)梁下部鋼板之間設(shè)置保溫棉。

圖4 加熱裝置結(jié)構(gòu)

陶瓷加熱器由鎳鉻合金絲纜外套高純度氧化鋁陶瓷絕緣層,制成履帶式結(jié)構(gòu),可以進(jìn)行任意拼接、彎曲[9]。每個(gè)陶瓷加熱器加熱單元的橫截面面積為0.09～0.49 mm2,多個(gè)加熱單元沿懸掛裝置長(zhǎng)梁方向拼接排列,上部與保溫棉接觸,下部由彈性鋼板支撐。彈性鋼板為拼接形式,沿懸掛裝置的長(zhǎng)梁方向排布。陶瓷加熱器的加熱單元分別通過線纜連接電控系統(tǒng),可以進(jìn)行單個(gè)、部分、全部通電及斷電控制,實(shí)現(xiàn)加熱或停止加熱操作。

旋轉(zhuǎn)托輥裝置有兩個(gè),設(shè)置在運(yùn)管車軌道兩側(cè)。旋轉(zhuǎn)托輥裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示,由減速電機(jī)和旋轉(zhuǎn)托輥組成[10-11]。旋轉(zhuǎn)托輥為包膠輥,由電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)托輥裝置布置在龍門框架橫梁的正下方,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼管的旋轉(zhuǎn)控制,保證焊縫旋轉(zhuǎn)到陶瓷加熱器的正上方,通過加熱裝置進(jìn)行焊縫預(yù)熱。

圖5 旋轉(zhuǎn)托輥裝置結(jié)構(gòu)

3.2 操作

龍門框架安裝在預(yù)焊后的鋼管儲(chǔ)運(yùn)臺(tái)架末端,位于V形輥道外側(cè)。在生產(chǎn)過程中,不需要焊縫坡口預(yù)熱的鋼管直接由輥道輸送至下一焊接工位。對(duì)于需要焊縫坡口預(yù)熱的鋼管,由運(yùn)管車運(yùn)輸放置在旋轉(zhuǎn)托輥上,啟動(dòng)減速電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)托輥轉(zhuǎn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)鋼管使焊縫一側(cè)向上,處于正對(duì)陶瓷加熱器的位置,停止鋼管旋轉(zhuǎn)。

直縫埋弧焊管坡口預(yù)熱裝置處于待工作狀態(tài)時(shí),懸掛裝置的升降絲桿始終處于最頂端。啟動(dòng)升降機(jī)構(gòu)電機(jī),使升降絲桿帶動(dòng)懸掛裝置與加熱裝置一起下降,直至加熱裝置中部即將覆蓋焊縫,停止下降。觀察加熱裝置與鋼管焊縫間隙,繼續(xù)點(diǎn)動(dòng)下降。鋼管外表面為圓柱形,焊縫處于最高點(diǎn)位置,最先接觸加熱裝置的彈性鋼板。加熱裝置整體為柔性結(jié)構(gòu),并且陶瓷加熱器上部襯有保溫棉,可以起到良好的緩沖作用,因此加熱裝置可以根據(jù)不同管徑鋼管弧度的變化進(jìn)行彈性調(diào)整。繼續(xù)點(diǎn)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)電機(jī),帶動(dòng)加熱裝置下降。加熱裝置在兩側(cè)支桿支撐作用下,最終全部與鋼管上表面弧度契合覆蓋。此時(shí)停止下降,啟動(dòng)加熱裝置對(duì)焊縫坡口進(jìn)行預(yù)熱。

根據(jù)所生產(chǎn)鋼管的長(zhǎng)度,事先在電控系統(tǒng)中設(shè)置陶瓷加熱器需工作的加熱單元數(shù)量和位置,按需要進(jìn)行加熱,最大限度節(jié)約能源。達(dá)到設(shè)定溫度后,加熱裝置停止加熱,啟動(dòng)升降機(jī)構(gòu)電機(jī)帶動(dòng)加熱裝置上升,將懸掛裝置抬起,直至升降絲桿上升到最高點(diǎn)。預(yù)熱好的鋼管由運(yùn)管車輸送至下一工位進(jìn)行焊接,然后進(jìn)行下一根鋼管的焊縫坡口預(yù)熱工作。

4 結(jié)束語

通過實(shí)際應(yīng)用,所設(shè)計(jì)的直縫埋弧焊管坡口預(yù)熱裝置與原有預(yù)熱技術(shù)相比,存在以下優(yōu)點(diǎn):

(1)能夠在線對(duì)直縫埋弧焊管坡口進(jìn)行預(yù)熱,不影響正常生產(chǎn)節(jié)奏;

(2)操作調(diào)整方便,通用性強(qiáng),由電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱區(qū)域和溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),適用于對(duì)不同管徑、管長(zhǎng)的鋼管進(jìn)行焊縫預(yù)熱,可以大大節(jié)省工裝成本;

(3)加熱裝置對(duì)焊縫坡口及鋼管預(yù)熱區(qū)完全契合覆蓋,采用履帶式陶瓷加熱器,加熱速度快,熱利用率高,節(jié)能顯著,并且使用安全可靠;

(4)能夠?qū)崿F(xiàn)全過程自動(dòng)化操作,降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,大幅提高生產(chǎn)效率。