筒體半自動火焰切割削薄技術的研究

施星光* 林遠龍 王紅源 郜曉龍

（寧波市特種設備檢驗研究院）

0 前言

隨著石油化工裝置的大型化發展速度加快，設備的尺寸逐漸增大，壁厚也隨之增大。GB 150.4—2011《壓力容器 第4 部分：制造、檢驗和驗收》標準中6.5.3條規定：當兩側鋼材厚度不等時，若薄板厚度δ＞10 mm，兩板厚度差大于30%δ，或超過5 mm 時，均應按要求單面或雙面削薄厚板邊緣。常規的制作工藝是在板材下料切割坡口時就對厚板進行削薄處理，但在卷制時會因兩端鋼板厚度不等而造成筒節兩端的延伸量不一致，導致板材卷制后削薄部位外翻，形成單個筒節的大小頭，無法滿足規定的圓度要求；另一種制造工藝是利用大型立式車床削薄技術，在筒體卷制后采用立式車床對厚板邊緣進行削薄，但是由于目前國內具備立式車床削薄技術的廠家較少，而且大直徑設備也難以實現立式車床削薄加工。

1 項目背景

由某公司承制的某煤氣化裝置中包含煤給料罐和激冷水過濾器，其具體尺寸可見表1。

表1 設備尺寸表

按照圖紙和規范要求，上述設備在筒體與封頭對焊時需對筒體進行削薄加工。但是對上述設備的規格尺寸進行分析后發現，無論采用先削薄后卷制工藝，還是采用立式車床削薄工藝，均難以實現，且會嚴重影響工期。為了縮短制造工期、提高工作效率、充分利用現有裝備資源，將半自動火焰切割機進行了技術改造，制作了簡單的工裝，選擇合理的削薄方式，來完成大直徑設備筒體厚板的削薄及坡口加工工作。

2 切割削薄技術的應用

2.1 工藝原理

本工藝采用改進的半自動火焰切割機對筒體厚板進行削薄加工。按照圖紙和GB 150.3—2011《壓力容器 第3 部分：設計》標準中附錄D.2.2，GB 150.4—2011《壓力容器 第4 部分：制造、檢驗和驗收》標準中6.5.3 條的要求來確定筒體削薄的坡口尺寸和形式。根據筒體的直徑、壁厚及筒節高度來設計合理的削薄方式，如騎掛式、平臺軌道式及托輥旋轉式等。按筒體的板材厚度及削薄坡口尺寸，選擇合適的割嘴型號及氧氣壓力，同時對設備的切割坡口進行電加熱補償，使切割金屬盡快達到相應的燃燒溫度，縮短預熱時間，從而增大切割速度并提高切割質量。

2.2 工藝流程

削薄坡口的確定 → 行走機構選擇 → 工機具準備 → 筒體就位 → 割嘴形式選擇 → 調試供氣系統 →安裝行走機構 → 筒節預熱 → 調整割嘴角度 → 開始切割 → 溝槽補焊 → 坡口打磨 → 表面檢查。

2.3 關鍵操作要點

2.3.1 削薄尺寸確定

通常制造廠家會根據自身的封頭壓制工藝，靠增加封頭的厚度來確保壓制后滿足圖紙要求的最小成型厚度。因此，根據GB 150.3—2011 標準中附錄D焊接接頭結構D.2.2 條中 f）封頭厚度小于圓筒厚度的接頭形式進行削薄，具體如圖1 所示。

圖1 封頭厚度小于圓筒厚度

2.3.2 削薄切割方式的選擇

根據筒體的直徑、壁厚及筒節高度來設計合理的削薄方式，具體可分為騎掛式、平臺軌道式及托輥旋轉式。

（1） 騎掛式

騎掛式是指利用設備筒體的筒節作為切割機的行走軌道。該方式采用特定的行走機構作為行走的動力源,行走機構控制箱安裝在筒節立面外側左上角，其馬達輸出動力通過背面的齒輪傳送給安裝在筒節上邊緣的軌道輪。同時在機架下端安裝一個靠輪來保證切割設備的穩定性。輪子和鋼板端面的接觸部分應加裝耐高溫、耐磨的橡膠層，以提高行走時的穩定性，同時增大摩擦力，防止因打滑而影響切割質量。該切割方式不但可以省略輔助軌道，還可以提高切割的軌跡精度，使切割機在筒節上邊緣沿筒體圓周方向進行切割，如圖2 所示。

圖2 騎掛式切割削薄

（2） 平臺軌道式

平臺軌道式是指在筒節上端內壁沿圓周方向均勻焊接4 個由50 mm×50 mm 等邊角鋼制作的三角形支撐，在支撐上鋪設比筒節內徑小50 mm的圓形鋼板平臺，在鋼板平臺圓心制作 2 mm的定位中心孔，孔上設置 16 mm的圓頂錐，在圓頂錐和切割機之間設切割導向桿，操作者在圓板平臺上操作切割機，確保沿筒節圓周方向的勻速切割，如圖3所示。

圖3 平臺軌道式切割削薄

（3） 托輥旋轉式

多個筒節組焊成整體后，當采用以上兩種切割方式時，需要將設備翻轉成立式狀態，而且需要搭設腳手架及進行高處作業，資源浪費較嚴重。因此可采用托輥旋轉式削薄方式，當筒節處于臥式狀態時采用磁力管道切割機進行削薄，如圖4 所示。將筒節放置在托輥上，將兩個托輥的底板調平，防止在托輥旋轉時筒體竄動。將磁力管道切割機安放在筒體內側，伸長切割架頭，使割嘴具備轉角90°的條件。沿設備筒體內側安裝2 條 6 mm 的鋼筋軌道框作為磁力切割機的行走軌道，通過托輥的旋轉和電磁式切割機滾輪的轉動來實現沿圓周軌跡切割。在切割過程中需保證托輥的旋轉速度與切割機的行走速度一致，從而確保切割位置在筒體的正下方，否則會使切割機向兩側移動，影響切割質量。

圖4 托輥旋轉式切割削薄

2.3.3 割嘴型號選擇

根據已制定坡口的形式尺寸，對照削薄的長度選擇合適的割嘴型號。割嘴過大時，氣體消耗量增加，割縫過寬，影響切割質量；割嘴過小時，氣流過窄以至熔渣難以排除，造成切割困難。割嘴型號選擇可參考表2。

表2 切割嘴型號選擇

2.3.4 供氣壓力調整

切割時需根據坡口的尺寸形式、割嘴大小及氧氣的純度來確定氧氣的壓力。削薄長度越長，割嘴型號越大，所需的氧氣壓力越高。適當提高切割氧氣的壓力，可以提高切割質量和增大切割速度。但當壓力超過一定數值時，切割氧氣流會產生紊流，同時對切割過程起到冷卻作用，反而使切割質量降低。如果氧氣壓力過低，割縫燃燒不夠充分，并且會由于壓力不足造成氣流吹力不夠，而使根部削不透。因此供氣時需采用集中供氣模式，將多個氧氣瓶通過氣帶并連在氣包上，然后通過高壓氣帶提供氧氣，如圖5 所示。

圖5 供氣示意圖

2.3.5 工件預熱情況

利用改造后的切割設備進行切割時，通過現場實踐后發現，削薄成型端口向下僅120 mm 長度內符合平整光滑的要求，再向下則有明顯溝槽缺陷。主要原因是板材較厚，火焰到達120 mm 以下區域的熱量不夠，下層金屬的燃燒速度比上層慢，切面形成很大后拖量，熔渣堵塞切口下部，從而造成溝槽。因此在切割過程需對筒體進行熱補償，熱補償應采用電加熱模式，其加熱均勻度受電腦溫控儀自動調節控制，能精確保證削薄部位在削薄過程中始終保持在設定溫度。

2.3.6 切割操作過程控制

割嘴與筒體的傾斜角度是根據削薄的厚度來確定的，適當增大后傾角，可以對削薄底部提前進行預熱，從而提高削薄質量、增大削薄速度。割嘴與筒體表面的距離要按預熱火焰的分布情況控制，一般以5 ～10 mm 為宜。距離太近時，會降低預熱火焰溫度，增加氧氣對割縫的冷卻作用；距離太遠時，則預熱火焰溫度不夠，割縫燃燒效果不好，造成切割困難。氣割開始時，首先用預熱火焰將工件邊緣加熱到燃燒溫度，割嘴微向外傾斜，打開切割氧氣閥門，待吹除氧化鐵形成割縫后，逐漸將割嘴角度調整到垂直或向前傾斜一定角度（根據削薄的尺寸確定），平穩地沿著筒體的圓周方向行走，即可完成切割作業。

3 結論

簡述了半自動火焰切割削薄技術的應用，通過對半自動切割機進行改造，并采取了一系列的保障措施，實現了筒節成型后的切割削薄工作。將原本需要立式車床加工的坡口，在工廠內利用半自動火焰切割機完成加工。該技術縮短了設備的整體制造工期，保證了施工質量和進度，對今后大型厚壁設備的坡口加工提出了新的加工方式，值得借鑒使用。