注汽鍋爐對流管板加工工藝研究

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【摘要】通過火焰切割和空氣等離子弧加工比較，研究空氣等離子切割工藝參數控制規律,實現出口鍋爐對流段管板精細加工，解決管板加工開孔掛渣和切割精度問題，保證管孔切割質量和后續的穿管順暢程度及焊接對位質量，在提高工效和質量的同時,改善了作業人員的作業環境、也減輕了作業強度。

【關鍵詞】出口鍋爐；管板加工；空氣數控等離子

1引言

某公司制造的出口鍋爐對流段重要部件管板（長2813mm、高3370mm），共開234個孔（分別為準138mm和準100mm孔），這些孔沿對流段管板布局集中分塊均勻分布，板厚為δ=16mm/Q235B，孔間距最小處14mm，特點是孔距近、管孔密集，如加工不當造成管孔直徑偏大，導致管孔外緣間距過小，會影響管板強度；若加工孔偏小，造成對流段爐管穿管困難或者壓根就穿不進去，還對高溫熱膨脹產生影響。由于管板尺寸過大，要進行高度方向拼版，這就要求加工好的管板，管孔要錯開焊縫并沿焊縫兩側對稱分布，確保管板強度。因此，對注汽鍋爐管板加工進行工藝研究，實現精密加工勢在必行。

2篩選加工工藝

2.1加工工藝方法研究。因沒有裝備空氣等離子切割設備，油田注汽鍋爐制造對流段管板常采取兩種加工工藝：機械冷加工工藝和氧氣乙炔火焰熱切割加工工藝。機械冷加工的設備通常采用立式鏜床鏜孔加工管孔，由于鏜床加工管孔過程軸向力和扭矩較大等因素的影響，不易折斷切屑，黏結住了切屑，致使切屑難以排出，最終可能導致加工硬化，同時加快刀頭切削角磨損；在加工管板時，由于管板幅度大、剛度較差，頻繁產生共振，也導致加工偏差，進而對進給量、鏜削速度進行限制，致使鏜孔生產工效低，影響出口鍋爐工期時限。常規的氧氣乙炔火焰熱切割加工存在管孔掛渣和清渣、管板變形大等問題外，由于管板的管孔密集、間距小，加工精度難以保證，為后續矯正變形和穿管造成極大困難[1]。空氣等離子切割是逆變電源、等離子切割技術和數控技術集成的新技術，是工件切口處的局部金屬被由逆變電源產生的高溫等離子電弧發出的熱量熔化（和蒸發）的切割加工過程，由于空氣中含體積分數約78%的氮氣，因此，利用加壓的高速壓縮空氣對等離子切口處產生的熔渣進行吹掃，其主要優點在于等離子電弧的能量大，切割速度快，提高了加工精度、節約材料、提高了勞動生產率。尤其在切割普通碳素薄鋼板時，加工出的工件變形小、切割面光潔、精度高的管板管孔，效率是氧氣乙炔切割的5~6倍[2]。2.2加工方法試驗。以現有加工條件，使用氧氣乙炔火焰熱切割加工和空氣等離子加工進行加工進行試驗。通過實際試驗驗證，加工注汽鍋爐管板，氧氣乙炔火焰熱切割加工的管板變形嚴重，管孔表面夾渣，端面切痕嚴重，焊嘴燒損嚴重，不符合管板加工要求。為獲得良好的出口鍋爐管板加工質量，利用空氣等離子切割，首次進行加工試驗。切割時，為獲得能量的高密度，采取大幅縮小噴嘴孔尺寸產生極高壓縮弧，配合壓縮加壓空氣，通過等離子切割加工的管板，管孔成型效果良好。在切割板厚為δ=16mm/Q235B的普通碳素鋼管板時，速度約可達氧氣乙炔火焰熱切割加工的5倍，切割斷面光潔，熱變形小，幾乎沒有熱影響區，變形極小，符合出口鍋爐管板質量要求，最終選取空氣等離子切割加工注汽鍋爐管板。

3空氣等離子精密切割加工對流段管板

影響等離子切割質量的主要因素包括：1）控制保持切割斜角在0°:通過調節割炬高度、調節弧壓來實現調整切割斜角；2）高速熔渣量、頂部熔渣量的多少可以通過逐步減少弧壓來消減，直至消除；3）調整切割速度至1200mm/min，有效消除了切割截面上的波紋深度；操作切割機時，及時清理割嘴上的飛濺熔渣，也能消減切割截面上的波紋，而且還能使割嘴的使用壽命加長；4）穩定弧柱電壓和控制空載電壓：足夠高的空載電壓是空氣等離子切割引弧容易和離子弧燃燒穩定的條件，保持弧柱電壓在空載電壓的約1/2，提高弧柱電壓來增加等離子弧的功率，加快切割速度或者切更厚的板；通過氣體流量調節和電極內縮量加大，調節弧柱電壓，弧柱電壓超過65%的空載電壓時，等離子弧處于不穩定狀態；5）氣體流量的控制：氣體流量的增加會提高了弧柱電壓，使弧柱的壓縮作用增強，集中能量的等離子弧形成更強的噴射力，提高了切割質量和速度。但過大的氣體流量使弧柱變短，導致損失熱量增加，進而切割能力減弱，不能開展正常切割過程；6）割嘴高度調整：確保合適的被割工件表面至割嘴端面4~10mm的割嘴高度距離才能充分體現等離子的切割效率。同樣和上面提到的電極內縮量，不合適的距離，會使割嘴頻繁燒損，更談不上切割質量和切割效率。以上各種因素直接影響等離子弧的壓縮效應，也就是影響等離子弧的溫度和能量密度，而等離子弧的高溫、高能量決定著切割速度，所以以上的各種因素均與切割速度有關。在保證切割質量的前提下，應盡可能地提高切割速度，不僅提高了生產率，還能減少被割零件的變形量和割縫區的熱影響區域。若切割速度不合適，其效果相反，而且會使粘渣增加，切割質量下降。通過對上述影響等離子切割的重要因素的研究發現，這幾個因素都對等離子弧的壓縮效應產生直接作用，進而決定等離子弧的能量密度以及溫度高低。而最能直觀體現的切割速度就是由等離子弧的高能量密度和高溫度決定的，因此，切割速度就與上述的幾個因素密切關聯了。對于用空氣等離子精密加工切割對流段管板來講，工效的提升就是在既保證切割質量又能獲得盡可能高的切割速度，同時減小空氣等離子加工切割對流段管板的變形量和熱影響區域。

4管板切割實際效果

鍋爐管板共開孔234個，沿對流段管板布局集中均勻分布。管孔錯開焊縫并沿焊縫兩側實現對稱分布，確保管板強度。采用空氣等離子加工單個對流段管板用時120～150min完成，加工效率高；板孔表面加工質量良好，開孔表面光滑，無殘渣附著，不存在嚴重掛渣或收弧凹坑；空氣等離子加工成型后的管板裝配在對流段上，后續完成不銹鋼襯套焊接后，順利完成穿管焊接作業，極大地提高了出口注汽鍋爐制造工效。

5結語

此次通過出口鍋爐對流段管板空氣等離子切割加工工藝研究，并得到良好的成活質量，通過加工方法的研究和試驗、設置合適的工藝參數，實際效果顯示管板加工開孔無掛渣及得到了較高的切割精度、熱變形小，保證了后續的穿管順暢程度及焊接對位質量，在提高工效和質量的同時,也改善了作業人員的作業環境，減輕了作業人員的勞動強度，更重要的是為出口鍋爐制造任務的及早完成贏得了時間。

【參考文獻】

【1】李壽全,張幼民.數控等離子切割下料的質量控制與測量[J]．鍛壓裝備與制造技術,2014(6):46-48．

【2】陸雄.數控等離子切割機工作原理及質量分析[J].中國設備工程,2014(11):59-62．

作者:白云冰 單位:新疆油田公司工程技術公司