大直徑壓力容器管板的加工

秦小川

（山西天脊煤化工集團(tuán)股份公司)

壓力容器

大直徑壓力容器管板的加工

秦小川*

（山西天脊煤化工集團(tuán)股份公司)

我國(guó)化工行業(yè)趨向大規(guī)模發(fā)展，就要求壓力容器制造得更大、更厚，因此壓力容器管板的直徑和厚度越來(lái)越大。如何充分利用現(xiàn)有設(shè)備加工大直徑管板，通過(guò)實(shí)踐摸索出一套獨(dú)特的加工方法。

壓力容器 大直徑管板 導(dǎo)向模板 加工

Abstract:With the large-scale developmentof China’s chemical industry,the pressure vessel requires bigger and thicker,so the diameter and thickness of the tube sheetneed bigger and bigger.A unique processingmethod had been explored by practice tomake fulluse of the existing equipment to produce large diameter tube plate.

Key words:Pressure vessel； Large diameter tube plate； Guide template； Processing

1 管板特點(diǎn)

此次加工的管板特點(diǎn)就是大直徑。管板坯料為餅型復(fù)合層堆焊鍛件，直徑為3.594m，厚度為89 mm，重量達(dá)7.5 t，進(jìn)廠時(shí)已經(jīng)完成車削工序，因此只需要進(jìn)行鉆孔工序即可。但未找到能夠加工如此大工件的龍門式鉆床，只有一臺(tái)6080型搖臂鉆床，管板坯料 （以下簡(jiǎn)稱坯料）的直徑超出搖臂長(zhǎng)度，無(wú)法一次加工出全部管孔。

2 坯料進(jìn)廠驗(yàn)收

按照 《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定，這塊坯料進(jìn)廠后要進(jìn)行驗(yàn)收。

首先，查看鍛件的質(zhì)量證明書。質(zhì)量證明書中注明：鍛件材料的化學(xué)成分和熱處理后的機(jī)械性能符合JB4726—2000中Ⅲ級(jí)規(guī)定，并且鍛件表面（不包括堆焊層表面）按照J(rèn)B 4730.4—2005進(jìn)行磁粉探傷Ⅰ級(jí)合格。

其次，目視測(cè)量坯料的厚度、圓度、直徑差、表面粗糙度等指標(biāo)。檢查后發(fā)現(xiàn)，復(fù)合堆焊層表面部分區(qū)域堆焊高度不足，造成表面凹下不平，最低處低于圖紙尺寸近1mm。不銹鋼復(fù)合層表面無(wú)鐵銹侵染。

最后，經(jīng)過(guò)無(wú)損檢測(cè)確認(rèn)坯料內(nèi)部無(wú)未熔合、折疊、分層、裂紋等缺陷，堆焊層內(nèi)部無(wú)未熔合、裂紋等缺陷。

3 加工方法

鉆孔是利用不同材料的塑性、硬度差異，依靠工件與刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將需要去除的材料從工件上 “剝離”。

為使刀具在直徑約3.6m的管板上做穩(wěn)定的切削運(yùn)動(dòng)，我們制造了一個(gè)專用工作臺(tái)，尺寸為4m×4m×1m，用10#槽鋼和20mm鋼板組裝。

再制作一塊導(dǎo)向模板，規(guī)格為半徑1.8m，厚度20mm，直角邊偏出中心線100mm，即導(dǎo)向模板上含有管板全部孔眼的1/4。利用導(dǎo)向模板可以簡(jiǎn)化劃線工序，還可以為鉆頭提供導(dǎo)向套的作用。

鉆孔前，將專用工作臺(tái)放置在搖臂鉆床的搖臂回旋范圍內(nèi)，工作臺(tái)的四角用水平儀找平。再將坯料平放在工作臺(tái)上，中心重合，用千分表測(cè)出坯料表面的水平度，并調(diào)整使水平度差值保持在2mm范圍內(nèi)。

坯料的水平度調(diào)好后，將導(dǎo)向模板放置在坯料上，并用卡具連接牢固，如圖1所示。按照1至4的順序調(diào)動(dòng)模板，鉆頭對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)向模板的孔眼進(jìn)刀，直至鉆孔完畢。

圖1 模板與管板坯料的連接

4 加工工藝

客戶要求管板孔徑為38.4+0.2mm，96%的管橋?qū)挾葹椤?.09mm，最小管橋?qū)挾葹?.05mm且不超過(guò)5個(gè)，管孔相對(duì)基層面的垂直度公差為0.1 mm，孔內(nèi)粗糙度≤12.5μm。

材料性能：坯料的基層材質(zhì)為20MnMoⅢ，厚度為82mm；復(fù)層材質(zhì)為304L（00Cr19Ni10），厚度為7mm。材料的力學(xué)性能：20MnMoⅢ的抗拉強(qiáng)度為477MPa，屈服強(qiáng)度為330MPa；304L的抗拉強(qiáng)度為480MPa，屈服強(qiáng)度為177MPa。由此可以看出，304L比20MnMoⅢ較 “軟”，容易粘刀。

熱處理狀態(tài)：管板堆焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

選擇設(shè)備：現(xiàn)有一臺(tái)6080型搖臂鉆床。

選擇刀具：選用優(yōu)質(zhì)高速鋼鉆頭，直徑為38.4 mm，有效切削長(zhǎng)度≥150mm。

選定切削要素：磨出10°左右的后刀刃利于排屑，40°～45°的主偏角以減少振動(dòng)。

切削用量：進(jìn)給量0.3mm/r（毫米/轉(zhuǎn)）；轉(zhuǎn)速： 150～180 r/m in （轉(zhuǎn) / 分鐘）。

操作要求：

a.支撐平臺(tái)用槽鋼制作，管板水平放置其上，水平差值±1mm/m。

b.以基層為鉆入面，堆焊層為鉆出面，因?yàn)閺?fù)層表面凹下不平，且304L材料較 “粘刀”，容易折斷刀具和造成孔徑超差。

c.進(jìn)給深度達(dá)到10mm后回刀退屑。

d.為快速冷卻鉆頭，乳化液兌水稀釋，乳化液與水的比例為 1∶2。

e.模板與管板要裝夾牢固，不能有空隙。

f.交接班時(shí)進(jìn)行自檢和互檢，檢查孔徑、表面質(zhì)量和管橋?qū)挾?，抽查率?0%。

g.模板作為導(dǎo)向套使用，使用3副螺栓卡具與管板坯料連接固定。

h.用手持砂輪機(jī)清除管板表面的鐵屑，并用干凈紗布擦除乳化液，再涂抹機(jī)油防銹。

5 發(fā)現(xiàn)問題

剛開始加工時(shí)，就發(fā)現(xiàn)鉆頭進(jìn)給困難，而且鉆床的搖臂有輕微晃動(dòng)。嘗試切削10個(gè)管孔后，發(fā)現(xiàn)以下問題：

a.切削孔約一半深度時(shí)，刀頭發(fā)生燒結(jié)。

b.部分孔內(nèi)徑超出上限值0.2mm。

c.切削過(guò)程中，模板有輕微振動(dòng)，鉆頭處發(fā)出有規(guī)律的 “吱吱”響聲。

d.管橋?qū)挾刃∮谠试S值5.09mm。

6 分析

產(chǎn)生以上問題的原因可能是：

a.刀頭燒結(jié)說(shuō)明切削產(chǎn)生的熱量比較高，足以熔化鉆頭，這就需要減少切削熱的產(chǎn)生和加強(qiáng)鉆頭散熱。

b.孔內(nèi)徑超差是因?yàn)槟０迮c管板連接不牢固，引起鉆頭與管板相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致鉆頭受力失衡，鉆頭與孔內(nèi)壁接觸的一側(cè)摩擦力較大，發(fā)出異響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)折斷鉆頭。

c.管橋?qū)挾刃∮谝?guī)定值，主要因切削時(shí)徑向抗力過(guò)大，使刀具中心偏離進(jìn)給方向，所以管孔會(huì)偏離設(shè)計(jì)位置，導(dǎo)致管橋?qū)挾刃∮谝?guī)定值。

d.切削過(guò)程中的異響是由于基層與復(fù)層之間存在熔合層，其力學(xué)性能與基層、復(fù)層都不同。通過(guò)在管板外圓側(cè)壁處測(cè)量硬度得知，熔合層的硬度較基層、復(fù)層高，硬度差異會(huì)引起鉆頭振動(dòng)。

7 改進(jìn)措施

a.對(duì)刀頭角度和切削用量做出調(diào)整：主偏角降為25°～30°，后角降為6°左右，轉(zhuǎn)速改為200 r/m in，進(jìn)給量改為0.2mm/r。每次退刀后都要向鉆頭噴灑乳化液，為刀具降溫。這樣可以消除鉆頭燒結(jié)和管橋?qū)挾刃〉膯栴}。

b.增加夾具數(shù)量，由原來(lái)的3具增加為5具，并將鉆頭的直徑改為38.2mm，這樣可以消除孔內(nèi)徑超差的問題。

c.要求操作人員在切削到70mm時(shí)改為全手動(dòng)操作，手掌感覺到機(jī)床出現(xiàn)震動(dòng)時(shí)降低轉(zhuǎn)速并緩慢進(jìn)給，要求轉(zhuǎn)速降為150～160 r/m in。

通過(guò)實(shí)施改進(jìn)措施，上述問題沒有再出現(xiàn)。共加工管板2塊，鉆孔5 455×2=10 910眼。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，確認(rèn)管孔尺寸、管橋?qū)挾鹊戎笜?biāo)均達(dá)到圖紙要求，管板加工完畢。

[1]胡農(nóng)，劉繼福，邱彥龍.鉗工技師手冊(cè) [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]胡農(nóng)，劉繼福，邱彥龍.車工技師手冊(cè) [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

The Processing of the Tube Plate of Large Diameter Pressure Vessel

Qin Xiaochuan

TQ 053.2

2010-12-13）

*秦小川，男，1981年9月生，工程師。潞城市，047507。