等離子切割工藝在電站鍋爐施工中的應(yīng)用

陳明，李琴

(1.中電投電力工程有限公司，上海市，200233;

2.哈密地區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測所，新疆維吾爾自治區(qū)哈密市，839000)

0 引言

在電站建設(shè)中，鍋爐水冷壁及包墻過熱器對口焊接時，鰭片的切割工作量相當(dāng)大。一般情況下1臺600MW超臨界機(jī)組鍋爐水冷壁現(xiàn)場安裝焊口約為14 000道，包墻過熱器約為3 000道，而每道焊口組對時均要對鰭片延管子軸向切割開縫(長度為400～1 000 mm)，以提高管子對口質(zhì)量。傳統(tǒng)的切割方法是采用氧－乙炔火焰切割法。氧－乙炔火焰切割法應(yīng)用廣、工藝成熟，已為電站建設(shè)發(fā)揮了重要作用。隨著近年來新建機(jī)組容量不斷增大，鍋爐水冷壁及包墻過熱器鰭片多為耐熱合金材質(zhì)，如 15CrMo、12Cr1MoV、T23等，屬低中合金鋼，焊接的主要問題是冷裂紋、再熱裂紋和回火脆性［1］。這些耐熱合金材質(zhì)采用氧－乙炔火焰切割法切割后，切口寬窄不均、表面粗糙，容易掛渣;而且切割面容易碳化和形成淬硬組織，在打磨不徹底的情況下進(jìn)行密封焊接，易在焊縫內(nèi)產(chǎn)生夾雜、未熔合、裂紋等缺陷，從而影響密封焊接質(zhì)量。經(jīng)調(diào)查，近年來在多個電廠發(fā)生過因鍋爐鰭片密封焊接質(zhì)量差，引起焊縫開裂，導(dǎo)致爆管停機(jī)的事故。本文認(rèn)為，采用氧－乙炔火焰切割法切割合金鰭片的工藝在技術(shù)上已顯現(xiàn)出不足，加之近年來氧、乙炔氣體價格的不斷攀高，給施工成本帶來一定的壓力，因此必須改進(jìn)切割工藝。本文介紹等離子切割設(shè)備作業(yè)適應(yīng)性的改進(jìn)以及應(yīng)用于實(shí)際工程的關(guān)鍵技術(shù)，并將其與氧－乙炔火焰切割法進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析，以期探索電站鍋爐鰭片切割新技術(shù)。

1 等離子切割設(shè)備作業(yè)適應(yīng)性改進(jìn)

普通等離子切割機(jī)標(biāo)準(zhǔn)配置的引出導(dǎo)線較短(約5m)，與其配合使用的空氣壓縮機(jī)是獨(dú)立的，作業(yè)半徑小，因此此類切割機(jī)較適合在室內(nèi)固定工作區(qū)域作業(yè)。切割水冷壁及包墻鰭片時作業(yè)半徑大，特別是高空安裝時作業(yè)面與格柵平臺跨距大，當(dāng)采用等離子切割機(jī)切割鍋爐鰭片時，需不斷地搬動切割機(jī)及空氣壓縮機(jī)，才能實(shí)現(xiàn)各施工位置的切割作業(yè)，施工極為不便，基本不能滿足大面積切割的需要。為了解決上述問題采取了如下措施:

(1)考慮到高空切割作業(yè)，確定作業(yè)時最遠(yuǎn)的作業(yè)面與鍋爐格柵平臺的距離，然后向等離子切割機(jī)生產(chǎn)廠家定制加長型引出導(dǎo)線，長約20m。通過加長引出導(dǎo)線增加不移動設(shè)備時的作業(yè)半徑，同時將等離子切割機(jī)與空氣壓縮機(jī)進(jìn)行組合。

(2)根據(jù)等離子切割機(jī)和空壓機(jī)的體積、質(zhì)量制作1臺可靈活移動的小車，將切割機(jī)及空壓機(jī)固定在小車上，并做好防雨罩及接地裝置。小車的輪子直徑要選擇合理，要確?？梢栽谒椒胖玫乃浔诠芘偶板仩t格柵板上靈活行走且能靈活轉(zhuǎn)彎。

通過上述改進(jìn)，鍋爐水冷壁及包墻過熱器鰭片可全部實(shí)現(xiàn)等離子切割，不再受設(shè)備作業(yè)半徑限制。等離子切割設(shè)備可移動小車如圖1所示。

圖1 等離子切割設(shè)備移動小車Fig.1 Travelling car with plasma cutting equipment

為了確保切割鰭片時切口的直線度及避免管子被割傷，根據(jù)水冷壁及包墻管子直徑專門設(shè)計了結(jié)構(gòu)輕便、移動靈活的導(dǎo)向軌。導(dǎo)向軌有2種，一種用于水平作業(yè)，另一種用于垂直或其他方向的作業(yè)。垂直作業(yè)導(dǎo)向軌是在水平作業(yè)導(dǎo)向軌的基礎(chǔ)上增加了磁鐵裝置(如圖2所示)，可在呈垂直狀態(tài)的水冷壁或包墻上快速固定，快速分離，切割時只需將割炬置于導(dǎo)向軌中心，延導(dǎo)向軌中心劃動，即能實(shí)現(xiàn)快速直線切割。

圖2 磁吸式全位置固定導(dǎo)向軌Fig.2 Magnetic all position fixed guide rails

2 空氣等離子切割工藝

2.1 空氣等離子切割原理

等離子切割機(jī)是一種新型的熱切割設(shè)備，它是以氧氣或氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w，利用高溫等離子電弧的熱量使工件切口處的金屬局部熔化和蒸發(fā)，并借高速等離子流的動量排除熔融金屬以形成割縫的一種加工方法［2］。按照等離子工作氣體的不同，可將等離子切割法分為等離子氧氣切割法、等離子氮?dú)馇懈罘?、等離子空氣切割法及等離子氬氣－空氣切割法［3］。切割過程中熔化的金屬幾乎不發(fā)生金屬燃燒，屬于物理切割，與氧－乙炔火焰切割有本質(zhì)區(qū)別。等離子切割法不受材料燃點(diǎn)的影響，切割材料范圍廣，可用于不銹鋼、耐熱鋼、鋁、銅、鑄鐵、碳鋼等各種金屬材料的切割。

2.2 施工機(jī)具

等離子切割機(jī)(LGK100I)1臺、導(dǎo)向軌2套、微型空氣壓縮機(jī)1臺、移動小車1臺、噴嘴及電極若干(機(jī)具數(shù)量可根據(jù)現(xiàn)場情況合理配置)。

2.3 設(shè)備主要工況

微型空氣壓縮機(jī)排量≥0.3m3/min，額定排氣壓力為0.4～0.8 MPa，要有干燥器及過濾器，確?？諝馇鍧?、干燥、無油。等離子切割機(jī)輸入電源電壓為380 V，額定輸出電流為100 A，額定輸出電壓為120 V。

2.4 操作人員

切割作業(yè)人員持特種作業(yè)操作證(在有效期內(nèi))，并經(jīng)現(xiàn)場模擬考核合格［4］。

2.5 主要工藝參數(shù)

等離子切割鰭片主要工藝參數(shù)如表1所示。

2.6 操作流程及工藝

(1)操作流程為:預(yù)通氣→主電路供電→高頻引弧→切割過程→息弧→停止。

表1 等離子切割鰭片主要工藝參數(shù)Tab.1 Main process parameters of plasma cutting fins

(2)為保證割口垂直度，在切割時噴嘴要與工件垂直［5］。持槍姿勢原則上應(yīng)使等離子焰流與鰭片垂直，以免增大等離子弧軌跡而影響切割速度。

(3)引弧切割時，應(yīng)從鰭片的邊緣開始引弧，割炬噴嘴距鰭片的高度為2～5 mm(如圖3所示)。遇到需要從中間開始切割的鰭片，應(yīng)先穿孔，再從孔的邊緣開始引弧。穿孔時割炬噴嘴距鰭片表面的距離應(yīng)為切割時的2倍左右，且應(yīng)呈一定的角度，以利于將熔化金屬吹走，防止反渣燒壞噴嘴。

圖3 引弧時割炬噴嘴與工件相對位置Fig.3 Relative position between arc torch nozzle and workpiece

(4)切割過程中，切割速度保持在能割穿工件就行，不宜太快或太慢，約為2 000 mm/min。要實(shí)時根據(jù)切割電弧的形態(tài)控制切割速度，切割電弧保持稍傾斜，這樣易于清理掛渣［6］，如圖4所示。切割速度過快不但割不透工件，反而會引起反渣燒壞噴嘴，或在切口下部掛渣呈硬珠狀，如圖5(a)所示;過慢則會導(dǎo)致噴嘴升溫過高，降低噴嘴使用壽命，且割縫變寬，熔渣增多，并可能會造成斷弧，而且在下部掛渣增多呈大泡狀，如圖5(b)所示;合適的切割速度則不會在切口下部產(chǎn)生熔渣，切面紋理如圖5(c)所示。

圖4 切割速度與切割電弧形態(tài)示意圖Fig.4 Cutting speed and cutting arc shape

圖5 切割速度過快、過慢、適宜時工件外貌Fig.5 Workpiece surface when cutting speed is too fast，too slow or appropriate

(5)停止切割時，要先松開割炬開關(guān)，然后再將割炬移離工件。

(6)工作時空氣壓力一般調(diào)節(jié)在0.3～0.5 MPa，因使用了加長型的導(dǎo)氣管需考慮長導(dǎo)氣管的壓降，空氣壓力應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況在上限值之間變動以得到最佳匹配。如果壓力太低，將無力吹走熔化金屬，電極噴嘴冷卻不好易燒損;壓力太高，又會使割縫偏斜，切口溫度下降太快，使割縫金屬的熔化性和流動性不良，影響切割厚度。

2.7 安全操作注意事項(xiàng)

(1)保護(hù)接地線必須用截面積不小于10 mm2的電纜線，并可靠接地。

(2)安裝輸入、輸出電纜或氣管，安裝割炬或裝卸割炬配件時一定要切斷輸入電源。

(3)檢查確認(rèn)割炬的電極、氣體分配器、噴嘴等是否緊固。

(4)切勿在通電的情況下移動切割機(jī)，設(shè)備通電后不得拆卸箱殼及接觸帶電零件。

(5)切割機(jī)的輸出電壓很高，裝配更換電極或噴嘴時必須關(guān)閉電源并戴上防護(hù)手套。

(6)割炬不能放在剛切割過的工件上，以免燒損割炬及護(hù)套。

(7)切割工作全部結(jié)束后，切斷電源開關(guān)和氣源閥。

3 等離子切割法與火焰切割法對比

3.1 切割質(zhì)量對比

采用等離子切割法切割15CrMo鋼鰭片后，切割面光潔平整，表面氧化物極少，切縫均直，切口寬度均勻［7］，切縫通透性好有利于管子對口時彈性調(diào)整，可有效避免強(qiáng)力對口(見圖6(a));切割件背面基本沒有出現(xiàn)熔瘤或掛渣現(xiàn)象(見圖6(b));密封焊接前基本不用打磨清理，有利于降低施工成本，提高密封焊接質(zhì)量。因等離子熱源較氧－乙炔火焰更為集中，切口熱影響區(qū)窄，且切割時使用導(dǎo)向軌能使切縫開在兩管子間中心位置，避免了因管子兩側(cè)受熱不均勻而發(fā)生彎曲變形，有利于保證管子對口質(zhì)量。

圖6 采用等離子切割法切割后的水冷壁鰭片正背面形貌Fig.6 Front and back morphologies of water wall fins after plasma cutting

采用氧－乙炔火焰法切割15CrMo鋼鰭片，由于對Cr、Mo合金元素的切割性較差［8］，所以切割面粗糙，熱影響區(qū)寬(見圖7(a));背面容易掛渣(見圖7(b));密封焊前需大量進(jìn)行打磨處理，直線度也有所不足，切割后的管子易發(fā)生彎曲變形，給管子對口帶來影響，易導(dǎo)致錯口或折口。

3.2 操作性對比

氧－乙炔火焰切割法切割時需雙手操作，因割具結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)不利于在某些空間狹小的位置作業(yè)，且對切割人員操作技術(shù)水平要求高，需經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)，并要掌握一定的防止回火等安全技能［9］;等離子切割法操作簡單，而且是單手作業(yè)，因割具小、操作靈活故可進(jìn)行困難位置的切割作業(yè)，對操作者的技術(shù)水平要求低，按照說明書在較短時間內(nèi)即可掌握操作技能。

圖7 采用氧－乙炔火焰切割法切割后的水冷壁鰭片正背面形貌Fig.7 Front and back morphologies of water wall fins after oxy-acetylene flame cutting

3.3 切割速度對比

有研究認(rèn)為，與火焰切割相比，在工件厚度小于25 mm的情況下，等離子切割法作業(yè)速度快、效率高、質(zhì)量好，其切割速度幾乎是氧－乙炔切割法的5～6倍［10］。經(jīng)實(shí)測，厚6～8 mm的鰭片用氧－乙炔切割法切割時，切割速度約為500 mm/min。由于火焰切割法切割時需對起點(diǎn)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時間為2～3 s;切割鰭片切縫短而密，需要頻繁地從起割點(diǎn)預(yù)熱切割，因此大大影響了切割速度。等離子切割法切割鰭片的速度約為2 500 mm/min，切割速度是氧－乙炔火焰切割法的5倍。

3.4 成本分析

以某發(fā)電公司“上大壓小”2×600MW機(jī)組工程為例，按實(shí)際情況進(jìn)行對比。

(1)氧－乙炔火焰切割法。計算條件:氧氣每瓶為18元，乙炔每瓶為80元;每3 h用1瓶乙炔、2瓶氧氣;切割速度為500 mm/min。由此計算出每切割1m鰭片材料成本為1.3元。

(2)空氣等離子切割法。計算條件:噴嘴和電極是等離子切割的耗材，每2 h換1套噴嘴及電極，成本為12元;切割機(jī)每h用電量為19 kW·h，空氣壓縮機(jī)每 h用電量為5 kW·h，每 kW·h電費(fèi)為0.8元;切割速度為2 500 mm/min。由此計算出每切割1m鰭片材料成本為0.2元。

綜上對比可知，在不考慮設(shè)備成本、人工成本的情況下，在切割6 mm厚的包墻鰭片時，采用等離子切割法的成本約為采用氧－乙炔火焰切割法成本的1/6。比較等離子切割法與火焰切割法切割的鰭片，前者切縫勻直、寬窄均勻，有利于密封焊接，焊后焊縫寬窄均勻，成形美觀，具有節(jié)約焊材的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

(1)空氣等離子切割機(jī)經(jīng)改進(jìn)輔助設(shè)備，可適用于電站鍋爐建設(shè)中鰭片的切割。

(2)空氣等離子切割法與氧－乙炔火焰切割法相比，具有切割質(zhì)量好、成本低的優(yōu)點(diǎn)，有利于提高鍋爐水冷壁、包墻管子對口質(zhì)量;同時也有利于提高鰭片密封焊接質(zhì)量，可降低由密封焊質(zhì)量差導(dǎo)致鍋爐爆管而引起的非計劃停機(jī)的幾率。

(3)等離子切割鍋爐鰭片的工藝值得同類電站建設(shè)推廣應(yīng)用。

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