自動清根機在高壓封閉組合電器外殼制造中的應用

孟祥喜 薛根奇 張全民

(1.平高集團有限公司焊接及壓力容器實驗室,河南 平頂山,467001;2.河南平高電氣股份有限公司,河南 平頂山, 467001)

GIS自被實用化以來,已廣泛應用于世界各地,與常規(guī)敞開式變電站相比較,具有結構緊湊、占地面積小、配置靈活、安裝簡便、安全性高,維護工作量小等優(yōu)點,因此備受供電公司、水電站、發(fā)電廠等電力用戶的青睞,供貨質量和供貨周期的長短日益成為一個公司是否優(yōu)秀的重要指標[1-4]。平高電氣生產的550kV,800kV,1100kV氣體絕緣金屬封閉組合電器(GIS)斷路器罐體采用的工藝技術是:鋼板經過卷圓后,利用埋弧焊對坡口進行雙面焊。常用的材料有16MnR,16MnDR,Q235和06Cr19Ni10,單張板材寬度為2600mm～4100mm,厚度7mm～20mm。在埋弧焊焊接的過程中,通常會有熔化金屬通過坡口縫隙流過另一面的坡口中,形成大顆粒熔渣、焊瘤,影響焊接質量,因此在完成一面焊接時,需要及時清理另一側的坡口根部,去除焊渣異物。目前采用手工方式清理,效率低、勞動強度大,基于此我們研究了在GIS斷路器罐體的制造中應用自動清根機。

1 零件的加工難點分析

1.1 清根鉗修工作量大,效率低。

圖1 待清根焊縫

圖2 手工清理現狀

清理一段采用埋弧焊從內部焊接的2600mm長外部縱焊縫,通常需要2人,使用手砂輪,共同協作8小時,損耗φ180砂輪片4～6片,才能完成一條焊縫清根合格,勞動強度大。生產實踐中對操作者手臂和心臟會有損傷。

1.2 高壓電器類壓力容器零部件較長,筒體壁厚較薄,清根時剛性較差。

高壓電器類壓力容器零部件通常單張板材寬度為2600mm～4300mm,厚度7mm～20mm,常用材料及焊接方式有16MnR鋼板焊接,06Cr19Ni10不銹鋼板焊接,或采用Q235B和06Cr19Ni10拼焊。采用手工方式清根時,手砂輪震動比較劇烈,采用自動清根機清根時,由于筒體自身剛性不足會造成砂輪與筒體之間彈跳,清根后的外觀有顫紋、深淺不一。

1.3 手工清根時安全隱患大。

雖然手砂輪有安全防護裝置,但是由于人工清根時由于筒體直徑大、施力不均和員工趕進度造成長時間、高強度打磨砂輪溫升超標而爆裂,爆裂后的砂輪碎片打到筒體后反彈傷人。

1.4 清根技術難度大。

深度不易控制,手工清理時由于不同材質硬度不一致,砂輪片總是偏向Q235B和06Cr19Ni10拼焊的不銹鋼側,手工清理缺陷不徹底,難以一次確保提交檢測合格。

為了更便于操作,實際生產過程中將縱焊縫轉動至水平位置,但是筒體直徑將近2000mm,操作手砂輪時需要將其提高至接近胸口位置工作,水平方向施加壓力困難。必然造成清根深度不一致,寬度不均勻,最終影響后續(xù)埋弧焊焊接質量。

圖3 探傷顯示手工清理缺陷不徹底

圖4 再次手工清理后坡口深淺不一

圖5 再次探傷合格

圖6 手工TIG焊接至坡口深淺一致

清根一次后需要進行100%著色探傷,不允許有超過Ⅰ級以上缺陷存在。否則應再次清根,至符合著色探傷要求。著色探傷合格后,進行埋弧焊填充和蓋面,焊縫需接受100%的X射線探傷檢查,不允許有超過JB/T 4730.2-2005《承壓設備無損檢測 第2部分: 射線檢測 》規(guī)定的超過Ⅰ級以上缺陷存在。

1.5 工作環(huán)境惡劣,嚴重污染車間環(huán)境。

手工清理沒有辦法布置方便、高效的集中集塵裝置,車間粉塵污染嚴重,僅僅通過廠房的循環(huán)送風緩解效果不是十分理想。另外,手工清根時由于操作者距離工作界面很近,噪聲污染嚴重。

2 制定改進方案

借鑒核電行業(yè)的磨銼機使用經驗,定制一套適合高壓電器類壓力容器零部件的自動清根機。技術方案如下:

2.1 編制焊縫自動清根機方案并制作樣機

包含5大功能模塊:主體操作架;可選檔位旋轉動力部分;除塵部分;電氣控制部分;操作平臺。

主體操作架:包含基礎底板、豎直絲杠、水平懸臂、吊裝板。橫梁行程需要在我公司目前最長縱焊縫4025mm基礎上,考慮滾輪架與立柱間保持安全距離900mm,橫梁導軌部分1500mm,橫梁尾部除塵部分1000mm,磨頭端部外形尺寸500mm。外形最長約7950mm,寬2500mm,高4500mm。

可選檔位旋轉動力磨頭部分:由磨頭左右平移機構、磨頭水平轉動機構、磨頭側擺防卡機構、磨頭架、磨頭動力總成、焊根清理砂輪磨削裝置、氣動恒壓浮動與抬刀裝置及安全防護構成。磨頭參數如下,磨頭浮動行程:±50mm;側擺浮動距離:±50mm;軸向補償行程:±100mm;磨挫壓力調節(jié)范圍:0～1000N;最大打磨外徑:Φ2032mm;清根最大深度:≥20mm;單次磨削最大深度:≥1mm;清根寬度范圍:10～22mm;壓縮空氣壓力范圍:0.4～0.6MPa。氣動回路須有油水分離器,以去除壓縮空氣中的油分和水分。磨頭水平方向回轉調整角度:0～±90°,帶刻度盤。十字滑架參數:清理縱縫時,左右微調砂輪片對中縱焊縫。移動行程:±100mm,采用渦輪蝸桿減速機。

2.2 投制高壓電器典型焊接試件探索制造工藝

試驗16mm厚16MnR與16MnR焊接筒體埋弧焊清根效果;試驗8mm厚Q235B與06Cr19Ni10拼焊焊接筒體清根效果?，F場依據試驗件情況再改進工裝細節(jié)。

3 方案實施情況和改進

3.1 委托合作單位制作、組裝清根打磨工裝,見圖7。

合作方組裝自動清根機試驗縱縫打磨。同時,驗證砂帶打磨焊縫余高功能,磨頭采用重型磨頭,外形尺寸較大只能磨削φ1200以上的內腔焊縫余高,可以測試我們需求的功能。

圖7 工裝調試

3.2 試加工樣件,研究清根參數,見圖8-16。

圖8 自左至右依次為待打磨16mm厚1#筒體及8mm厚2#筒體

1#筒體 采用16mm厚16MnR板材卷圓焊接,2#筒體采用8mm厚Q235B和06Cr19Ni10板材卷圓后拼焊。

圖9 15kg壓力,300mm/min進給量,深度5mm,良好

圖10 13kg壓力,400mm/min進給量,深度3mm,較淺缺陷清理不徹底

圖11 打磨Q235B和06Cr19Ni10拼焊縱焊縫

圖12 設定磨挫壓力11kg,進給量200mm/min

圖13 9.5kg,進給量250mm/min打磨后效果

圖14 11kg,進給量250mm/min打磨后效果

圖15 1#筒體外側縱焊縫著色探傷

圖16 2#筒體縱焊縫著色探傷

3.3 試驗參數改進。

我公司所有的鋼筒體較核電行業(yè)薄,自動清根時剛性差。正常打磨時會出現輕微振動,增加滾輪架支撐點后振動減弱。后續(xù)若工程應用需要增加滾輪鍵支撐數量,采用兩組滾輪架支撐增強剛性后的待改善。打磨質量與施加壓力、進給量等參數與材質、厚度有關。通過樣件反復試驗完成參數固化。以500mm縱縫長度基礎,分別設定15kg壓力,300mm/min進給量,清根深度5mm16MnR;設定磨挫壓力11kg,進給量200mm/min,清根深度3mm的Q235B和06Cr19Ni10拼焊縱縫效果良好。16mm厚16MnR縱縫清根時,壓力13-15kg,橫梁前進速度200-350mm/min,最終打磨后深度為3-5mm,滿足需求。不能一味追求生產速度,壓力選取不易超過18kg,否則會使打磨深度過深而浪費焊絲;橫梁前進速度不易超過400mm/min,否則會在焊瘤嚴重凸出部位造成局部打磨深度不夠,焊接缺陷不能徹底去除。鉗修內焊縫余高時,壓力8-10kg,橫梁前進速度300-350mm/min,最終打磨后余高為0.5-1mm,滿足需求。壓力不能選擇過低,低于7kg時磨削時間長,或焊縫余高磨削后局部高于2mm。對正時需要空走一段,待砂輪速度穩(wěn)定后再正常進給,清根時未出現不銹鋼一側打磨少而向Q235B側讓刀現象。

表1 工藝參數表

4 結語

采用自動清根機打磨坡口過程中,可以根據坡底和側向坡口處焊渣的實際情況,來調節(jié)磨頭的浮動行程和磨頭的側擺距離,磨削后表面平整、粗糙度滿足要求,因此可以有效避免因人工打磨時擺動的不穩(wěn)定性導致的坡口邊緣顫紋和清渣的不徹底。在埋弧焊打底焊接外焊縫,均勻的坡口深度能夠保證熔化焊絲與基體有效接觸和熔合,減少雜質和未熔合情況的出現。埋弧焊填充時,均勻的坡口寬度能改善焊縫形貌,減少焊瘤、凹坑等缺陷的產生,保證了筒體的焊縫焊接質量。

通過該工藝研究課題,掌握了適合我公司目前所有厚度及尺寸鋼筒體磨挫工裝的詳細技術要求。通過樣件制作和試驗,掌握了打磨參數及注意事項。該項目,可有效降低勞動強度,降低制造成本,改善鋼殼體作業(yè)環(huán)境,提升作業(yè)效率30%以上。按照節(jié)約焊接時間,預計節(jié)約成本89萬/年。

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[2] 夏文,胡旭輝.550kV氣體絕緣金屬封閉組合電器及其應用[J].《高壓電器》,2010,46(12):89-92.

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