金屬焊割氣在壓力容器制造中的應(yīng)用

陶逸平，王繞洪，張 濤

（1.上海電氣電站設(shè)備有限公司上海電站輔機廠，上海 200090；2.上海昱風(fēng)氣體制造有限公司，上海 200093）

0 概 述

氣割是利用可燃氣體與氧氣混合燃燒的熱能，將工件切割處預(yù)熱到一定溫度后，噴出高速切割氧流，使金屬劇烈氧化并放出熱量，吹除熔化狀態(tài)的金屬氧化物，實現(xiàn)對金屬切割。利用可燃氣體切割時，金屬在氧氣中的燃點應(yīng)低于熔點，氣割形成的氧化物熔點應(yīng)低于金屬本身的熔點。在切割氧流中，金屬燃燒應(yīng)是放熱反應(yīng)，會產(chǎn)生大量的熱，所以，要求被切割金屬的導(dǎo)熱性不能太高，被切割金屬中阻礙氣割的雜質(zhì)要少。碳鋼的氣割性能與含碳量有關(guān)，鋼的含碳量增加，熔點降低，燃點升高，氣割性能就會變差。碳鋼和低合金鋼的氣割特性，如表1所示。

表1 碳鋼和低合金鋼的氣割性

常規(guī)壓力容器的主要材料為低碳鋼，氣割特性較好。對于采用機加工難以切割的截面形狀，以及制造大型設(shè)備中的厚鋼板，均可采用氣割落料。換言之，氣割落料相比機加工落料而言，有很大的便利之處。

1 乙炔氣在實際應(yīng)用中的弊病

在氣焊或氣割時，有時會發(fā)生氣體火焰逆向進入割嘴內(nèi)燃燒的現(xiàn)象，俗稱回火?；鼗瓞F(xiàn)象會導(dǎo)致輸氣軟管燒損乃至爆管，嚴重時將引發(fā)安全事故。雖然配置了安全裝置，但常因表具或回火阻止器被乙炔氣的雜質(zhì)阻塞而失效。使用乙炔氣的氣割成形差，在氣割過程中，有時會出現(xiàn)粘渣、掛渣，塌邊等不良效果，成形表面較為粗糙。乙炔氣的氣割能力不強，不能切割較厚的合金鋼板。

2 乙炔氣體替代物的探索

長期以來，在生產(chǎn)制造過程中對碳鋼材料的切割、開孔、熱矯正等工作，常會使用乙炔氣。乙炔氣由電石（碳化鈣）與水反應(yīng)后生成，水氣物含有多種化合物，并含有硫化氫H2S和極毒品磷化氫PH3。乙炔氣中的特性氣體分子較活躍，在使用以及運輸過程中，曾發(fā)生過多起重大事故，還會引發(fā)爆炸或火災(zāi)。針對乙炔氣在安全環(huán)保方面的問題，市場上也出現(xiàn)了一些乙炔氣的替代氣體，如丙烷氣、美國與我國合作生成“格力二號”與“馬克斯氣”、日本的“霞普氣”、國內(nèi)自主研發(fā)的混合切割氣等。高能金屬焊割氣是上海市2002年高新技術(shù)成果轉(zhuǎn)化項目，經(jīng)有關(guān)權(quán)威機構(gòu)鑒定，該氣體產(chǎn)生的污染少，安全性高，切割性能達到國內(nèi)先進水平。因此，選用了高能金屬焊割氣及丙烷作為乙炔的替代物，并進行相關(guān)試驗，選出性能較佳的焊割氣替代現(xiàn)在仍在使用的乙炔氣體。

通過權(quán)威機構(gòu)對液化丙烷氣及高能金屬焊割氣進行成分檢測，得到了相關(guān)報告。丙烷氣的檢測報告，如圖1所示。高能金屬焊割氣的檢測報告，如圖2所示。

圖2 高能金屬焊割氣成分檢測報告

3 乙炔氣體替代物的適用性試驗

3.1 氣體轉(zhuǎn)換工具的改造

為了進行乙炔氣替代物的試驗，需對相關(guān)項目進行調(diào)整。金屬焊割氣可直接在乙炔氣的現(xiàn)有設(shè)備上使用，無需改動已有設(shè)備及輸氣管道。在使用新型氣體前，各使用部門及供氣廠需做有關(guān)方面的準備工作。

（1）采用市場上的丙烷割嘴，更換原手工氣割嘴。

（2）改裝2臺進口數(shù)控切割機的割槍及點燃裝置，以適應(yīng)新型氣體。

（3）調(diào)換氣體匯流排的集氣點氣瓶與送氣管道上連接軟管的接頭。

3.2 金屬焊割氣與乙炔氣的對比。

3.2.1 割縫大小的比對

針對2種不同的切割氣，在現(xiàn)場了進行切割試驗，并對切割后的情況進行比對。在相同環(huán)境和設(shè)備的前提下，對厚度為55mm的鋼板進行了切割試驗，2種切割氣體的割縫相差不大，高能金屬焊割氣的割縫略小。切割后的實物，如圖3所示。

圖3 金屬焊割氣與乙炔氣的割縫大小

3.2.2 割渣情況比對

用2種切割氣分別對同種材料進行切割試驗。氣割后發(fā)現(xiàn)，使用金屬焊割氣切割后的工件，在工件背面的掛渣明顯少于使用乙炔氣的，且熔渣較易去除。各工件背面的熔渣情況，如圖4所示。

圖4 使用金屬焊割氣與乙炔氣后的掛渣情況

3.2.3 氣割面的光潔度比較

用金屬焊割氣切割后，其切割表面的光潔程度明顯優(yōu)于用乙炔氣切割的表面，而且，切割越厚的鋼板，這種差別就越明顯。使用2種不同切割氣進行切割的實物，如圖5、圖6所示。

3.2.4 切割參數(shù)的比較

在切割參數(shù)的設(shè)置方面，如開孔預(yù)熱的時長、切割速度、所需輸氣管道出口壓力和工作壓力等，金屬焊割氣與乙炔氣相差不多，但在某些參數(shù)優(yōu)于乙炔氣。金屬焊割氣與乙炔氣在切割性能方面的比較，如表2所示。

圖6 乙炔氣的切割表面較粗糙

表2 金屬焊割氣與乙炔氣切割性能比較

3.3 金屬焊割氣與丙烷氣對比試驗

丙烷氣常作為乙炔氣的替代品之一，但金屬焊割氣是否能成為乙炔氣較理想的替代品，需通過實驗或測試。因此，分別用金屬焊割氣及丙烷氣進行了切割對比試驗。將金屬焊割氣與丙烷氣體分別用于不同設(shè)備和工位場合，利用手工切割、半自動切割、數(shù)控光電切割等設(shè)備，采用相同的切割參數(shù)進行切割試驗。

3.3.1 試件的手工切割

（1）操作工具

采用手工氣割炬，并換上丙烷氣體的割嘴，割嘴為采購的通用件，金屬焊割氣也使用同類割嘴。

（2）試驗材料

利用球形封頭端面的切割余料作為試件，切割試件時，切割厚度的變化從15mm至50mm。

（3）試驗時，各設(shè)備的參數(shù)相同，如表3所示。

表3 金屬焊割氣與丙烷氣切割參數(shù)比較

（4）試驗結(jié)果

分別用2種切割氣，對試件進行了手工切割。切割后的試件實樣，如圖7、圖8所示。

圖8 用丙烷氣的切割試件

3.3.2 半自動切割試驗

利用半自動切割機，對試件進行切割。試件為球形封頭開孔后的廢料，截面厚度為150mm。采用2種不同的切割氣，切割參數(shù)如表4所示。切割后的試件實樣，如圖9所示。

表4 金屬焊割氣與丙烷切割參數(shù)比較

在圖9中，試件左邊使用的金屬焊割氣，試件右邊使用的丙烷氣。

從切割效果分析，當(dāng)材料厚度為0～100mm時，2種切割氣的切割表面光潔度相差不大，當(dāng)試件厚度為100～150mm時，使用丙烷切割氣的切割表面出現(xiàn)了鋸齒型缺口，割斷較困難，見圖9右面位置的試件實樣。

3.3.3 氣割穿孔的性能試驗

在氣割穿孔試驗中，試件的厚度為100mm的鋼板，采用半自動氣割機進行試驗。切割時的氣割參數(shù)，如表5所示。

圖9 金屬焊割氣與丙烷氣的半自動切割試樣

表5 金屬焊割氣與丙烷氣切割參數(shù)比較

在氣割穿孔的試驗中，2種氣割氣均能順利穿透100mm的厚鋼板，但在相同的試驗條件下，丙烷氣在切割前預(yù)熱的預(yù)熱時間較長。經(jīng)統(tǒng)計，金屬焊割氣的預(yù)熱時間為2min，丙烷氣的預(yù)熱時間約為8 min。

如果氣割前所需的預(yù)熱時間較長，在穿孔時，熔渣向割嘴噴濺的時間就較長，會造成割嘴被熔渣堵塞的現(xiàn)象，存在回火隱患。

在試驗前，所備丙烷氣為滿瓶氣體。但在切割過程中，發(fā)現(xiàn)表壓不穩(wěn)，影響了切割火焰的穩(wěn)定，所以，試件的表面成形較差。

3.3.4 數(shù)控切割試驗

利用數(shù)控光電切割機進行切割試驗，試件為18 mm的鋼板。2種切割氣的切割參數(shù)，如表6所示。

表6 金屬焊割氣及丙烷氣的切割參數(shù)

使用丙烷切割氣切割后，試件的整體表面成形較差，較多的割渣未脫落。在相同的切割參數(shù)下，使用丙烷氣進行數(shù)控光電切割時，切割穿孔的預(yù)熱時間較長，表壓不穩(wěn)，使用時存在0.01MPa的壓力波動，曾出現(xiàn)過回火現(xiàn)象。2種切割氣所需的切割穿孔時間，如表7所示。

表7 金屬焊割氣與丙烷氣開孔打穿預(yù)熱時間對比表

3.3.4 試驗總結(jié)和分析

通過手工切割、半自動切割、數(shù)控光電切割等試驗，丙烷氣與金屬焊割氣的切割性能并不相同。用丙烷氣切割時，切割穿孔的預(yù)熱時間較長，材料的厚度越大，所需時間就越長。

使用丙烷氣切割后，切割表面的氧化及割渣的黏連現(xiàn)象較為明顯，增加了后續(xù)工序的打磨工作量。丙烷氣切割100mm以上的厚鋼板時顯得困難，且切割面的表面成形較差，所以，丙烷氣的切割性能比金屬焊割氣略差。

4 金屬焊割氣的使用

4.1 安全性高

金屬焊割氣已使用數(shù)年，切割性能較好，集氣管道也未出現(xiàn)回火、爆管等情況。從根本上消除了切割、加熱、矯正等工作中的安全隱患，安全生產(chǎn)有了保障。

4.2 切割效果

使用金屬焊割氣的切割表面較整齊，切割速度略有提高。使用同型號割嘴時，割縫比乙炔氣的割縫小，不易掛渣，清渣方便，從而解決了下料后去渣難，費時又費力的弊病。降低了工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率。

4.3 生產(chǎn)能力的提高

使用金屬焊割氣后，部分數(shù)控割床的切割能力得到了很大的提高。在切割相同厚度鋼板時，乙炔氣需0.5MPa工作壓力，而金屬焊割氣只需0.06～0.08MPa工作壓力。數(shù)控切割機床處于送氣管道的末端，常因氣壓不足而暫停工作。使用金屬焊割氣后，才解決了這一難題。因輸氣管道較長，乙炔氣的供壓低，數(shù)控切割機床的極限切割厚度為95mm，使用金屬焊割氣后，切割厚度可達180mm，且切割效果良好，極大提高了該設(shè)備的加工能力。

4.4 低價格高能量

根據(jù)統(tǒng)計，金屬焊割氣價格比乙炔氣低20%左右，大幅降低生產(chǎn)成本。此外，金屬焊割氣的能量高，氣瓶不需裝填料和丙酮，氣瓶小而輕，相同能量的金屬焊割氣體積是乙炔氣的1／6。因此，使用金屬焊割氣在運輸成本上也大幅度降低。原使用乙炔氣時，在匯流排集氣點每天要換鋼瓶，使用金屬焊割氣后，明顯延長了換鋼瓶時間。統(tǒng)計結(jié)果表明，降低了切割氣的使用成本。成本的統(tǒng)計結(jié)果，如表8所示。

表8 2011～2013年金屬焊割氣的降本統(tǒng)計

5 結(jié) 語

使用金屬焊割氣時，火焰燃燒的透明度高，黑煙少，工作環(huán)境得到了很大改善。金屬焊割氣是一種性能優(yōu)良的工業(yè)用切割氣體，經(jīng)過3年多的實際使用，金屬焊割氣在使用成本、健康環(huán)保、安全性以及實際使用效果等方面都十分優(yōu)異，給生產(chǎn)帶來了便利，降低了使用成本，基本消除了回火爆管等現(xiàn)象的發(fā)生。