蔣亞楠，張鶴樓，代 飛，劉昌宏

(一重集團(tuán) 大連核電石化有限公司，遼寧大連 116113)

0 引言

隨著石油化工裝置規(guī)模的擴(kuò)大，壓力容器設(shè)備也在向?qū)I(yè)化、大型化和重載化方面發(fā)展[1]。大型壓力容器除了尺寸大、噸位重外，其關(guān)鍵部件的制造精度要求也很高，這就意味著設(shè)備制造本身存在很大的難度。除需要有滿足其加工范圍、加工精度的重型機(jī)床外；在制定工藝方案時(shí)，還需采用合理的技術(shù)手段保證其制造活動(dòng)的高效性和穩(wěn)定性。本文以某大型壓力容器關(guān)鍵部件密封面的加工為例，主要通過(guò)分析其制造難點(diǎn)，并參考現(xiàn)有加工能力，從工藝性和經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，給出合理的解決方法，以滿足產(chǎn)品制造的要求。

1 密封面結(jié)構(gòu)

該大型壓力容器筒體外圓直徑?8 940 mm，最大外圓直徑達(dá)?10 450 mm，總重超2 000 t。該壓力容器密封選用卡箍密封結(jié)構(gòu)，主要包括筒體組件、筒帽組件、雙O型密封環(huán)以及由4件1/4圓環(huán)組合而成的卡箍[2-5]。

因大型容器密封面在組焊及熱處理后存在變形的風(fēng)險(xiǎn)，且熱處理后生成的氧化皮在密封面位置清理難度較高，所以密封面應(yīng)安排在最終熱處理之后進(jìn)行加工。

又因容器超大直徑，超重噸位、長(zhǎng)度限制等情況，在制造過(guò)程中為滿足制造廠內(nèi)加工、焊接、轉(zhuǎn)運(yùn)等要求,應(yīng)進(jìn)行合理分段[6]，尤其筒體組件部分涵蓋筒體端封頭組件、十幾個(gè)筒節(jié)和筒體法蘭，總長(zhǎng)達(dá)30 000 mm，實(shí)際制造過(guò)程中將其分為筒體上段組件以及筒體段組件，其中筒體段組件包括2個(gè)筒節(jié)以及筒體法蘭(其上有密封結(jié)構(gòu))，總高度近4 500 mm，筒體段組件密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 筒體段組件密封結(jié)構(gòu)示意

筒帽組件由封頭、過(guò)渡段和凸緣法蘭(其上有密封結(jié)構(gòu))組焊而成，總高度達(dá)5 390 mm，凸緣法蘭端面設(shè)計(jì)有兩處凹面，用于放置密封環(huán)，其密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 筒帽組件密封面結(jié)構(gòu)示意

為筒體組件與筒帽組件提供緊固作用的卡箍，外圓直徑達(dá)?10 450 mm，總重近300 t，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。為保證卡箍與筒帽組件、筒體組件順利裝配，卡箍?jī)?nèi)孔、橢圓形過(guò)渡面、93°斜面及根部R5也應(yīng)留在最終熱處理后且4件卡箍環(huán)同把合狀態(tài)下加工。

圖3 卡箍?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)示意

2 主要難點(diǎn)分析

(1)筒體段組件、筒帽組件和卡箍3個(gè)組件直徑大、噸位重、密封面處加工要求高，在對(duì)密封面進(jìn)行最終加工時(shí)，所用的機(jī)床需有足夠的精度、加工范圍以及承載能力。在考慮裝夾方案時(shí)，除了要保證工件在整個(gè)加工中裝夾牢固可靠外，還要考慮操作的安全性和便利性。

(2)因密封組件直徑大，外圓尺寸檢測(cè)難度較大，需結(jié)合光學(xué)測(cè)量手段進(jìn)行精確跟蹤測(cè)量，其余部位(如橢圓形過(guò)渡面及93°斜面)需結(jié)合專用檢具檢測(cè)[7]。

(3)筒體段及筒帽組件密封面一旦出現(xiàn)磕碰劃傷，返修難度會(huì)很大，因此，需做好密封面防護(hù)工作[8-9]。

3 解決方案

3.1 加工設(shè)備的選擇及加工方案

制造廠現(xiàn)有滿足加工要求的立車為16 m數(shù)控立車，工作臺(tái)直徑?8 000 mm，可加工的工件最大高度12 000 m，最大承重600 t。該重型立車設(shè)備可滿足筒體段組件、筒帽組件以及卡箍最終加工要求。

3.1.1 筒體段組件加工

為了保證筒體段組件最終精加工尺寸，筒體法蘭單件外圓及端面在粗加工后單邊留有10～15 mm余量。因筒體段組件外圓超過(guò)立車工作臺(tái)直徑，因此必須增大工作臺(tái)裝夾直徑，最經(jīng)濟(jì)、快速的方法就是在工作臺(tái)上安裝輔助支撐架，如圖4所示。

圖4 輔助支撐架示意

本次使用的支撐架由1件中心支架和16件周邊支架組成，自重77 t，最大承重450 t，中心支架與工作臺(tái)對(duì)中后，通過(guò)定位鍵與螺栓把裝的方式與周邊支架固定，并通過(guò)T型鍵與工作臺(tái)固定，周邊支架端面上設(shè)計(jì)有與機(jī)床工作臺(tái)同尺寸的T型槽用于安裝夾爪，周邊支架上放置等高墊鐵并車平墊鐵上面后，將筒體段組件落放于等高墊鐵上夾緊外圓，如圖5所示。

圖5 筒體段組件裝夾示意

加工分粗車、半精車、精車[10]。首先試切檢查工件裝夾穩(wěn)定性，?9 380 mm外圓在粗加工見(jiàn)圓后，需進(jìn)行光學(xué)測(cè)量并作為尺寸基準(zhǔn)，以準(zhǔn)確確定其余各部外圓余量。

由于橢圓形過(guò)渡面余量較大，可先粗加工成階梯形。精加工外圓橢圓形過(guò)渡面、93°斜面及根部R5時(shí)，應(yīng)采用小進(jìn)給量及小切深，并在余量范圍內(nèi)不斷調(diào)整切削參數(shù)，以滿足圖紙各項(xiàng)要求。實(shí)際精車時(shí)，轉(zhuǎn)速為2 r/min，進(jìn)給量為0.7～0.8 mm/min，切深0.2 mm。橢圓形過(guò)渡面及93°斜面精車時(shí)，需使用車刀加長(zhǎng)桿，以避免滑枕與筒體段組件法蘭部分干涉。

3.1.2 筒帽組件加工

加工筒帽組件凸緣法蘭密封面時(shí)，封頭部件須保持“碗狀”裝夾于立車工作臺(tái)上，此種情況下，一般需采用環(huán)形墊鐵。原則上墊鐵與封頭外球面環(huán)形接觸直徑越大，工件安裝穩(wěn)定性越好。但考慮到工件尺寸和夾點(diǎn)位置，本著盡量降低加工面高度、節(jié)約制造成本以及避讓封頭上已焊法蘭的原則，環(huán)形墊鐵選擇直徑5 500 mm，高度1 000 mm的廢舊筒節(jié)改制而成。此時(shí)工件加上環(huán)形墊鐵以及輔助支撐架的整體高度已達(dá)6 300 mm。

按照夾緊力作用點(diǎn)應(yīng)盡量靠近被加工面的工藝原則，夾爪夾緊位置應(yīng)盡量靠近密封面，但由于本件加工面已完全超出工作臺(tái)，此時(shí)使用超高卡爪不但剛性和穩(wěn)定性難以保證，也增加了制造成本。綜合考慮，將夾緊力作用點(diǎn)選擇在靠近工件重心的圓截面，最大程度降低切削過(guò)程中的振動(dòng)。

安裝輔助支撐架后，工作臺(tái)回轉(zhuǎn)直徑達(dá)到了?11 000 mm，能有效支撐裝夾該直徑封頭。支撐架安裝后，上放等高墊鐵用于支撐環(huán)形墊鐵，將環(huán)形墊鐵與機(jī)床花盤對(duì)中調(diào)平后，再按前述狀態(tài)吊裝工件放置于環(huán)形墊鐵上，因工件噸位較重，在找正過(guò)程中需要緊密協(xié)調(diào)近重心截面處高夾爪夾緊點(diǎn)與壓塊處可調(diào)墊鐵間關(guān)系，并借助吊車進(jìn)行調(diào)整，按端面找平正，按外圓復(fù)檢水平正并確定圓心，最后調(diào)整高夾爪將圓心對(duì)中，如圖6所示。

圖6 筒帽組件裝夾示意

筒帽組件橢圓形過(guò)渡面、93°斜面及根部R5精車時(shí)，選用的切削參數(shù)與筒體段加工相應(yīng)部位時(shí)相同。密封環(huán)槽實(shí)際加工時(shí)，粗加工選用R8 mm圓弧車刀，轉(zhuǎn)速為1.5～2 r/min，軸向加工時(shí)進(jìn)給量為0.5 mm/min，徑向加工時(shí)進(jìn)給量為2～3 mm/min，密封環(huán)槽半精、精車時(shí)選用尖刀及95°車刀，半精車時(shí)轉(zhuǎn)速1.5～2 r/min，進(jìn)給量2 mm/min，切深2 mm;精車時(shí)轉(zhuǎn)速2～3 r/min，進(jìn)給量0.7 mm/min，切深0.2 mm。粗加工用圓弧車刀以及精槽用95°車刀由于刀體長(zhǎng)度有限，如果直接使用，一方面，刀架可夾持的刀桿長(zhǎng)度較短，刀具穩(wěn)定性差；另一方面，由于刀架端面距離工件端面較近，不利于排屑以及觀察密封環(huán)槽加工情況，因此需對(duì)環(huán)槽加工用標(biāo)準(zhǔn)刀具做加長(zhǎng)處理。如圖7所示，改進(jìn)方式為將標(biāo)準(zhǔn)刀具與廢舊刀桿組焊，圓弧車刀組焊后需按前端寬度對(duì)后部刀桿寬度進(jìn)行加工，以防與槽側(cè)面干涉。

圖7 密封環(huán)槽加工用圓弧車刀及95°車刀

密封環(huán)槽加工完后，在立車刀架上安裝專用直磨機(jī)對(duì)環(huán)槽側(cè)面及底面進(jìn)行拋磨處理[11]。

3.1.3 卡箍加工

卡箍由4件1/4圓環(huán)把裝而成，直徑超過(guò)工作臺(tái)裝夾范圍，因此在加工前也需在立車工作臺(tái)上安裝輔助支撐架。為了更快捷地組裝卡箍且便于后續(xù)機(jī)床找正，輔助支撐架上需提前做好組裝用基準(zhǔn)圓線，單件卡箍環(huán)在前序龍門銑床上需做好內(nèi)孔基準(zhǔn)及水平基準(zhǔn)線。

組裝時(shí)，兩兩卡箍環(huán)間采用螺栓加定位套的方式固定。因卡箍較重，若兩兩卡箍先固定，如需再次起吊調(diào)整時(shí)，一旦兩卡箍環(huán)起吊不同步，把合處螺栓就會(huì)有彎折的危險(xiǎn)，所以要求單件卡箍環(huán)落于輔助支撐架上，借助支撐架上的基準(zhǔn)圓線，粗略對(duì)中，再按照卡箍?jī)?nèi)孔基準(zhǔn)及水平線找正水平與垂直，并按最終裝配順序、按上述方法落放并找正下一件卡箍環(huán)，待所有卡箍環(huán)全部落于輔助支撐架并已單件找正后，再借助夾爪及可調(diào)墊鐵對(duì)其進(jìn)行微調(diào)。待4件卡箍環(huán)找正結(jié)束后，在內(nèi)孔余量處焊壓塊，把裝螺栓，完成最終組裝工作，如圖8所示。內(nèi)孔上下各車一環(huán)帶，作為光學(xué)測(cè)量基準(zhǔn)，精車前應(yīng)檢查卡箍結(jié)合面是否存在錯(cuò)邊，把合螺栓是否有松動(dòng)等問(wèn)題。

圖8 卡箍裝夾示意

3.2 密封面防護(hù)

筒體段組件及筒帽組件加工完成后，采用專用工裝對(duì)密封面進(jìn)行保護(hù)。專用防護(hù)工裝為分瓣式結(jié)構(gòu)，內(nèi)襯橡膠襯里，如圖9所示。

圖9 密封面防護(hù)工裝

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)大型壓力容器直徑范圍超出現(xiàn)有機(jī)床設(shè)備工作臺(tái)范圍以及密封面加工精度要求較高的特點(diǎn)，根據(jù)其組件各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別制定了經(jīng)濟(jì)、可靠的工藝方案，并在實(shí)際加工中進(jìn)行了驗(yàn)證，最終各組件密封面的尺寸精度及粗糙度均滿足圖紙要求，且各組件在現(xiàn)場(chǎng)順利完成了裝配及水壓試驗(yàn)。