天圓地方結(jié)構(gòu)組裝過程的同心度控制

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(上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518)

方圓連接管(俗稱天圓地方)是石油化工行業(yè)壓力容器制造中常見的一種結(jié)構(gòu)件。天圓地方組裝時(shí)，同心度的控制是難點(diǎn)和關(guān)鍵。同心度偏大，形成的錯(cuò)邊量就大，會(huì)造成安裝失敗或勉強(qiáng)完成安裝后的焊接隱患[1-6]。

1 天圓地方放樣計(jì)算

放樣階段的計(jì)算是天圓地方同心度控制的第一步，可為準(zhǔn)確切割下料提供數(shù)據(jù)支持。天圓地方的放樣計(jì)算有很多方法，例如AutoCAD、三維軟件Solidworks、各種鈑金放樣展開軟件等。中文介紹2種常用的快速計(jì)算方法。

1.1 AutoCAD畫圖展開法

天圓地方AutoCAD畫圖展開法操作示圖見圖1。

圖1 天圓地方AutoCAD畫圖展開法操作示圖

畫圖放樣計(jì)算分為5個(gè)步驟：①根據(jù)設(shè)備圖樣要求的A、D和h作天圓地方的主視圖和俯視圖。A、D、h分別為天圓地方的底邊長度、圓口直徑及高度。②將俯視圖圓周劃分為12等份，作4條輔助線段，分別標(biāo)記為線1、線2、線3和線4，其中線1和線4長度相等，線2和線3長度相等，并向上引投射線至主視圖。③作三角形圖求出線段a′、線段2′、線段3′、線段1′、線段4′的實(shí)際長度。④作線段A并以O(shè)和O1為圓心，確定點(diǎn)4＂位置,以O(shè)和O1為圓心，以線段4′為半徑畫圓相交于4＂，再以O(shè)和4＂為圓心，1/12弧長為半徑畫圓相交于3＂，同理類推確定點(diǎn)3＂、點(diǎn)2＂及點(diǎn)1＂位置。⑤以O(shè)和O1為圓心，A/2為半徑畫弧，與以點(diǎn)1＂為圓心，線段a′為半徑畫弧交于點(diǎn)5，光滑連接上口，折線連接下口。檢驗(yàn)∠1＂5O與∠1＂5O1是否為直角，若是,則展開圖正確；否則，上口曲線曲率就不對(duì)，要重新由步驟④開始作圖。

1.2 平面解析幾何法[7-8]

1.2.1算圖

實(shí)際中最常見的正心天圓地方結(jié)構(gòu)尺寸示例見圖2?；趫D2建立正心天圓地方的解析幾何算圖，見圖3。

圖3所示的正心天圓地方的平面展開算圖見圖4。從圖4截取的正心天圓地方平面展開圓端展開長計(jì)算圖見圖5。

圖2 最常見正心天圓地方尺寸示例

圖3 正心天圓地方解析幾何算圖

圖3～圖5中，D為圓端中徑，δ為壁厚，r為圓端中心半徑，r=0.5(D-δ)；a1為方端內(nèi)徑，H為圓端中徑點(diǎn)至方端內(nèi)徑點(diǎn)間的垂直距離，S為圓端展開長度，T為任一平面三角形高的實(shí)長，βn為圓周各等分點(diǎn)與同一橫向直徑的夾角，y為圓端每等份弦長，mm。n為圓端等分點(diǎn)編號(hào)，n取1～5的整數(shù)，ln為從編號(hào)n的圓周等分點(diǎn)到方端頂點(diǎn)的實(shí)長過渡線。

1.2.2計(jì)算

根據(jù)圖4～圖5，任一條實(shí)長過渡線長度ln、任一平面三角形高的實(shí)長T、圓端展開長S、圓端每等份弦長y計(jì)算如下：

(1)

(2)

S=πD

(3)

y=Dsin(180°/m)

(4)

圖4 正心天圓地方平面展開算圖

圖5 正心天圓地方平面展開圓端展開長計(jì)算圖

式(4)中，m為圓周等分?jǐn)?shù)。將a1=1 184-2×6=1 172(mm)、r=(820-6)/2=407(mm)、β=45、H=700 mm、m=16帶入式(1)～式(4)計(jì)算得到圖3所示正心天圓地方的l3=817 mm、T=723 mm、S=2 557 mm、y=159 mm。

2 天圓地方壓制和組對(duì)過程控制

2.1 壓制成型

天圓地方壓制在折彎機(jī)上操作，按天圓地方規(guī)格決定壓制的方式。通常情況下，天圓地方有1/2、1/4、1/8形式壓制法。以厚度δ=20 mm、方口尺寸為1 200 mm×1 600 mm、圓口直徑為620 mm、材料為S31603的天圓地方為例，采取1/2形式壓制法，將圓口端等分36份，每個(gè)過渡段9條折彎線，每條10°進(jìn)行折彎，并配合檢驗(yàn)樣板，確認(rèn)折彎曲率。用較厚不銹鋼板制作天圓地方時(shí)，冷作硬化現(xiàn)象影響較大，表現(xiàn)為折彎時(shí)方口直角會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部材料擠壓現(xiàn)象，還會(huì)增加產(chǎn)生裂紋可能性。采取的控制措施是，折彎前將4個(gè)角切割開并預(yù)留折彎間隙，最終成型后進(jìn)行兩瓣焊接時(shí)將4個(gè)角焊接填肉即可，所以焊后4個(gè)角非標(biāo)準(zhǔn)直角而呈圓弧過渡形狀[9-12]。

2.2 組對(duì)焊接

2.2.1注意事項(xiàng)

兩瓣壓制成型后進(jìn)行組對(duì)焊接。組對(duì)過程中的注意事項(xiàng)包括，①組對(duì)前按圖樣復(fù)核壓制尺寸。②組對(duì)時(shí)注意圓口的橢圓度以及方口的對(duì)角線偏差。③組對(duì)后在兩瓣拼縫處增加防變形支撐，避免方口拼縫處在焊接結(jié)束后向內(nèi)收縮使錯(cuò)邊量增大[13-14]。

2.2.2組裝程序

天圓地方分瓣組裝見圖6。組裝程序包括放樣、對(duì)位、點(diǎn)固、焊接和檢測(cè)。

圖6 天圓地方分瓣組裝示圖

操作時(shí)，在組裝平臺(tái)上按圖樣尺寸1∶1放樣天圓地方的俯視圖，移動(dòng)壓制成型的1/2天圓地方瓣片使之下口與放樣線重合，采用吊線法檢查上圓口是否與放樣圓周線相重合，滿足尺寸要求后將天圓地方瓣片點(diǎn)固。同理檢查另外一半的壓制尺寸是否合格并進(jìn)行組對(duì)。組對(duì)后檢查上圓口的橢圓度，并對(duì)兩瓣天圓地方進(jìn)行加固。瓣片的組裝和點(diǎn)固定完成后，復(fù)檢圓口截面和方口截面的中心是否重合，采用拉粉線的方法十字交叉找出圓口截面的中心，從中心吊線檢查是否與方口截面中心重合，若重合即保證了圓口與方口截面的同心度符合要求。依據(jù)焊接工藝進(jìn)行拼縫的施焊，注意應(yīng)盡量采用小電流、多道焊進(jìn)行焊接，控制焊接變形。依據(jù)圖樣、承壓設(shè)備無損檢測(cè)的要求[15-20]進(jìn)行天圓地方拼縫的檢測(cè)。

3 接管與天圓地方同心度控制

3.1 焊接接管必要性

天圓地方是不同設(shè)備之間的過渡連接段或設(shè)備與現(xiàn)場(chǎng)管線連接的進(jìn)出口端，其圓口截面與設(shè)備或管道連接時(shí)，由于圓口的平面中心對(duì)稱特性，同心度極難控制。降低同心度的控制難度和提高同心度的控制準(zhǔn)確度的通常做法是在天圓地方圓口端焊接接管，這樣可以將圓面連接時(shí)的點(diǎn)幾何中心轉(zhuǎn)換為圓管連接時(shí)的線幾何中心。這種轉(zhuǎn)換完成后，無論是天圓地方與接管的連接過程還是天圓地方與接管構(gòu)成的整體與設(shè)備或其他部件的連接過程，同心度的控制都變得簡(jiǎn)單易操作。

3.2 同心度控制要點(diǎn)

3.2.1前期準(zhǔn)備

組對(duì)前需要加工坡口和控制偏差。接管加工為內(nèi)坡口，在下料和卷制過程中控制接管外圓周長偏差在0～10 mm。天圓地方的圓口不必加工坡口，因?yàn)閳A口壓制組對(duì)后已經(jīng)具有了內(nèi)坡口特征。

3.2.2接管找心

基于接管實(shí)際外圓周長找心，通過掉粉線、弧長計(jì)算畫出接管端口中心線，中心線應(yīng)避開接管縱焊縫，分別標(biāo)識(shí)接管0°、90°、180°及270°這4條心線。

3.2.3天圓地方找心

首先確定輪廓線(圖7)和檢查線(圖8)。按圖樣尺寸在組裝平臺(tái)上畫出天圓地方的方口輪廓線，以此輪廓線作為基準(zhǔn)線，由方口4條基準(zhǔn)線各向外延伸100 mm，以延伸線作為檢查線，將天圓地方方口端4條邊及4個(gè)角以外徑為基準(zhǔn)放置在畫好的輪廓線上。輪廓線和檢查線的配合使用既能檢查方口的尺寸偏差，也能保證方口端中心線的精準(zhǔn)度。

圖7 天圓地方方口輪廓線

圖8 天圓地方方口檢查線

找出基準(zhǔn)線、檢查線的中心并配合直角尺將中心線延伸至天圓地方上。以方口圖樣尺寸找心精度高、易操作。天圓地方方口的4個(gè)角與圖樣上的直角存在偏差，而折彎后的4個(gè)角是通過焊接圓滑過渡形成，并非標(biāo)準(zhǔn)直角，若以方口實(shí)際尺寸找心，就可能造成方口4條直邊長度的不一致而形成偏差。

3.2.4接管與天圓地方組對(duì)

接管與天圓地方組對(duì)同心度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)見圖9。操作時(shí)，將二者中心線重合后開始調(diào)整同心度。利用檢驗(yàn)輔助工裝和之前畫好的檢查線進(jìn)行檢查，將檢驗(yàn)輔助工裝與檢查線對(duì)齊，分別測(cè)量方口4條邊上檢驗(yàn)輔助工裝至接管的距離，保證4個(gè)測(cè)量值的一致性，從而保證了接管與天圓地方的同心度。接管與天圓地方組對(duì)控制錯(cuò)邊量0～3 mm，采用機(jī)加工方法保證接管兩端面坡口的平行度，接管上端平面與天圓地方方口平行度不大于1 mm，接管與天圓地方同心度不大于1 mm，總高度符合圖樣要求。完成組對(duì)后進(jìn)行環(huán)焊縫焊接和無損檢測(cè)，保留中心線標(biāo)記。

圖9 接管與天圓地方組對(duì)同心度測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)

4 天圓地方整體同心度控制方法應(yīng)用

接管找心、天圓地方找心、接管與天圓地方組對(duì)過程的同心度控制、接管與天圓地方焊接為一個(gè)整體，一系列嚴(yán)格操作形成的同心度預(yù)控程序可有效降低天圓地方與設(shè)備整體組裝難度。組裝天圓地方與設(shè)備連接的方口截面一側(cè)時(shí)，根據(jù)設(shè)備方口成型尺寸和對(duì)角線偏差確定設(shè)備方口中心線，使此設(shè)備方口中心線與天圓地方上的中心線重合，即可保證天圓地方與設(shè)備的同心度。組裝天圓地方與設(shè)備連接的圓口截面一側(cè)時(shí)，只要保證圓口與圓口組對(duì)時(shí)在整個(gè)圓周方向上的錯(cuò)邊量始終均勻、一致即可。

某公司承制的板殼式熱交換器結(jié)構(gòu)中，天圓地方的圓口端連接膨脹節(jié)，方口端連接板束，見圖10。制造過程中不但要減小同心度偏差造成的膨脹節(jié)橫向膨脹量，還要避免設(shè)備使用過程中溫差應(yīng)力與彎曲應(yīng)力、焊接應(yīng)力疊加造成的焊縫提前失效問題，因此熱交換器的組裝同心度要求極高。

圖10 板殼式熱交換器板束結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在組裝熱交換器時(shí)，應(yīng)用上述方法，選取水平度合格的組裝平臺(tái)，并結(jié)合檢驗(yàn)工裝，從放樣計(jì)算、分瓣壓制、瓣片組對(duì)、接管焊接到整體組裝的全過程進(jìn)行同心度控制。熱交換器組裝完成后，經(jīng)檢驗(yàn)同心度和組裝精度均滿足要求。

5 結(jié)語

從準(zhǔn)確放樣計(jì)算和嚴(yán)格組裝要求和必要的操作技巧角度，系統(tǒng)介紹了天圓地方制造過程中各個(gè)階段同心度的控制，形成了放樣計(jì)算、分瓣壓制、瓣片組對(duì)、接管焊接及整體組裝構(gòu)成的同心度控制操作程序。此操作程序應(yīng)用在板殼式熱交換器的制造中效果良好，有效減小了同心度偏差，提高了組裝精度和施工速度，可為此類結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)、同心度過程控制提供一種思路。