硬質(zhì)絕熱材料新型加工設(shè)備研制及應(yīng)用

李祥民，辛培剛，許 東，齊國慶

(海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520)

0 引 言

海洋工程，尤其是渤海灣地區(qū)及與天然氣相關(guān)的海洋工程，大多面臨環(huán)境溫度差異大、氣候條件復(fù)雜、管線工藝要求嚴(yán)格，工藝溫度保持要求苛刻等情況。對于海洋工程平臺，壓力容器和管線的絕熱基本涵蓋了海洋工程的整個絕熱體系。

罐、換熱器、塔、分離器等壓力容器的封頭一般為曲線沿直線旋轉(zhuǎn)的二次曲面，目前的直線型加工設(shè)備均無法從原理上進(jìn)行改進(jìn)。

尺寸較小的管線在絕熱材料加工時，大多面臨尺寸小于加工設(shè)備的支撐架和刀具寬度，無法快速有效地進(jìn)行小尺寸管線絕熱材料的加工問題。

本文分析絕熱材料復(fù)雜曲面加工原理，并得出復(fù)雜曲面的加工設(shè)備設(shè)計方案，對于小尺寸管線絕熱材料的加工，通過改進(jìn)傳動方式，避免傳統(tǒng)方案的缺陷，實(shí)現(xiàn)快速有效加工。

1 壓力容器封頭制造方法

1.1 壓力容器封頭標(biāo)準(zhǔn)

壓力容器封頭一般為復(fù)雜二次曲面，根據(jù)GB/T 25198—2010[1]，壓力容器封頭涉及二次曲面的形式分為半球形封頭、球冠形封頭、橢圓形封頭和碟形封頭。

1.2 封頭制造原理分類

對于半球形封頭和球冠形封頭而言，曲面為球形，各方向的半徑均一致，加工技術(shù)方案可歸為一類；對于橢圓形封頭和碟形封頭而言，曲面均為可變半徑的弧線繞軸線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的二次曲面，加工技術(shù)方案可歸為一類。

在制造行業(yè)中,許多廠家采用JB/T 4729—1994[2]中的橢圓形封頭替代JB/T 4737—1995中的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，特別是當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的模具加工較困難時更會采用這種替代方式。大型旋壓式橢圓形封頭實(shí)質(zhì)是一種特定幾何參數(shù)的碟形封頭，如圖1所示。

注：Di為封頭內(nèi)直徑；ri為封頭內(nèi)半徑；a為球面與球面的分界點(diǎn)；b為封頭的截止點(diǎn)；a-a為球面部分；a-b為過渡面部分；R為球面半徑；r為過渡面半徑；h為封頭高度圖1 旋壓式封頭的加工形式

在海洋工程項(xiàng)目中，大型壓力容器封頭基本都是旋壓式橢圓形封頭和蝶形封頭，因此可簡單地將封頭雙曲面劃分為球形二次曲面與碟形二次曲面。

2 球形二次曲面絕熱材料加工

對于球形封頭和球冠形封頭，曲面均為各向半徑一致的球面，根據(jù)球面特性，將球面分解為易于加工的小片，如圖2所示。分解后的球形片即為需要加工的產(chǎn)品最終狀態(tài)。

圖2 球面封頭絕熱曲面和單片絕熱材料

加工思路基本按照常規(guī)機(jī)械加工策略，可有無運(yùn)動軌跡的成型刀具的回轉(zhuǎn)切削和球面運(yùn)動軌跡的普通刀具切割等2種加工方式。

3 碟形二次曲面絕熱材料加工策略

根據(jù)旋壓式封頭加工方式，使用幾何四心法擬合橢圓，進(jìn)行曲線分解。

根據(jù)GB/T 25198—2010，橢圓形封頭的長短軸之比應(yīng)為2∶1，以圖3幾何四心法擬合的橢圓形曲線中的尺寸為基準(zhǔn)，可得出D=4H，R=0.904 5D,r=0.172 75D,OO1=0.327D，其中：D為壓力容器封頭直徑；H為封頭高度；R為球面半徑；r為過渡面半徑。

注：O1為過渡面部分的中心；O2為球面部分的球心圖3 橢圓形封頭的四心法近似原理

根據(jù)擬合結(jié)果，球面R=0.904 5D，可采用球面運(yùn)動軌跡的磨削刀具方案對絕熱材料進(jìn)行加工。對于過渡面的加工，由于涉及2個方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，且回轉(zhuǎn)半徑不同，對加工方法進(jìn)行深入分析。

3.1 碟形過渡面運(yùn)動軌跡分析

經(jīng)過擬合曲面分析，過渡面為以過渡面半徑r繞圓點(diǎn)O1進(jìn)行自轉(zhuǎn)同時繞中心軸O進(jìn)行公轉(zhuǎn)形成的曲面，如圖4所示。

圖4 橢圓形封頭過渡面的成型原理

過渡面的成型過程不同于球面成型，該過程涉及不同的運(yùn)動半徑，且每個運(yùn)動半徑的自由度為1，如圖5所示，其中O點(diǎn)只能進(jìn)行左右擺動的單自由度運(yùn)動，O1點(diǎn)增加1個只能前后擺動的單自由度運(yùn)動，即可完成過渡面運(yùn)動軌跡。

圖5 橢圓形封頭過渡面加工方案

3.2 碟形過渡面加工方案分析

對于碟形過渡面的加工方案，類比球形加工方案，由于自由度分布于不同的點(diǎn)，若刀具運(yùn)動，則結(jié)構(gòu)設(shè)計受到的影響會更大，因此采用絕熱材料運(yùn)動、刀具固定的方式進(jìn)行加工，機(jī)械設(shè)計原理如圖6所示，將O點(diǎn)設(shè)置為左右擺動的轉(zhuǎn)軸，OO1垂直連桿可進(jìn)行長度調(diào)節(jié)。為加強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，將O1點(diǎn)設(shè)置在夾持框架之上，且可上下調(diào)節(jié)，2種調(diào)節(jié)方式可滿足碟形回轉(zhuǎn)曲面的不同尺寸。

圖6 碟形過渡面機(jī)械設(shè)計原理

3.3 碟形二次曲面加工設(shè)備設(shè)計制造及自動化

初步確認(rèn)機(jī)械方案，考慮到實(shí)際設(shè)備的尺寸分布：直徑D為2～5 m，r=0.172 75D，r為0.35～0.86 m，OO1為0.65～1.64 m，為涵蓋設(shè)備直徑區(qū)間，設(shè)計OO1連桿的長度為1.65 m，r可調(diào)范圍為0.3～1.0 m?？紤]到機(jī)構(gòu)尺寸較大，OO1連桿與背部支撐桿通過控制電機(jī)同步調(diào)節(jié)，齒輪齒條機(jī)構(gòu)控制上下運(yùn)動，背部支撐桿與OO1連桿聯(lián)動，保持夾持支架的位置不變?？紤]單人操作的便利性，將夾持結(jié)構(gòu)設(shè)計為啟動夾持，按鈕在手柄位置進(jìn)行開關(guān)控制，可快速精確夾持；考慮到絕熱材料的固定方式，將下磨頭固定，將上磨頭設(shè)置為上下可調(diào)、自動伸出收縮，可方便快速加工。

鑒于此設(shè)備的加工原理，鎖止O1軸取消其自由度，同時在O軸位置增加一個前后擺動自由度，即可實(shí)現(xiàn)球形曲面軌跡，此設(shè)備也可完成一定直徑內(nèi)的球形曲面加工。

在設(shè)備完成基礎(chǔ)原理設(shè)計后，在精度設(shè)計階段，考慮到人工調(diào)節(jié)的效率和精度的不穩(wěn)定性，經(jīng)過技術(shù)評估，將氣動夾具引入設(shè)備的定位系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)絕熱材料的快速精確固定與定位。同時為提高氣動設(shè)備的利用率，設(shè)置氣動導(dǎo)軌伸縮裝置，實(shí)現(xiàn)裝夾材料的半自動化。設(shè)備樣機(jī)如圖7所示。

圖7 碟形二次曲面的設(shè)備樣機(jī)

經(jīng)過試驗(yàn)加工，此設(shè)備加工的絕熱材料與旋壓法制造的碟形封頭、橢圓形封頭的過渡面的匹配精度小于1 mm。圖8中加工的二次曲面絕熱材料完全符合壓力容器封頭的尺寸，顯著提高了施工質(zhì)量和施工效率。

圖8 加工的封頭二次曲面絕熱材料

4 小尺寸管線絕熱材料加工

4.1 小尺寸管線絕熱材料加工問題

傳統(tǒng)絕熱材料加工方式為線鋸式(見圖9)，承托方式為轉(zhuǎn)軸支架，支架中間為插入式固定釘，以某公司生產(chǎn)的P-2005D型圓弧切割機(jī)為例，轉(zhuǎn)軸支架的寬度為35～40 mm，線鋸的寬度為5～8 mm，在進(jìn)行60 mm以下直徑的泡沫玻璃內(nèi)徑切割時，由于曲率半徑過小，線鋸寬度較寬，造成轉(zhuǎn)動不暢，泡沫玻璃表面不均勻，影響絕熱材料的安裝。

圖9 傳統(tǒng)絕熱材料加工設(shè)備

4.2 小尺寸絕熱材料內(nèi)圓柱面加工原理改進(jìn)方案

傳統(tǒng)線鋸切割受加工原理限制需要線鋸與承托支架的配合，但為兼顧穩(wěn)定性和耐久性，承托支架需要具有一定寬度，線鋸也不能過細(xì)。對于圓柱形內(nèi)面的切割方案，可采用刀具固定、絕熱材料直線運(yùn)動的方案。

方案分為兩種方式：第一種為無傳動方式的半圓形成型刀具；第二種為傳動方式的三角形刀具。如圖10所示。

圖10 不同形狀刀具方案

第一種方式雖然不需要傳動裝置，但半圓形成型刀具的磨損導(dǎo)致精度衰退較為嚴(yán)重；第二種方式只需保證三角形刀具的豎直邊長度不變，通過回轉(zhuǎn)即可形成內(nèi)圓柱面，且三角形刀具加工簡單快捷，僅保證兩點(diǎn)距離與內(nèi)圓柱面的直徑相等即可，成本更低。因此，經(jīng)過綜合考量，選擇第二種方式。

4.3 小尺寸絕熱材料的加工設(shè)備制造

為保證絕熱材料的直線滑動精度和穩(wěn)定性，使用雙滑動導(dǎo)軌，將操作臺置于導(dǎo)軌之上，刀具連桿中間使用耐磨軸承，末端采用皮帶傳動輪與電機(jī)連接，操作臺表面使用限位片對絕熱材料進(jìn)行定位，加工設(shè)備制造如圖11所示。

圖11 小尺寸絕熱材料加工設(shè)備和加工方法

5 硬質(zhì)絕熱材料加工設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)分析

所使用的絕熱材料均為泡沫玻璃，一種發(fā)泡生產(chǎn)的高性能絕熱材料，其導(dǎo)熱系數(shù)低，性能穩(wěn)定，被廣泛用作海洋工程及LNG項(xiàng)目中的絕熱材料。

運(yùn)動軌跡方案的優(yōu)點(diǎn)在于加工范圍的連續(xù)性，不需要定制多種類型的成形刀具，選用的磨頭硬度較高、尺寸單一、精度衰減緩慢，在大批量加工經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量精度可靠性上都有著較為可觀的優(yōu)勢。但運(yùn)動軌跡方案的不足在于對于超大尺寸的壓力容器封頭，需要對應(yīng)超大尺寸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動半徑，超大尺寸往往限制了設(shè)備的設(shè)計制造和安裝，因此運(yùn)動軌跡方案適合中小型壓力容器封頭絕熱材料的大批量加工。

小尺寸絕熱材料切割設(shè)備一般適用于直徑在60 mm以下的圓柱形內(nèi)孔切割，刀具尺寸較小、成本低、易替換，適合大批量圓柱形內(nèi)孔絕熱材料的生產(chǎn)。