直縫埋弧焊管坡口預熱裝置的設計

□ 路仁寬

中科北方裝備制造有限公司 遼寧營口 115007

1 設計背景

大直徑鋼管通常采用直縫雙面埋弧焊或直縫埋弧焊方式基于鋼板成型,每根鋼管在縱向有一條焊縫[1]。直縫埋弧焊管的生產工藝靈活,可以生產工藝范圍內任何規格與壁厚的鋼管。近年來,直縫埋弧焊管產品的應用領域不斷拓展,要求也越來越高,合金鋼、大壁厚、高鋼級成為發展方向。在合金鋼管、管道、壓力容器管焊接前,為減小焊接的殘余應力,改善焊縫的組織與性能,焊縫坡口應進行預熱處理。高鋼級鋼管在冬季生產時,為了防止產生焊接缺陷,也要在焊前對焊縫坡口進行預熱處理[2-3]。對此,筆者設計了直縫埋弧焊管坡口預熱裝置。

2 現有加熱方式弊端

制管企業現有生產線已使用多年,工藝及設備均已固定。原有的生產線,其工藝設計與設備工裝已不能滿足合金鋼、大壁厚、高鋼級的市場產品需求,加之技術條件等的限制,進行合金鋼管、管道、壓力容器管焊接時,為減小焊接的殘余應力,只能采用將鋼管吊離連續作業生產線,離線對焊道進行加熱的焊縫坡口預熱處理方式,進而改善焊縫的組織與性能[4],這樣做存在一些弊端:

(1)預熱處理為離線作業,生產不具有連續性,生產效率很低;

(2)加熱裝置大多為臨時制作,不能實現不同規格鋼管產品之間的調整,無法適應多種管徑及長度變化;

(3)加熱裝置非專業定制,涉及的臨時工裝較多,既增加工裝制作成本,又降低工作效率;

(4)加熱裝置大多為非標裝置,加熱效率較低,工人操作勞動強度大,浪費能源。

3 直縫埋弧焊管坡口預熱裝置

針對現有坡口加熱方式存在的弊端,設計了直縫埋弧焊管坡口預熱裝置,能夠在線對直縫埋弧焊管坡口進行預熱。這一預熱裝備調整方便,由電控系統實現加熱區域和溫度的自動調節,可以適應不同管徑和管長的鋼管。

3.1 結構

所設計的直縫埋弧焊管坡口預熱裝置包括龍門框架、升降機構、懸掛裝置、加熱裝置、旋轉托輥裝置等部分,如圖1所示。

圖1 直縫埋弧焊管坡口預熱裝置結構

龍門框架的橫梁上設置有升降機構,升降機構包括多組同步運行的蝸輪升降機。懸掛裝置沿龍門框架縱向設有長梁,長梁上部與蝸輪升降機中的升降絲桿連接,可隨升降絲杠升降。加熱裝置中的陶瓷加熱器縱向設置在懸掛裝置長梁下方。龍門框架下方的地面上設有支撐、轉動鋼管用的多個旋轉托輥裝置,旋轉托輥裝置安裝軸線與加熱裝置縱向中心線在同一立面內。

龍門框架由兩根立柱和一根橫梁拼組焊接而成,立柱和橫梁均為由型鋼焊接的鋼結構組件[5]。橫梁上焊接有加強斜筋,用于提高框架的整體剛性及抗彎能力。龍門框架的兩個立柱分別由地腳螺栓緊固在地面基礎上。

懸掛裝置與升降機構連接如圖2所示。升降機構包括電機、傳動軸、蝸輪升降機三部分,電機通過傳動軸驅動蝸輪升降機同步運行,蝸輪升降機中的升降絲桿向下穿過龍門框架的橫梁,與懸掛裝置連接[6]。升降機構中,一臺電機通過五組聯軸器及兩根傳動軸對三臺蝸輪升降機進行驅動,保證三臺蝸輪升降機的完全同步運行。三臺蝸輪升降機分別驅動三根升降絲桿。每根升降絲桿下端分別設有鎖緊套。升降機構的電機、蝸輪升降機由螺栓固定在龍門框架的橫梁上,龍門框架的橫梁上開有通孔,升降絲桿從通孔中向下穿出。

圖2 懸掛裝置與升降機構連接

懸掛裝置的長梁與升降絲桿之間通過鎖緊裝置固定連接。鎖緊裝置包括固定在升降絲桿底端的鎖緊套和固定在長梁對應升降絲桿位置的固定套,鎖緊套和固定套之間通過固定螺栓連接。

懸掛裝置結構如圖3所示。懸掛裝置由長梁、下部鋼板、導向輪、軸承、銷軸、導向輪座組成[7-8]。長梁為型鋼焊接件,下部水平焊接有下部鋼板,并設置加強筋板。長梁兩端分別設置兩至四個導向輪,導向輪沿龍門框架的兩側立柱滾動,通過銷軸固定在導向輪座中。導向輪的轉軸上安裝有軸承。長梁兩端分別以龍門框架的立柱作為導向柱,用于保證懸掛裝置上下運動時的穩定性。長梁上設有多個固定套,分別與升降絲桿底端的鎖緊套對應,并通過固定螺栓連接,使懸掛裝置由升降機構驅動,完成升降動作。

圖3 懸掛裝置結構

加熱裝置結構如圖4所示,包括陶瓷加熱器、彈性鋼板、保溫棉等。彈性鋼板兩側通過多個支桿吊設在懸掛裝置長梁下部鋼板的下方,每個支桿的兩端分別與彈性鋼板和懸掛裝置長梁下部鋼板鉸接。彈性鋼板上鋪設陶瓷加熱器,陶瓷加熱器和懸掛裝置長梁下部鋼板之間設置保溫棉。

圖4 加熱裝置結構

陶瓷加熱器由鎳鉻合金絲纜外套高純度氧化鋁陶瓷絕緣層,制成履帶式結構,可以進行任意拼接、彎曲[9]。每個陶瓷加熱器加熱單元的橫截面面積為0.09～0.49 mm2,多個加熱單元沿懸掛裝置長梁方向拼接排列,上部與保溫棉接觸,下部由彈性鋼板支撐。彈性鋼板為拼接形式,沿懸掛裝置的長梁方向排布。陶瓷加熱器的加熱單元分別通過線纜連接電控系統,可以進行單個、部分、全部通電及斷電控制,實現加熱或停止加熱操作。

旋轉托輥裝置有兩個,設置在運管車軌道兩側。旋轉托輥裝置結構如圖5所示,由減速電機和旋轉托輥組成[10-11]。旋轉托輥為包膠輥,由電機驅動轉動。旋轉托輥裝置布置在龍門框架橫梁的正下方,可以實現對鋼管的旋轉控制,保證焊縫旋轉到陶瓷加熱器的正上方,通過加熱裝置進行焊縫預熱。

圖5 旋轉托輥裝置結構

3.2 操作

龍門框架安裝在預焊后的鋼管儲運臺架末端,位于V形輥道外側。在生產過程中,不需要焊縫坡口預熱的鋼管直接由輥道輸送至下一焊接工位。對于需要焊縫坡口預熱的鋼管,由運管車運輸放置在旋轉托輥上,啟動減速電機帶動旋轉托輥轉動,旋轉鋼管使焊縫一側向上,處于正對陶瓷加熱器的位置,停止鋼管旋轉。

直縫埋弧焊管坡口預熱裝置處于待工作狀態時,懸掛裝置的升降絲桿始終處于最頂端。啟動升降機構電機,使升降絲桿帶動懸掛裝置與加熱裝置一起下降,直至加熱裝置中部即將覆蓋焊縫,停止下降。觀察加熱裝置與鋼管焊縫間隙,繼續點動下降。鋼管外表面為圓柱形,焊縫處于最高點位置,最先接觸加熱裝置的彈性鋼板。加熱裝置整體為柔性結構,并且陶瓷加熱器上部襯有保溫棉,可以起到良好的緩沖作用,因此加熱裝置可以根據不同管徑鋼管弧度的變化進行彈性調整。繼續點動升降機構電機,帶動加熱裝置下降。加熱裝置在兩側支桿支撐作用下,最終全部與鋼管上表面弧度契合覆蓋。此時停止下降,啟動加熱裝置對焊縫坡口進行預熱。

根據所生產鋼管的長度,事先在電控系統中設置陶瓷加熱器需工作的加熱單元數量和位置,按需要進行加熱,最大限度節約能源。達到設定溫度后,加熱裝置停止加熱,啟動升降機構電機帶動加熱裝置上升,將懸掛裝置抬起,直至升降絲桿上升到最高點。預熱好的鋼管由運管車輸送至下一工位進行焊接,然后進行下一根鋼管的焊縫坡口預熱工作。

4 結束語

通過實際應用,所設計的直縫埋弧焊管坡口預熱裝置與原有預熱技術相比,存在以下優點:

(1)能夠在線對直縫埋弧焊管坡口進行預熱,不影響正常生產節奏;

(2)操作調整方便,通用性強,由電控系統實現對加熱區域和溫度進行自動調節,適用于對不同管徑、管長的鋼管進行焊縫預熱,可以大大節省工裝成本;

(3)加熱裝置對焊縫坡口及鋼管預熱區完全契合覆蓋,采用履帶式陶瓷加熱器,加熱速度快,熱利用率高,節能顯著,并且使用安全可靠;

(4)能夠實現全過程自動化操作,降低工人勞動強度,大幅提高生產效率。