圆锥体双曲线钢煤斗制作技术方案优选与应用

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摘 要：为进一步提高火电厂的运行效益，在火电厂输煤系统中的煤仓下设置圆锥体双曲线钢煤斗，是一项防止在运行过程中堵煤的有效措施，由于圆锥体双曲线钢煤斗形状复杂，制造较困难，采用传统的加工制造工艺，会导致圆锥体双曲线钢煤斗加工制造技术及经济效益均很低。马鞍山发电厂输煤系统中钢煤斗采用矩形、方圆节和双曲线相结合的工艺设计，其原设计较复杂，异形件较多，壁板设计较薄，使得在加工制作过程中容易造成尺寸上的误差和焊接收缩变形，导致双曲线钢煤斗的临界截面收缩率达不到设计要求，以及对原材料的利用率较低。经过优化设计和施工方案，在设计方案上采用12节圆台体来替代原设计的10节圆台体，从而保证双曲线钢煤斗的临界界面收缩率；在施工方案上采用先拼板后，再利用电脑进行合理的排版，再下料，来提高对原材料的利用率，使得材料成本大大降低，以及通过改进焊接工艺来保证焊接质量，从而大大提高圆锥体双曲线钢煤斗加工制造技术及经济效益。

关键词：双曲线钢煤斗；临界界面收缩率；优化设计方案；优化施工方案；技术经济效益

1 概况

1.1 设计理念

随着现代化城市和工业的不断发展，对电能的需求日益剧增，使得火力发电项目迅速发展，为进一步提高火电厂的运行效益，在火电厂的设计和施工技术方面也发生了日新月异的变化，如在火电厂输煤系统中，在煤仓下设置圆锥体双曲线钢煤斗，是一项防止在运行过程中堵煤的有效措施。选择圆锥体双曲线钢煤斗上口直径、下口直径、煤斗高时，应考虑煤斗等截面收缩率，收缩率大小应视具体工程具体分析，由于圆锥体双曲线钢煤斗形状复杂，制造较困难，在工程实际应用中，采用多节等高圆台来替代，做成近似双曲线煤斗。为保证煤流经过时不堵塞，各节圆台的最大截面收缩率不应大于双曲线煤斗的临界截面收缩率。

1.2 工程概况

马鞍山发电厂“2×660MW”燃煤机组工程位于安徽省马鞍山市金家庄区，其主厂房采用侧煤仓间布置，在侧煤仓间32.55m层设置六台相同的钢煤斗，钢煤斗采用矩形、方圆节和双曲线相互结合圆滑过渡而成的工艺设计，其中圆锥体双曲线钢煤斗原设计尺寸为：上/下口外径为φ6400/φ1000mm，垂直高度为9.75m，分10节圆台组合而成，壁厚10mm，材质为，其原设计较复杂，异形件较多，壁板设计较薄，使得在加工制作过程中容易造成尺寸上的误差和焊接收缩变形，导致双曲线钢煤斗的临界截面收缩率达不到设计要求，以及对原材料的利用率较低，从而导致经济效益差。

针对马鞍山工程圆锥体双曲线钢煤斗原设计的特点，经过仔细的研究和分析，存在的问题主要有：（1）就如何控制加工制作尺寸，从而保证各节圆台的最大截面收缩率不应大于双曲线煤斗的临界截面收缩率，并充分体现圆锥体双曲线钢煤斗曲线的完美过渡；（2）在保证双曲线煤斗的临界截面收缩率的情况下，如何充分利用原材料，降低加工制作成本，从而提高圆锥体双曲线钢煤斗加工制作技术经济效益。

2 优化设计和施工方案

2.1 优化设计方案

为了既能保证各节圆台的最大截面收缩率不应大于双曲线煤斗的临界截面收缩率，充分体现圆锥体双曲线钢煤斗曲线的完美过渡，又能充分利用原材料，降低加工制作成本，从而提高圆锥体双曲线钢煤斗加工制作技术经济效益。经过一些列的三维视图模拟，决定将原设计的10节圆台体变为12节圆台体，具体的节数尺寸分布见下表（经过设计人员的确认，该数据能够保证双曲线煤斗的临界截面收缩率，且不影响钢煤斗整体的结构强度，可行）。通过12节圆台体依次首尾相连组合而成，这样既能便于加工制作，且有利于各节圆台的最大截面收缩率控制，更能显示出双曲线钢煤斗的曲线美（详见下效果图），而且还能在加工下料时充分的利用原材料。

2.2 优化施工方案

针对马鞍山钢煤斗具有结构尺寸大，壁板薄的特点，在圆台体相互间组合过程中，容易造成尺寸上的误差和焊接收缩变形，导致无法满足双曲线煤斗的临界截面收缩率，且无法形成工艺设计要求的曲线美，焊缝相对较多，控制难度更加突出。针对“双曲线钢煤斗外形尺寸超差”这一主要问题，从人、机、料、法、环等方面分析原因，并绘制因果图如下，从下图看出，共有10个末端因素。

经过各类原因的因果分析，最终确定造成圆锥体钢煤斗外形尺寸超差的主要原因有：（1）下料方法不科学，造成下料尺寸超差；（2）焊接工序和工艺不合理，造成焊接变形严重；（3）施工人员技能素质差；（4）圆锥体双曲线组合方法不合理，造成组合误差大。

就上述四大影响因素在施工过程中如何控制，需从以下几方面做到：（1）如何进行合理的下料，落实到具体的技术人员，负责通过电脑准确的模拟，制订好每块板的下料尺寸，并负责过程中的指导和监督，并做好施工记录。（2）制订合理的焊接工艺卡及焊接工艺评定，确保焊接质量，以及焊接变形控制，由专门的焊接质检员负责指导和过程监督。（3）做好开工前的施工技术交底，交底的对象是全体施工人员，确保每位施工人员都熟悉各自工作的要领和注意事项。（4）制订合理的组合方式，减小组合尺寸的积累误差。（5）在施工过程中实行PDCA循环质量控制流程。

针对马鞍山电厂圆锥体双曲线钢煤斗的设计特点，经过反复的研究和讨论，决定在依据常规的施工工艺基础上进行创新，第一步拼板：为了能充分利用原材料，采用先拼板再下料的方式，用两块钢板（长10米、宽2米）以长度方向进行拼接，这样拼板的先进性我们将以第四节双曲线煤斗为例进行叙述，通过下图的分析对比我们可以清晰的发现，采用先拼板再下料，再加以合理的排版，同样是第四节圆锥体但是两种不同的方案对原材料的需求却相差甚远，优化后的方案制作12只钢煤斗的第四节只需要5张钢板（长10米、宽2米），而优化前的方案却需要12张钢板（长10米、宽2米）。所以我们的优化方案对原材料的利用率大大提高，而且拼板的直焊缝我们利用埋弧自动焊进行焊接，其焊接的效率高，焊缝的质量可以得到保障。

优化后的下料排版图：

第二步下料：将放样好的下料尺寸在钢板上用石笔给画出清晰的扇形轮廓，为了能够更好的控制下料尺寸，我们将用半自动切割代替手工切割，但常规的半自动切割机只能进行直线切割，不能进行圆弧切割，为此我们将半自动切割机的结构进行了简单的改造，加工一个简易的半径控制杆，控制杆圆心套在一个固定好的螺栓上，控制杆另一端连接半自动切割机，控制杆的长度以扇形圆弧半径为准，在下料时半自动切割机就可以自行的以控制杆为半径割出规则的弧形，切割出的边口非常的圆滑整齐，就不会出现手工焊造成的锯齿型，而且比人工切割效率高。

第三步拼接：下料完毕后，在钢样台上按照1：1的比例将每节圆锥体实地放样好，然后将下料好的等分块对号入座，形成一个整体扇形弧度板，然后把四周焊上临时固定卡，防止焊接竖焊缝时出现变形，拼接焊缝焊接完毕后，将所有的拼接焊缝清理干净，并对拼接后产生的焊缝变形用大榔头予以矫正、平整，最后对平整后的钢板进行检验，应符合表面质量要求。

第四步卷制：用龙门吊将整体拼接好的扇形板吊起，送至卷板机处进行卷制，开始的时候一端在放进卷板机里的时候要保持边口要与辊轴平行，也即是半径方向要与辊轴在重合，防止最终卷制出错口，另一端依然用龙门吊给吊起，防止变形，并且在卷板的过程中，一名人员要时刻拿着一个弧形控制样板进行测量和监控，过程中操作人员要有效的控制好滚筒卷制速度，卷制成型后，将最后一道接口利用电焊点焊牢固，形成整体后，再在滚筒上来回卷制三次，确保锥体的圆度满足设计要求。

第五步组对：组对我们采用从小口开始倒立依次组对，以便更好的控制组对的尺寸误差积累。先将第一节锥体放在样台上，调整好水平度，并且在第一节中心位置固定一个立杆，后面在装第二节的时候，在第二节的小口上用一个等于小口直径的横杆，中心位置有个凹槽正好卡在中心立杆上，转动横杠，来调节两节锥体的中心对齐，这样可以非常有效的防止在组对的过程中差生偏心，依次按此方法组对，最后便形成一个完整的圆锥体双曲线（见下图）。

第六步焊接：为了控制焊接变形，我们制定了详细的焊接工艺方案，并通过焊接工艺评定加以实践验证，最终就如何控制焊接变形，我们主要从焊接电流的大小和焊接顺序上进行控制，从而制定了如下焊接工艺：

（1）为了减少热量输出，焊接电流由常规的110～130A调低15%；

（2）焊条直径由4mm改为3.2mm；

（3）对卷板进行组焊时，纵向焊缝只焊中间一半，两端的焊缝在节与节组焊时待水平环焊缝焊接完毕后再焊接；

（4）焊接水平环向焊缝时，为使热影响区均匀布置，首先沿圆周方向对称均匀地点焊牢固，再进行对称连续焊接。

（5）所有焊缝均利用碳弧气炮进行反面清根，再进行焊接。

3 结束语

该方案已在马鞍山电厂钢煤斗施工中成功应用，节约了材料成本约90万元，而且质量控制到位，工艺美观，被业主列为马鞍山电厂扩建工程的精品示范点。较好的控制了制作过程中的各类变形和尺寸控制，提高了双曲线钢煤斗的艺术美感，为工程创优作出了贡献，可在以后同类型机组双曲线钢煤斗施工中广泛推广运用。