CN114905174A - 核电厚壁不锈钢复杂管件等离子-火焰同轴复合切割工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于核电管件切割技术领域，公开了一种核电厚壁不锈钢复杂管件等离子‑火焰同轴复合切割工艺，包括以下步骤：提供复合割炬，所述复合割炬包括等离子割炬，以及所述等离子割炬***同轴套设的火焰炬；所述火焰炬为外混式结构，分别连通氧气源和燃气源；采用所述复合割炬作为切割源，对待切割的不锈钢复杂管件进行切割，即可实现对核电厚壁不锈钢复杂管件的切割。本发明通过与火焰同轴复合提高等离子切割的能力和质量，实现了我国AP1000核电厚壁不锈钢主管道、超级管道等及其坡口切割的厚度指标；将该复合割炬于置于龙门机架立柱下端的机器人手臂连接，即可实现核电厚壁不锈钢复杂管件的全位置切割。

Description

核电厚壁不锈钢复杂管件等离子-火焰同轴复合切割工艺

技术领域

本发明涉及核电管件切割技术领域，尤其涉及一种核电厚壁不锈钢复杂管件等离子-火焰同轴复合切割工艺。

背景技术

2014年，本领域技术人员提出了AP1000核电不锈钢主管件和复杂管件“轴向补料，径向挤压”的成形新工艺。与传统核电管件的锻造成形相比，挤压成形过程中金属各部分连续变形，成形时间短，因此，挤压成形在提高产品质量和缩短制造周期方面具有显著优势。

挤压成型的管件需要将接管嘴等多余部分切除，薄壁部分可采用通用型等离子电源设备进行切割，而等离子切割技术对不锈钢材料进行切割目前均取决于等离子电源功率，由于核电用不锈钢材料316LN的特殊性，导致该电源切割能力无法满足对壁厚管件的切割，只能采用大型机加设备加工，消耗大量的时间和成本。

为进一步降低生产成本、提高效率，实现核电复杂管件的接管嘴“近净成形”制造，迫切需要专用的大功率等离子切割工艺技术及其设备。

因此，本发明提供一种核电厚壁不锈钢复杂管件等离子-火焰同轴复合切割工艺。

发明内容

为了解决上述现有技术中的不足，本发明提供一种核电厚壁不锈钢复杂管件等离子-火焰同轴复合切割工艺。

本发明的核电厚壁不锈钢复杂管件等离子-火焰同轴复合切割工艺是通过以下技术方案实现的：

一种核电厚壁不锈钢复杂管件等离子-火焰同轴复合切割工艺，包括以下步骤：

提供复合割炬，所述复合割炬包括等离子割炬，以及所述等离子割炬***同轴套设的火焰炬；所述火焰炬为外混式结构，分别连通氧气源和燃气源；

采用所述复合割炬作为切割源，对待切割的不锈钢复杂管件进行切割，切割时，所述复合割炬中的等离子割炬由其喷嘴喷射出等离子弧射流；同时，火焰炬喷射出氧气和燃气的火焰热源，使所述等离子弧射流与冷空气隔绝、并注入热能，减少等离子弧射流激波损失。

进一步地，所述等离子割炬的喷嘴与所述火焰炬的喷嘴之间的距离为10～20mm，以露出等离子割炬保护帽。

进一步地，火焰炬中通入氧气与燃气的流量比例为3:1。

进一步地，所述燃气为丙烷气。

进一步地，切割不锈钢板时，所述火焰炬中，氧气的工作压力为0.5～0.8MPa，燃气的工作压力为0.4～0.6MPa。

进一步地，当切割120mm～140mm厚不锈钢板时，所述火焰炬中，氧气的工作压力为0.5～0.6MPa，燃气的工作压力为0.4～0.5MPa。

进一步地，当切割140mm～160mm厚不锈钢板时，所述火焰炬中，氧气的工作压力为0.6～0.8MPa，燃气的工作压力为0.5～0.6MPa。

进一步地，当切割160mm以上厚不锈钢板时，所述火焰炬中，氧气的工作压力为0.8MPa，燃气的工作压力为0.6MPa。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明技术是针对核电管件挤压成形新工艺展开的一项等离子切割厚壁不锈钢核电管道和复杂管件新工艺，与核电管件锻造成形制造相比，挤压成形过程中金属各部分连续变形，成形时间短，可在1道次中实现大变形量的变形且变形均匀，有利于晶粒度的控制，因此挤压成形在提高产品质量和缩短制造周期方面具有显著优势。解决了我国核电、发电设备用大型复杂管件的制造难题，提高我国重型锻造成形设备的配套工艺水平和制造能力，满足发电设备、船舶等领域对高效、优质、低成本、长寿命大型复杂管件的需求，使我国大型复杂管件的制造技术达到国际先进水平。

本发明通过与火焰同轴复合提高等离子切割的能力和质量，实现了我国AP1000核电厚壁不锈钢管件坡口切割的厚度指标；将该技术与机器人手臂连接，并倒置安装于龙门立柱下端，即可实现核电厚壁不锈钢复杂管件的全位置切割。

与现有车削加工相比，等离子切割效率提高幅度巨大。以简单的斜三通端面加工为例，车削加工工件摆放、加工时间(不锈钢材料加工难度大，中途多次换刀)约5小时，等离子切割约15分钟(批量生产无需每次示教效率更高)；超级管道和主管道上非正交支管(延长线与轴线不相交)由于工件摆放加工难度增加，时间更长，而等离子切割时间基本就是示教后切割。

成本大幅度降低。不锈钢切削刀具价格较高，由于核电管道壁厚较大，切削刀具更换频次较高，造成巨大成本；由于机加效率低造成时间成本、人工成本和材料浪费成本也巨大。

整体制造工艺不同，突破了我国核电管件制造的瓶颈。

附图说明

图1为AP1000核电主管件的结构示意图；

图2为本发明切割工艺的原理示意图；

图3为本发明等离子割炬的喷射口与火焰炬的喷射口的位置关系示意图；

图4为本发明火焰炬中氧气孔道出口和燃气孔道出口的位置关系示意图；

图5为本发明复合割炬进行全位置切割时的示意图。

具体实施方式

正如背景技术中所述，现有技术中，锻造而成的管道整体结构，利用机加进行镗孔、车削等工序进行加工；而目前国内提出的挤压成形直接挤压出管道，只需要将多余的接管嘴去掉即可。

然而，发明人发现，核电主管件、超级管件、斜三通等管件尺寸规格较大；如AP1000核电主管件(如图1所示)最大总长达8000mm，最大端面直径2000mm，最大壁厚120mm，在切割时无法翻转，只能管件固定采用机器人手臂进行各位置切割，又因切割位置不固定，因此要求切割能够完成在放置区域内的任意位置切割。等离子切割虽能够解决一定程度的全位置切割问题，目前国内外最大功率的电源切割能力理论上能够实现160mm厚的管道，但是由于全位置切割需要水平甚至竖直向上切割，向上切割厚度仅能达到120mm。而对于厚壁不锈钢管件而言，其壁厚一般为80～120mm，但由于接管嘴需要焊接，所以切割需要坡口切割，最大理论切割厚度可达170mm(45°坡口)，所以，单一的等离子切割无法实现170mm厚度的切割要求。且现有技术采用大型机加设备进行车削加工，由于核电典型用钢316LN硬度高，加工难度大，机加制造需耗费大量的刀具，成本过高；核电管件尺寸较大，需要大型多轴加工中心进行加工，装夹十分困难；管件壁厚较大，坡口加工去除量较大，机加效率极低；以上缺点对于为提高生产效率、降低成本而开发的挤压成形核电管件新技术来说，均无法接受。

基于上述，本发明提出了核电厚壁不锈钢复杂管件等离子-火焰同轴复合切割工艺，通过与火焰同轴复合提高等离子切割的能力和质量，实现了我国AP1000核电厚壁不锈钢管件坡口切割的厚度指标；将该技术与机器人手臂连接，即可实现核电厚壁不锈钢复杂管件全位置的切割。从而克服现有国内外大功率等离子切割能力的不足，解决核电80～120mm厚壁不锈钢等离子全位置坡口切割的问题。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，图2为本发明提供的核电厚壁不锈钢复杂管件等离子-火焰同轴复合切割工艺的原理示意图，且本发明的切割工艺包括：

S1，提供复合割炬，如图2所示，本发明的复合割炬包括等离子割炬1，以及等离子割炬1***同轴套设的火焰炬2；

需要说明的是，本发明不限定火焰炬2与等离子割炬1之间的具体连接方式，只要能够实现将火焰炬2套设于等离子割炬1***上，并且保证火焰炬2与等离子割炬1同轴设置即可。

本实施例中火焰炬2与等离子割炬1上下位置关系应可根据实际情况小范围调整，使等离子割炬1的喷射口与火焰炬2的喷射口之间的距离为10～20mm即可，如图3所示，以露出等离子割炬保护帽，从而可以避免遮挡保护帽和喷嘴(保护帽和喷嘴一般为导热性极好的材料，如紫铜等)，影响割炬冷却；并且使得火焰炬2高速喷出的由氧气和燃气形成的火焰热源5能够对等离子割炬1的等离子电极、喷嘴及保护帽有冷却作用，能进一步冷却易损件。

本实施例中可选的，本发明的火焰炬2优选为外混式火焰炬，且火焰炬2采用特殊的孔道设计，如图4所示，火焰炬2氧气孔道出口21在内测，燃气孔道出口22在外侧，氧气孔道和燃气孔道均为倾斜孔道，本实施例中不限定孔道的具体倾斜角度，只要使氧气孔道出口21和燃气孔道出口22都倾斜指向等离子割炬1轴线即可，使得火焰炬2分别连通氧气源3和燃气源4后，氧气和燃气在火焰炬2内不预先混合，分别从各自通道流出，从而确保氧气孔道和燃气孔道在火焰炬2内部不交叉。在它们喷出火焰炬2后在大气中混合燃烧，从而有利于提高火焰燃烧长度。

本发明的燃气优选为丙烷气，且在进行切割时，火焰炬2中通入氧气与燃气的流量比例优选为3:1。本发明的氧气优选的采用纯度≥99.5％的液氧或氧气，燃气优选的采用纯度≥95％的丙烷气。

S2，采用复合割炬作为切割源，对待切割的不锈钢复杂管件进行切割，即可实现对核电厚壁不锈钢复杂管件的切割；

需要说明的是，在进行切割时，复合割炬的喷嘴高度(即复合割炬与工件上表面的高度)，与现有技术中采用单一等离子割炬切割时的喷嘴高度相同，故在此不再赘述，本领域技术人员应当知晓。

在进行切割时，首先启动火焰炬2，打开燃气阀门，通入燃气根据切割厚度调节压力为0.4～0.5MPa，点燃后打开氧气阀门，由小到大调节氧气压力，将火焰调节为中性焰或弱氧化焰，然后再启动等离子割炬1，从工件边缘起切的程序进行切割。使得大功率等离子弧射流6经等离子割炬1的喷嘴压缩后高速射出，在离开喷嘴时与周边冷空气作用而出现激波现象，导致弧柱扩张，等离子体的动能转化为内能，速度急速下降，功率密度降低，等离子弧射流6冲击力下降；同时，利用外部附加同轴火焰热源5对等离子弧进行“环形保护”(如图2所示)，隔绝冷空气的同时注入热能，减少射流阻力；减弱等离子弧射流6因激波现象造成的能量损失，提高等离子弧射流6能流密度，使离子弧射流6能量更集中，冲击力更大，从而提高等离子切割的能力。

本发明通过在等离子割炬1上附加氧-燃气(丙烷气)火焰热源5同轴复合，从而减少切割工件厚度方向上的温度差，缩短切口厚度方向的冷却时间差，使切口厚度方向的温度更均匀，提高切割“熔深”，从而提高中厚板等离子切割的质量和速度。其中，等离子射流的速度与冲击力取决于电场强度和电流密度场，等离子弧中带电粒子的运动实际上是在电场力、热扩张力和自磁压缩力等共同作用下的热运动。附加火焰热源5会增强热运动，改变射流粒子的各种特性，提高熔融金属的流动性，有利于进一步提高等离子切割的能力和质量。

还需要说明的是，本发明在切割不锈钢材料(铝合金或碳钢)厚度超过120mm的坡口位置时，可以根据不锈钢材料的实际厚度，选择不同的氧气、燃气压力：

当切割120mm～140mm厚不锈钢板时，火焰炬2中，0.5～0.6MPa，燃气的工作压力为0.4～0.5MPa。；

当切割140mm～160mm厚不锈钢板时，火焰炬2中，氧气的工作压力为0.6～0.8MPa，燃气的工作压力为0.5～0.6MPa；

当切割160mm以上厚不锈钢板时，火焰炬2中，氧气的工作压力为0.8MPa，燃气的工作压力为0.6MPa。

使用本发明的工艺进行切割时，可以将本发明的复合割炬置于龙门机架立柱7下端的机器人手臂8连接，如图5所示，将等离子割炬1与等离子电源连通，火焰炬2与氧气源、燃气源连通，机器人手臂8与机器人控制柜9电性连接，根据实际切割需求，通过机器人控制柜9控制机器人手臂8进行移动，即可实现核电厚壁不锈钢复杂管件的全位置切割。本发明不限制机器人控制柜的型号，只要能够实现驱动机器人手臂能够根据实际需要进行相应的位置移动即可，现有技术即可实现，本领域技术人员应当知晓，故本发明不再赘述。

显然，上述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种核电厚壁不锈钢复杂管件等离子-火焰同轴复合切割工艺，其特征在于，包括以下步骤：

提供复合割炬，所述复合割炬包括等离子割炬，以及所述等离子割炬***同轴套设的火焰炬；所述火焰炬为外混式结构，分别连通氧气源和燃气源；

采用所述复合割炬作为切割源，对待切割的不锈钢复杂管件进行切割，即可实现对核电厚壁不锈钢复杂管件的切割；

且切割时，所述复合割炬中的等离子割炬由其喷嘴喷射出等离子弧射流；同时，火焰炬喷射出由氧气和燃气形成的火焰热源，使所述等离子弧射流与冷空气隔绝、并注入热能，减少等离子弧射流激波损失。

2.如权利要求1所述的切割工艺，其特征在于，所述等离子割炬的喷嘴与所述火焰炬的喷嘴之间的距离为10～20mm。

3.如权利要求1所述的切割工艺，其特征在于，火焰炬中通入氧气与燃气的流量比例为3:1。

4.如权利要求1所述的切割工艺，其特征在于，所述燃气为丙烷气。

5.如权利要求1所述的切割工艺，其特征在于，切割不锈钢板时，所述火焰炬中，氧气的工作压力为0.5～0.8MPa；

燃气的工作压力为0.4～0.6MPa。

6.如权利要求5所述的切割工艺，其特征在于，当切割120mm～140mm厚不锈钢板时，所述火焰炬中，氧气的工作压力为0.5～0.6MPa；

燃气的工作压力为0.4～0.5MPa。

7.如权利要求5所述的切割工艺，其特征在于，当切割140mm～160mm厚不锈钢板时，所述火焰炬中，氧气的工作压力为0.6～0.8MPa；

燃气的工作压力为0.5～0.6MPa。

8.如权利要求5所述的切割工艺，其特征在于，当切割160mm以上厚不锈钢板时，所述火焰炬中，氧气的工作压力为0.8MPa，燃气的工作压力为0.6MPa。

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