一种在大直径厚壁容器壳体上的开孔结构和开孔方法与流程

本发明涉及锅炉压力容器制造领域，尤其涉及在大直径厚壁容器的壳体的开孔结构设计和开孔方法。

背景技术：

随着技术进步及新材料、新工艺的应用，锅炉压力容器产品的使用工况越来越趋向选用高参数，设计压力、设计温度越来越高，设备直径也越来越大，导致容器（汽包）的壳体也相应加厚。大直径厚壁容器例如汽包等的壳体上总焊接有将容器内部与外部管线连通的接管，所有接管都通过在容器的壳体上开孔、焊接在壳体上来实现连通的功能。

目前，在大直径厚壁容器的壳体上开孔都是采用两段式的开孔结构。在这种结构型式中，先加工出一段直孔，然后以顺延直孔的形式按一定的倾斜角加工锥形孔直至连通壳体内部。

采用这种结构型式在焊接接管时，因为锥形孔较长，导致壳体内部因开孔切削加工区域过大。焊接接管时需要将已去除的部分重新用堆焊补全，从而导致焊接的工作量非常大。而在焊接接管时，堆焊补全区域容易产生焊接缺陷，堆焊后无损检测的区域大，且接管焊接时容易变形。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供在大直径厚壁容器的壳体上的一种开孔结构，以减少焊接工作量，并减少焊接缺陷产生的几率和无损检测区域。

本发明是通过以下技术方案实现的：

在大直径厚壁容器的壳体上的开孔结构，所述开孔结构分三段，包括依次相连的第一段直孔、第二段锥形孔和第三段直孔；所述第一段直孔连通所述壳体的外部；所述第二段锥形孔两端分别为大端和小端，所述小端连接所述第一段直孔，所述大端连接所述第三段直孔；所述第三段直孔连通所述壳体的内部。

本发明结构与现有技术相比具有以下的有益效果：

本发明优化了开孔的结构型式，采用三段式的开孔结构，在第二锥形孔的末端设置第三直孔，使得开孔切削加工区域大大减少，从而减少了堆焊工作量和无损检测区域，并减少了焊接缺陷产生的几率。总体上大大提高焊接质量和降低制造成本。

本发明的一个优选方案，其中，所述第二段锥形孔的母线与垂线的夹角为45°。采用倾斜角度45°，可以保证焊接时焊条可以伸入到焊接坡口底部，从而在焊接坡口底部形成良好的焊接熔融区域，保证坡口底部可以充分焊透，避免了焊接缺陷的产生。如果倾斜角度过大，则焊接坡口焊条熔融区域加大，焊接工作量相应加大，导致制造成本增加。如果倾斜角度过小，则容易导致焊接坡口底部不易焊透，导致焊接缺陷产生。

本发明的一个优选方案，其中，所述第一段直孔的孔深度最少处为2mm。这样可以保证整个焊接坡口在焊接时熔融区域内的焊液不漏出，同时2mm的直边又最终可以熔入到焊液内，保证了焊接全焊透。如果直边过大，则坡口直边不易熔到焊液内，从而导致出现焊接缺陷。

本发明的一个优选方案，其中，所述第二段锥形孔的母线的长度=（r*cosα-(r+2)）/cos45°，其中α为开孔夹角的角度，所述r为壳体外半径；所述r为壳体内半径。计算出的锥形孔的母线长度是以保证焊接坡口最适合焊接、经济性最合理为基础。

本发明的一个优选方案，其中，所述第一段直孔、第二段锥形孔和第三段直孔均采用镗削加工。三段孔均采用镗削加工，可以在不改变加工工位的情况下一次性完成所有加工工作，节约了加工工时，降低了加工成本。

在大直径厚壁容器的壳体上开焊接孔的开孔方法，包括以下步骤：

1）根据焊接孔开孔直径d、壳体内半径r、壳体外半径r，计算出开孔夹角角度α=arcsin(d/(2*r)；

2）根据计算出的夹角角度α，得出优化的锥形孔的母线的长度=（r*cosα-(r+2)）/cosβ，所述β为锥形孔的母线与垂线的夹角；

3）第一段直孔的加工：先镗削加工出焊接孔开孔的第一段直孔，所述第一段直孔的孔深度最少处为2mm；

4）第二段锥形孔的加工：以锥形孔的母线与垂线的夹角镗削加工焊接孔开孔，直到镗刀加工出的第二段锥形孔的母线长度为所述优化后的第二段锥形孔母线长度；

5）第三段直孔的加工：继续镗削加工与第二段锥形孔的末端相连的第三段直孔；所述第三段直孔的加工直到镗刀完全走出、不再镗削加工为止；

所述镗削加工采用单刃镗刀，刀头装在刀杆中，根据被加工孔的大小，通过横向走刀将第一段直孔和第三段直孔加工到所需尺寸；通过横向+纵向走刀，加工出所需尺寸的所述第二段锥形孔。

本发明方法与现有技术相比具有以下的有益效果：

本发明将开孔结构分为三段：第一段直孔、第二段锥形孔和第三段直孔。先对锥形孔母线长度做优化，得出不影响焊接效果的最短母线长度。在确保焊接质量的前提下使得开孔切削加工区域尽可能的减少，从而最大程度的减少了堆焊工作量和无损检测区域，并减少了焊接缺陷产生的几率。第一段直孔的孔深度最少处为2mm可以保证整个焊接坡口在焊接时熔融区域内的焊液不漏出，同时2mm的直边又最终可以熔入到焊液内，保证了焊接全焊透。如果直边过大，则坡口直边不易熔到焊液内，从而导致出现焊接缺陷。单刃镗刀结构简单，可以校正原有孔轴线偏斜和小的位置偏差，适应性较广。三段开孔采用顺延的加工方式，加工一步到位，不需要停机减少了不必要的步骤。

本发明的一个优选方案，其中，所述2）步骤中第二段锥形孔的母线与垂线的夹角β为45°到50°。如果β角度过小，则容易导致焊接坡口底部不易焊透。45°到50°为适宜角度。

本发明所述的大直径厚壁容器包括汽包。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为本发明接焊接接管后的结构示意图；

图2为本发明图1中a-a剖视结构示意图；

图3为本发明图2中未焊接接管的开孔结构示意图；

图4为本发明图3中开孔结构局部放大图。

附图标记：第一段直孔1、第二段锥形孔2、第三段直孔3、壳体4、接管5、壳体外半径r、壳体内半径r、开孔夹角α、开孔直径d。

具体实施方式

实施例1

如图1、2、3和4所示的在大直径厚壁容器的壳体上的开孔结构，开孔结构为环形开孔结构；开孔结构包括依次相连的第一段直孔1、第二段锥形孔2和第三段直孔3。第一段直孔1的长度最少处为2mm。第一段直孔1连通所述壳体4的外部。第二段锥形孔2两端分别为大端和小端，小端连接第一段直孔1，大端连接第三段直孔3。第三段直孔3连通壳体4的内部。第二段锥形孔2的母线与垂线的夹角β为45°。第一段直孔1的孔深度最少处为2mm。

通过以下方式计算母线长度：

根据焊接孔开孔直径d、壳体内半径r、壳体外半径r，计算出开孔夹角α的角度=arcsin(d/(2*r)。如图3所示，对开孔结构的中心做壳体环形截面。环形截面中心点和开孔截面上开孔起点连线，和开孔结构的中心线的夹角即为开孔夹角α。

之后根据计算出的开孔夹角α角度，得出锥形孔的母线的长度=（r*cosα-(r+2)）/cos45°。如图2、3和4所示，锥形孔的母线为过锥形孔的中心做锥形孔的剖面，形成一个梯形结构。梯形的腰的长度即为锥形孔的母线的长度。

第一段直孔1、第二段锥形孔2和第三段直孔3均采用镗削加工。

图2为采用本发明的开孔结构采用堆焊补全的方式焊接接管5后的示意图。由此可知，相对于采用两段式的开孔结构，三段式的开孔结构大大优化了开孔结构，减少了不必要的开孔加工切削区域。从而减少了堆焊工作量和无损检测区域，并减少了焊接缺陷产生的几率。总体上大大提高焊接质量和降低制造成本。

实施例2

将实施例1中第二段锥形孔2的母线与垂线的夹角β为45°替换为50°。从而计算出的锥形孔母线长度为（r*cosα-(r+2)）/cos50°。之后以镗削加工的方式加工三段开孔。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。