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(上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518)

方圆连接管(俗称天圆地方)是石油化工行业压力容器制造中常见的一种结构件。天圆地方组装时，同心度的控制是难点和关键。同心度偏大，形成的错边量就大，会造成安装失败或勉强完成安装后的焊接隐患[1-6]。

1 天圆地方放样计算

放样阶段的计算是天圆地方同心度控制的第一步，可为准确切割下料提供数据支持。天圆地方的放样计算有很多方法，例如AutoCAD、三维软件Solidworks、各种钣金放样展开软件等。中文介绍2种常用的快速计算方法。

1.1 AutoCAD画图展开法

天圆地方AutoCAD画图展开法操作示图见图1。

图1 天圆地方AutoCAD画图展开法操作示图

画图放样计算分为5个步骤：①根据设备图样要求的A、D和h作天圆地方的主视图和俯视图。A、D、h分别为天圆地方的底边长度、圆口直径及高度。②将俯视图圆周划分为12等份，作4条辅助线段，分别标记为线1、线2、线3和线4，其中线1和线4长度相等，线2和线3长度相等，并向上引投射线至主视图。③作三角形图求出线段a′、线段2′、线段3′、线段1′、线段4′的实际长度。④作线段A并以O和O1为圆心，确定点4＂位置,以O和O1为圆心，以线段4′为半径画圆相交于4＂，再以O和4＂为圆心，1/12弧长为半径画圆相交于3＂，同理类推确定点3＂、点2＂及点1＂位置。⑤以O和O1为圆心，A/2为半径画弧，与以点1＂为圆心，线段a′为半径画弧交于点5，光滑连接上口，折线连接下口。检验∠1＂5O与∠1＂5O1是否为直角，若是,则展开图正确；否则，上口曲线曲率就不对，要重新由步骤④开始作图。

1.2 平面解析几何法[7-8]

1.2.1算图

实际中最常见的正心天圆地方结构尺寸示例见图2。基于图2建立正心天圆地方的解析几何算图，见图3。

图3所示的正心天圆地方的平面展开算图见图4。从图4截取的正心天圆地方平面展开圆端展开长计算图见图5。

图2 最常见正心天圆地方尺寸示例

图3 正心天圆地方解析几何算图

图3～图5中，D为圆端中径，δ为壁厚，r为圆端中心半径，r=0.5(D-δ)；a1为方端内径，H为圆端中径点至方端内径点间的垂直距离，S为圆端展开长度，T为任一平面三角形高的实长，βn为圆周各等分点与同一横向直径的夹角，y为圆端每等份弦长，mm。n为圆端等分点编号，n取1～5的整数，ln为从编号n的圆周等分点到方端顶点的实长过渡线。

1.2.2计算

根据图4～图5，任一条实长过渡线长度ln、任一平面三角形高的实长T、圆端展开长S、圆端每等份弦长y计算如下：

(1)

(2)

S=πD

(3)

y=Dsin(180°/m)

(4)

图4 正心天圆地方平面展开算图

图5 正心天圆地方平面展开圆端展开长计算图

式(4)中，m为圆周等分数。将a1=1 184-2×6=1 172(mm)、r=(820-6)/2=407(mm)、β=45、H=700 mm、m=16带入式(1)～式(4)计算得到图3所示正心天圆地方的l3=817 mm、T=723 mm、S=2 557 mm、y=159 mm。

2 天圆地方压制和组对过程控制

2.1 压制成型

天圆地方压制在折弯机上操作，按天圆地方规格决定压制的方式。通常情况下，天圆地方有1/2、1/4、1/8形式压制法。以厚度δ=20 mm、方口尺寸为1 200 mm×1 600 mm、圆口直径为620 mm、材料为S31603的天圆地方为例，采取1/2形式压制法，将圆口端等分36份，每个过渡段9条折弯线，每条10°进行折弯，并配合检验样板，确认折弯曲率。用较厚不锈钢板制作天圆地方时，冷作硬化现象影响较大，表现为折弯时方口直角会出现内部材料挤压现象，还会增加产生裂纹可能性。采取的控制措施是，折弯前将4个角切割开并预留折弯间隙，最终成型后进行两瓣焊接时将4个角焊接填肉即可，所以焊后4个角非标准直角而呈圆弧过渡形状[9-12]。

2.2 组对焊接

2.2.1注意事项

两瓣压制成型后进行组对焊接。组对过程中的注意事项包括，①组对前按图样复核压制尺寸。②组对时注意圆口的椭圆度以及方口的对角线偏差。③组对后在两瓣拼缝处增加防变形支撑，避免方口拼缝处在焊接结束后向内收缩使错边量增大[13-14]。

2.2.2组装程序

天圆地方分瓣组装见图6。组装程序包括放样、对位、点固、焊接和检测。

图6 天圆地方分瓣组装示图

操作时，在组装平台上按图样尺寸1∶1放样天圆地方的俯视图，移动压制成型的1/2天圆地方瓣片使之下口与放样线重合，采用吊线法检查上圆口是否与放样圆周线相重合，满足尺寸要求后将天圆地方瓣片点固。同理检查另外一半的压制尺寸是否合格并进行组对。组对后检查上圆口的椭圆度，并对两瓣天圆地方进行加固。瓣片的组装和点固定完成后，复检圆口截面和方口截面的中心是否重合，采用拉粉线的方法十字交叉找出圆口截面的中心，从中心吊线检查是否与方口截面中心重合，若重合即保证了圆口与方口截面的同心度符合要求。依据焊接工艺进行拼缝的施焊，注意应尽量采用小电流、多道焊进行焊接，控制焊接变形。依据图样、承压设备无损检测的要求[15-20]进行天圆地方拼缝的检测。

3 接管与天圆地方同心度控制

3.1 焊接接管必要性

天圆地方是不同设备之间的过渡连接段或设备与现场管线连接的进出口端，其圆口截面与设备或管道连接时，由于圆口的平面中心对称特性，同心度极难控制。降低同心度的控制难度和提高同心度的控制准确度的通常做法是在天圆地方圆口端焊接接管，这样可以将圆面连接时的点几何中心转换为圆管连接时的线几何中心。这种转换完成后，无论是天圆地方与接管的连接过程还是天圆地方与接管构成的整体与设备或其他部件的连接过程，同心度的控制都变得简单易操作。

3.2 同心度控制要点

3.2.1前期准备

组对前需要加工坡口和控制偏差。接管加工为内坡口，在下料和卷制过程中控制接管外圆周长偏差在0～10 mm。天圆地方的圆口不必加工坡口，因为圆口压制组对后已经具有了内坡口特征。

3.2.2接管找心

基于接管实际外圆周长找心，通过掉粉线、弧长计算画出接管端口中心线，中心线应避开接管纵焊缝，分别标识接管0°、90°、180°及270°这4条心线。

3.2.3天圆地方找心

首先确定轮廓线(图7)和检查线(图8)。按图样尺寸在组装平台上画出天圆地方的方口轮廓线，以此轮廓线作为基准线，由方口4条基准线各向外延伸100 mm，以延伸线作为检查线，将天圆地方方口端4条边及4个角以外径为基准放置在画好的轮廓线上。轮廓线和检查线的配合使用既能检查方口的尺寸偏差，也能保证方口端中心线的精准度。

图7 天圆地方方口轮廓线

图8 天圆地方方口检查线

找出基准线、检查线的中心并配合直角尺将中心线延伸至天圆地方上。以方口图样尺寸找心精度高、易操作。天圆地方方口的4个角与图样上的直角存在偏差，而折弯后的4个角是通过焊接圆滑过渡形成，并非标准直角，若以方口实际尺寸找心，就可能造成方口4条直边长度的不一致而形成偏差。

3.2.4接管与天圆地方组对

接管与天圆地方组对同心度测量现场见图9。操作时，将二者中心线重合后开始调整同心度。利用检验辅助工装和之前画好的检查线进行检查，将检验辅助工装与检查线对齐，分别测量方口4条边上检验辅助工装至接管的距离，保证4个测量值的一致性，从而保证了接管与天圆地方的同心度。接管与天圆地方组对控制错边量0～3 mm，采用机加工方法保证接管两端面坡口的平行度，接管上端平面与天圆地方方口平行度不大于1 mm，接管与天圆地方同心度不大于1 mm，总高度符合图样要求。完成组对后进行环焊缝焊接和无损检测，保留中心线标记。

图9 接管与天圆地方组对同心度测量现场

4 天圆地方整体同心度控制方法应用

接管找心、天圆地方找心、接管与天圆地方组对过程的同心度控制、接管与天圆地方焊接为一个整体，一系列严格操作形成的同心度预控程序可有效降低天圆地方与设备整体组装难度。组装天圆地方与设备连接的方口截面一侧时，根据设备方口成型尺寸和对角线偏差确定设备方口中心线，使此设备方口中心线与天圆地方上的中心线重合，即可保证天圆地方与设备的同心度。组装天圆地方与设备连接的圆口截面一侧时，只要保证圆口与圆口组对时在整个圆周方向上的错边量始终均匀、一致即可。

某公司承制的板壳式热交换器结构中，天圆地方的圆口端连接膨胀节，方口端连接板束，见图10。制造过程中不但要减小同心度偏差造成的膨胀节横向膨胀量，还要避免设备使用过程中温差应力与弯曲应力、焊接应力叠加造成的焊缝提前失效问题，因此热交换器的组装同心度要求极高。

图10 板壳式热交换器板束结构简图

在组装热交换器时，应用上述方法，选取水平度合格的组装平台，并结合检验工装，从放样计算、分瓣压制、瓣片组对、接管焊接到整体组装的全过程进行同心度控制。热交换器组装完成后，经检验同心度和组装精度均满足要求。

5 结语

从准确放样计算和严格组装要求和必要的操作技巧角度，系统介绍了天圆地方制造过程中各个阶段同心度的控制，形成了放样计算、分瓣压制、瓣片组对、接管焊接及整体组装构成的同心度控制操作程序。此操作程序应用在板壳式热交换器的制造中效果良好，有效减小了同心度偏差，提高了组装精度和施工速度，可为此类结构的检验、同心度过程控制提供一种思路。