淺談特高壓開關(guān)設(shè)備罐體制造車間設(shè)計

顏如玉，趙興建

（中聯(lián)西北工程設(shè)計研究院有限公司，陜西西安710082）

淺談特高壓開關(guān)設(shè)備罐體制造車間設(shè)計

顏如玉，趙興建

（中聯(lián)西北工程設(shè)計研究院有限公司，陜西西安710082）

針對特高壓開關(guān)設(shè)備罐體制造車間設(shè)計的技術(shù)進行分析研究，以推進特高壓開關(guān)設(shè)備制造業(yè)的生產(chǎn)工藝優(yōu)化提升和生產(chǎn)的機械化、智能化、環(huán)保節(jié)能。

特高壓；罐體制造；車間設(shè)計

特高壓輸變電是世界上最先進的輸電技術(shù)，是國家2004年開始提出的重點發(fā)展技術(shù)，具有大容量、遠距離、低耗損的優(yōu)點，能實現(xiàn)更大范圍的資源優(yōu)化配置，提高輸電走廊的利用率，節(jié)約大量土地資源。中國特高壓輸變電技術(shù)發(fā)展到今天已領(lǐng)先世界，成為我國輸變電行業(yè)的現(xiàn)在和未來重點發(fā)展戰(zhàn)略。如今的特高壓度過了艱苦創(chuàng)新攀登科技高峰的難關(guān)，開始進入加快建設(shè)時期，適應(yīng)特高壓輸變電發(fā)展的裝備制造的提升就尤為重要，先進合理的制造工廠設(shè)計是高壓電氣設(shè)備制造水平的保證，是特高壓電網(wǎng)安全運行的保障。在這種背景下，總結(jié)前幾年特高壓輸變電設(shè)備的制造經(jīng)驗，推廣設(shè)備制造車間和生產(chǎn)工藝優(yōu)秀方案設(shè)計，有利于特高壓加快建設(shè)期的基礎(chǔ)準備工作。

高壓開關(guān)設(shè)備是輸變電中非常重要的電氣機械，而罐體作為高壓開關(guān)設(shè)備的基本部件，其性能的好壞直接影響著絕緣氣體六氟化硫的密封，影響著高壓開關(guān)產(chǎn)品的各項質(zhì)量指標參數(shù)。相對于總裝、試驗，罐體制造通常是高壓開關(guān)生產(chǎn)廠最不受重視、最薄弱的一個環(huán)節(jié)。罐體制造從下料到成品要經(jīng)過焊接、成型、試驗、涂裝等多道工序，其加工屬于產(chǎn)品體型大，勞動密集型的焊接、試驗、機加綜合工作型式，存在勞動力密集，勞動強度大，工藝流程不合理，工作環(huán)境差，缺少檢查試驗設(shè)備以及配套環(huán)保勞動衛(wèi)生設(shè)施等問題。從國內(nèi)各廠統(tǒng)計數(shù)據(jù)看，很多廠罐體車間都是面積小、工藝不順暢，不具備百萬伏大型罐體（特別是斷路器、隔接組合、支撐罐等）的批量生產(chǎn)能力；一般車間的除塵設(shè)施都不夠完善，焊接煙塵和打磨灰塵無法排出作業(yè)現(xiàn)場，工作環(huán)境差，工人極易患上各類職業(yè)病；因產(chǎn)品升級，罐體尺寸增大，運輸周轉(zhuǎn)都會出現(xiàn)問題，難免頻繁出現(xiàn)產(chǎn)品磕碰劃傷等問題；沒有能力的生產(chǎn)廠對罐體的氣密檢漏方式還采用諸如冒泡法等定性檢漏，準確率較差；涂裝大部分地攤式生產(chǎn)，表面質(zhì)量差，對涂裝工人的危害大。要具備百萬伏大型罐體的生產(chǎn)能力并確保制造質(zhì)量和生產(chǎn)效率，應(yīng)該做到車間總體設(shè)計合理、工藝流程順暢、設(shè)備先進可靠、技術(shù)儲備完善、生產(chǎn)環(huán)境友好。

現(xiàn)以實際案例具體分析進行特高壓大型罐體制造車間設(shè)計的一些經(jīng)驗和心得體會。

1 研究現(xiàn)狀概述

為了理順工藝流程，實現(xiàn)包括下料、焊接、打磨、探傷、打壓、試驗等各工序物流順暢，罐體車間建議采用大面積多跨聯(lián)合廠房。案例所示罐體廠房面積為50 000 m2，單班產(chǎn)量GIS組合電器2 000間隔、斷路器200臺。車間劃分為下料焊接區(qū)、打磨檢驗區(qū)、機加區(qū)、清洗涂裝區(qū)，其中清洗涂裝區(qū)單獨設(shè)立，用防爆墻隔開。各生產(chǎn)區(qū)域相互協(xié)作，又相對獨立。也可以設(shè)計為單獨設(shè)置涂裝廠房，符合涂裝安全規(guī)范要求。

工藝上，摒棄僵硬的集群式布局，按工藝鏈流程，靈活布置生產(chǎn)設(shè)備，力使工藝流暢、管理方便。工藝設(shè)備選型以機械化、自動化、節(jié)能高效為原則，并為智能化和信息化的提升做好預(yù)留，選配自動激光切割機、自動仿形焊機、意大利四輥液壓卷板機、美國變極性等離子自動弧焊接系統(tǒng)、捷克落地鏜、X光自動探傷系統(tǒng)等國內(nèi)國際最先進的生產(chǎn)加工設(shè)備。為順應(yīng)工藝流程減少物流周轉(zhuǎn)，解決罐體在工藝鏈上順序進行打磨的難題，專項設(shè)計除塵降噪打磨設(shè)備。改革罐體清洗工藝，引入高壓清洗室，方便與上下道工序銜接。設(shè)計地面鏈積放式臺車輸送和移行車換線系統(tǒng)，解決了笨重的大罐體輸送、積存、換線的技術(shù)難題，實現(xiàn)大型罐體自動生產(chǎn)線涂裝。

總體設(shè)計流程順暢，采用工藝技術(shù)超前，設(shè)備先進可靠，以保證罐體的生產(chǎn)制造質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2 工藝流程和車間布局

罐體制造的總工藝流程：下料→焊接→打磨→檢驗→粘貼→機加工→清洗→涂裝。

罐體原材料現(xiàn)有鋼質(zhì)（包括不銹鋼）、鋁質(zhì)，鋼質(zhì)罐體在逐漸減少，鋁質(zhì)罐體因其特性優(yōu)良已經(jīng)有較多采用。以鋼罐為例，其制造工藝流程如圖1所示。

圖1 罐體工藝流程圖

罐體表面處理工藝流程：罐體噴砂或高壓清洗→上涂裝線→第一遍底漆→流平→（干燥→強冷→下線機加→重新上線→）第二遍底漆→流平→干燥→強冷→檢查→修補、清理→第一遍面漆→流平→第二遍噴面漆→流平→干燥→強冷→拆除保護、清理→下線。

根據(jù)工藝特點，多跨聯(lián)合廠房劃分為罐體制造和罐體涂裝兩個相互獨立的區(qū)域，中間以防火墻隔斷；或者分別設(shè)立兩個獨立廠房、相互距離符合消防安全規(guī)范。在各區(qū)域或者各廠房之間可以設(shè)計有動力有軌輸送臺車以轉(zhuǎn)運工件。同時因為采用多跨聯(lián)合廠房，各區(qū)域或者車間內(nèi)部按需要設(shè)計多條主通道貫穿各跨，主通道上設(shè)計過跨運輸車以進行產(chǎn)品過跨周轉(zhuǎn)。罐體制造車間分跨按工藝流程布置（見圖2罐體車間平面布置圖）。

圖2 罐體車間平面布置圖

以案例中的車間平面布局來闡述工藝流程設(shè)計理念：以工藝為主線，制造流程順暢流轉(zhuǎn)，待加工工件盡量減少重復(fù)周轉(zhuǎn)和倒運，在全車間范圍形成大流程，在各區(qū)域以生產(chǎn)線形式或者設(shè)備成線形式實現(xiàn)階段性工藝流程。

首先是材料進廠和材料儲存區(qū)、下料區(qū)，設(shè)置于運輸進出廠區(qū)方便、車輛周轉(zhuǎn)靈活之處。按材料類別劃分為鋼料區(qū)和鋁料區(qū)，為避免互相干擾，材料進廠分別從車間的兩端進料，經(jīng)過各自的下料區(qū)，從車間中部出料，用過跨臺車轉(zhuǎn)運到下一跨。

第二跨專門設(shè)計為鋁質(zhì)產(chǎn)品制作區(qū)，包括鋁罐鉚焊和鋁母線鉚焊，并配置鋁罐打磨室和鋁罐X射線探傷室。鋁質(zhì)產(chǎn)品制作按自身的特性，設(shè)備集群布置，以車間天車為運輸工具，形成鋁質(zhì)產(chǎn)品加工工藝流程，打磨和探傷在線進行。

第三跨專門設(shè)計為鋼質(zhì)產(chǎn)品制作區(qū)，包括鋼板成型焊接、法蘭制作等，順應(yīng)鋼質(zhì)產(chǎn)品制作流程，設(shè)備集群布置。同樣，配置鋼罐打磨室和鋼罐X射線探傷室。兩個探傷室相鄰設(shè)計，周邊設(shè)計為半成品、成品存放區(qū)，將探傷獨立隔斷自成一區(qū)。

第四跨設(shè)計為焊前機加區(qū)、檢驗試驗區(qū)，包括著色、振動時效、氣密試驗、水壓試驗，并在機加工區(qū)設(shè)計分布式供給站，包括冷卻液間、廢液間、潤滑液間等。在工藝流程上本區(qū)域是試驗設(shè)施的集中布置區(qū)。

第五跨設(shè)計為大件金工區(qū)、檢漏檢測區(qū)和水壓試驗區(qū)，所有高大設(shè)備設(shè)計時都集中在大件金工區(qū)，因此廠房設(shè)計時為最高跨。

第六跨設(shè)計為中小件金工和鑄鋁件加工區(qū)，同樣設(shè)計了分布式供給服務(wù)站。

按工藝流程，最后一個部分是清洗涂裝車間，可以單獨設(shè)計為一個廠房。在本案例中，清洗涂裝車間緊鄰設(shè)計，并按工件規(guī)格大小分為大件、中件、小件三個區(qū)域，每個區(qū)域分別設(shè)計拋丸、清洗、涂裝，占用三跨設(shè)施。由于輔助設(shè)備比較多，在車間兩跨之間設(shè)計輔助跨，一層為輔助間、排風(fēng)風(fēng)機房、排風(fēng)道、煙囪、廢水處理間等，二層為噴漆室送風(fēng)空調(diào)機組集中安置區(qū)。

3 總圖設(shè)計要點

基于罐體產(chǎn)品的笨重、拋丸涂裝工藝的特殊性、以及罐體制造相對最終產(chǎn)品的工藝地位，罐體車間宜布置于廠區(qū)交通方便、周轉(zhuǎn)距離短、拋丸涂裝對辦公等其它工作影響小的下風(fēng)處，車間進料主通道最好與廠區(qū)物料大門直接相通，以便于涂裝后的罐體運輸更加便捷。

由于罐體制造和涂裝均為耗能大戶，廠區(qū)變電站、換熱中心、壓縮空氣站房、天然氣調(diào)壓站房宜就近布置。罐體制造車間氧氣、乙炔用量大，在靠近下料區(qū)域單獨設(shè)置氧氣乙炔站房，匯流排減壓后用管道引入車間，保證廠房安全。

涂裝為防火重點區(qū)域，與罐體車間同一個廠房時用防爆墻隔離，消防通道應(yīng)通暢。為統(tǒng)一排放廢氣而設(shè)計的煙囪（40 m高），宜靠近廠區(qū)外側(cè)，可利用為廣告宣傳。

4 設(shè)備和配套設(shè)施的設(shè)計要點

設(shè)備和配套設(shè)施的設(shè)計要點，總的來說就是在經(jīng)濟實用的基礎(chǔ)上體現(xiàn)先進、高效、環(huán)保、安全、節(jié)能等性能。

（1）大量使用數(shù)控激光切割機、數(shù)控機床、數(shù)控液壓卷板機、自動焊接裝置、變位機、自動探傷檢測裝置等先進、高效加工設(shè)備。

（2）罐體設(shè)計采用變極性等離子弧焊，焊接能量集中，不開坡口一次可以焊透16 mm厚鋁板，解決厚鋁板焊接容易出現(xiàn)氣孔、熱裂紋、變形、過燒等質(zhì)量缺陷和生產(chǎn)效率低下的問題，焊縫能達到Ⅰ級，一次焊接縱縫4 m長，生產(chǎn)效率提高兩倍以上。

（3）特大型罐體機加工可以采用TK6916大型數(shù)控落地鏜銑床進行。該機X軸行程8 m、Y軸行程8 m、V軸行程4 m、平旋盤規(guī)格為1.3 m，配合加長刀桿可滿足一次裝夾加工直徑2.1 m、長達8 m、壁厚22 mm、重量達15 t的特高壓斷路器不銹鋼焊接罐體精密加工的要求。

（4）下料、焊接等工位，煙塵污染嚴重，設(shè)計有組織氣體排放系統(tǒng)，并適當補充新鮮空氣，保證操作環(huán)境。

（5）打磨工位設(shè)計除塵降噪打磨室，屬于專利產(chǎn)品，采用國內(nèi)先進技術(shù)，實現(xiàn)工藝流程的不間斷進行，同時解決了粉塵污染和噪聲傷害問題。除塵降噪打磨室，整體采用新型多孔吸音板制成，噪聲可下降20~30 db(A)，降噪效果良好。粉塵設(shè)計重力沉降和濾筒除塵二級凈化，工作區(qū)采用頂部強制送風(fēng)、底部強制排風(fēng)方式，使隨處飛揚的塵屑有效抑制在工人呼吸區(qū)以下，一級凈化后被收集進入過濾精度0.1 μm?的脈沖反吹濾筒除塵器中進行二級凈化，凈化后空氣含塵量≤4.0 mg/m3，干凈空氣直接排放車間內(nèi)部（詳見圖3除塵降噪打磨室）。

圖3 除塵降噪打磨室

（6）鋁質(zhì)罐體和鋼質(zhì)罐體探傷室采取集群模式設(shè)計，四周設(shè)計物料堆放區(qū)，操作少，增大工人與輻射源的距離。探傷室采用比重2.35 g/cm3混凝土砌筑厚度為600 mm的屏蔽層。工件出入大門設(shè)計為厚度20 mm的鉛門，為電動推拉門，關(guān)閉時與門框密封層緊密貼合。人員出入門設(shè)計為厚度10 mm的鉛門，外設(shè)2.5 m高隔墻為門斗。探傷室和暗室按規(guī)范布置設(shè)備和通風(fēng)設(shè)施，減少輻射對外的影響，保證安全。

（7）水壓試驗區(qū)下方直接設(shè)計循環(huán)水池，上面鋪設(shè)承重玻璃鋼格柵，承載能力按5 t/㎡設(shè)計。設(shè)計進入水池試驗的最大工件總重20 t，滿足大罐體打壓的需要。

（8）涂裝前處理設(shè)計為拋丸和高壓清洗。高壓清洗工藝是將溶液加壓沖洗工件，提高效率和清洗效果。清洗室設(shè)計為全不銹鋼結(jié)構(gòu)，地面防腐并設(shè)有排水溝。室體后側(cè)排風(fēng)系統(tǒng)，設(shè)計汽水分離裝置和凈化塔。清洗室側(cè)面設(shè)溶液箱、熱水箱儲存和加熱清洗溶液，配置進口德國KA¨RCHER（凱馳）公司高壓清洗機。在清洗室外安裝懸臂吊吊入吊出工件，防止運輸設(shè)備長時間處于清洗室內(nèi)腐蝕。

（9）涂裝按工件規(guī)格設(shè)計大、中、小三條噴涂烘干線，小型工件采用懸掛輸送，中型、大型工件采用地面臺車輸送，因工件長，故引入移行機進行換線，免于長工件轉(zhuǎn)彎占地過大問題。噴漆采用水旋式噴漆室這一類設(shè)備可以凈化室內(nèi)空氣，工件烘干可以選擇采用天然氣加熱技術(shù)的烘干爐，節(jié)能環(huán)保。廢氣、廢水集中處理，保證“三同時”。特別是噴漆室、烘干爐的廢氣處理方面，汽車行業(yè)發(fā)展較快，先進技術(shù)可以借鑒到罐體車間。

5 廠房設(shè)計要點

罐體車間采用鋼結(jié)構(gòu)廠房，涂裝車間按丙類廠房設(shè)計，防火防爆要求達到國家標準。廠房頂設(shè)通風(fēng)和采光帶，全室通風(fēng)與局部通風(fēng)相結(jié)合、自然排風(fēng)與機械排風(fēng)相結(jié)合設(shè)計。采用坡屋頂，工藝設(shè)計對應(yīng)高低跨，有效控制廠房高度。充分利用車間的空間，各類輔助房的二層布置通風(fēng)空調(diào)等設(shè)備。廠房采用節(jié)能體型系數(shù)和窗墻比，有條件可以增加屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)以充分利用太陽能。

6 結(jié)束語

運用新技術(shù)和創(chuàng)新思維，以完善適用的工藝布局、設(shè)備選型、廠房設(shè)計、配套選擇為基礎(chǔ)，配合清潔生產(chǎn)設(shè)計、節(jié)能設(shè)計的理念，根據(jù)實際需要設(shè)計配套設(shè)備和生產(chǎn)線的自動化控制系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)，形成車間的生產(chǎn)控制系統(tǒng)，乃至匯總至全廠的控制和管理系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化工廠。以目前技術(shù)發(fā)展趨勢，相信在不久的將來，罐體車間設(shè)計將全面融合進生產(chǎn)信息采集和管理系統(tǒng)、在線品質(zhì)追溯系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、車間建筑和配套設(shè)施控制系統(tǒng)、能源信息采集管理系統(tǒng)等等，真正實現(xiàn)智能化工廠和綠色工廠。

Introduction the Design of Ultra-High Voltage Switchgear Equipment Tank’s Manufacturing Plant

YAN Ru-yu，ZHAO Xing-jian
（China United Northwest Institute for Engineering Design&Research Co.，Ltd.，Xi’an Shaanxi 710082，China）

This paper analyzes an researches the technology of the design for manufacturing plant of the tank of UHV switch equipment to optimize and promote the production process of UHV switch equipment’s manufacturing and to achieve production mechanization，intelligent，environmental protection，energy saving.

ultra-high voltage；tank’s manufacturing；design for manufacturing plant

TB49

A

1672-545X（2016）11-0080-04

2016-08-20

顏如玉（1970-），女，福建永春人，學(xué)士學(xué)位，高級工程師，研究方向：工業(yè)工程設(shè)計；趙興建（1968-），男，陜西臨潼人，學(xué)士學(xué)位，高級工程師；研究方向：工業(yè)工程設(shè)計。