1优化改进背景传统装备制造业在货车修造焊接过程中，广泛使用富氩混合气体进行焊接保护。当前，公司使用的富氩混合气体为气瓶供应，这种传统的供应模式存在如下缺点：（1） 气瓶安全隐患大。公司富氩混合气瓶用量大（2019年为36 027瓶），现场同一地点放置气瓶数量长期超过20瓶（普遍达50～60瓶），未按《机械制造企业安全质量标准化工作指南》要求设置气瓶二级库落实安全措施［1］；其混合气瓶充装满后，瓶内压力约（13.5±0.5） MPa，属高压气瓶，在长期搬运、碰撞过程中极易发生气瓶爆炸事故。（2）气瓶供气成本高。按焊接用混合气体氩-二氧化碳（HG/T 3728—2004）标准要求，返回混合气气瓶的余压不得低于0.05 NPa，即瓶中气体不能完全用尽［2］，公司实际使用富氩混合气瓶压力小于1 MPa时已达不到焊接条件，浪费了大量余气。另外，为保证气瓶充装安全和纯度，气瓶充装过程中需投入较高的管控成本，最终都转加给了用气单位。（3）气瓶搬运强度大。富氩气瓶使用过程中，须将重瓶从存放点用小推车推至电焊机旁，使用完后再将空瓶推回存放点，整个过程约20 min。2019年公司月均用气瓶3 002 瓶，换气瓶时间约 1 000 h，共配置了6名搬运工负责气瓶搬运。（4）气瓶管理难度大。公司始建于20世纪60年代，建厂时间较久，厂房建设密度大，生产现场特别拥挤。经统计，公司当前共有焊机约520台。由于气瓶分散到各焊机旁，且处于流动状态，影响公司整体管理水平，甚至是生产效率。鉴于气瓶供气模式存在上述缺点，公司决定对富氩保护焊混合气体的供应方式进行优化改进。2优化改进方案确定在工业领域，气体的供应方式除气瓶供应外，还有现场制气、管道送气、低温液体储罐集中供气、杜瓦罐供气等方式。其中现场制气一般适用于用气量大于400 t/月的单位；管道送气适用于周边有气体供应主管便于管道接入的单位；低温液体储罐集中供气适用于用气量在30～400 t/月的单位；杜瓦罐又称低温小液罐，其供气方式和低温储槽相似，适用于小型简易的集中供气。根据理想气体体积、温度和压强平衡方程：P1V1T1=P2V2T2 (1)式中：P、V、T——分别为理想气体的压强、体积及温度。可计算出，公司当前采购的规格型号为40 L、（13.5±0.5） MPa的气瓶，在标准状态下，即0 ℃、1大气压下释放的气体体积：V2=5.4 m3。按2019年公司混合气瓶共使用36 027瓶计算，全年混合气末端用气量V总=19 4546 m3。由于公司使用富氩气体成分为80%Ar+20%CO₂，可得2019年末端氩气、二氧化碳使用量分别为：VAr总=155 637 m3，VCO₂总=155 637 m3。采用液化气体汽化理想气体方程式：PV=nRT=w/MRT (2)式中：补充参量含义说明可计算出，标准状态下1 t液态氩气、1 t液态二氧化碳经汽化后，释放在大气中体积：VAr汽=nRTP=(w/M)RTP (3)式中：P——压强，atm；V——汽化后的体积，m³；n——物质的量，mol；W——液体质量，kg；M——摩尔质量，MAr取40 kg/kmol ，MCO₂取44 kg/kmol；R——理想气体常数，取值为0.082 J/(mol·K)；T——绝对温度，K。代入数据，得VAr汽=（1 000÷40）×0.082×273.15÷1=560 m3，VCO₂总=509 m3。VCO₂汽=（1 000÷44）×0.082×273.15÷1=509 m3。由此可计算出，2019年公司月平均使用混合气折合成液态氩气、二氧化碳分别为：TAr=155 637÷560÷12=23.2 t ；TCO2=38  909÷509÷12=6.4  t。2019年月平均使用富氩混合气体折合液态总量：T混=23.2+6.4=29.6 t≈30  t。考虑公司生产不均衡，生产跑和时，单月用气量将远超30 t。结合现场制气、管道送气、低温液体储槽集中供气、杜瓦罐供气的适用特点，可得公司的最佳供气方式为低温液体储罐集中供气。3优化改进方案介绍3.1改进方案供气流程低温液体储罐集中供气系统一般由低温液体储罐、汽化器、减压装置、管道、终端箱等组成，当用于焊接场所时，应增加气体配比柜［3］。经调研论证，为确保优化改进效果，公司富氩保护焊混合气低温液体储罐集中供气系统，在配置系统常规装置的基础上，增设了气液自动转换装置和两级防逆流单项止液阀，选用了双路并联加旁通减压装置。其供气工艺流程简图如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.010.F001图1富氩保护焊混合气低温液体储槽集中供气工艺流程当储罐压力升高到设定值时优先使用储罐内气体，当储罐压力下降至设定值时自动转换至液相使用液体，既保证储罐使用安全，又可防止储罐泄压的气体浪费；配置两级防逆流单向止液阀，则能够有效防止氩-二氧化碳串流现象；选用双路并联加旁通减压装置，在于当1路减压装置损坏或出现故障需要检修时，可开启另1路减压装置，有效提高系统的供气可靠性。3.2改进方案设备选型在富氩保护焊混合气低温液体储槽集中供气系统中，气液自动转换装置、减压装置、止液阀、缓冲罐为常规设备，容易选型，优化改进方案主要对以下主要设备进行了详细选型：（1）低温液体储罐。2019年公司月平均用氩气约23.2 t、二氧化碳约6.4 t。由于生产不均衡，生产饱和时用气量远超过月平均数，经调查公司所在区域液氩生产厂家少，大多需从外地采购，供应不稳定。综合考虑供气稳定性、进液频次后，选用1个30 ｍ³/1.6 MPa氩气低温液体储罐，1个20 ｍ³/2.2 MPa二氧化碳低温液体储罐，确保在产量保持不变的情况下平均1个月进液1次。（2）汽化器。汽化器类型很多，如水浴式汽化器、强制式汽化器、直燃式汽化器、空温式汽化器等，其中前3种汽化器都需要辅助介质或装置来获取气化所需热量，而空温式汽化器是利用空气中的温度进行气化，缺点是占比面积大、北方冬季环境温度低时气化效果堪忧。考虑公司地处我国西南片区，有足够的场地，决定采用空温式汽化器。公司焊机共约520台，按单台焊机饱和工作耗气量1.2 ｍ³/h计，520台焊机每小时耗气量约为624 ｍ³，按80%Ar+20%CO₂的混合成分，得每小时消耗氩气499 ｍ³、消耗二氧化碳125 ｍ³。经厂家推荐选用2台800 ｍ³/h氩气空温汽化器、2台600 ｍ³/h二氧化碳空温汽化器，在考虑气化余量的基础上1备1用，可在连续生产8 h后切换汽化器，在环境温度特别低时同时启用2台汽化器，保证公司能够长时间连续生产以及环境温度低时的正产生产。（3）混合气配比柜。由于520台焊机饱和工作每小时耗气量约624 ｍ³，增加一定余量后，决定选用2台400 ｍ³/h的混合气配比柜，并联连接，当产量不足时只启用1台配比柜，产量饱和时2台同时启用。配比柜配带红外线在线分析仪器，能够直观显示二氧化碳的含量，且二氧化碳含量0～30%时可调。富氩保护焊混合气低温液体储槽集中供气系统配置设备明细如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.010.T001表1富氩保护焊混合气低温液体储槽集中供气系统配置设备明细表序号设备名称设备型号单位数量备注1氩气部分Ar低温储槽CFL 30 m3/1.6 MPa台1气液自动转换装置DN25套1空温汽化器800 m3/h台21备1用Ar减压装置DN50套1双路并联加旁通单向止液阀DN50台12二氧化碳部分CO2低温储槽CFL 20 m3/2.2 MPa台1气液自动转换装置DN25套1空温汽化器600 m3/h台21备1用CO2减压装置DN50套1双路并联加旁通3混合气部分混合气配比柜400 m3/h台2混合气缓冲罐5 m3/0.8 MPa台1公司富氩保护焊混合气低温液体储槽集中供气系统在配置表1中所列设备的同时，在混合气配比前、各车间供气主管上、每跨厂房内都安装了智能流量计，为实现混合气使用的精细化管理，降低使用成本奠定了坚实基础。系统最终供气流程如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.010.F002图2富氩保护焊混合气低温液体储槽集中供气系统最终供气流程公司富氩保护焊混合气低温液体储槽集中供气系统最终供气流程为氩-二氧化碳低温储罐液体经管道进入空温式汽化器气化成气体，然后进入减压装置减压后经混合气配比柜配比、调压到焊机需要的比例、压力后，再进入缓冲罐稳压后进入到车间供气管道，最后进入焊机保护焊接。4优化改进效益分析公司采用低温液体储槽替代气瓶进行集中供气后，取得较好改进效益：（1）提高使用安全性。氩-二氧化碳低温液体储罐最高工作压力为 2.2 MPa，较气瓶压力低很多，同时低温储罐配有槽顶安全阀与气液自动转换装置双重减压装置，可提高混合气的使用安全性。（2）提高生产效率。采用低温液体储槽集中供气，用管道将混合气输送到各焊机旁可随时使用，减少了气瓶搬运等待时间、腾空了气瓶占用场地，能够提高车间的生产效率。（3）节约使用成本。一是节约6名搬运工的工资及福利成本。查建筑设计防火规范（GB 50016—2014），氩-二氧化碳属于不易燃物质，其火灾危险性为戊类，与三级（公司建筑安全防火等级最低为三级）单、多层仓库、民用建筑安全距离为14 m［4］。为便于维护与管理，公司将氩-二氧化碳低温储罐及其配套设施建于公司原液氧站内，不增加新的管理运行人员。二是节约混合气采购成本。2019年，公司共采购富氩混合气瓶36 027瓶，按合同单价110元/瓶计算，2019年全年富氩混合气瓶采购成本为396万元。目前公司本地液氩采购单价为1 800 元/t，液态二氧化碳采购单价为600 元/t，氩-二氧化碳按8∶2比例配比，采购液化气体成本如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.01.010.T002表22019年使用混合气折合液态采购成本表液体储槽用量/（t/a）单价/(元/t)费用/（万元/a）氩气277.921 80050二氧化碳76.446005由表2可知，在产量保持不变的情况下，采用低温液体储罐替代气瓶进行集中供气，每年能节约混合气采购成本341万元。5结语以中车某车辆有限公司为例，对富氩保护焊混合气体供应方式进行了优化改进，指出其存在安全隐患大、供气成本高、搬运强度大、管理难度大的缺点。结合公司实际采用低温液体储罐集中供气对传统气瓶供气方式进行优化改进。优化改进后，在产量保持不变的情况下年节约混合气采购成本341万元（节约幅度达86%），因改造费用约320万元，1年内即可收回投资成本，最主要是可提高混合气的使用安全性、提高车间的生产效率，提升公司的精益管理水平。