國(guó)內(nèi)外鍋爐、壓力容器和管道的焊接技術(shù)

國(guó)內(nèi)外鍋爐、壓力容器和管道的焊接技術(shù)近10年來(lái)，國(guó)內(nèi)外鍋爐、壓力容器和管道的焊接技術(shù)取得了引人注目的新發(fā)展。隨著鍋爐、壓力容器和管道工作參數(shù)的大幅度提高及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對(duì)焊接技術(shù)提出了愈來(lái)愈高的要求。所選用的焊接方法、焊接工藝、焊接材料和焊接設(shè)備首先應(yīng)保證焊接接頭的高質(zhì)量，同時(shí)必須滿足高效、低耗、低污染的要求。因此，在這一領(lǐng)域內(nèi)，焊接工作者始終面臨復(fù)雜而艱巨的技術(shù)難題，要求不斷尋求最佳的解決方案。通過(guò)不懈的努力已在許多關(guān)鍵技術(shù)上取得重大突破，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到成功的應(yīng)用，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，使鍋爐、壓力容器和管道的焊接技術(shù)達(dá)到了新的發(fā)展水平。鑒于鍋爐、壓力容器和管道涉及到許多重要的工業(yè)部門，其中包括火力、水力、風(fēng)力，核能發(fā)電設(shè)備，石油化工裝置，煤液化裝置、輸油、輸氣管線，飲料、乳品加工設(shè)備，制藥機(jī)械，飲用水處理設(shè)備和液化氣儲(chǔ)藏和運(yùn)輸設(shè)備等，焊接技術(shù)的內(nèi)容是相當(dāng)廣泛的。本文因篇幅所限，僅就鍋爐、壓力容器和管道用鋼，先進(jìn)的焊接方法和焊接過(guò)程機(jī)械化和自動(dòng)化三方面的新發(fā)展作如下概括的介紹。鍋爐壓力容器和管道用鋼的新發(fā)展1鍋爐用鋼的新發(fā)展在鍋爐、壓力容器和管道用鋼這三類鋼中，鍋爐用鋼的發(fā)展最為迅速。這主要是近10年來(lái)，火力發(fā)電站用燃料—煤炭的供應(yīng)日趨緊張，降低燃料的消耗已成為世界性的迫切需要。為此，必須提高鍋爐的效率。通常鍋爐效率每提高5%，燃料的消耗可降低15%.而鍋爐的效率基本上取決于其運(yùn)行參數(shù)—蒸汽壓力和蒸汽溫度。最近，上海鍋爐廠生產(chǎn)600~670MW超臨界鍋爐的蒸汽壓力為254bar，過(guò)熱蒸汽溫度為569℃，鍋爐的熱效率約為43%.如果鍋爐的運(yùn)行參數(shù)提高到特超臨界級(jí)，即蒸汽壓力為280bar蒸汽溫度為620℃，鍋爐的熱效率可提高到47%.目前世界上特超臨界鍋爐的最高工作參數(shù)為350bar/700℃/720℃，鍋爐的熱效率達(dá)到了50%.這里應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出，隨著鍋爐效率的提高，鍋爐煙氣中的SO2、NOX和CO2的排放量逐漸下降。因此從減少大氣污染的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)制造高工作參數(shù)的特超臨界鍋爐也是必然的發(fā)展趨勢(shì)。鍋爐蒸汽參數(shù)的提高直接影響到鍋爐受壓部件的強(qiáng)度性能。在超臨界和特超臨界工作條件下，鍋爐的主要部件，如膜式水冷壁，過(guò)熱器，再熱器、高壓出口集箱和主蒸汽管道的工作溫度均已達(dá)到鋼材蠕變溫度范圍以內(nèi)。制作這些部件的鋼材在規(guī)定的工作溫度下，除了具有足夠的蠕變強(qiáng)度（或105h高溫持久強(qiáng)度）外，還應(yīng)具有高的耐蝕性和抗氧化性以及良好的焊接性和成形性能。從鍋爐主要部件用鋼的發(fā)展階段來(lái)看，即便是工作溫度相對(duì)較底的水冷壁部件，也必須采用鉻含量大于2%的Cr-Mo鋼或多組元的CrMoVTiB鋼。按現(xiàn)行的鍋爐制造規(guī)程，這類低合金鋼，當(dāng)管壁厚度超過(guò)規(guī)定的界限時(shí)，焊后必須進(jìn)行熱處理。由于膜式水冷壁的外形尺寸相當(dāng)大，工件長(zhǎng)度一般超過(guò)30m，焊后熱處理不僅延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期，而且大大提高了制造成本。為解決這一問(wèn)題，國(guó)外研制了一種專用于膜式水冷壁的新鋼種7CrMoVTiB1010.最近，該鋼種已得到美國(guó)ASME的認(rèn)可，并已列入美國(guó)ASME材料標(biāo)準(zhǔn)，鋼號(hào)為A213-T24.這種鋼的特點(diǎn)是含碳量控制在0.10%以下，硫含量不超過(guò)0.010%，因此具有相當(dāng)好的焊接性。焊前無(wú)需預(yù)熱。當(dāng)管壁厚度不大于10mm，焊后亦可不作熱處理。在特超臨界的蒸氣參數(shù)下，當(dāng)蒸氣溫度達(dá)到700℃，蒸氣壓力超過(guò)370bar時(shí)，水冷壁的壁溫可能超過(guò)600℃。在這種條件下，必須采用9%Cr或12%Cr馬氏體耐熱鋼。這些鋼種對(duì)焊接工藝和焊后熱處理提出了嚴(yán)格的要求，必須采取特殊的工藝措施，才能確保接頭的焊接質(zhì)量。對(duì)于鍋爐過(guò)熱器和再熱器高溫部件，在超臨界和特超臨界蒸汽參數(shù)下，其工作溫度范圍為560~650℃。在低溫段通常采用9~12%Cr鋼，從高溫耐蝕性角度考慮，最好選用12%Cr鋼。在600℃以上的高溫段，則必須采用奧氏體鉻鎳高合金耐熱鋼。根據(jù)近期的研究成果，對(duì)于高溫段過(guò)熱器和再熱器管件，為保證足夠高的高溫耐蝕性和抗氧化性，應(yīng)當(dāng)選用鉻含量大于20%的奧氏體鋼，例如25Cr-20NiNbN（HR3C），23Cr-18NiCuWNbN（SAVE25），22Cr-15NiNbN（TempaloyA-3），和20Cr-25NiMoNbTi（NF709）等。在相當(dāng)高的蒸汽參數(shù)下（375bar/700℃）下，在過(guò)熱器出口段，由于奧氏體鋼蠕變強(qiáng)度不足，不能滿足要求，而必須采用鎳基合金，如Alloy617.現(xiàn)代奧氏體耐熱鋼與傳統(tǒng)的奧氏體耐熱鋼相比，其最大特點(diǎn)是含有多組元的碳化物強(qiáng)化元素，從而在很大程度上提高了鋼材的蠕變強(qiáng)度。對(duì)于超臨界鍋爐機(jī)組的高壓出口集箱和主蒸汽管道等厚壁部件主要采用改進(jìn)型的9-12%Cr馬氏體鉻鋼。9~12%馬氏體鉻鋼的發(fā)展規(guī)律與前述的奧氏體耐熱鋼相似，即從最原始的Cr-Mo二元合金向多組元合金演變，其主攻方向是盡可能提高鋼材的高溫蠕變強(qiáng)度，減薄厚壁部件的壁厚，以簡(jiǎn)化制造工藝和降低制造成本。上述鋼種由于嚴(yán)格控制了碳、硫、磷含量，焊接性明顯改善。在國(guó)外超臨界和特臨界鍋爐已逐步推廣應(yīng)用，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。2壓力容器用鋼的新發(fā)展近年來(lái)，壓力容器用鋼的發(fā)展與鍋爐用鋼不同，其主攻方向是提高鋼的純凈度，即采用各種先進(jìn)的冶煉技術(shù)，最大限度地降低鋼中的有害雜質(zhì)元素，如硫、磷、氧、氫和氮等的含量。這些冶金技術(shù)的革新，不僅明顯地提高了鋼的沖擊韌性，特別是低溫沖擊韌性，抗應(yīng)變時(shí)效性、抗回火脆性、抗中子幅照脆化性和耐蝕性，而且可大大改善其加工性能，包括焊接性和熱加工性能。對(duì)比采用常規(guī)冶煉方法和現(xiàn)代熔煉方法軋制的16MnR鋼板的化學(xué)成分和不同溫度下的缺口沖擊韌度和應(yīng)變時(shí)效后的沖擊韌性，數(shù)據(jù)表明，超低級(jí)的硫、磷、氮含量顯著地提高了普通低合金鋼的低溫沖擊韌度和抗應(yīng)變時(shí)效性。高純凈化對(duì)深低溫用9%Ni鋼的極限工作溫度（-196℃）下的缺口沖擊韌度也起到相當(dāng)良好的作用，按美國(guó)ASTMA353和A553（9%Ni）鋼標(biāo)準(zhǔn)，該鋼種在-196℃沖擊功的保證值為27J.但按大型液化天然氣（LNG）儲(chǔ)罐的制造技術(shù)條件，9%Ni鋼殼體-196℃的沖擊功應(yīng)70J，相差2.6倍之多。這一問(wèn)題也是通過(guò)9%Ni鋼的純凈化處理而得到完滿的解決。同5風(fēng)力發(fā)電站生產(chǎn)中的高效焊接方法眾所周知，我國(guó)當(dāng)前正面臨電力十分緊張的狀況，而且火力發(fā)電廠煙氣大量排放對(duì)大氣的污染也令人擔(dān)憂。因此發(fā)展綠色能源已成為世人關(guān)注的焦點(diǎn)。在世界范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生的清潔能源因運(yùn)而生，產(chǎn)并以相當(dāng)高的速度發(fā)展，年增長(zhǎng)率約為20%.近來(lái)，我國(guó)也開始重視風(fēng)力發(fā)電的建設(shè)，制定相應(yīng)的規(guī)劃，可望在今后5年內(nèi)將有較快的發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電站主要由基礎(chǔ)、底座、立柱、風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)和饋電系統(tǒng)等組成，其中底座和立柱為焊接結(jié)構(gòu)，采用不同厚度的低碳鋼或低合金鋼板卷制而成。錐形立柱總長(zhǎng)可達(dá)100m，底部最大直徑為4.8m，壁厚40~70mm，項(xiàng)部直徑約1.7m，壁厚12~35m.總重量約80T.每根立柱熔敷金屬的重量約700—1500Kg.可見焊接工作量相當(dāng)可觀而且必須采用高效焊接法。最近瑞典ESAB公司專為風(fēng)力發(fā)電站立柱焊接推出兩對(duì)雙絲串列電弧埋弧焊接法（Tandem-Twin）。如采用4根￠時(shí)2.5mm的焊絲，最高熔敷率可達(dá)38Kg/h，而普通的單弧雙絲焊（TwinArc）的熔敷率僅為15Kg//h.錐體簡(jiǎn)身縱縫采用兩對(duì)雙絲串列電弧焊，配用的焊接電源型號(hào)相應(yīng)為L(zhǎng)AF1250和TAF1250.立柱環(huán)縫采用焊接操作機(jī)與頭尾架翻轉(zhuǎn)機(jī)組合的專用焊接裝置，頭架轉(zhuǎn)盤由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可精確控制工件旋轉(zhuǎn)速度，以確保焊縫的高質(zhì)量。鍋爐、壓力容器和管道焊接自動(dòng)化的新發(fā)展在我國(guó)鍋爐、壓力容器和管道制造行業(yè)中，各大中型企業(yè)的焊接機(jī)械化和自動(dòng)化程度相對(duì)較高，像哈鍋，上鍋這樣的企業(yè)已達(dá)到80%以上。不過(guò)，在國(guó)際上對(duì)焊接機(jī)械化和自動(dòng)化作了重新定義。焊接機(jī)械化是指焊接機(jī)頭的運(yùn)動(dòng)和焊絲的給送由機(jī)械完成，焊接過(guò)程中焊頭相對(duì)于接縫中心位置和焊絲離焊縫表面的距離仍須由焊接操作工監(jiān)視和手工調(diào)整。焊接自動(dòng)化是指焊接過(guò)程自啟動(dòng)至結(jié)束全部由焊機(jī)的執(zhí)行自動(dòng)完成。無(wú)需操作工作任何調(diào)整，即焊接過(guò)程中焊頭的位置的修正和各焊接參數(shù)的調(diào)整是通過(guò)焊機(jī)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。而自適應(yīng)控制系統(tǒng)通常由高靈敏傳感器，人工智能軟件、信息處理器和快速反應(yīng)的精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。按照上述標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，我國(guó)鍋爐，壓力容器和管道焊接的自動(dòng)化率是相當(dāng)?shù)偷?。極大多數(shù)僅實(shí)現(xiàn)了焊接生產(chǎn)的機(jī)械化。因此，為加速本行業(yè)焊接生產(chǎn)現(xiàn)代化的進(jìn)程，增強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)盡快提高焊接自動(dòng)化的程度。按照當(dāng)前中央提出的“以人為本”的理念。焊接自動(dòng)化具有更深刻的意義。它不僅僅是提高了焊接生產(chǎn)率和穩(wěn)定了焊接質(zhì)量，而更重要的是使焊工遠(yuǎn)離了有害的工作環(huán)境，減輕或消除了職業(yè)病的危害。以下列舉幾個(gè)在壓力容器和管道制造中已得到實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)代化自動(dòng)焊接裝備實(shí)例。以說(shuō)明其基本結(jié)構(gòu)和功能以及在焊接生產(chǎn)中所發(fā)揮的作用。1厚壁壓力容器對(duì)接接頭的全自動(dòng)焊接裝備德國(guó)Babcock-Borsig公司與瑞典ESAB公司合作于1997年開發(fā)了一臺(tái)大型龍門式全自動(dòng)自適應(yīng)控制埋弧裝備。專用于、厚壁容器筒體縱縫和環(huán)縫的焊接。自1998年正式投運(yùn)至今使用狀況良好，為了型厚壁容器對(duì)接縫的自動(dòng)埋弧焊開創(chuàng)了成功的先例。該裝備配置了串列電弧雙絲埋弧焊焊頭，由計(jì)算機(jī)軟件控制的ABW系統(tǒng)（AdaptiveBattWelding）和激光圖像傳感器。在焊接過(guò)程中激光圖像傳感器連續(xù)測(cè)定接頭的外形尺寸，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算機(jī)由智能軟件快速處理，并確定所要求的焊接參數(shù)和焊頭位置。也就是說(shuō)每焊道的尺寸和焊道的排列是由系統(tǒng)的軟件以自適應(yīng)的方式控制的。系統(tǒng)軟件可調(diào)整每一填充焊道的4個(gè)焊接參數(shù)：焊接速度，焊接電流，焊道的排列和各填充層和蓋面層的焊道數(shù)。因此，該系統(tǒng)可使實(shí)時(shí)焊接參數(shù)自動(dòng)適應(yīng)接頭整個(gè)長(zhǎng)度上橫截面和幾何尺寸的偏差。焊接速度是控制不同區(qū)域內(nèi)的熔敷金屬量，而焊接電流是控制焊道的高度和熔敷金屬量。焊道的排列是決定每層焊道間的搭接量。每層的焊道數(shù)則取決于每層的坡口寬度。該設(shè)備的主控制器和監(jiān)視器以PC機(jī)為基礎(chǔ)。多年的使用經(jīng)驗(yàn)表明，該裝備不僅大大提高厚壁容器的焊接生產(chǎn)率，而且確保形成無(wú)缺陷的厚壁焊縫，同時(shí)顯著降低了焊工勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境。2厚壁管件全自動(dòng)多站焊接裝置火力和核電站的主蒸汽管道，其壁厚已超過(guò)100mm，焊接工作量相當(dāng)大，迫切需要實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)的全自動(dòng)化，以提高生產(chǎn)率。每個(gè)焊接工作站由焊接操作機(jī)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，滾輪架，夾緊裝置和焊接機(jī)頭及焊接電源等組成。所有的焊接工作站由中央控制器集成控制。適用的管徑范圍為139~558mm，壁厚18~100mm.管件長(zhǎng)度大于1800mm.可全自動(dòng)焊接直管對(duì)接，直管與彎管接頭，直管與法蘭以及直管與端蓋對(duì)接接頭。焊接方法采用窄坡口熱絲TIG焊。在該自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，采用黑白攝像機(jī)檢測(cè)坡口邊緣的位置。采用彩色攝像機(jī)監(jiān)控電弧和填充絲的位置。通過(guò)檢則焊絲加熱電流控制填充絲的垂直方向的位置。這種控制方法是利用黑白攝像機(jī)的圖像，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理，確定內(nèi)外邊緣的照度差。當(dāng)焊接條件變化時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整攝相機(jī)快門的曝光時(shí)間。以達(dá)到給定的照度，使焊槍始終保持在焊接開始時(shí)調(diào)整好的位置。壁厚管件全自動(dòng)多站焊接裝置基本上實(shí)現(xiàn)了焊接作業(yè)無(wú)人操作。只需要一名操作人員在主控制室內(nèi)設(shè)置管件的原始條件并在焊接過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)控。這種全自動(dòng)焊接裝置已在日本三菱重工公司投入生產(chǎn)試用。3大直徑管對(duì)接全位置自TIG焊機(jī)大直徑管對(duì)接的全位置TIG焊是一項(xiàng)難度很大的焊接作業(yè)，培養(yǎng)一名技能高度熟練的焊工需要耗費(fèi)大量的人力和物力，而且產(chǎn)品的焊接質(zhì)量還取決于焊工自身多年積累的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。為了克服對(duì)焊工技能的依賴性，消除人為因素對(duì)產(chǎn)品焊接質(zhì)量的不利影響，產(chǎn)生了開發(fā)模擬高級(jí)熟練焊工的智能和操作要領(lǐng)的全自動(dòng)焊管機(jī)的想法。該自動(dòng)焊管機(jī)可用于直徑165—1000mm，壁厚7.0—35.0mm的不銹鋼管環(huán)縫的全位置焊，并采用窄間隙填絲TIG焊（單層單道焊工藝）。焊機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用了視覺和聽覺傳感器，由計(jì)算機(jī)程序控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，模仿熟練焊工的反應(yīng)和動(dòng)作。自適應(yīng)控制和質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的作用原理為，自適應(yīng)控制主要是通過(guò)視覺傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的信息和計(jì)算機(jī)圖像處理，按模糊邏輯規(guī)則，實(shí)時(shí)控制鎢極相對(duì)于坡口邊緣的位置，填充焊絲相對(duì)于鎢極的位置以及決定焊接熔池尺寸的焊接參數(shù)。而焊縫質(zhì)量的監(jiān)控系統(tǒng)則按照激光視頻傳感器，聽覺傳感器和電流傳感器的信息實(shí)時(shí)修正焊接熔池尺寸，焊道形狀，鎢極尖端的形狀，電弧燃燒的穩(wěn)定性和焊接電流，以保證焊縫質(zhì)量的一致性。在自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，安裝在焊槍前側(cè)的視覺傳感器（攝像機(jī)）起主要作用，將所攝取的對(duì)接區(qū)圖像輸入到計(jì)算機(jī)，根據(jù)計(jì)算機(jī)軟件圖像處理結(jié)果，可以定量檢測(cè)鎢