国内外锅炉、压力容器和管道的焊接技术

国内外锅炉、压力容器和管道的焊接技术近10年来，国内外锅炉、压力容器和管道的焊接技术取得了引人注目的新发展。随着锅炉、压力容器和管道工作参数的大幅度提高及应用领域的不断扩展，对焊接技术提出了愈来愈高的要求。所选用的焊接方法、焊接工艺、焊接材料和焊接设备首先应保证焊接接头的高质量，同时必须满足高效、低耗、低污染的要求。因此，在这一领域内，焊接工作者始终面临复杂而艰巨的技术难题，要求不断寻求最佳的解决方案。通过不懈的努力已在许多关键技术上取得重大突破，并在实际生产中得到成功的应用，取得了可观的经济效益，使锅炉、压力容器和管道的焊接技术达到了新的发展水平。鉴于锅炉、压力容器和管道涉及到许多重要的工业部门，其中包括火力、水力、风力，核能发电设备，石油化工装置，煤液化装置、输油、输气管线，饮料、乳品加工设备，制药机械，饮用水处理设备和液化气储藏和运输设备等，焊接技术的内容是相当广泛的。本文因篇幅所限，仅就锅炉、压力容器和管道用钢，先进的焊接方法和焊接过程机械化和自动化三方面的新发展作如下概括的介绍。锅炉压力容器和管道用钢的新发展1锅炉用钢的新发展在锅炉、压力容器和管道用钢这三类钢中，锅炉用钢的发展最为迅速。这主要是近10年来，火力发电站用燃料—煤炭的供应日趋紧张，降低燃料的消耗已成为世界性的迫切需要。为此，必须提高锅炉的效率。通常锅炉效率每提高5%，燃料的消耗可降低15%.而锅炉的效率基本上取决于其运行参数—蒸汽压力和蒸汽温度。最近，上海锅炉厂生产600~670MW超临界锅炉的蒸汽压力为254bar，过热蒸汽温度为569℃，锅炉的热效率约为43%.如果锅炉的运行参数提高到特超临界级，即蒸汽压力为280bar蒸汽温度为620℃，锅炉的热效率可提高到47%.目前世界上特超临界锅炉的最高工作参数为350bar/700℃/720℃，锅炉的热效率达到了50%.这里应当强调指出，随着锅炉效率的提高，锅炉烟气中的SO2、NOX和CO2的排放量逐渐下降。因此从减少大气污染的角度出发，设计制造高工作参数的特超临界锅炉也是必然的发展趋势。锅炉蒸汽参数的提高直接影响到锅炉受压部件的强度性能。在超临界和特超临界工作条件下，锅炉的主要部件，如膜式水冷壁，过热器，再热器、高压出口集箱和主蒸汽管道的工作温度均已达到钢材蠕变温度范围以内。制作这些部件的钢材在规定的工作温度下，除了具有足够的蠕变强度（或105h高温持久强度）外，还应具有高的耐蚀性和抗氧化性以及良好的焊接性和成形性能。从锅炉主要部件用钢的发展阶段来看，即便是工作温度相对较底的水冷壁部件，也必须采用铬含量大于2%的Cr-Mo钢或多组元的CrMoVTiB钢。按现行的锅炉制造规程，这类低合金钢，当管壁厚度超过规定的界限时，焊后必须进行热处理。由于膜式水冷壁的外形尺寸相当大，工件长度一般超过30m，焊后热处理不仅延长了生产周期，而且大大提高了制造成本。为解决这一问题，国外研制了一种专用于膜式水冷壁的新钢种7CrMoVTiB1010.最近，该钢种已得到美国ASME的认可，并已列入美国ASME材料标准，钢号为A213-T24.这种钢的特点是含碳量控制在0.10%以下，硫含量不超过0.010%，因此具有相当好的焊接性。焊前无需预热。当管壁厚度不大于10mm，焊后亦可不作热处理。在特超临界的蒸气参数下，当蒸气温度达到700℃，蒸气压力超过370bar时，水冷壁的壁温可能超过600℃。在这种条件下，必须采用9%Cr或12%Cr马氏体耐热钢。这些钢种对焊接工艺和焊后热处理提出了严格的要求，必须采取特殊的工艺措施，才能确保接头的焊接质量。对于锅炉过热器和再热器高温部件，在超临界和特超临界蒸汽参数下，其工作温度范围为560~650℃。在低温段通常采用9~12%Cr钢，从高温耐蚀性角度考虑，最好选用12%Cr钢。在600℃以上的高温段，则必须采用奥氏体铬镍高合金耐热钢。根据近期的研究成果，对于高温段过热器和再热器管件，为保证足够高的高温耐蚀性和抗氧化性，应当选用铬含量大于20%的奥氏体钢，例如25Cr-20NiNbN（HR3C），23Cr-18NiCuWNbN（SAVE25），22Cr-15NiNbN（TempaloyA-3），和20Cr-25NiMoNbTi（NF709）等。在相当高的蒸汽参数下（375bar/700℃）下，在过热器出口段，由于奥氏体钢蠕变强度不足，不能满足要求，而必须采用镍基合金，如Alloy617.现代奥氏体耐热钢与传统的奥氏体耐热钢相比，其最大特点是含有多组元的碳化物强化元素，从而在很大程度上提高了钢材的蠕变强度。对于超临界锅炉机组的高压出口集箱和主蒸汽管道等厚壁部件主要采用改进型的9-12%Cr马氏体铬钢。9~12%马氏体铬钢的发展规律与前述的奥氏体耐热钢相似，即从最原始的Cr-Mo二元合金向多组元合金演变，其主攻方向是尽可能提高钢材的高温蠕变强度，减薄厚壁部件的壁厚，以简化制造工艺和降低制造成本。上述钢种由于严格控制了碳、硫、磷含量，焊接性明显改善。在国外超临界和特临界锅炉已逐步推广应用，取得了可观的经济效益。2压力容器用钢的新发展近年来，压力容器用钢的发展与锅炉用钢不同，其主攻方向是提高钢的纯净度，即采用各种先进的冶炼技术，最大限度地降低钢中的有害杂质元素，如硫、磷、氧、氢和氮等的含量。这些冶金技术的革新，不仅明显地提高了钢的冲击韧性，特别是低温冲击韧性，抗应变时效性、抗回火脆性、抗中子幅照脆化性和耐蚀性，而且可大大改善其加工性能，包括焊接性和热加工性能。对比采用常规冶炼方法和现代熔炼方法轧制的16MnR钢板的化学成分和不同温度下的缺口冲击韧度和应变时效后的冲击韧性，数据表明，超低级的硫、磷、氮含量显著地提高了普通低合金钢的低温冲击韧度和抗应变时效性。高纯净化对深低温用9%Ni钢的极限工作温度（-196℃）下的缺口冲击韧度也起到相当良好的作用，按美国ASTMA353和A553（9%Ni）钢标准，该钢种在-196℃冲击功的保证值为27J.但按大型液化天然气（LNG）储罐的制造技术条件，9%Ni钢壳体-196℃的冲击功应70J，相差2.6倍之多。这一问题也是通过9%Ni钢的纯净化处理而得到完满的解决。同5风力发电站生产中的高效焊接方法众所周知，我国当前正面临电力十分紧张的状况，而且火力发电厂烟气大量排放对大气的污染也令人担忧。因此发展绿色能源已成为世人关注的焦点。在世界范围内风力发电作为一种可再生的清洁能源因运而生，产并以相当高的速度发展，年增长率约为20%.近来，我国也开始重视风力发电的建设，制定相应的规划，可望在今后5年内将有较快的发展。风力发电站主要由基础、底座、立柱、风力涡轮发电机和馈电系统等组成，其中底座和立柱为焊接结构，采用不同厚度的低碳钢或低合金钢板卷制而成。锥形立柱总长可达100m，底部最大直径为4.8m，壁厚40~70mm，项部直径约1.7m，壁厚12~35m.总重量约80T.每根立柱熔敷金属的重量约700—1500Kg.可见焊接工作量相当可观而且必须采用高效焊接法。最近瑞典ESAB公司专为风力发电站立柱焊接推出两对双丝串列电弧埋弧焊接法（Tandem-Twin）。如采用4根￠时2.5mm的焊丝，最高熔敷率可达38Kg/h，而普通的单弧双丝焊（TwinArc）的熔敷率仅为15Kg//h.锥体简身纵缝采用两对双丝串列电弧焊，配用的焊接电源型号相应为LAF1250和TAF1250.立柱环缝采用焊接操作机与头尾架翻转机组合的专用焊接装置，头架转盘由交流伺服电机驱动，可精确控制工件旋转速度，以确保焊缝的高质量。锅炉、压力容器和管道焊接自动化的新发展在我国锅炉、压力容器和管道制造行业中，各大中型企业的焊接机械化和自动化程度相对较高，像哈锅，上锅这样的企业已达到80%以上。不过，在国际上对焊接机械化和自动化作了重新定义。焊接机械化是指焊接机头的运动和焊丝的给送由机械完成，焊接过程中焊头相对于接缝中心位置和焊丝离焊缝表面的距离仍须由焊接操作工监视和手工调整。焊接自动化是指焊接过程自启动至结束全部由焊机的执行自动完成。无需操作工作任何调整，即焊接过程中焊头的位置的修正和各焊接参数的调整是通过焊机的自适应控制系统实现的。而自适应控制系统通常由高灵敏传感器，人工智能软件、信息处理器和快速反应的精密执行机构等组成。按照上述标准来衡量，我国锅炉，压力容器和管道焊接的自动化率是相当低的。极大多数仅实现了焊接生产的机械化。因此，为加速本行业焊接生产现代化的进程，增强企业的核心竞争力，应尽快提高焊接自动化的程度。按照当前中央提出的“以人为本”的理念。焊接自动化具有更深刻的意义。它不仅仅是提高了焊接生产率和稳定了焊接质量，而更重要的是使焊工远离了有害的工作环境，减轻或消除了职业病的危害。以下列举几个在压力容器和管道制造中已得到实际应用现代化自动焊接装备实例。以说明其基本结构和功能以及在焊接生产中所发挥的作用。1厚壁压力容器对接接头的全自动焊接装备德国Babcock-Borsig公司与瑞典ESAB公司合作于1997年开发了一台大型龙门式全自动自适应控制埋弧装备。专用于、厚壁容器筒体纵缝和环缝的焊接。自1998年正式投运至今使用状况良好，为了型厚壁容器对接缝的自动埋弧焊开创了成功的先例。该装备配置了串列电弧双丝埋弧焊焊头，由计算机软件控制的ABW系统（AdaptiveBattWelding）和激光图像传感器。在焊接过程中激光图像传感器连续测定接头的外形尺寸，测量数据通过计算机由智能软件快速处理，并确定所要求的焊接参数和焊头位置。也就是说每焊道的尺寸和焊道的排列是由系统的软件以自适应的方式控制的。系统软件可调整每一填充焊道的4个焊接参数：焊接速度，焊接电流，焊道的排列和各填充层和盖面层的焊道数。因此，该系统可使实时焊接参数自动适应接头整个长度上横截面和几何尺寸的偏差。焊接速度是控制不同区域内的熔敷金属量，而焊接电流是控制焊道的高度和熔敷金属量。焊道的排列是决定每层焊道间的搭接量。每层的焊道数则取决于每层的坡口宽度。该设备的主控制器和监视器以PC机为基础。多年的使用经验表明，该装备不仅大大提高厚壁容器的焊接生产率，而且确保形成无缺陷的厚壁焊缝，同时显著降低了焊工劳动强度，改善了工作环境。2厚壁管件全自动多站焊接装置火力和核电站的主蒸汽管道，其壁厚已超过100mm，焊接工作量相当大，迫切需要实现焊接生产的全自动化，以提高生产率。每个焊接工作站由焊接操作机，翻转机构，滚轮架，夹紧装置和焊接机头及焊接电源等组成。所有的焊接工作站由中央控制器集成控制。适用的管径范围为139~558mm，壁厚18~100mm.管件长度大于1800mm.可全自动焊接直管对接，直管与弯管接头，直管与法兰以及直管与端盖对接接头。焊接方法采用窄坡口热丝TIG焊。在该自适应控制系统中，采用黑白摄像机检测坡口边缘的位置。采用彩色摄像机监控电弧和填充丝的位置。通过检则焊丝加热电流控制填充丝的垂直方向的位置。这种控制方法是利用黑白摄像机的图像，经过计算机图像处理，确定内外边缘的照度差。当焊接条件变化时，系统将自动调整摄相机快门的曝光时间。以达到给定的照度，使焊枪始终保持在焊接开始时调整好的位置。壁厚管件全自动多站焊接装置基本上实现了焊接作业无人操作。只需要一名操作人员在主控制室内设置管件的原始条件并在焊接过程中进行监控。这种全自动焊接装置已在日本三菱重工公司投入生产试用。3大直径管对接全位置自TIG焊机大直径管对接的全位置TIG焊是一项难度很大的焊接作业，培养一名技能高度熟练的焊工需要耗费大量的人力和物力，而且产品的焊接质量还取决于焊工自身多年积累的生产经验。为了克服对焊工技能的依赖性，消除人为因素对产品焊接质量的不利影响，产生了开发模拟高级熟练焊工的智能和操作要领的全自动焊管机的想法。该自动焊管机可用于直径165—1000mm，壁厚7.0—35.0mm的不锈钢管环缝的全位置焊，并采用窄间隙填丝TIG焊（单层单道焊工艺）。焊机的自动控制系统采用了视觉和听觉传感器，由计算机程序控制执行机构，模仿熟练焊工的反应和动作。自适应控制和质量监控系统的作用原理为，自适应控制主要是通过视觉传感器实时检测的信息和计算机图像处理，按模糊逻辑规则，实时控制钨极相对于坡口边缘的位置，填充焊丝相对于钨极的位置以及决定焊接熔池尺寸的焊接参数。而焊缝质量的监控系统则按照激光视频传感器，听觉传感器和电流传感器的信息实时修正焊接熔池尺寸，焊道形状，钨极尖端的形状，电弧燃烧的稳定性和焊接电流，以保证焊缝质量的一致性。在自适应控制系统中，安装在焊枪前侧的视觉传感器（摄像机）起主要作用，将所摄取的对接区图像输入到计算机，根据计算机软件图像处理结果，可以定量检测钨