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《電焊機雜志》2016年第三期

摘要：

焊接技術(shù)在電站鍋爐制造中起著至關(guān)重要的作用，隨著電站鍋爐向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，其材料等級越來越高、結(jié)構(gòu)越來越復雜，傳統(tǒng)的焊接工藝和裝備將不能完全適應電站鍋爐制造需求。闡述電站鍋爐焊接技術(shù)及裝備現(xiàn)狀，指出現(xiàn)有電站鍋爐焊接設備機械化高、但自動化和智能化低的現(xiàn)狀，結(jié)合電站鍋爐發(fā)展趨勢及國家智能制造規(guī)劃，提出了電站鍋爐焊接工藝和裝備的智能化需求和發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：

電站鍋爐；焊接裝備；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

我國是煤炭大國，燃煤發(fā)電是我國最重要的發(fā)電形式，燃煤發(fā)電量占據(jù)全部發(fā)電量75%以上。中國火電裝機容量在1987年突破1億kW[1]，到2015年已經(jīng)近10億kW，不足30年的時間翻了10倍。在未來很長一段時間內(nèi)，燃煤發(fā)電在我國能源結(jié)構(gòu)中的主導地位仍然不會發(fā)生改變。鍋爐是燃煤發(fā)電機組的核心部件，焊接是鍋爐制造中的關(guān)鍵工序，而高溫高壓的運行環(huán)境更加凸顯了焊接在鍋爐制造中的重要性。隨著鍋爐參數(shù)及容量的不斷提高，鍋爐技術(shù)的發(fā)展不僅取決于鍋爐設計技術(shù)的進步，更與鍋爐焊接技術(shù)的發(fā)展密不可分。正是因為焊接技術(shù)的進步，使電站鍋爐的制造成本越來越低、制造周期越來越短，使我國電力事業(yè)得到了長足的發(fā)展。

1鍋爐自動化焊接現(xiàn)狀與不足

電站鍋爐是一個龐大而且十分復雜的系統(tǒng)裝置，單臺鍋爐重量可達萬余t，其核心承壓部件按運行功能可分為四類：汽包/汽水分離器、集箱、蛇形管和膜式壁。每一類部件都有著其獨特的結(jié)構(gòu)形式，所采用的焊接工藝方式也有著很大差異。

1.1汽包/汽水分離器部件汽包/汽水分離器在鍋爐的運行中主要起到汽水分離的作用。汽包/汽水分離器筒身由厚壁鋼板卷制或者壓制后拼接而成，其上布置很多規(guī)格不一的接管，主要焊接工序包括筒身縱環(huán)縫焊接、接管的焊接與其他附件的焊接。其縱、環(huán)縫焊接是鍋爐部件中較早應用機械焊焊接的部件，焊接方法由焊條電弧焊+埋弧焊逐漸發(fā)展到了現(xiàn)在的雙面埋弧焊焊接，曾經(jīng)也采用過電渣焊工藝，但由于電渣焊焊縫晶粒粗大，須單獨進行正火+回火熱處理，屬于高耗能工藝，所以該工藝已逐漸被淘汰。同時得益于窄間隙埋弧焊設備和技術(shù)的應用，在環(huán)縫焊接上，大部分鍋爐制造廠實現(xiàn)了焊接坡口由普通坡口到單邊約1.5°窄間隙坡口的變化。而縱縫坡口因各鍋爐廠加工坡口方式不同，部分廠家實現(xiàn)了窄間隙坡口，其余廠家仍在采用傳統(tǒng)的寬坡口形式。大量的管座焊接也是汽包/汽水分離器主要焊接工作之一，根據(jù)管座直徑和結(jié)構(gòu)形式，主要焊接方法有：氬弧焊（包括內(nèi)孔氬弧焊）+焊條電弧焊、焊條電弧焊+埋弧焊、焊條電弧焊+氣保焊等。其中大管座已經(jīng)大量采用埋弧焊焊接，而直徑小于100mm的小管座則部分廠家采用細絲埋弧焊，部分廠家為手工焊焊接。

1.2集箱部件集箱是鍋爐中關(guān)鍵承壓部件之一，在鍋爐的運行中主要起到汽水匯集和分配的作用。集箱筒身由成品鋼管制成，主要焊接工序包括集箱環(huán)縫對接、大管座焊接、受熱面管座焊接和其他附件的焊接。在集箱環(huán)縫焊接上，大部分廠家都實現(xiàn)了氬弧焊打底+埋弧焊焊接的方法，在高等級材料的集箱中，部分廠家已經(jīng)成功應用窄間隙熱絲TIG焊，焊接質(zhì)量得到較大提升。直徑小于100mm的小管座，部分廠家采用氬弧焊+細絲埋弧焊，部分廠家則采用藥芯焊絲氣保焊；直徑大于100mm的大管座，部分廠家正在積極開發(fā)自動焊裝置和工藝，目前還未成功，只能采用手工焊。

1.3蛇形管部件蛇形管是鍋爐受熱面管系，也是鍋爐關(guān)鍵承壓部件之一。蛇形管形狀復雜，由小口徑管拼接、彎制后組屏而成，具有材料種類多、焊口數(shù)量大、制造難度高的特點。主要焊接工序為管子對接。對于直管對接，大部分廠家都采用機械熱絲TIG焊焊接，也有廠家采用機械TIG+MIG焊以提高焊接效率。而對于彎管的對接，受制于焊接位置的限制，大部分廠家仍采用手工氬弧焊+焊條電弧焊焊接。雖然有設備廠家開發(fā)出了全位置TIG焊設備，但應用效果并不理想。

1.4膜式壁部件膜式壁布置在爐膛四周的受熱面，用于吸收爐膛火焰熱量，加熱管內(nèi)介質(zhì)，冷卻煙氣溫度，保護爐墻等。膜式壁通常由光管+扁鋼組成，其上也有一部分附件。膜式壁光管+扁鋼角焊縫的焊接工作量十分龐大，但現(xiàn)在各鍋爐制造企業(yè)都實現(xiàn)了機械焊接，主要焊接方法有機械氣保焊和機械埋弧焊。機械氣保焊又分為龍門焊（見圖1）和MPM焊（見圖2），龍門焊用于焊接非直管屏，MPM焊用于焊接直管屏。通常龍門焊為4頭或6頭，從正面焊接；MPM焊有著多頭的上焊槍和下焊槍（仰焊），可上、下兩側(cè)同時焊接，焊槍可達20頭以上。機械埋弧焊頭數(shù)較少，通常只有4頭或8頭，只能在管屏上側(cè)施焊。現(xiàn)在這些焊接設備都已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)化。在部分爐型中，銷釘螺柱焊也是膜式壁部件主要焊接工作之一，銷釘數(shù)量多，現(xiàn)在仍無全自動焊接設備，只能采用人工方式逐個進行焊接，費時費力。膜式壁其他附件也大多采用半自動熔化極氣保焊或焊條電弧焊焊接。綜上所述，目前我國鍋爐焊接自動化程度較低，距智能化焊接還有很大距離，主要表現(xiàn)為：（1）大量焊接工作依靠人工操作，仍不能實現(xiàn)機械化。（2）實現(xiàn)機械焊的部件也不是全自動化焊接，焊接過程中需要工人不斷監(jiān)控和調(diào)整。（3）為降低成本，焊接設備功能單一，難以實現(xiàn)焊接過程的自動控制改造。

2鍋爐焊接智能化提升

隨著《中國制造2025》的出臺，我國制造業(yè)必然會發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，從低端制造逐步轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨酥圃欤瑥膭趧用芗椭圃燹D(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)密集型制造。面臨著國內(nèi)外低迷的經(jīng)濟環(huán)境，提高制造智能化、降低制造成本是鍋爐制造企業(yè)的必經(jīng)之路，智能化焊接在鍋爐制造中應用將是未來趨勢所向。結(jié)合當前焊接技術(shù)的發(fā)展，未來鍋爐焊接智能化提升方向主要包括以下幾個方面。

2.1基于現(xiàn)有條件的自動化（機械化）焊接設備開發(fā)應用在鍋爐制造中，手工焊在集箱管座焊接、銷釘焊等方面還在大范圍應用，以“設備換人”已經(jīng)是對以上工序的一大改造，既可以提高效率，又能提升質(zhì)量，降低成本。在“設備換人”的過程中，實現(xiàn)智能化焊接難度較大，自動化或者機械化可以作為一個必要的過渡方案。針對集箱大管座，布道問題是困擾其實現(xiàn)自動化的主要難點，但當前可借鑒汽包大管座馬鞍埋弧焊的成功經(jīng)驗，在焊接過程中人工布道，先實現(xiàn)管座機械焊。針對集箱小管座，相關(guān)單位已經(jīng)對機器人焊接技術(shù)可行性進行了驗證，在提升了坡口加工精度之后，焊接機器人設備可以得到應用。現(xiàn)有銷釘焊是自動化程度十分低的焊接工藝，既要人工操作焊槍焊接，又要工人將銷釘和磁圈裝在一起，所以全自動銷釘焊機的開發(fā)也是一大研究方向，解決的主要問題有：自動穩(wěn)定送釘、自動確定銷釘焊接位置、自動調(diào)整焊槍姿態(tài)和保證焊縫成形等。

2.2先進焊接方法及設備的應用20世紀以伊薩為代表的國外公司率先開發(fā)出了先進的埋弧焊設備，搶占了埋弧焊設備的制高點，但是埋弧焊有著其無法改變的缺點：焊接位置單一，焊后需要清渣，不能實現(xiàn)全自動焊接。而GMAW是最合適的自動焊方法，故國內(nèi)焊接設備廠家應加大研發(fā)實心焊絲自動氣保焊設備的力度，以替代汽包/汽水分離器縱、環(huán)縫及大管座的埋弧焊焊接等。隨著數(shù)字化焊接電源的興起及控制技術(shù)的進步，高效的GMAW焊接方法不斷出現(xiàn)，雙絲GMAW、CMT焊接、多脈沖GMAW、STT焊接等先進的焊接方法在各制造領(lǐng)域已得到應用，在鍋爐焊接中可深入摸索其使用的可行性，開發(fā)出適合鍋爐結(jié)構(gòu)焊接的高效焊接方法。隨著焊接材料等級的提高，焊接電源對焊縫成形及焊接質(zhì)量的影響愈發(fā)明顯，但優(yōu)秀的高端焊接電源種類較少，相關(guān)廠家應加大高端焊接電源的研發(fā)，如超低飛濺氣保焊焊接電源。

2.3機械焊設備智能化改造在現(xiàn)有鍋爐焊接方法中，龍門焊和MPM焊已經(jīng)在膜式壁管屏焊接中應用多年，現(xiàn)有龍門焊的每把焊槍都需要人工操控，雖是機械焊，但自動化程度不高，MPM焊也需要工人實時監(jiān)控焊縫位置和焊縫成形并不斷調(diào)整焊槍位置和焊接參數(shù)，需要焊接操作工不停調(diào)整和干預。對于這類焊接設備的自動化改造是提升制造能力的主要方向。在這兩類設備上，設備廠家可將視覺識別技術(shù)與機械焊技術(shù)結(jié)合在一起，使焊槍可自動尋找并實時跟蹤焊縫位置，實現(xiàn)自動化焊接。

2.4焊接模擬及仿真技術(shù)的應用隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，借助于計算機軟件編程，焊接過程系統(tǒng)模擬和仿真已經(jīng)逐漸普及起來。焊接模擬與仿真技術(shù)是實現(xiàn)焊接過程智能化的基礎(chǔ)，借助于焊接建模，可以實現(xiàn)鍋爐新結(jié)構(gòu)焊接過程中應力和變形的計算，實現(xiàn)新材料不同焊接條件材料組織轉(zhuǎn)變的預測。

2.5焊接系統(tǒng)的智能化集成在焊接電源、焊接機器人、焊接模擬仿真等技術(shù)得到提升和發(fā)展后，就具備了實現(xiàn)部件焊接智能化集成的基本條件。未來的智能焊接設備并不是完全不需要人的參與，而是將對話對象由焊工變成了焊接工程師，所以遠程焊接控制技術(shù)、焊接過程自動監(jiān)控及診斷技術(shù)都是需要研究的，它可實現(xiàn)人、機分離。當然，智能焊接設備的研發(fā)并非一朝一夕之事，也非簡單一方就可開發(fā)完成，智能化集成需要設備開發(fā)商與應用廠家共同參與、聯(lián)合開發(fā)才能夠取得理想的效果。

2.6其他必要條件焊接技術(shù)是與材料、力學、機械等技術(shù)密切相關(guān)的多學科交叉技術(shù)，在鍋爐焊接智能化的道路上，不能忽視焊接材料與焊接結(jié)構(gòu)設計的影響因素。在鍋爐制造中應用的傳統(tǒng)焊接工藝方法，埋弧焊、焊條電弧焊及藥芯焊絲氣保焊的焊接冶金過程中藥粉均起到重要作用，欲采用GMAW的焊接方法實現(xiàn)自動化，相應實心焊絲的開發(fā)具有重要的意義。當前高等級耐熱鋼材料的實心焊絲嚴重缺乏，開發(fā)匹配的高等級實心焊絲是實現(xiàn)自動化的必要條件。基于傳統(tǒng)手工焊接方式設計的結(jié)構(gòu)，自動焊機可達性差，如集箱長管接頭、焊接間距小，不具備實現(xiàn)焊接自動化條件。傳統(tǒng)埋弧焊由于焊槍尺寸要求焊接坡口開口寬度大，若采用GMAW須改變坡口設計形式，實現(xiàn)每層單道的窄間隙焊接，既可以提高效率，又減少了自動布道帶來的復雜程度。

3結(jié)論

雖然現(xiàn)在鍋爐主要焊接工作實現(xiàn)了機械焊焊接，但未能實現(xiàn)智能化，仍離不開人的參與，而且鍋爐仍有許多零件采用手工焊或半自動焊焊接。隨著鍋爐向大容量、高參數(shù)發(fā)展，鍋爐結(jié)構(gòu)越來越復雜，材料等級越來越高，現(xiàn)有機械焊技術(shù)也已不能完全滿足焊接需求。各鍋爐制造廠應抓住《中國制造2025》的機遇，積極推進互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，持續(xù)更新和改造現(xiàn)有焊接裝備，以實現(xiàn)智能制造、提高焊接質(zhì)量和降低制造成本。

作者：羅永飛 李占雷 單位：東方電氣集團 東方鍋爐股份有限公司