发布时间：2022-03-23所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：锅炉压力容器作为对人身和生命财产有较大危害性的特种设备，对焊接质量具有非常严格的要求，需要优质高效的焊接工艺及装备来保证焊接质量，提高焊接生产效率。本文对锅炉、压力容器典型零部件及结构件的焊接技术发展现状进行了总结，并对未来发展做出了展望，认
摘要：锅炉压力容器作为对人身和生命财产有较大危害性的特种设备，对焊接质量具有非常严格的要求，需要优质高效的焊接工艺及装备来保证焊接质量，提高焊接生产效率。本文对锅炉、压力容器典型零部件及结构件的焊接技术发展现状进行了总结，并对未来发展做出了展望，认为物联网技术、互联网技术的成熟及推广应用以及大数据技术的兴起，为锅炉压力容器焊接制造的自动化、智能化、数字化、信息化发展提供了有力的技术支撑，将极大促进锅炉压力容器制造技术水平的发展进步及行业发展动能的转换。
关键词：焊接技术;锅炉;压力容器;焊接自动化;发展现状
锅炉压力容器在高温高压下工作，压力容器一般盛装易燃、易爆、有毒介质，一旦因设备失效发生事故，容易危及人员、设备和财产的安全，有的还能引发污染环境事故，世界各国均将其列为重要的监管产品，由国家指定的专门机构，按照国家规定的法规和标准实施安全监察和技术检验。因此，锅炉压力容器的制造质量与国民经济发展、人民安定生活息息相关，对制造技术的可靠性具有严格要求。
焊接技术是锅炉及压力容器制造工艺中的关键技术，焊接质量也直接关系到锅炉压力容器制造质量及其本质安全。因此，优质高效的焊接技术有助于实现锅炉压力容器制造的高效化，并有助于其本质安全的保证。本文针对锅炉压力容器制造中典型受压部件及结构焊接制造技术进行了概括性介绍。
一、锅炉压力容器典型受压部件的焊接技术
锅炉的膜式水冷壁、蛇形管、厚壁集箱、锅筒等，以及压力容器的管板、厚壁筒节等，其制造过程均已实现了自动化焊接。
1. 膜式水冷壁的焊接
膜式水冷壁管屏(膜式壁)是锅炉炉墙的主要受压部件，采用光管加扁钢拼排焊接而成;从密封、传热及变形控制的角度出发，均须采用双面焊接，将光管和扁钢用连续焊缝拼接达到成品宽度的管屏。而膜式壁光管加扁钢结构生产是一种高精度自动焊接系统，制造质量尤其是管屏加工精度不仅影响车间内的组装焊接，也将影响现场的装配。随着锅炉向着大容量、高参数化发展，膜式水冷壁的尺寸越来越大、精度越来越高。例如一台 300MW电站锅炉膜式件管屏总面积约4000m2 、焊缝总长度则达到27万m。因此必须采用高效率、自动化成套焊接设备才能完成生产任务。
用于膜式壁制造的焊接工艺主要有熔化极气体保护焊和埋弧焊。德国BABCOCK公司开发的膜式水冷壁系列专用成套埋弧焊接装置，为固定框架式焊接工作站，并最早用于生产，其中 KOMESMA 800型和1600型焊接设备能够制造最大宽度为800mm 和1600mm的单元膜式水冷壁管屏，具有钢管和扁钢定位、夹紧、送进、焊接和焊剂自动回收等功能，一般都装有4个或8个焊头同时完成水平位置4条或8条角焊缝的焊接。
日本三菱重工于20世纪80 年代初以熔化极气体保护焊接工艺为基础，开发和研制了一种膜式水冷壁管屏自动焊机，可以根据设备能力和生产需要选择和确定每台设备的焊枪头数，一般4 头、8头焊接专用机用于管屏组装，12头、20头焊接专用机用于管屏单元件焊接。该种管屏焊机采用新型脉冲电源，具有稳定的熔滴过渡和焊接过程，能够获得无飞溅、无缺陷、接头致密、成形美观、补焊量极小(不到 1‰)的理想焊接效果和满意的焊缝质量，在出口模块式锅炉水冷壁生产上得到成功应用(见图 1、图2)。
国内膜式水冷壁焊接工艺及装备的发展走出了一条引进消化-再创新自主研发的创新发展之路。上海锅炉厂和武汉锅炉集团公司等单位最早从德国引进了KOMESMA800型、1600 型、P3200膜式水冷壁专用成套设备，以及哈尔滨锅炉厂有限责任公司和东方锅炉(集团)股份公司相继从日本三菱重工引进膜式水冷壁管屏双面MAG焊专用成套装置，对当时提高我国膜式水冷壁生产能力，促进我国膜式水冷壁焊接技术发展具有重要意义。
“九五”期间哈尔滨锅炉厂、东方锅炉(集团)股份公司通过自主开发和技术改造等措施，开发出了国产化的MPM设备和制造技术，为膜式水冷壁焊接生产的机械化、自动化提供了技术和装备保障。在当前我国膜式水冷壁生产设备已经全部实现国产化。
目前，在我国膜式水冷壁焊机工艺主要采用熔化极气体保护焊接方法，其应用率达到80%以上。尽管熔化极气体保护焊接工艺具有成本低、全位置焊接等优点，但也存在熔深浅、光污染、焊接烟尘等不足，为埋弧焊留出了广阔的发展空间。目前，欧美及日韩等发达国家在膜式水冷壁焊接中已经逐渐减少使用气体保护焊，而是尽量采用埋弧焊。可以相信，随着环保意识的不断增强，埋弧焊在我国膜式水冷壁中的应用会越来越多。
2. 蛇形管焊接
蛇形管是在一个平面内多次迂回的管子，锅炉对流受热面如省煤器、过热器和再热器等，多采用蛇形管的结构;它具有应用材料复杂、规格多、焊接量大的特点，是锅炉中工作温度高、材质级别最高的受压元件。近年来，随着大型机组生产任务不断增加，管子壁厚及焊接工作量成倍增加，蛇形管制造尤其是厚壁管的直管接长焊接已成为影响锅炉受热面生产能力的关键，促进了各种新型高效自动焊接工艺的开发与工程应用。
目前，TIG/MIG自动焊接系统已成为锅炉蛇形管生产的主要工艺，并在同行业内得到了广泛应用。对于有些中厚壁合金钢材料对焊接质量要求高，一般采用 TIG填丝焊接工艺，但存在焊接效率低的不足。为了提高焊接生产效率，将热丝TIG焊接工艺引进到蛇形管焊接制造中，其熔敷效率接近MIG焊接工艺，与冷丝 TIG焊相比可提高效率3~4倍，在中厚壁合金钢管焊接中应用越来越广泛(见图3、图4)。
相比较冷丝TIG焊接工艺，热丝TIG自动焊接工艺具有以下特点：①焊丝加热到一定温度后送入焊接熔池，可显著地增加钨极氩弧焊的工艺灵活性。②具有在较宽熔敷率范围内焊接高质量焊缝的能力。③热丝TIG焊接电弧的能量主要用于熔化母材、形成熔池;而焊丝靠本身的热丝电源加热，热丝熔化所需能量的 85%是由热丝系统提供的，其余部分则由电弧供给，提高了经济效益和生产效率。④可以实现低热输入焊接，有利于提高某些热输入敏感材料的接头质量。
对于有些锅炉蛇形管部件必须先弯成U形管，然后再组焊成所要求的形状。在这种情况下必须在管子固定不转的条件下完成全位置焊接。各锅炉制造厂从国外引进了各种管子全位置TIG 自动焊机，配备了不同管径规格系列焊接机头，并成功地用于生产。
3. 厚壁集箱的焊接
随着电站锅炉容量的不断增大，集箱的壁厚和直径也逐渐加大，如亚临界锅炉集箱的壁厚已达到148mm，外径已达914mm;材料等级已上升为9Cr1MoV系(T/P91、T/P92)耐热钢，使得对集箱的焊接工作量和质量要求更多和更高。
集箱壳体上通常有大量与省煤器、过热器和再热器等部件相连接的管座，管座上需要连接的接管长度分别为200mm以下短接管和弯成一定形状的长接管两种规格。由于管接头角焊缝手工焊接容易出现质量问题，许多制造厂已将非焊透或局部焊透式管接头(插入式)坡口改变为全焊透式结构，并采用内孔TIG打底、外侧采用自动气体保护焊或埋弧焊工艺进行盖面焊接，不仅提高了集箱生产的自动化程度和生产效率，而且焊缝质量优良，生产过程稳定，从根本上提高了管接头焊接的内在质量，取得了显著的效果。
随着焊接工艺及装备研发水平的提高，更多的高效焊接技术和自动化焊接设备应用于集箱的焊接制造。
(1)药芯焊丝气体保护焊工艺 哈尔滨锅炉厂有限责任公司将药芯焊丝气体保护焊接工艺用于大口径管接头的焊接，并用于200MW锅炉集箱全焊透结构马鞍形接管的焊接生产中，焊接效率比手工焊高3~4倍，焊缝成形美观，操作方便，适于全位置、大电流以及连续焊接，在大口径厚壁马鞍形接管角焊缝焊接中体现出明显的技术优势。
(2)机器人焊接 为进一步提高集箱生产能力和制造水平，适应大型机组特殊钢种焊接要求，上海锅炉厂有限公司、哈尔滨锅炉厂有限责任公司分别从日本先后引进了三台集箱管接头焊接机器人工作站，用来焊接各种材质管接头焊缝;该焊接机器人工作站采用细丝脉冲电弧自动焊工艺，具有精确的焊缝跟踪等功能，可以准确测定和纠正管座位置和焊接变形引起的偏差。20 世纪90年代东方锅炉厂与哈尔滨工业大学联合研制了短管接头焊接机械手，采用光电装置定位，机器人与焊接变位机协调联动。 2017年东方锅炉与东方电气中央研究院联合自主研发的国内首台集箱短管接头机器人自动装配、自动焊接工作站顺利通过验收，并投入批量化生产。集箱短管接头机器人自动装焊工作站的生产应用，对提高我国集箱短管接头焊接质量和工作效率，提升国家 “清洁、低碳、高效、智能、经济、安全”重大技术装备数字化智能制造水平具有里程碑意义，标志着我国集箱短管接头焊接正式进入自动化、智能化发展阶段(见图5)。
4. 厚壁筒体的焊接
随着电站锅炉和石化压力容器的大型化和高参数化，锅炉筒体和压力容器筒体的壁厚不断增加，如600MW锅炉筒体的壁厚达到182mm;400T和 560T热壁加氢反应器筒体采用 2.25Cr-1Mo钢，壁厚分别达到 200mm和210mm;300MW和 600MW核电站压力壳的壁厚达到250~300mm。
厚壁筒体的焊接特别适合窄间隙埋弧焊，其具有接头综合力学性能良好、焊接效率高的显著有点。从20世纪80年代中期，主要锅炉和压力容器厂先后从瑞典伊萨公司和意大利安萨多公司引进了窄间隙埋弧焊接技术和成套设备，在国内开启了厚壁高压锅炉和压力容器壳体窄间隙埋弧焊接制造时代。在20世纪90 年代初期，哈尔滨焊接研究所林尚扬院士主持研制成功了国产窄间隙埋弧焊接成套工艺及设备，实现窄间隙埋弧焊接技术和装备的国产化，在大型高压锅炉、重型压力容器制造方面获得了广泛的应用，市场占有率逐渐达到了 70%。
窄间隙埋弧焊接工艺的广泛应用，促使窄间隙焊接设备朝着实用可靠、系统配套和精度高、功能先进的方向发展。为满足生产需要，国内自行开发了多种专用纵环缝窄间隙焊机，如双丝、多丝窄间隙埋弧焊接工艺及设备(见图6)，其中双丝埋弧焊机已用于300MW、600MW亚临界锅炉筒体纵缝焊接，纵缝长度最大达7000mm，现已成为压制筒体纵缝焊接的关键设备;双丝及三丝窄间隙埋弧焊也成为重型压力容器环焊缝的优质高效焊接工艺，焊接最大壁厚达580mm。
在窄间隙埋弧焊接设备方面，哈尔滨焊接研究所先后研制了多套单丝、双丝及多丝窄间隙埋弧焊接机头，目前哈尔滨焊接研究所研制的窄间隙埋弧焊接成套工艺及装备已经实现了数字化。中国第一重型机械集团公司也自行研制的龙门式和悬臂式窄间隙埋弧焊装置，在板拼接和筒体纵缝焊接生产中获得应用。
为了适应产品结构的不断变化，特别是对特殊结构的焊接，如锥体纵缝、封头上接管和法兰环缝的焊接，需要开发由焊接转胎、埋弧焊接系统(机头、送丝机及电源)、焊接操作架以及焊接变位器等配套设备协调匹配的窄间隙自动焊接系统，即HED型焊接工作站，进一步扩大窄间隙埋弧焊接工艺在特殊结构焊接制造中的应用。
为了克服埋弧焊剂脱渣性在焊接过程带来的质量隐患，人们不仅从焊接过程中实时检测、脱渣性优良的焊剂研制等方面下功夫，同时也在窄间隙MAG焊、窄间隙热丝TIG焊等窄间隙焊接新工艺开发上做了很多工作。尽管窄间隙MAG焊、窄间隙热丝TIG焊等工艺可以避免脱渣性带来的质量隐患，但由于存在飞溅、熔敷效率低等不足，一直没有在锅炉、压力容器等设备中获得实际工程应用(见图7、图 8)。
5. 管板全位置焊接
对于换热器产品，换热管与管板间的焊缝质量直接影响到产品的质量和使用寿命。早期管端角焊缝均采用焊条电弧焊或手工 TIG焊，但焊缝外观质量差，易产生气孔、未熔合等焊接缺陷，焊接质量不稳定，在出厂前的水压试验或使用过程中容易发生泄漏。
为进一步提高管端角焊缝质量，提高焊接自动化水平，各厂逐步开发应用了管子-管板全位置自动氩弧焊工艺，采用专机或机器人来完成管端焊接，从而改变了换热器管端手工焊接的落后局面。
哈尔滨焊接研究所、山东大学等单位分别基于机器人和视觉传感开发了能够自动规划路径、寻位等功能的管板机器人焊接工作站，实现管板自动焊接进入智能化时代(见图9)。
6. 接管马鞍型管座的自动化焊接
锅炉厚壁锅筒、核电站压力壳及其他石化容器上大直径接管的焊接是厚壁容器制造技术关键之一，具有焊接工作量大、劳动条件差(高温焊接)、技术难度高、质量要求严格的特点，如 560T热壁加氢反应器接管管座壁厚为210mm、直径达690mm，材质为2.25Cr-1Mo。上海锅炉厂有限公司联合其他单位研制了大直径接管马鞍型焊缝专用埋弧焊机，采用机械式马鞍跟踪机构，并具有上坡焊和下坡焊接速度补偿功能，以保证焊道在上坡焊和下坡焊时焊缝成形的一致性(见图10、图11)。
该设备在厚壁锅炉锅筒下降管和560T热壁加氢反应器等化工高压容器接管管座焊接中得到实际应用，在武汉锅炉、东方锅炉、北京巴威及中国一重等锅炉重点制造企业获得了推广应用。
7. H型翅片管及针形管换热器的焊接
作为余热锅炉的重要强制换热部件，H型鳍片管和针形管换热器具有受热面积大、换热效率高的优点。H型鳍片管的两个鳍片为矩形，近似正方形，其边长约为光管的两倍，属扩展的受热面。H型鳍片管采用闪光电阻焊工艺方法，焊缝熔合率高、抗拉强度大，具有良好的热传导性能。H型鳍片管还可制造成双管的“双H”型鳍片管，其结构的刚性好，可以应用于管排较长的场合。针形管强化换热元件是由针形管自动焊机将一系列圆柱按四方型圆周等分或六角型圆周等分焊接在钢管表面，具有更大的扩展表面、热阻小而换热系数大、自清灰能力强、结构紧凑、单位换热量金属耗量低等技术特点，特别适用于高粘度油品，如原油、重油等介质的强化传热场合。
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H形翅片管、针形管生产从翅片、焊针的冲剪下料，到焊接机头供料、钢管供给、工装定位夹紧、焊接等工序已经实现了无人值守的全自动化焊接，焊接效率高，焊接质量稳定，成品率高(见图12、图13)。
二、锅炉压力容器内壁堆焊技术
在石化行业的一些加氢设备、核容器以及尿素设备等压力容器中，内壁一般都要求采用堆焊技术堆焊奥氏体不锈钢或其他耐腐蚀材料，或者是耐高温、耐冲蚀的材料，以延长设备的使用寿命。
1. 壳体内璧带极堆焊
对于容器内壁大面积堆焊来说，带极自动堆焊技术具有效率高、堆焊层内部质量均匀、堆焊表面平整光滑、稀释率低等显著优势。带极堆焊可以分为埋弧自动堆焊和电渣堆焊两种。电渣堆焊具有焊接熔深浅、稀释率低、堆焊层表面更加平整光滑等优点，但其存在热输入量大、大尺寸焊带堆焊层易产生氢剥离的不足。为了保证堆焊层质量，对于大尺寸焊带堆焊一般采用埋弧自动堆焊。堆焊使用的焊带尺寸，国内已使用到最大达75mm 宽的焊带，而国外最大已使用到 150mm宽。容器内壁堆焊层一般采用过渡层加表层的双层或多层堆焊，但对某些容器，根据需要，也已成功开发出单层浅熔深电渣堆焊技术。
2. 小直径管内壁TIG填丝堆焊
小口径管内壁不锈钢堆焊早期采用焊条电弧焊方法，存在效率低、堆焊质量不易保证的问题，并且对于直径小、长度较长的接管无法实现内壁堆焊。20世纪80年代中期，兰州石化设备厂从日本购置了一台小接管内壁丝极氩弧焊设备，解决了细长小直径接管内壁无法进行不锈钢堆焊的难题。国内哈尔滨焊接研究所经过多年的研发，研制出了小直径接管内壁堆焊机，可以实现内径50mm以上的接管内壁堆焊，具有堆焊效率高、质量好、表面平整美观的优点，完全达到国外小接管内壁堆焊的工艺水平(见图14)。
3. 弯管内壁的堆焊
直管内壁堆焊相对比较容易，而弯管内壁堆焊因在内壁部位存在相应的角度而具有相当的难度。对于不同角度的弯管，根据其内壁的实际情况，需采用不同的焊接技术，目前我国对于弯管内壁的堆焊技术研究已经逐渐成熟。
( 1 ) 3 0 °弯管内壁堆焊 30°弯管内壁堆焊是早期90°弯管内壁堆焊的主要途径：将90° 弯管分割成3段，分别实现30° 弯管的内壁堆焊，然后再组焊成一90°整体弯管，其焊接质量与进口设备相当。通过借助焊机自身的五轴协调运作，根据预设的数学模型，哈尔滨焊接研究所基于自动TIG环形堆焊开发出了 30°弯管内壁堆焊技术，具有生产效率较高、焊缝质量易保证的特点，如图15所示。
(2)45°弯管 国内基于焊枪摆动功能且摆幅随弯管半径由内到外逐渐变大、堆焊呈扇面排布来保证内壁各点堆焊厚度一致而开发出单端45°弯管的堆焊设备，变位后实现另外一侧45°弯管的堆焊作业，从而实现90°弯管的内壁堆焊，如图16所示。
(3)90°弯管内壁堆焊 针对重型压力容器中90°弯管内壁耐蚀层堆焊周期长、堆焊质量不易保证的技术问题，中国一重与哈尔滨焊接研究所联合基于弯管母线纵向结构，通过二维变位机对焊接点进行旋转焊接，开发了90°弯管内壁自动TIG堆焊工艺及装备，实现90°弯管内壁高效、高质量堆焊，减少了组装焊缝数量，大大提高了压力容器 90°弯管内壁堆焊效率与质量(见图17)。
4. 接管、法兰药芯焊丝气体保护堆焊
为了提高生产效率，哈尔滨锅炉厂对气化炉中内径 175~370mm的接管采用药芯焊丝 MAG焊工艺进行了自动堆焊，并且自行研制了1.5t和25t的自动 MAG药芯焊丝堆焊装置，成功完成了与气化炉壳体相焊的各种接管与法兰(近百只)的堆焊生产。兰石厂也将药芯焊丝CO2气体保护不锈钢堆焊工艺成功应用于加氢反应器接管的内壁焊接，节约了大批不锈钢锻件，降低了生产成本，具有可观的经济效益。
药芯焊丝气体保护焊接过程中由于气渣联合保护，焊缝光滑平整、熔敷效率高，近年来已被广泛用于不锈钢，特别是接管内壁及法兰密封面不锈钢结构的堆焊，是一项优质高效的表面堆焊技术，具有广阔的应用前景。
三、人工智能技术及专家系统在锅炉压力容器焊接制造中的应用
现代焊接自动化的主要标志是焊接过程控制系统的智能化、焊接生产系统的柔性化以及焊接生产系统的集成化。由于可编程序控制器、微处理机和自动控制技术、计算机技术等在焊接生产中的应用，使压力容器制造过程中焊接自动化技术得到了很大发展。
1. 焊接过程控制技术
焊缝跟踪是焊接自动化控制系统的一个重要组成部分，对实现压力容器生产过程的焊接自动化意义深远。目前，应用的焊缝跟踪系统主要包括接触式和非接触式两种类型。
在厚壁压力容器焊接时，接触式跟踪系统容易受点固焊点的阻碍发生阻塞现象，以及筒体存在的椭圆度引起传感器发生轴向移动。
非接触式跟踪系统分为超声波式、声发射式、光电式、电弧传感和视觉传感式跟踪系统。直接电弧式跟踪系统是从焊接电弧自身直接提取焊缝位置偏差信号，可以基于测量焊接电流、弧电压和送丝速度来计算工件与焊丝之间的距离，并应用模糊控制技术实现焊缝跟踪。激光视觉传感以其丰富的信息量而备受焊接研究人员的关注，但在应用过程中需要克服弧光、高温、烟尘、飞溅、振动和电磁场的干扰，使传感器的精度、抗干扰性能和灵敏度受到不同程度影响。
随着计算机信息技术的发展和新型传感方式的研究，焊缝跟踪技术将会在压力容器行业得到广泛的应用，从而进一步提高压力容器焊接过程的自动化和智能化程度。 ——论文作者：秦国梁，陈蓉，矫恒杰，郭怀力
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