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鍋爐行業焊接技術的現狀及發展趨勢

來源:www.mdvvla.tw 發布時間:2018年09月27日

鍋爐行業焊接技術的現狀及發展趨勢


      我國鍋爐行業經過數十年的發展,特別是近5年的快速發展,取得了輝煌的成就。據統計,鍋爐生產廠家達1400多家,鍋爐制造能力接近1億kW。各種鍋爐技術的發展突飛猛進,如超臨界和超超臨界鍋爐、大型CFB鍋爐以及蒸汽燃氣聯合循環鍋爐等。大型發電鍋爐朝著大容量高參數和高效率發展,短短幾年之內,西安壁掛完成了由300mW機組上升到600mW、1000mW機組,蒸汽壓力從亞臨界發展到超臨界和超超臨界,主蒸汽溫度從540℃發展到566℃、600℃。我國鍋爐設計、制造技術水平已經達到世界先進水平。
      焊接是鍋爐制造中最為關鍵的工藝方法之一,鍋爐行業中焊接技術水平的高低直接影響我國發電裝備制造行業水平。長期以來,鍋爐制造行業一直致力于鍋爐焊接技術的發展,進步鍋爐制造技術水平,特別是近5年來,鍋爐技術的發展進一步加快了焊接技術的發展,同時焊接技術水平的進步也有利推動了鍋爐行業的發展。下面重點先容鍋爐焊接技術的發展現狀,并結合后期鍋爐發展趨勢,談談鍋爐焊接技術的發展方向和遠景。

      鍋爐焊接技術的發展現狀     

      這些年來,國內各鍋爐廠均在積極進行技術改造,引進新設備,推行先進的焊接新工藝,以適應鍋爐容量、參數和爐型的變化,滿足復雜鍋爐部件和鍋爐新材料的制造要求。下面著重先容鍋爐關鍵部件的焊接技術發展現狀。
      1.鍋爐關鍵部件焊接工藝現狀
電站鍋爐主要關鍵部件包括汽包、集箱、膜式壁和蛇形管(過熱器、再熱器和省煤器)等部件。各部件焊接技術現狀如下:
      (1)鍋爐汽包的焊接
       汽包在鍋爐中承擔集汽、集水和汽水分離的作用,是亞臨界鍋爐關鍵核心部件。汽包由筒節、封頭、下降管管座、汽水連接管座、水位表管座和汽包內件組成,其主要焊縫包括筒節縱縫、環縫、下水管管座焊接、汽水連接管的焊接以及其它附件焊接。
      由于汽包在鍋爐中的特殊地位,其焊接質量一直受到制造廠的高度重視和電廠用戶的普遍關心,我國國家法規對其焊接和檢驗提出相當高的要求,因此焊接工藝必須確保焊接質量。同時,由于汽包壁厚和尺寸大,焊接工作量相當大,因此,鍋爐制造廠家需積極發展高效的焊接工藝和方法。
      ①鍋爐筒身縱、環縫焊接
      當前汽包筒身主要采用板制焊接而成,成形工藝有壓制和卷制兩種工藝。根據筒身成形工藝不同,各廠采用的焊接方法、工藝和焊接坡口也就有所差異。目前,用于鍋筒縱、環縫焊接方法中有電渣焊、焊條電弧焊+常規坡口埋弧自動焊和焊條電弧焊+窄間隙埋弧自動焊等,其焊接坡口和工藝如表所示。
國內300mW、600mW鍋爐的壓制筒節縱縫和環縫大都采用了窄間隙埋弧自動焊,配備焊接防竄動滾輪架和焊接操縱機,構成縱環縫焊接工作站。由于該焊接工藝填充量小,接頭韌性好,焊縫抗氫致裂紋性能好,在鍋爐上得到廣泛使用。縱縫焊接時應留意焊接變形導致坡口尺寸變化,應在選擇坡口角度和防止變形方面采取措施。
      窄間隙埋弧焊接可以單絲或雙絲,雙絲比單絲效率進步70%~80%。然而由于雙絲焊接對坡口加工精度、焊縫跟蹤、焊劑工藝性能和焊工操縱技能等要求較高,而少有采用,東方鍋爐已完全把握該技術并在鍋爐汽包和重型容器上使用。
     20世紀80年代以前各鍋爐廠均采用電渣焊工藝,用來焊接200mW以下鍋爐汽包筒節縱縫。設備為前蘇聯引進和國內仿制的3絲電渣焊。后來因設備報廢,國內停止生產而逐漸淘汰。部分廠家因其焊接效率高、配套成形設備等因素仍繼續使用,而且通過改進焊接材料、外加磁場和熱處理工藝,較好地改善了電渣焊接頭的綜協力學性能。
      ②下降管管座焊接
      大容量機組鍋筒下降管管座常由15CrMo、20MnMo、13MnNiMo54等低合金鋼制成,每臺汽包至少有4只下降管。典型鍋爐下降管座及其坡口形式如圖1所示。常用的焊接方法為焊條電弧焊和埋弧自動焊,此外還有藥芯焊絲半自動氣保焊。
      20世紀90年代以前,我國各鍋爐廠普遍采用手工電弧焊接。焊接量相當大,如300mW鍋爐下降管角焊縫所用焊條達120~140kg,需要2名焊工對稱焊接3天左右,而且深坡口內焊渣很難清除導致焊接缺陷,合金鋼焊接預熱溫度150℃以上,焊接勞動強度相當大。

      1993年北京京藝公司開發了馬鞍埋弧焊接設備以來,相繼在上海鍋爐、東方鍋爐、哈爾濱、斯耐壁掛爐等使用,大大進步了焊接效率和焊接質量,現在已在鍋爐行業廣泛使用,并用于其它類似結構的焊接,如圖2所示。下降管馬鞍埋弧焊接普遍采用數控馬鞍切割機在筒身上制備A型坡口,電加熱或電磁感應加熱方式預熱,焊接材料必須考慮到馬鞍上坡和下坡焊接的熔池流淌。

西安壁掛爐

       ③大管座焊接
      鍋爐汽包上管徑φ≥108mm的管座一般多達150只,焊接工作量也相當大,而且鍋爐法規要求所有接頭采用焊透結構、焊透的工藝方法,并經過100%UT探傷檢查。因此須采用圖3所示的坡口形式,并采用氬弧焊打底的焊接工藝保證根部焊透。外面填充焊道各廠采用不同的焊接方法,有手工電弧焊、半自動氣體保護焊、馬鞍埋弧自動焊。馬鞍埋弧自動焊接采用φ1.6~φ2.0焊絲,焊接效率比手工焊接進步50%以上,合格率達98%,該方法已在鍋爐行業廣泛使用,但焊道之間需要人工排道。
當前有的鍋爐廠已經實現內孔自動氬弧焊+馬鞍埋弧自動焊新工藝。
      ④內件及其他附件焊接,當前還沒有實現機械或自動焊接,主要采用半自動氣體保護焊和焊條電弧焊。
     (2)集箱焊接
集箱也是鍋爐中關鍵的承壓部件之一,在鍋爐中起到集汽或分汽、集水或分水作用,往往布置在爐膛之外,連接爐膛或煙道中的水冷壁、再熱器、過熱器和省煤器。因此其材料隨使用溫度不同而變化,包括碳鋼、合金耐熱鋼、高合金耐熱鋼,甚至不銹鋼。集箱焊接主要包括筒身環縫焊接、大管座焊接和受熱面管座焊接,其各自的焊接方法如下:
      ①進行筒身環縫焊接時,當φ<190mm或壁厚δ<14mm時,通常采用手工氬弧焊+焊條電弧焊;當φ≥190mm時,通常采用手工氬弧焊+焊條電弧焊+埋弧自動焊。
      ②集箱大管座焊接,一般采用手工TIG焊+手工電弧焊或藥芯焊絲氣保焊組合焊接工藝。
      ③受熱面管座焊接,對于全焊透結構的短管接頭,可采用內孔TIG焊+電弧焊;非全焊透的短管接頭和長管接頭都采用焊條電弧焊。
      集箱是鍋爐行業焊接的難點,其焊接結構復雜,材料品種、規格多樣,焊接要求高,難以實現自動化焊接。多年來我國鍋爐行業一直致力于自動焊接工藝和裝備的研究,先后開發或引進過熱絲TIG焊、焊接機器人工作站、機器人焊接等,均未能成功運用于生產。近年來,隨著電子技術和焊接技術的發展,已經取得了一些成效,如環縫窄間隙熱絲TIG、集箱短管座內孔氬弧焊、集箱管座細絲埋弧焊等。
環縫窄間隙熱絲TIG焊接技術的突破,可以很好的解決集箱環縫打底焊接并焊至8~10mm,以便直接用埋弧焊接,解決了以前兩種方法才能完成的焊接任務具有以下優點:
      ①焊接質量好合格率99%以上;
      ②焊材消耗低,是原來的1/3;
      ③適應難焊的高合金材料的焊接。
      窄間隙熱絲TIG焊接新工藝(如圖4)解決了長期困繞的筒身點焊與轉動題目、筒身竄動與跟蹤題目,必將成為未來集箱與管道焊接的方向。
     (3)膜式壁焊接
鍋爐的爐膛和煙道均采用全焊接密封結構,往往使用管子+扁鋼焊接成膜式壁。膜式壁管屏根據管內介質不同而分為水冷壁和包墻過熱器。膜式壁焊接最具特色的就是光管+扁鋼的焊接,其焊接量相當大,一臺300mW鍋爐焊縫長度達18萬m,因此膜式壁焊接的追求目標就是高效、自動化。
      當今世界先進的膜式壁自動焊接技術主要有日本三菱重工開發的MPM焊接技術和德國BOBCOCK公司開發的SAW自動焊接技術兩種技術流派。我國各大鍋爐廠在20世紀80年代末開始引進自動焊接技術,因引進渠道的不同,而沿用和發展了不同的焊接工藝,無論采用哪種焊接技術,均達到了世界先進水平。這兩種焊接專用設備均完全實現了國產化,特別是近年來隨著電力井噴行情到來,鍋爐行業大量 裝備了膜式壁自動焊接技術。
       MPM焊,配備12頭(甚至20頭)GMAW焊頭,能從管屏的正反兩面進行焊接,焊接過程中產生穩定的脈沖噴射過渡,這就保證了上、下焊縫成型美觀,焊接質量穩定,同時正反兩面焊縫的焊接變形能相互抵消,管屏焊接后基本上無撓曲變形,其焊接速度為700mm/min。
      管屏埋弧焊接技術采用1.6mm焊絲,匹配高速焊劑,可以達到1200~1300mm/min的焊接速度,埋弧焊接成形美觀,熔深較大。對于超臨界鍋爐9mm扁鋼可以不開坡口。但是埋弧焊接不能實現正反兩面同時焊接,因此焊接正面后需要翻面再焊,帶來的題目就是單面焊后存在變形需要校正,并且車間焊接環境較差。
      (4)蛇形管的焊接技術
鍋爐蛇形管焊接主要是直徑小于76mm小口徑管的對接焊,其材料從碳鋼、高合金鋼到不銹鋼,焊接接頭均要求進行100%的射線探傷。鍋爐小口徑管的對接接頭數目和壁厚,隨著鍋爐容量的增大而增加,如1000mW超超臨界鍋爐的過熱器壁厚已達12.7mm,懸掛管壁厚達18.3mm,上部水冷壁凝渣管壁厚達20~22mm,接頭總數達5萬多個。因此進步管子焊接的質量和效率是鍋爐制造廠長期追求的目標。
       當前,我國鍋爐小管直管對接焊主要采用自動TIG+MIG和自動熱絲TIG焊兩種焊接工藝。自動焊接設備配備焊前自動取料架和焊后送管料架,與X射線產業熒光探傷機和自動CNC彎管機,構成了蛇形管生產線,使鍋爐蛇形管生產效率和質量得到大大進步。鍋爐行業已經裝備蛇形管焊接生產線100余條,而且全部能實現國產化。
       熱絲TIG焊接具有焊接質量好、焊接效率高、異種鋼焊接稀釋率低、焊接材料供給方便、材料適應性廣和可實現連續焊接等優點,必將成為鍋爐蛇形管焊接主流。
當然,鍋爐蛇形管生產中也存在先彎管后焊接的情況,此時只能采用手工TIG焊、手工TIG焊打底+焊條電弧焊以及全位置TIG焊等,對于壁厚較厚的彎管對接(δ≥10mm),最好采用全位置熱絲脈沖TIG焊。
      蛇形管附件焊接主要采用手工電弧焊和半自動氣體保護焊接。
     2.鍋爐焊接材料
     鍋爐上使用的焊接材料主要針對耐熱鋼焊材體系,品種有手工焊條、氬弧焊絲、埋弧焊焊絲、氣體保護焊實心、藥芯焊絲等。這些年我國焊接材料生產廠家在生產規模、焊接材料品種、產品質量、鍍銅包裝有了長足進步,表現在以下方面:
      (1)氣體保護焊絲的質量進步較快,如氬弧焊絲實現筒裝,焊絲直徑均勻度、焊絲送線性和焊絲鍍銅質量均比以前更好,有利促進了鍋爐行業氣體保護焊接工藝技術的推廣運用;
      (2)藥芯焊絲開發上取得進展,在碳鋼焊絲基礎上開發了E811-B2、B3等耐熱鋼、強度60kg等級別的藥芯焊絲;
   (3)埋弧焊絲基本實現鍍銅、盤裝,方便了生產,進步了焊接質量。
但是,我國鍋爐焊接材料還不能適應大容量、高參數鍋爐發展的需要,在壁掛爐質保和耐熱不銹鋼的研發上嚴重滯后,特別是適用于566℃以上溫度參數的高強度耐熱鋼材料的焊接。而日本、美國、歐洲等在開發新材料方面取得了可喜成績,開發了T/P23、T/P24、T/P91、T/P92、T/P122、SUPER304H、HR3C等材料的同時,開發了一系列相適應的焊接材料。

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