电站锅炉智能化焊接的发展范文

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《电焊机杂志》2016年第三期

摘要：

焊接技术在电站锅炉制造中起着至关重要的作用，随着电站锅炉向大容量、高参数方向发展，其材料等级越来越高、结构越来越复杂，传统的焊接工艺和装备将不能完全适应电站锅炉制造需求。阐述电站锅炉焊接技术及装备现状，指出现有电站锅炉焊接设备机械化高、但自动化和智能化低的现状，结合电站锅炉发展趋势及国家智能制造规划，提出了电站锅炉焊接工艺和装备的智能化需求和发展方向。

关键词：

电站锅炉；焊接装备；现状；发展趋势

我国是煤炭大国，燃煤发电是我国最重要的发电形式，燃煤发电量占据全部发电量75%以上。中国火电装机容量在1987年突破1亿kW[1]，到2015年已经近10亿kW，不足30年的时间翻了10倍。在未来很长一段时间内，燃煤发电在我国能源结构中的主导地位仍然不会发生改变。锅炉是燃煤发电机组的核心部件，焊接是锅炉制造中的关键工序，而高温高压的运行环境更加凸显了焊接在锅炉制造中的重要性。随着锅炉参数及容量的不断提高，锅炉技术的发展不仅取决于锅炉设计技术的进步，更与锅炉焊接技术的发展密不可分。正是因为焊接技术的进步，使电站锅炉的制造成本越来越低、制造周期越来越短，使我国电力事业得到了长足的发展。

1锅炉自动化焊接现状与不足

电站锅炉是一个庞大而且十分复杂的系统装置，单台锅炉重量可达万余t，其核心承压部件按运行功能可分为四类：汽包/汽水分离器、集箱、蛇形管和膜式壁。每一类部件都有着其独特的结构形式，所采用的焊接工艺方式也有着很大差异。

1.1汽包/汽水分离器部件汽包/汽水分离器在锅炉的运行中主要起到汽水分离的作用。汽包/汽水分离器筒身由厚壁钢板卷制或者压制后拼接而成，其上布置很多规格不一的接管，主要焊接工序包括筒身纵环缝焊接、接管的焊接与其他附件的焊接。其纵、环缝焊接是锅炉部件中较早应用机械焊焊接的部件，焊接方法由焊条电弧焊+埋弧焊逐渐发展到了现在的双面埋弧焊焊接，曾经也采用过电渣焊工艺，但由于电渣焊焊缝晶粒粗大，须单独进行正火+回火热处理，属于高耗能工艺，所以该工艺已逐渐被淘汰。同时得益于窄间隙埋弧焊设备和技术的应用，在环缝焊接上，大部分锅炉制造厂实现了焊接坡口由普通坡口到单边约1.5°窄间隙坡口的变化。而纵缝坡口因各锅炉厂加工坡口方式不同，部分厂家实现了窄间隙坡口，其余厂家仍在采用传统的宽坡口形式。大量的管座焊接也是汽包/汽水分离器主要焊接工作之一，根据管座直径和结构形式，主要焊接方法有：氩弧焊（包括内孔氩弧焊）+焊条电弧焊、焊条电弧焊+埋弧焊、焊条电弧焊+气保焊等。其中大管座已经大量采用埋弧焊焊接，而直径小于100mm的小管座则部分厂家采用细丝埋弧焊，部分厂家为手工焊焊接。

1.2集箱部件集箱是锅炉中关键承压部件之一，在锅炉的运行中主要起到汽水汇集和分配的作用。集箱筒身由成品钢管制成，主要焊接工序包括集箱环缝对接、大管座焊接、受热面管座焊接和其他附件的焊接。在集箱环缝焊接上，大部分厂家都实现了氩弧焊打底+埋弧焊焊接的方法，在高等级材料的集箱中，部分厂家已经成功应用窄间隙热丝TIG焊，焊接质量得到较大提升。直径小于100mm的小管座，部分厂家采用氩弧焊+细丝埋弧焊，部分厂家则采用药芯焊丝气保焊；直径大于100mm的大管座，部分厂家正在积极开发自动焊装置和工艺，目前还未成功，只能采用手工焊。

1.3蛇形管部件蛇形管是锅炉受热面管系，也是锅炉关键承压部件之一。蛇形管形状复杂，由小口径管拼接、弯制后组屏而成，具有材料种类多、焊口数量大、制造难度高的特点。主要焊接工序为管子对接。对于直管对接，大部分厂家都采用机械热丝TIG焊焊接，也有厂家采用机械TIG+MIG焊以提高焊接效率。而对于弯管的对接，受制于焊接位置的限制，大部分厂家仍采用手工氩弧焊+焊条电弧焊焊接。虽然有设备厂家开发出了全位置TIG焊设备，但应用效果并不理想。

1.4膜式壁部件膜式壁布置在炉膛四周的受热面，用于吸收炉膛火焰热量，加热管内介质，冷却烟气温度，保护炉墙等。膜式壁通常由光管+扁钢组成，其上也有一部分附件。膜式壁光管+扁钢角焊缝的焊接工作量十分庞大，但现在各锅炉制造企业都实现了机械焊接，主要焊接方法有机械气保焊和机械埋弧焊。机械气保焊又分为龙门焊（见图1）和MPM焊（见图2），龙门焊用于焊接非直管屏，MPM焊用于焊接直管屏。通常龙门焊为4头或6头，从正面焊接；MPM焊有着多头的上焊枪和下焊枪（仰焊），可上、下两侧同时焊接，焊枪可达20头以上。机械埋弧焊头数较少，通常只有4头或8头，只能在管屏上侧施焊。现在这些焊接设备都已经实现了国产化。在部分炉型中，销钉螺柱焊也是膜式壁部件主要焊接工作之一，销钉数量多，现在仍无全自动焊接设备，只能采用人工方式逐个进行焊接，费时费力。膜式壁其他附件也大多采用半自动熔化极气保焊或焊条电弧焊焊接。综上所述，目前我国锅炉焊接自动化程度较低，距智能化焊接还有很大距离，主要表现为：（1）大量焊接工作依靠人工操作，仍不能实现机械化。（2）实现机械焊的部件也不是全自动化焊接，焊接过程中需要工人不断监控和调整。（3）为降低成本，焊接设备功能单一，难以实现焊接过程的自动控制改造。

2锅炉焊接智能化提升

随着《中国制造2025》的出台，我国制造业必然会发生重大转变，从低端制造逐步转变为高端制造，从劳动密集型制造转变为技术密集型制造。面临着国内外低迷的经济环境，提高制造智能化、降低制造成本是锅炉制造企业的必经之路，智能化焊接在锅炉制造中应用将是未来趋势所向。结合当前焊接技术的发展，未来锅炉焊接智能化提升方向主要包括以下几个方面。

2.1基于现有条件的自动化（机械化）焊接设备开发应用在锅炉制造中，手工焊在集箱管座焊接、销钉焊等方面还在大范围应用，以“设备换人”已经是对以上工序的一大改造，既可以提高效率，又能提升质量，降低成本。在“设备换人”的过程中，实现智能化焊接难度较大，自动化或者机械化可以作为一个必要的过渡方案。针对集箱大管座，布道问题是困扰其实现自动化的主要难点，但当前可借鉴汽包大管座马鞍埋弧焊的成功经验，在焊接过程中人工布道，先实现管座机械焊。针对集箱小管座，相关单位已经对机器人焊接技术可行性进行了验证，在提升了坡口加工精度之后，焊接机器人设备可以得到应用。现有销钉焊是自动化程度十分低的焊接工艺，既要人工操作焊枪焊接，又要工人将销钉和磁圈装在一起，所以全自动销钉焊机的开发也是一大研究方向，解决的主要问题有：自动稳定送钉、自动确定销钉焊接位置、自动调整焊枪姿态和保证焊缝成形等。

2.2先进焊接方法及设备的应用20世纪以伊萨为代表的国外公司率先开发出了先进的埋弧焊设备，抢占了埋弧焊设备的制高点，但是埋弧焊有着其无法改变的缺点：焊接位置单一，焊后需要清渣，不能实现全自动焊接。而GMAW是最合适的自动焊方法，故国内焊接设备厂家应加大研发实心焊丝自动气保焊设备的力度，以替代汽包/汽水分离器纵、环缝及大管座的埋弧焊焊接等。随着数字化焊接电源的兴起及控制技术的进步，高效的GMAW焊接方法不断出现，双丝GMAW、CMT焊接、多脉冲GMAW、STT焊接等先进的焊接方法在各制造领域已得到应用，在锅炉焊接中可深入摸索其使用的可行性，开发出适合锅炉结构焊接的高效焊接方法。随着焊接材料等级的提高，焊接电源对焊缝成形及焊接质量的影响愈发明显，但优秀的高端焊接电源种类较少，相关厂家应加大高端焊接电源的研发，如超低飞溅气保焊焊接电源。

2.3机械焊设备智能化改造在现有锅炉焊接方法中，龙门焊和MPM焊已经在膜式壁管屏焊接中应用多年，现有龙门焊的每把焊枪都需要人工操控，虽是机械焊，但自动化程度不高，MPM焊也需要工人实时监控焊缝位置和焊缝成形并不断调整焊枪位置和焊接参数，需要焊接操作工不停调整和干预。对于这类焊接设备的自动化改造是提升制造能力的主要方向。在这两类设备上，设备厂家可将视觉识别技术与机械焊技术结合在一起，使焊枪可自动寻找并实时跟踪焊缝位置，实现自动化焊接。

2.4焊接模拟及仿真技术的应用随着计算机技术的迅速发展，借助于计算机软件编程，焊接过程系统模拟和仿真已经逐渐普及起来。焊接模拟与仿真技术是实现焊接过程智能化的基础，借助于焊接建模，可以实现锅炉新结构焊接过程中应力和变形的计算，实现新材料不同焊接条件材料组织转变的预测。

2.5焊接系统的智能化集成在焊接电源、焊接机器人、焊接模拟仿真等技术得到提升和发展后，就具备了实现部件焊接智能化集成的基本条件。未来的智能焊接设备并不是完全不需要人的参与，而是将对话对象由焊工变成了焊接工程师，所以远程焊接控制技术、焊接过程自动监控及诊断技术都是需要研究的，它可实现人、机分离。当然，智能焊接设备的研发并非一朝一夕之事，也非简单一方就可开发完成，智能化集成需要设备开发商与应用厂家共同参与、联合开发才能够取得理想的效果。

2.6其他必要条件焊接技术是与材料、力学、机械等技术密切相关的多学科交叉技术，在锅炉焊接智能化的道路上，不能忽视焊接材料与焊接结构设计的影响因素。在锅炉制造中应用的传统焊接工艺方法，埋弧焊、焊条电弧焊及药芯焊丝气保焊的焊接冶金过程中药粉均起到重要作用，欲采用GMAW的焊接方法实现自动化，相应实心焊丝的开发具有重要的意义。当前高等级耐热钢材料的实心焊丝严重缺乏，开发匹配的高等级实心焊丝是实现自动化的必要条件。基于传统手工焊接方式设计的结构，自动焊机可达性差，如集箱长管接头、焊接间距小，不具备实现焊接自动化条件。传统埋弧焊由于焊枪尺寸要求焊接坡口开口宽度大，若采用GMAW须改变坡口设计形式，实现每层单道的窄间隙焊接，既可以提高效率，又减少了自动布道带来的复杂程度。

3结论

虽然现在锅炉主要焊接工作实现了机械焊焊接，但未能实现智能化，仍离不开人的参与，而且锅炉仍有许多零件采用手工焊或半自动焊焊接。随着锅炉向大容量、高参数发展，锅炉结构越来越复杂，材料等级越来越高，现有机械焊技术也已不能完全满足焊接需求。各锅炉制造厂应抓住《中国制造2025》的机遇，积极推进互联网+技术，持续更新和改造现有焊接装备，以实现智能制造、提高焊接质量和降低制造成本。

作者：罗永飞 李占雷 单位：东方电气集团 东方锅炉股份有限公司