燃煤发电锅炉焊接工艺及装备展望

第 4 5卷第 5期 2 0 1 4年 9月 锅 炉 技 术 B0I I ER TECHN0L0GY VoI 45，NO 5 S e p t 2 O 1 4 【 制造 质量 标 准 材料 】 燃煤发 电锅炉 焊接 工艺及装 备展 望 邵建 明 ( 上海 电气 电站集 团，上海2 0 1 1 0 8 ) 摘 要 ： 简要 阐述 了燃煤发 电锅炉焊接工艺及装备 的现状 ， 结 合电站锅 炉技术发展 需求和社会生 产变革 ， 提 出了先进焊接技术 ， 如 ： 等离子焊 ， 激光焊 ， 机器人 焊接系统 等在电站 锅炉生产 制造 上应用发展趋势 。 关键词 ： 锅 炉；焊接 ；装备 中 图分 类 号 ： TK2 2 9 6 文 献标 识码 ： B 文章 编 号 ： 1 6 7 2 4 7 6 3 ( 2 0 1 4 ) 0 5 0 0 6 4 0 4 0 前 言 我 国 电 站 锅 炉 从 2 0世 纪 5 0年 代 制 造 6 Mw 机组 开始 ， 到 8 o年 代将 单 机容 量 提 高到 3 0 0 MW 并 日趋 成 熟 ， 成 为 我 国 2 O世 纪 ( 8 0 9 O ) 年代 大 力 发 展 的 主 力 机 组 。随 着 设 计 和 制 造 能 力 的 提 升 ， 在 2 O世 纪 9 0年 代 又 将 单 机 容 量 提 高 到 6 0 0 Mw 以上 ， 锅 炉 的 蒸 汽 参 数 从 亚 临界 提 升 到超 临 界 。进 入 2 1世 纪 后 ， 我 国 电 站锅 炉 单机 容 量 又 飞升 到 1 0 0 0 Mw ， 蒸 汽 参 数 从 超 临 界 提 升 到 超 超 临 界 ， 当 前 又 实 现 自主 研 发 1 2 0 0 MW 二 次 再 热 超 超 临 界 锅 炉 机 组 。近 3 0年 里 ， 我 国电 站 锅 炉 的发 展 一 直 保 持 着 突 飞 猛进 的势 头 。无 论 是 从 质 变 还 是 量 变 ， 都 展 示 了我 国 电站锅 炉 制 造行 业 的辉 煌 成绩 。 随着 我 国对 环 境 保 护 意 识 的 提 高 ， 对 高 能 耗 、 高污染 的小 容量 的电站 锅 炉机 组 实 行 强 制 淘 汰更 新 ， 低 能耗 、 低 污染 的高参 数 、 大 容 量 的电 站 锅炉 机组 仍是 我 国未来 能 源 的主力 军 。 随着 电 站锅 炉 机 组 参 数 、 容 量 的 提 高 ， 电 站 锅 炉新材 料 、 新 结 构 的 不 断 提 升 和 应 用 ， 新 世 纪 各类 技 术人员 结构 发 展 的调 整 ， 都 对我 国 电站 锅 炉 制造行 业提 出 了新 的要 求 。 1 锅炉焊接工艺及装备 的现状 在过去的 3 0年里 ， 各大锅炉制 造企业都 已 经 针对 现 有 的锅 炉材 料 及结 构 进 行 积 极 的 技 术 改造 ， 引进新设 备 ， 推 行先 进 的焊 接新 工 艺 ， 以适 应锅 炉容 量 、 参 数 和 炉 型 的 变 化 ， 满 足 复 杂 锅 炉 部件 和 锅 炉 新 材 料 的 制 造 要 求 。下 面 就 电 站 锅 炉关 键 部件 ( 汽包 、 集 箱 、 受 热 面 、 水 冷 壁 ) 的焊 接 技术 发展 现状 进行说 明 。 1 1汽 包的焊 接 工艺及 装备现 状 汽 包在锅 炉 中承 担 集 汽 、 集 水 和 汽水 分 离 的 作 用 ， 是亚 临 界 锅 炉 关 键 核 心 部 件 ， 为 此 锅 炉 制 造单 位需 要积 极发 展高 效 的焊接工 艺和 方法 l 3 。 根 据汽包 筒 身成形 工艺 不 同， 各 锅 炉制 造 单 位 采用 的 焊 接 方 法 、 工 艺 和 焊 接 坡 口略 有 不 同。 目前普 遍用 于汽 包筒 体 纵 、 环 缝焊 接 方 法 有 焊条 电弧 焊 +常 规 坡 口埋 弧 自动焊 和 焊 条 电弧 焊 + 窄间 隙埋弧 自动 焊组合 焊接 工艺 。 通常 汽包 简 体 上 根 据 设 计 要 求 装 焊 有 数 量 不等 的 直径 在 3 0 0 5 0 0 i1 “1 1 T l 左 右 的 插入 式 大 管 座 ， 各 锅炉 制造 单位 普遍 采用 焊条 电弧 焊 和 马鞍 型接管埋弧 自动焊组合焊接此类接管 。 同 时汽包 简 体 上 还 根 据 设 计 需 要 装 焊有 数 量相 对 较多 的直 径在 1 0 0 3 0 0 13 3 1 1 3 左右 的安放 式或 插入 式 接 管 。此 类 接 管 的 角 焊 缝 通 常设 计 要求 全 焊透 ， 因此 不 同 的制造 单 位 其 采用 的焊 接 工 艺也 不尽 相 同 。主 要 有 手 工 氩 弧 焊 + 手 工 电 弧焊组合焊接 、 根部带衬垫的手工电弧焊 内孑 L 机 械氩 弧 焊 +手 工 电弧 焊组 合 焊 接 、 内孔机 械 氩 弧 焊 +马鞍埋弧焊或药芯焊丝气体保护机械焊组 合 焊接 等 。 汽 包 内件 及其 他 附件 焊 接 ， 当前 还 没有 实 现 机 械或 自动 焊接 ， 通常采 用手 工 电弧焊 焊接 。 收稿 日期 ： 2 O 1 4一 O 5 2 4 作者简介 ： 邵建明( 1 9 6 8 ) ， 男 ， 在职研究生 ， 高级 工程师 ， 主要从事 电站设备工艺和成套服务技术开发 、 研究和应用工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 邵建 明 ： 燃煤发 电锅炉焊接 工艺及装备展望 1 2 集箱 的焊 接工 艺及装 备 现状 集 箱是 锅 炉 中关 键 承压 部 件 之 一 ， 在 锅 炉 中 起 到集 汽或分 汽 、 集 水或 分水作 用 ， 往往 布 置在 炉 膛 之外 ， 连接 炉膛 或 烟 道 中的 水 冷壁 、 再 热器 、 过 热器和省煤器 。 3 集箱的焊接 主要包括集箱本体 的环缝焊 接 、 大 管座 焊接 、 受热 面管 座焊 接 和 吊耳 等 附件 焊接 。其 中环缝 焊接各 制造单 位 基本 实现 埋 弧 自动 焊 以外 ， 个别 单 位 已实 现 热 丝 T I G 窄 间 隙焊 接 ； 除个别 单 位 对受 热 面管 座 焊 接 采用 内孔 氩弧 焊 +小接 管 埋 弧焊 机 械 专 机组 合 焊 接 外 ， 其 余焊缝 目前都还没有实现机械焊或 自动焊 。 1 3 受 热面 管 系的焊 接工 艺及装 备 现状 锅炉 受热 面 管 系 ， 通 常 因其 单 片管 屏 上 多 根 受热 面 管平 面布 置 由多个 9 0 。 或 1 8 0 。 弯 头将 数 段 直管 连接 起 来 ， 习 惯 性 称 为 蛇 形 管 ， 也 是 锅 炉 关 键 承 压部 件 之 一 。该 部 件 中 焊 接 工 作 主要 是 直 径 小 于 7 6 mm 小 口径 管 的对 接 焊 ， 其 材料 从碳 钢 低 合 金钢 到 不 锈 钢 ， 焊 接 接 头 均 要 求 进 行 1 0 0 的射 线探 伤 。 目前 国 内几 大 锅 炉 制 造 单 位 均 已 实 现采 用 TI G+MI G 或热 丝 T I G 直管 对 接 自动 焊 接生 产线 进行 焊 接 ， 是 锅 炉关 键 部 件 较 早 实 现 自动化焊接 的部件 之一。受热 面管系 中还存在 大 量 的 附 件 焊 缝 ， 目前 只 能 采 用 手 工 电 弧 焊 焊 接 ， 尚未实 现 自动化 生产 。 1 4 膜 式壁 的 焊接 工艺 及装 备现 状 锅 炉 的炉 膛和 烟道往 往采 用管子 +扁钢 焊接 成膜 式水 冷 壁 ， 达 到全 密 封 的 设 计 和 使 用 要 求 。 膜式 壁管屏 根 据管 内介质不 同而分为 水 冷壁 和包 墙过 热器 。膜 式壁 焊接最 具特 色 的就 是 光管 +扁 钢 的焊接 ， 其焊 接工作 量相 当庞 大 。当前 ， 各 制造 单位 均 已 实 现 膜 式 壁 拼 排 焊 接 的 机 械 自动 化 生 产 ， 当前 主流 的生产工 艺分 两类 ： 一类 是 MP M 焊 接 ， 该类设 备 主要配 备 1 2头 ( 甚 至 2 0头 ) GMA W 焊接 机头 ， 能从 管屏 的正反 两面进 行 焊接 ， 焊接 过 程 中产 生稳 定 的脉冲 喷射过 渡 ， 这 就保 证 了上 、 下 焊缝 成型美 观 ， 焊 接质量 稳定 ， 同时正 反两 面焊 缝 的焊 接变形 能 相互 抵 消 ， 管 屏 焊 接后 基 本 上 无 挠 曲变形， 其焊接速度为 7 0 0 mm mi n ， 但背面的焊 缝 成 型较差 ， 熔深 相对 S AW 较浅 ， 对 于 螺旋 水 冷 壁的应用存在争议。另一类是管屏埋弧焊焊接， 该 类设 备 主要配 备 4头 ( 国内最 多 达 1 2头 ) S AW 焊 接机 头 ， 受 埋弧 焊工艺 特点 的 限制 ， 机 头 只能 在 管 屏上 面 ( 即 焊 缝 处 于 1 G 位 置 ) 进 行 焊 接 ， 当 匹 配高 速焊 剂 时 ， 可 以达 到 1 2 0 0 1 3 0 0 mm mi n 的焊 接速 度 ， 其 焊 缝 成 型美 观 ， 熔 深 较深 ， 应用 范 围较 广泛 ， 但 由于单面施 焊 ， 管 屏焊 接后 易产 生挠 曲变 形 ， 需 要适 当校正 _ 3 。 膜式 壁 中除 了膜 式管 屏 拼 排 焊 接 ， 还存 在 大 量 的附件 焊接 ， 目前 尚未 实现 机械 化制造 。 2 新型 焊 接工 艺及 装 备在 锅炉 制 造业 应 用 的展 望 随着 近 年来 国 内外 锅 炉 行 业 对 二 次 再 热 锅 炉 、 7 0 0锅 炉研 发 的进展 ， 又给 锅炉制 造 行业 提 出 了新 的考验 。根 据现 有 公 开 的资 料 显 示 ， 新 型 锅 炉设 计 将 可 能 应 用 到大 量 的新 型 耐 高 温 的 高 C r - Ni 含 量 的合 金 材 料 ， 例 如镍 基 材 料 的水 冷 壁 和蛇形管 、 不锈钢材料 的厚 壁集箱或管道 、 甚至 镍 基材 料 的厚壁 集 箱 或管 道 等锅 炉 关 键 部 组件 。 这类 材 料 的部组 件 制造 存 在 焊接 难 度 高 、 机 械切 削加 工难 度 大 、 焊接 变 形后 难 以校 正 等 问题 。因 此 ， 从 焊接 工 艺 开 发 及 装 备 的 角度 ， 以下 新 型 的 高效 焊 接 工 艺 及 焊 接 专 机 如 能 在 锅 炉 制 造 上 得 到推 广 和应用 ， 将 翻开锅 炉 制造行 业 的新 篇 章 。 2 1等 离子焊 的 应用展 望 等 离 子 弧 是 通 过 外 部 拘束 使 自由 电弧 的弧 柱被 强烈 压缩 所形 成 的电 弧 ， 利 用 等 离 子 电 弧 的 不同区域的静特性和热源特性 ， 可 以将等离子弧 应用 于焊 接 、 堆焊 、 喷 涂 、 切 割 。等 离 子 弧 焊具 有 以下 几个 特点 ： ( 1 )等离子弧焊可焊接碳钢 、 低合金钢、 不锈 钢、 镍及镍基合金、 铜及钛合金等材料。 ( 2 )等离子弧能量密度大， 弧柱温度高， 穿透 能力强 。有试验数据表明厚度 1 0 mm 左右 的钢 材 可 不开坡 口 ， 能 一 次 焊 透 双 面成 形 ，焊 接 速 度 快 ， 生 产率 高 ， 应 力变 形小 。 ( 3 )设备 比较 复杂 ， 气体 耗量 大 ， 只宜 于室 内 焊接 。 ( 4 )可 以实 现填 丝 多 层 焊 接 ， 增 加 焊 接 适 用 的母 材 厚度 范 围 。 目前 已有 企 业 研 制 出 等 离 子 弧 焊 接 专 机 应 用 于鳍 片管 拼排 焊 缝 ( 见 图 1 ) 的 焊 接 ， 焊 接 效果 良好 ， 不 仅焊 缝质 量 高 ， 焊 缝成 型美 观 ， 而 且 焊接 效 率高 ， 变形 小 。 对 接焊缝 。 图 1 鳍片管拼排焊缝示意 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 邵建 明： 燃煤 发电锅炉焊接工艺及装备展望 2 5 水冷 壁管屏 上附件的机械 化焊接设 备的研发 6 0 0 MW 1 0 0 0 MW 塔 式 超 ( 超 ) 临 界锅 炉 的水 冷壁 管屏 上 ， 根 据 设计 和使 用 需 要 布 置有 大 量 的连接 块 ( 产 品结构 局部 示 意 图见 图 4 ) 。 目前 的焊 接工 艺 手 段 只 能 采 用 手 工 电 弧 焊 或 手 工 药 芯焊丝 C O 气体保护焊 ， 同样其焊接质量受人为 因素 限制 而 不 稳 定 ， 同时 焊 接 工 作 量 庞 大 ， 劳 动 强度 高 。为 有 效 控 制 焊 接 质 量 ， 提 升 焊 接 效 率 ， 可 以研 发 此类 连接 块 的 自动装 焊 专 机 ， 实 现 在 人 工 装 配 的焊接 工作 前 提 下 ， 能 自主识 别 焊 缝 的起 焊 位 置 ， 并 按 照 给 定 的 焊 接 参 数 进 行 焊 接 的 目的 。 图 4 水 冷壁连接块示意 图 2 6 弧焊 机器 人在 锅 炉焊接 制 造 的应用 前景 锅 炉 关键 承压 部 件 机 械 化 焊接 专 机 的研 发 ， 只能解 决 那些 结构 单 一 、 数 量 庞 大 的焊 缝 达 到机 械 化焊 接 程度 ， 仍 有 大量 的焊 缝 只 能采 用 手 工 焊 的方法 进 行焊 接 。 弧 焊 机器人 经 过最 近 十几 年 的更 新 换 代 ， 已 经 具有 智 能识别 焊 缝 起 焊位 置 、 自我 纠正 复 杂 焊 接 轨迹 的功 能 ， 在 汽 车行 业 内的焊 接 应 用 已非 常 成熟 ， 但在 锅 炉行业 的应 用 比较少 。 随着 焊 接 技 术 工 人 的用 工 成 本 上 升 ， 锅 炉 焊 接 制 造 的 机 械 化设 备 及 三 维 数 控 设 备 在 坡 口 加 工及 装 配 的 应 用 开 发 ， 弧 焊 机 器 人 及 其 焊 接 工 作 站 的建 立 在 锅 炉行 业 的应 用 需 求 将 会 日益 明显 。 3 结 语 虽 然 当前 锅 炉 制 造 焊 接 技 术 仍 以手 工 焊 接 和 半机 械 焊 接 为 主 ， 但 从 长 远 发 展 趋 势 来 看 ， 随 着 机械 化焊 接专 机 、 弧 焊机 器 人 的不 断深 入 研 发 和 完 善 ， 将 在 锅 炉 焊 接 制 造 中 逐 步 占据 主 导 地 位 。 参 考文 献 ： 1 杨 富， 等我 国火电锅炉 的发展及其质量综述 c 超( 超) 临 界锅炉用钢及焊 接技术 协作 网第 二次论 坛大会 论文 集西 安 ， 2 0 0 7 2 潘乾刚锅炉制造和锅 炉焊接技术 的发展E C 2 0 0 5年 能源 工程焊接 国际论坛论文集2 0 0 5 3 赵峰 ， 张清彦新 时期锅炉焊接技术 的发展方向研究 J 中 国机 械 ， 2 0 1 3 ( 7 ) 4 刘俊 ， 杨查勤 ， 汪烨 ， 等超超 临界 锅炉受热面管 系连接件 自 动化焊接系统设计 J 机械设计与制造 ， 2 0 1 2 ( 3 ) 5 王晶王俊恒 ， 等激光焊接技术的发展及研究现 状 J 东 方电气评论 ， 2 0 1 3 ， 2 7 ( 4 ) E 6 付 伟激 光 焊 技术 在 管道 焊 接 中 的应 用 J 焊 接 技术 ， 2 O 1 3 ， 4 2 ( 1 1 ) 7 吴世凯杨武雄 ， 等电站锅炉用 耐热钢激光 焊接工艺 _ J 焊接技术 ， 2 0 0 8 ， 3 7 ( 3 ) 8 吴世凯亓安芳 ， 等激光焊接 技术在 电站 锅炉制造 中的应 用 前景探讨 J 锅炉技术 ， 2 0 0 8 ( 5 ) Th e E xp e c a t i o n o f t h e W el di n g P r o c e s s i n g a n d E qu i p me nt o f t h e Co al P o w e r Boi l e t S HA0 J i a n mi n g ( S h a n g h a i E l e c t r i c P o we r Ge n e r a g t i o n Gr o u p ，