锅炉用钢发展.doc

题：锅炉压力容器焊接技术的新发展收起 2006-5-27 9:58:00锅炉、压力容器和管道焊接技术的新发展 上海市焊接协会/学会 陈裕川 一、前言 近10年来，国内外锅炉、压力容器和管道的焊接技术取得了引人注目的新发展。随着锅炉、压力容器和管道工作参数的大幅度提高及应用领域的不断扩展，对焊接技术提出了愈来愈高的要求。所选用的焊接方法、焊接工艺、焊接材料和焊接设备首先应保证焊接接头的高质量，同时必须满足高效、低耗、低污染的要求。因此，在这一领域内，焊接工作者始终面临复杂而艰巨的技术难题，要求不断寻求最佳的解决方案。通过不懈的努力已在许多关键技术上取得重大突破，并在实际生产中得到成功的应用，取得了可观的经济效益，使锅炉、压力容器和管道的焊接技术达到了新的发展水平。 鉴于锅炉、压力容器和管道涉及到许多重要的工业部门，其中包括火力、水力、风力，核能发电设备，石油化工装置，煤液化装置、输油、输气管线，饮料、乳品加工设备，制药机械，饮用水处理设备和液化气储藏和运输设备等，焊接技术的内容是相当广泛的。本文因篇幅所限，仅就锅炉、压力容器和管道用钢，先进的焊接方法和焊接过程机械化和自动化三方面的新发展作如下概括的介绍。 二、锅炉压力容器和管道用钢的新发展 21锅炉用钢的新发展 在锅炉、压力容器和管道用钢这三类钢中，锅炉用钢的发展最为迅速。这主要是近10年来，火力发电站用燃料煤炭的供应日趋紧张，降低燃料的消耗已成为世界性的迫切需要。为此，必须提高锅炉的效率。通常锅炉效率每提高5%，燃料的消耗可降低15%。而锅炉的效率基本上取决于其运行参数蒸汽压力和蒸汽温度。图1示出它们之间的关系。最近，上海锅炉厂生产600670MW超临界锅炉的蒸汽压力为254bar，过热蒸汽温度为569，锅炉的热效率约为43%。如果锅炉的运行参数提高到特超临界级，即蒸汽压力为280 bar蒸汽温度为620，锅炉的热效率可提高到47%。目前世界上特超临界锅炉的最高工作参数为350 bar/700/720，锅炉的热效率达到了50% 图1电站锅炉热效率与锅炉运行参数的关系 这里应当强调指出，随着锅炉效率的提高，锅炉烟气中的SO2、NOX和CO2的排放量逐渐下降。因此从减少大气污染的角度出发，设计制造高工作参数的特超临界锅炉也是必然的发展趋势。 锅炉蒸汽参数的提高直接影响到锅炉受压部件的强度性能。在超临界和特超临界工作条件下，锅炉的主要部件，如膜式水冷壁，过热器，再热器、高压出口集箱和主蒸汽管道的工作温度均已达到钢材蠕变温度范围以内。制作这些部件的钢材在规定的工作温度下，除了具有足够的蠕变强度 （或105h高温持久强度）外，还应具有高的耐蚀性和抗氧化性以及良好的焊接性和成形性能。 图2示出在超临界，特超监界蒸汽参数下，锅炉主要部件用钢的发展阶段。从中可见，即便是工作温度相对较底的水冷壁部件，也必须采用铬含量大于2%的Cr-Mo钢或多组元的CrMoVTiB钢。按现行的锅炉制造规程，这类低合金钢，当管壁厚度超过规定的界限时，焊后必须进行热处理。由于膜式水冷壁的外形尺寸相当大，工件长度一般超过30m，焊后热处理不仅延长了生产周期，而且大大提高了制造成本。为解决这一问题，国外研制了一种专用于膜式水冷壁的新钢种7CrMoVTiB1010，其化学成分详见表1。最近，该钢种已得到美国ASME的认可，并已列入美国ASME材料标准，钢号为A213-T24。这种钢的特点是含碳量控制在0.10%以下，硫含量不超过0.010%，因此具有相当好的焊接性。焊前无需预热。当管壁厚度不大于10 m m，焊后亦可不作热处理。 在特超临界的蒸气参数下，当蒸气温度达到700，蒸气压力超过370 bar时，水冷壁的壁温可能超过600。在这种条件下，必须采用9%Cr或12%Cr马氏体耐热钢。这些钢种对焊接工艺和焊后热处理提出了严格的要求，必须采取特殊的工艺措施，才能确保接头的焊接质量。 对于锅炉过热器和再热器高温部件，在超临界和特超临界蒸汽参数下，其工作温度范围为560650。在低温段通常采用912%Cr钢，从高温耐蚀性角度考虑，最好选用12%Cr钢。在600以上的高温段，则必须采用奥氏体铬镍高合金耐热钢。图3示出锅炉讨热器和再热器用奥氏钵钢的最新发展。根据近期的研究成果，对于高温段过热器和再热器管件，为保证足够高的高温耐蚀性和抗氧化性，应当选用铬含量大于20%的奥氏体钢，例如25Cr-20NiNbN(HR3C)，23Cr-18NiCuWNbN(SAVE25)，22Cr-15NiNbN(Tempaloy A-3)，和20Cr-25NiMoNbTi(NF709)等，这些钢中的主要合金成分详见表2。 在相当高的蒸汽参数下（375 bar/700）下，在过热器出口段，由于奥氏体钢蠕变强度不足，不能满足要求，而必须采用镍基合金，如Alloy617，其主要合金成分一并列入表2。 由图3可见，现代奥氏体耐热钢与传统的奥氏体耐热钢相比，其最大特点是含有多组元的碳化物强化元素，从而在很大程度上提高了钢材的蠕变强度（图3中钢号黑方框右上角括号内注明60010万h蠕变断裂强度值）。 对于超临界锅炉机组的高压出口集箱和主蒸汽管道等厚壁部件主要采用改进型的9-12%Cr马氏体铬钢。这两类铬钢最新发展的趋势示于图4。各钢种的主要合金成分列于表3。 图4和表3的数据表明，912%马氏体铬钢的发展规律与前述的奥氏体耐热钢相似，即从最原始的Cr-Mo二元合金向多组元合金演变，其主攻方向是尽可能提高钢材的高温蠕变强度，减薄厚壁部件的壁 厚，以简化制造工艺和降低制造成本。上述钢种由于 严格控制了碳、硫、磷含量，焊接性明显改善。在国外超临界和特临界锅炉已逐步推广应用，取得了可观的经济效益。 22压力容器用钢的新发展 近年来，压力容器用钢的发展与锅炉用钢不同，其主攻方向是提高钢的纯净度，即采用各种先进的冶炼技术，最大限度地降低钢中的有害杂质元素，如硫、磷、氧、氢和氮等的含量。这些冶金技术的革新，不仅明显地提高了钢的冲击韧性，特别是低温冲击韧性，抗应变时效性、抗回火脆性、抗中子幅照脆化性和耐蚀性，而且可大大改善其加工性能，包括焊接性和热加工性能。 表4对比采用常规冶炼方法和现代熔炼方法轧制的16MnR钢板的化学成分和不同温度下的缺口冲击韧度和应变时效后的冲击韧性。表载数据表明，超低级的硫、磷、氮含量显著地提高了普通低合金钢的低温冲击韧度和抗应变时效性。 高纯净化对深低温用9%Ni钢的极限工作温度（-196）下的缺口冲击韧度也起到相当良好的作用，按美国ASTM A353和A553（9%Ni）钢标准，该钢种在-196冲击功的保证值为27J。但按大型液化天然气（LNG）储罐的制造技术条件，9% Ni钢壳体-196的冲击功应 70J，相差2.6倍之多。这一问题也是通过9% Ni钢的纯净化处理而得到完满的解决。同时还大大改善了9% Ni钢的焊接性。焊接不必预热，焊后亦无须热处理。对于厚度30mm以下的9%Ni钢，焊前不必预热，焊后亦无需热处理。这对于大型（10万m3以上）LNG储罐的建造，具有十分重要的意义。 表5列出9% Ni钢标准的化学成分和力学性能并与高纯度9% Ni钢相应的性能作了对比，从中可以看出它们之间的明显差异。 在高压加氢裂化反应容器中，由于工作温度高于450，壳体材料必须采用2.25CrlMo或3CrlMo低合金抗氧钢。但这类钢在450以上温度下长期使用时，会产生回火脆性，使钢的韧性明显下降，给加氢反应的安全运行造成隐患。 近期的大量研究证明，上列铬钼钢的回火脆性主要起因于钢中P、Sn、Sb和As等微量杂质。合金元素Si和Mn也对钢的回火脆性起一定的促进作用。因此必须通过现代的冶金技术，把钢中的这些杂质降低到最低的水平。目前，许多国外钢厂已提出严格控制钢中杂质含量的供货技术条件。表6列出现代炼钢技术能够达到了最低杂质含量的上限，可大大降低2.25CrlMo和3CrlMo钢的回火脆性敏感性，其回火脆性指数J低于100，而普通的2.25Cr-lMo钢的J 指数高达300。 由此可见，压力容器用钢的纯净化是一种必然的发展趋势。 近几年来，各类不锈钢在金属结构制造业中应用急速增长，如图5的曲线表明，其年增长率为5.5%，2003年世界不锈钢消耗量为2150万吨，其中我国不锈钢的用量占54.2%极大部分用于各种压力容器和管道，包括部分输油输气管线。 为满足各种不同的运行条件下的耐蚀性要求，并改善不同施工条件下的加工性能，近期开发了多种性能优异的不锈钢，其中包括超级马氏体不锈钢、超级铁素体不锈钢，铁素体奥氏体双相不锈钢和超级铁素体奥氏体不锈钢。这些新型不锈钢的共同特点是超低碳、超低杂质含量、合金元素的匹配更趋优化，不仅显著提高了其在各种腐蚀介质下的耐蚀性，而且大大改善了焊接性和热加工性能。在一定的厚度范围，超级马氏体不锈钢焊前可不必预热，焊后亦无需作热处理。这对于大型储罐和跨国海底输油输气管线的建设具有重要的经济意义。 目前已在压力容器和管道制造中得到实际应用的马氏体不锈钢、铁素体奥氏体双相不锈钢和超级双相不锈钢的典型化学成分列于表7，从中可以看到，这些不锈钢合金系列与常规不锈钢之间存在较大的差异。 23管道用钢的新发展 管道用钢的发展在很多方面与前述的锅炉与压力容器用钢相似。实际上很多钢种和钢号都是相同的，其中只有输气管线用钢可以认为是独立的分支。近10年来，输送管线的工作应力已从40bar提高到100bar，甚至更高。最近台湾省建造了一座1600MW抽水蓄能电站，其压水管道采用了X100型（屈服强度690Mpa）高强度钢。 目前在世界范围内，输送管线中采用的最高强度级别的钢种为X80型，相当于我国标准钢号L555，其最低屈服强度为555Mpa。国外已计划将X100型高强度钢用于输送管线。 鉴于管线的焊接都在野外作业，要求钢材具有良好的焊接性，因此管线用钢多采用低碳，低硫磷的微合金钢，并经热力学处理。 三、锅炉、压力容器和管道焊接方法的新发展 锅炉、压力容器和管道均为全焊结构，焊接工作量相当大，质量要求十分高。焊接工作者总是在不断探索优质、高效、经济的焊接方法，并取得了引人注目的进步。以下重点介绍在国内外锅炉、压力容器与管道制造业中已得到成功应用的先进高效焊接方法。 3.1锅炉膜式水冷壁管屏双面脉冲MAG自动焊接生产线 为提高锅炉热效率，节省材料费用，大型电站锅炉式水冷壁管屏均采用光管扁钢组焊而成。这种部件的外形尺寸与锅炉的容量成正比。一台600MW电站锅炉膜式水冷壁管屏的拼接缝总长已超过万米。因此必须采用高效的焊接方法。在上世纪90年代以前，国内外锅炉炉制造厂大多数采用多头（68头）埋弧自动焊。在多年的实际生产中发现，这种埋弧焊方法存在一致命的缺点，即埋弧焊只能从单面焊接，管屏焊后不可避免会产生严重的挠曲变形。管屏长度愈长，变形愈大，必须经费工的校正工序。不仅提高了生产成本，而且延长了成产周期。因此必须寻求一种更合理的焊接方法。 上世纪80年代后期，日本三菱重工率先开发膜式水冷壁管屏双面脉冲MAG自动焊新焊接方法及焊接设备，并成功地应用于焊接生产。这种焊接方法在日本俗称MPM法，其特点是多个MAG焊焊头从管屏的正反两面同时进行焊接，台图6所示。焊接过程中，正反两面焊缝的焊接变形相互抵消。管屏焊接后基本上无挠曲变形。这是一项重大的技术突破。经济效益显著。数年后哈尔滨锅炉厂最先从日本三菱公司引进了这项先进技术和装备，并在锅炉膜式壁管屏拼焊生产中得到成功的应用。之后，逐步在我国各大锅炉制造厂推广应用，至今已有十多条MPM焊接生产线正常投运，其布置简图见图7。管屏MPM焊接的主要技术关键是必须保证正反两面的焊缝质量，包括焊缝熔深，成形和外形尺寸基本相同。这就要求在仰焊位置的焊接采用特殊的焊接工艺脉冲电弧MAG焊（富氩混合气体）。焊接电源和送丝系统应在管屏全长的焊接过程中产生稳定的脉冲喷射过渡。因此必须配用高性能和高质量的脉冲焊接电源和恒速送丝机。这些焊接设备的性能和质量愈高，管屏反面焊缝的质量愈稳定，合格率愈高。实际上，哈锅厂从日本三菱重工引进的原装机只配用了晶闸管控制的第二代脉冲MIG/MAG焊电源，送丝机也只是传统的等速送丝机，管屏反面焊缝的合格率达不到100%，总有一定的返修量，为进一步改进膜式壁管屏MPM焊机的性能，最近国产的管屏MPM焊机配用了第三代微要控制逆变脉冲焊接电源和测速反馈的恒速送丝机，明显提高了反面焊缝的合格率。图8示出国产化的12头MPM管屏焊主机的外形结构。 3.2锅炉受热面管对接高效焊接法 锅炉受热面过热器和再热器部件管件接头的数量和壁厚，随着锅炉容量的提高而成倍增加，600MW电站锅炉热器的最大壁厚已达13mm，接头总数超过数千个。传统的填充冷丝TIG焊的效率以远远不能满足实际生产进展的要求，必须采用效率较高的且保接头质量的溶焊方法。为此，哈锅和上锅相继从日本引进了厚壁管细丝脉冲MIG自动焊管机，其效率比传统的TIG焊提高35倍。后因经常出现根部未焊透和弧坑下垂等缺陷而改用TIG焊封底MIG焊填充和盖面工艺，改进的焊接工艺虽然基本上解决了根部未焊透的问题，但降低了焊接效率，增加了设备的投资，同时也使操作程序复杂化。最近，上锅，哈锅又从国外引进了热丝TIG自动焊管机。热丝TIG焊的原理是将填充丝在送入焊接熔池之前由独立的恒压交流电源供电。电阻加热至650800高温，这就大大加速了焊丝的熔化速度，其熔敷率接近于相同直径的MTG焊熔敷率。另外，TIG方法良好的封底特性确保了封底焊道的熔质量，因此，热丝TIG焊不失为小直径壁厚管对接焊优先选择的一种焊接方法。图9示出上海锅炉厂从法国Polysoude公司引进的直管对热丝TIG焊机的外形照片。然而不应当由此全面否定脉冲MIG焊在小直径壁厚管对接中应用的可行性。曾通过大量的试验查明，在厚壁管MIG焊对接接头中，根部末焊透90%以上位于超弧段，而弧坑下垂起因于连续多层焊时熔池金属热量积聚导致过热。如将焊接电源电弧的功率按图10所示的程序作精确的控制，则完全可以消除上述缺陷的形成。但由于引进的MIG焊自动焊管机原配的焊接电源为晶闸管脉冲电源，无法实现电弧功率的程序控制如改用当代最先进的全数字控制逆变脉冲焊接电源或波形控制脉冲焊接电源（计算机软件控制小），则可容易地按焊接工艺要求，对焊接电弧的功率作精确的控制，确保接头的焊接质量。 我们建议对现有的管子对接自动焊MIG焊机组织二次开发，将原有的晶闸管焊接电源更换成全数字控制逆变脉冲焊接电源，并采用PLC和人机界面改造控制系统，充分发挥MIG焊的高效优势。 3.3厚壁容器纵环缝的窄间隙埋弧焊 厚壁容器对接缝的窄间隙埋弧焊是一种优质、高效、低耗的焊接方法。自1985年哈锅从瑞典ESAB公司引进第一台窄间隙埋弧焊系统以来，窄间隙埋弧焊已在我国各大锅炉、化工机械和重型机械等制造厂推广使用，近20年的实际生产经验表明，窄间隙埋弧焊确实是厚壁容器对接焊的最佳选择。 为进一步提高窄间隙埋弧焊的效率，国内外推出串列电弧双丝窄隙埋弧焊工艺与设备，但至今未得到普遍推广应用。这不仅是因为增加了操作的难度，更主要的是交流电弧的焊道成形欠佳，不利于脱渣，容易引起焊缝夹渣。 最近，美国林肯（Lincoln）公司向中国市场推出交流波形参数（脉冲宽度、正半波电流值、脉冲频率，脉冲波形斜率）可任意控制的AC/DC1000型埋弧焊电源，参见图11。采用这种新一代的计算机控制埋弧焊电源，可使串列电弧双丝埋弧焊的工艺参数达到最佳的组合。不但可以获得窄间隙埋弧焊所要求的焊道形成，而且还可进一步提高交流电弧焊丝的熔敷率。可以预期，波形控制AC/DC埋弧焊电源的问世必将对串列电弧双丝窄间隙埋弧焊的推广应用作出积级的贡献。 3.4大直径厚壁管生产中的高效焊接法 随着输送管线工作参数不断提升，大直径厚壁管的需求量急剧增加，制造这类管材量经济的方法是将钢板压制成形，并以1条或2条纵缝组焊而成。由于厚壁管焊接工作量相当大，为提高钢管的产量，通常采用3丝，4丝或5丝串列电弧高速埋弧焊。5丝埋弧焊焊接16mm厚壁管外纵缝的最高焊接速度可达156m/h，焊接38mm厚壁管外纵缝的最高焊接速度可达100mm/h，图12示出一台德国Uhrhan-Schwiill公司生产的用于大直径厚壁管外纵缝的4丝埋弧自动焊机外形照片。 最近，我国某钢铁公司将投资数十亿建设一条大直径厚管生产线，其中内外纵缝焊接机拟采用5丝串列电弧高速埋弧焊工艺。图13示出这种焊管机的焊头外形。为确保达到最高焊缝质量标准，最好配用高性能的PowerwaveAC/DC1000数字控制焊接电源。 3.5风力发电站生产中的高效焊接方法 众所周知，我国当前正面临电力十分紧张的状况，而且火力发电厂烟气大量排放对大气的污染也令人担忧。因此发展绿色能源已成为世人关注的焦点。在世界范围内风力发电作为一种可再生的清洁能源因运而生，产并以相当高的速度发展，年增长率约为20%。近来，我国也开始重视风力发电的建设，制定相应的规划，可望在今后5年内将有较快的发展。 风力发电站主要由基础、底座、立柱、风力涡轮发电机和馈电系统等组成，其中底座和立柱为焊接结构，采用不同厚度的低碳钢或低合金钢板卷制而成。锥形立柱总长可达100m，底部最大直径为4.8m，壁厚4070 m m，项部直径约1.7 m，壁厚1235 m。总重量约80T。每根立柱熔敷金属的重量约7001500Kg。可见焊接工作量相当可观而且必须采用高效焊接法。最近瑞典ESAB公司专为风力发电站立柱焊接推出两对双丝串列电弧埋弧焊接法（Tandem-Twin），其焊头配置和焊丝的排列如图14所示。如采用4根时2.5mm的焊丝，最高熔敷率可达38Kg/h，而普通的单弧双丝焊（TwinArc）的熔敷率仅为15 Kg/h。图15示出锥体简身纵缝采用两对双丝串列电弧焊的焊接实况。配用的焊接电源型号相应为LAF1250和TAF1250。 立柱环缝采用图16所示的焊接操作机与头尾架翻转机组合的专用焊接装置，头架转盘由交流伺服电机驱动，可精确控制工件旋转速度，以确保焊缝的高质量。 四、锅炉、压力容器和管道焊接自动化的新发展 在我国锅炉、压力容器和管道制造行业中，各大中型企业的焊接机械化和自动化程度相对较高，像哈锅，上锅这样的企业已达到80%以上。不过，在国际上对焊接机械化和自动化作了重新定义。焊接机械化是指焊接机头的运动和焊丝的给送由机械完成，焊接过程中焊头相对于接缝中心位置和焊丝离焊缝表面的距离仍须由焊接操作工监视和手工调整。焊接自动化是指焊接过程自启动至结束全部由焊机的执行自动完成。无需操作工作任何调整，即焊接过程中焊头的位置的修正和各焊接参数的调整是通过焊机的自适应控制系统实现的。而自适应控制系统通常由高灵敏传感器，人工智能软件、信息处理器和快速反应的精密执行机构等组成。按照上述标准来衡量，我国锅炉，压力容器和管道焊接的自动化率是相当低的。极大多数仅实现了焊接生产的机械化。因此，为加速本行业焊接生产现代化的进程，增强企业的核心竞争力，应尽快提高焊接自动化的程度。按照当前中央提出的“以人为本”的理念。焊接自动化具有更深刻的意义。它不仅仅是提高了焊接生产率和稳定了焊接质量，而更重要的是使焊工远离了有害的工作环境，减轻或消除了职业病的危害。 以下列举几个在压力容器和管道制造中已得到实际应用现代化自动焊接装备实例。以说明其基本结构和功能以及在焊接生产中所发挥的作用。 4.1厚壁压力容器对接接头的全自动焊接装备 德国Babcock-Borsig公司与瑞典ESAB公司合作于1997年开发了一台大型龙门式全自动自适应控制埋弧装备。其外形如图17所示。专用于、厚壁容器筒体纵缝和环缝的焊接。自1998年正式投运至今使用状况良好，为了型厚壁容器对接缝的自动埋弧焊开创了成功的先例。 该装备配置了串列电弧双丝埋弧焊焊头，由计算机软件控制的ABW系统（Adaptive Batt Welding）和激光图像传感器，其外形如图18照片所示。 在焊接过程中激光图像传感器连续测定接头的外形尺寸，测量数据通过计算机由智能软件快速处理，并确定所要求的焊接参数和焊头位置。也就是说每焊道的尺寸和焊道的排列是由系统的软件以自适应的方式控制的。 系统软件可调整每一填充焊道的4个焊接参数：焊接速度，焊接电流，焊道的排列和各填充层和盖面层的焊道数。因此，该系统可使实时焊接参数自动适应接头整个长度上横截面和几何尺寸的偏差，如图19和20所示。焊接速度是控制不同区域内的熔敷金属量，而焊接电流是控制焊道的高度和熔敷金属量。焊道的排列是决定每层焊道间的搭接量。每层的焊道数则取决于每层的坡口宽度。 该设备以PC机为基础的主控制器和监视器外形如图21所示 多年的使用经验表明，该装备不仅大大提高厚壁容器的焊接生产率，而且确保形成无缺陷的厚壁焊缝，同时显著降低了焊工劳动强度，改善了工作环境。 4.2厚壁管件全自动多站焊接装置 火力和核电站的主蒸汽管道，其壁厚已超过100mm，焊接工作量相当大，迫切需要实现焊接生产的全自动化，以提高生产率。图22示出最近开发的厚壁管件全自动多站焊接装置系统示意图。每个焊接工作站由焊接操作机，翻转机构，滚轮架，夹紧装置和焊接机头及焊接电源等组成。所有的焊接工作站由中央控制器集成控制。适用的管径范围为139558 mm，壁厚18100 mm。管件长度大于1800 mm。可全自动焊接直管对接，直管与弯管接头，直管与法兰以及直管与端盖对接接头。焊接方法采用窄坡口热丝TIG焊。该装置的自适应控制系统原理如图23所示。 在该自适应控制系统中，采用黑白摄像机检测坡口边缘的位置。采用彩色摄像机监控电弧和填充丝的位置。通过检则焊丝加热电流控制填充丝的垂直方向的位置。这些视频传感器在焊接机头上的布置方式如图24所示。这种控制方法是利用黑白摄像机的图像，经过计算机图像处理，确定内外边缘的照度差。当焊接条件变化时，系统将自动调整摄相机快门的曝光时间。以达到给定的照度，使焊枪始终保持在焊接开始时调整好的位置。 1焊接熔池 2焊枪 3钨极 4焊丝 5坡口边缘 6， 11导丝嘴 7彩色摄像头 8检测距离 9焊枪 10管件 12热丝电源 13加热电流检测仪 壁厚管件全自动多站焊接装置基本上实现了焊接作业无人操作。只需要一名操作人员在主控制室内设置管件的原始条件并在焊接过程中进行监控。这种全自动焊接装置已在日本三菱重工公司投入生产试用。 4.3大直径管对接全位置自TIG焊机 大直径管对接的全位置TIG焊是一项难度很大的焊接作业，培养一名技能高度熟练的焊工需要耗费大量的人力和物力，而且产品的焊接质量还取决于焊工自身多年积累的生产经验。为了克服对焊工技能的依赖性，消除人为因素对产品焊接质量的不利影响，产生了开发模拟高级熟练焊工的智能和操作要领的全自动焊管机的想法。图25示出最近在日本研制成功的大直径管对接全自动全位置焊管机的设计思路和基本的结构。 1焊接机头 2摄像机 3激光视频传感器 4管件 5导轨 6冷却水箱 7焊接电源 8控制系统 该自动焊管机可用于直径1651000mm，壁厚7.035.0 mm的不锈钢管环缝的全位置焊，并采用窄间隙填丝TIG焊（单层单道焊工艺）。焊机的自动控制系统采用了视觉和听觉传感器，由计算机程序控制执行机构，模仿熟练焊工的反应和动作。 图26进一步说明自适应控制和质量监控系统的作用原理，自适应控制主要是通过视觉传感器实时检测的信息和计算机图像处理，按模糊逻辑规则，实时控制钨极相对于坡口边缘的位置，填充焊丝相对于钨极的位置以及决定焊接熔池尺寸的焊接参数。而焊缝质量的监控系统则按照激光视频传感器，听觉传感器和电流传感器的信息实时修正焊接熔池尺寸，焊道形状，钨极尖端的形状，电弧燃烧的稳定性和焊接电流，以保证焊缝质量的一致性。 在自适应控制系统中，安装在焊枪前侧的视觉传感器（摄像机）起主要作用，将所摄取的对接区图像输入到计算机，根据计算机软件图像处理结果（参见图27），可以定量检测钨极相对于坡口边缘的位置，填充焊丝相对于钨极的横向位移，以及焊接熔池的尺寸及钨极的损耗。 激光视频传感器是由摄像机和激光聚光灯组成，安装在焊枪的后侧。所形成的图像可用来测定焊道边缘的润温角，即焊道表面与坡口侧壁之间的角度，如图28所示。控制系统根据这些信息，对焊接参数进行自适应控制。 自适应计算方法的工原理如图29所示。焊接过程中，为调整钨极的位置，引用了模糊逻辑理论，即所谓奇数理论。当前节距内钨极位置的修正速度是按所测定的钨极位移量和前一节距内的修正速度计算的，以此来保证修正精度。 上述大直径管全自动全位置焊管机已在电站锅炉安装工程中得到实际的应用，取得了令人满意的效果。 五、结论 1、我国电站锅炉、压力容器和管道已进入高参数和超高参数的发展阶段，必须选用各种新型的耐热钢，耐蚀钢，抗氢钢和高强度钢。这些钢种及其相配的焊接材料目前尚未国产化。期望我国钢铁工业和焊材制造行业能在短期内满足锅炉、压力容器和管道制造行业发展的需要。 2、在我国锅炉、压力容器和管道制造企业中，已推广使用了多种技术先进的高效焊接法，引进了为数不少的现代化焊接设备，焊接生产的工艺水平已达到较高的水平。为适应锅炉压力容器和管道需求量的不断高速增长，应当进一步开发，推广生产效率更高的先进焊接方法和工艺。 3、在高灵敏传感技术，计算机控制技术和精密机械高度发展的今天，焊接过程的全面自动化已从实验室进入工业生产领域，锅炉、压力容器和管道制造业有望率先实现焊接生产过程的全面自动化。 参考文献 1上海电气（集团）总公司，等. 上海发电设备焊接技术进展.能源工程焊接国际论坛论文集2005 2柳曾典.压力容器用钢的纯净化 3Qiurong chen,New Boiler and piping Materials VGB Power Tech 11/2003 4WBendick Neue werksstoffentwicklungen fur modem Hochleistungskraftwerke VGB Power Tech T /2004 5PUHusemann Fevelopment status of Boiler and piping Materals for lncreased steam Conditions VGB Power Tech 9/ 2003 6Sonja Ftahle im pipeline(Teil 2)Schweiss-& Pruftechnik 01/2004 7Leifkarlsoon,welding of supermartensitic stainless steels svetsaren 02/2002 8Bertil Pekkari The future of welding and joining Svetsaren 01/2004 9Andrens Kisch “The technology of tomorrow”has already been implemented at BOPSIG in Germany Svetsaren 01/1999 10 Bjorn Torstensson ESAB welding solutions for windmill tower production Svetsaren 02/2005 11 Pold Paschold Submerged arc welding of steels for offshore wind towers Svetsaren 01/2005 火力发电厂高温高压管道上管座焊接 鲁福魁 ( 山东省电力建设第三工程公司，潍坊 261031 ) 摘要：在火力发电厂安装施工中，高温高压大径管道上接管座很多，选择合适的焊接材料、焊接工艺和热处理工艺，获得满意的焊接接头。 关键词：火力发电厂；异种钢焊接；焊后热处理 Tube Seat Weldings on high temperature and high pressure pipelines in thermal power station Lufukui (Shandong province No.3 power station construction company,weifang 261031) ABSTRACT：In construction of thermal power station,there are lots of tube seat weldings on high temperature and high pressure pipelines.We get suitable welded joints by using right welding materials,welding procedure and heat treatment procedure. KEY WORDS： thermal power station;dissimilar steel welding;post weld heat treatment 随着电力工业的迅速发展，到2005年底全国将拥有1000 MW及以上装机容量的火电厂超过120座，高参数、大容量、超临界压力和超临界火力发电机组的不断涌现，对电站焊接接头的质量要求也不断提高，增大蒸汽温度、压力则必然要求钢材有更高的高温强度，所以电力技术的发展在很大程度上依赖于材料技术的发展水平，焊接技术又决定了材料的使用，所以焊接技术也要紧跟材料技术的发展不断发展提高。高温、高压管道与管座壁厚差别大，多数属于异种钢接头，与锅炉小径管道相比，汽机四大管道设计寿命要长的多，且汽机四大管道接头都是现场施工，焊接条件差，必须制定严格的焊接、热处理工艺，才能保证焊接质量。由于目前同径管接头焊接、热处理工艺已经很成熟，无损探伤也成熟，因此汽机四大管道上各类管座焊接质量的提高将会将管道整体焊接质量上升到更高水平，加之以前这方面的总结经验较少，通过这次活动，拿出比较好的经验出来。 表1 彭城电厂3号机组（300MW亚临界）汽机四大管道上各类管座统计 母管 支管 材质 接头类别 规格 数量 主汽 安全阀管座 A335P91 M 16849 2 安全阀 A335P91/WC6 M 16849 2 PCV阀管座 A335P91 M 16045 1 排汽管管座 A335P91 M 16045 1 热工压力 A335P91/12Cr1MoVG M 255 11 热工测温管座 A335P91/1Cr18Ni9Ti A 388 5 疏水管座 A335P91/12Cr1MoVG M DN40 2 轴封供汽管座 A335P91/12Cr1MoVG M DN40 1 蠕胀测点 A335P91/10CrMo910 M 16 32 热段 安全阀管座 A335P22 B 16834 2 安全阀 A335P22/WC6 B 16834 2 排汽管管座 A335P22 B 19434 1 热工压力 A335P22/1Cr18Ni9Ti A 255 5 热工测温管座 A335P22/1Cr18Ni9Ti A 388 5 疏水罐 A335P22/12Cr1MoVG B 2199 2 疏水管座 A335P22/12Cr1MoVG B DN40 1 蠕胀测点 A335P22/10CrMo910 B 16 32 给水 热工压力 15NiCuMoNb5/1Cr18Ni9Ti A 255 5 热工测温管座 15NiCuMoNb5/1Cr18Ni9Ti A 388 8 疏水放气管座 15NiCuMoNb5/20G B DN20/DN25 11 压力表管座 15NiCuMoNb5/1Cr18Ni9Ti A 255 3 温度表管座 15NiCuMoNb5/1Cr18Ni9Ti A 255 6 冷段 热工压力 A672B70/1Cr18Ni9Ti A 255 2 热工测温管座 A672B70/1Cr18Ni9Ti A 388 1 1 焊接性分析 表1中的接头主要是A类和M类异种钢接头。 2 焊接工艺分析 由于A类异种钢接头和M类异种钢接头，两侧钢种化学成分、金相组织、物理性能差别较大，焊接时必须选用合适的工艺才能获得满意的焊接接头，根据接头形式、规格选择焊接方法、焊接材料、焊接参数和热处理工艺。 2.1焊接方法 根据接头形式、管件规格选择焊接方法：主给水（15NiCuMoNb5）、主蒸汽（A335P91）、再热热段（A335P22）、再热冷段（A672B70CL32）上焊接热工压力取源管座采用氩弧焊，其它管座和焊口采用氩弧焊打底+电焊填充盖面焊接方法，主蒸汽（A335P91）上焊接各管座、安全阀氩弧焊打底和前两道电焊时，在管道内充氩气保护，防止根部氧化，采用小电流，薄焊层，多层多道焊接工艺，每层厚度不超过焊条直径。 2.2焊接材料的选择 焊接材料的选择是异种钢焊接的关键，考虑接头形式、管件规格、控制焊缝熔合比、焊后热处理和目前公司焊接工艺评定等因素，焊材选用见表2；由于目前没有A335P91/1Cr18Ni9Ti焊接工艺评定，结合热工仪表管安装要求，采用中间加套管措施进行过渡，在A335P91/1Cr18Ni9Ti之间加材质为12Cr1MoVG过渡套管，这样就成了A335P91/12Cr1MoVG和12Cr1MoVG/1Cr18Ni9Ti焊接，有相应的焊接工艺评定,焊接流程如下图1： 图1 主蒸汽管道（A335P91）上焊测温插座焊接流程 表2 异种钢接头焊材选用 母管 支管 材质 支管规格 数量 焊接材料 主蒸汽 安全阀 A335P91/WC6 16849 2 R40/R407 热工压力管座 A335P91/12Cr1MoVG 255 11 ER90S 热工测温管座 12Cr1MoV/1Cr18Ni9Ti 388 5 TGS-310 蠕胀测点 A335P91/10CrMo910 16 32 ENiCrFe-3 再热热段 安全阀 A335P22/WC6 16834 2 R30/R307 热工压力管座 A335P22/1Cr18Ni9Ti 255 5 TGS-310 热工测温管座 A335P22/1Cr18Ni9Ti 388 5 TGS-310/A307 疏水罐 A335P22/12Cr1MoVG 2199 2 R31/R317 蠕胀测点 A335P22/10CrMo910 16 32 ENiCrFe-3 主给水 热工压力管座 15NiCuMoNb5/1Cr18Ni9Ti 255 5 TGS-310 热工测温管座 15NiCuMoNb5/1Cr18Ni9Ti 388 8 TGS-310/A307 疏水放气管座 15NiCuMoNb5/20G DN25/DN20 11 ER80S/E9018-G 减温水、旁路 15NiCuMoNb5/20G 16822 3 ER80S/E9018-G 给水再循环、减温水 15NiCuMoNb5/20G 10814 4 ER80S/E9018-G 再热冷段 热工压力管座 A672B70/1Cr18Ni9Ti 255 2 TGS-310 热工测温管座 A672B70/1Cr18Ni9Ti 388 1 TGS-310/A307 注：热段蠕胀测点焊接，因考虑焊后不进行热处理，故选用镍基焊材。 2.3坡口形式 考虑管座氩弧焊打底质量，管座采用5060的V形坡口，母管则开与管座内径一样的孔，不再打坡口，如下图。母管开孔全部采用机械加工方法，严禁用火焰切割开孔，保证管座坡口和母管开孔处无裂纹、重皮、无油污锈蚀等。 图2 安全阀管座坡口加工图 2.4焊接工艺 管座及母管打磨符合规范要求，组对好并装配牢固，先用氩弧焊点固焊3点，焊接材料、焊接工艺和预热温度等均应与正式施焊相同，点固后要认真检查每个焊点质量，如有缺陷应立即清除，重新点固，对于壁厚大于25mm，管径大于160mm的管座我们采用两人对称施焊，并采用多层多道焊；施焊中，要注意焊接接头和收弧的质量，收弧时应填满熔池，多层多道焊的焊道接头应错开，管座和母管焊缝过渡要平滑，因为此处壁厚变化大，应力最为集中。 2.5热处理工艺 主蒸汽管道、再热热段管道、主给水管道上管座焊前预热，预热温度按主管要求，采用远红外电加热，加热范围如图3所示：焊接过程中层间温度不低于预热温度，主管材质为A335P91，层间温度不高于300，其他材质，层间温度不高于400。主蒸汽管道、再热热段管道上的蠕胀测点焊前按母管要求进行预热，由于采用镍基焊材，没有进行焊后高温回火处理，同一母管上焊接同类、同材质管座距离较近时（如热工压力取源管座），为避免同一段管道高温处理次数超过2次，争取一次焊完较近的管座，一次性高温回火处理完。 表3 各异种钢接头焊后热处理温度 材质 母管规格 支管规格 焊接材料 热处理温度 A335P91/WC6 16849 16849 ER90S/E9018-B9 750 A335P91/12Cr1MoVG 45542.5 255 ER90S 760 12Cr1MoVG/1Cr18Ni9Ti 45542.5 388 TGS-310 / A335P91/10CrMo910 45542.5 16 ENiCrFe-3 / A335P22/WC6 16834 16834 R30/R307 720750 A335P22/1Cr18Ni9Ti 747.542.5 255 TGS-310 / A335P22/1Cr18Ni9Ti 747.542.5 388 TGS-310/A307 / A335P22/12Cr1MoVG 56026 2199 R31/R317 720750 A335P22/10CrMo910 747.542.5 16 ENiCrFe-3 / 15NiCuMoNb5/1Cr18Ni9Ti 355.626 255 TGS-310 / 15NiCuMoNb5/1Cr18Ni9Ti 355.626 388 TGS-310/A307 / 15NiCuMoNb5/20G 355.626 DN25/DN20 ER80S/E9018-G 590 图3安全阀管座预热、热处理加热片布置图 2.6管道布置要求 四大管道上的疏水管道和热工压力取源管布置要合理，设有U形膨胀弯，如图4，留有膨胀余量，防止机组启动、停机时，管道膨胀、收缩受限,造成管座根部应力集中过大，导致管座焊缝产生裂纹，最终发生泄露。 图4 U型膨胀弯设计 3 无损检验 焊前所有合金钢管件进行了光谱复核，防止管件材质有误。管座焊接并热处理完后，及时进行无损探伤，采用表面渗透探伤，防止表面有开口形缺陷，并进行了100%光谱复核，防止用错焊材，并对热处理后的焊缝做了100%硬度检验，没有超标的，全部符合规范要求。 4 结论 彭城电厂#3、#4机组四大管道上焊接的各管座质量优良，投产1年来，没有发生渗漏，为机组稳定运行创造了基础。高温高压管道上焊接各类管座，严格控制好焊材选择、坡口制备、焊接工艺和热处理工艺是可以获得满意焊缝接头的。 参考文献 1.焊接工艺评定规程DL/T868-2004 2.火力发电厂焊接技术规程DL/T869-2004 3.火力发电厂异种钢焊接技术规程DL/T 752-2001 4.火力发电厂焊接热处理技术规程DL/T 819-2002 5.焊接工程师手册陈祝年编著.北京：机械工业出版社，2002.1 6.耐热钢焊接钱昌黔主编.北京：水利电力出版社，1988 作者简介： 鲁福魁（1976-），男，助理工程师，从事电站焊接技术工作。 一、长输管道的特点长输管道作为铁路、公路、海运、民用航空和长输管道五大运输行业之一。其输送介质，除常见的石油、天然气外，还有工业用气体如氧气、co2等、乙烯、液氨、矿浆、煤浆等介质。除煤浆管道仍在酝酿阶段外，其他输送介质管道在国内均有成功建设、运行业绩。管道作为运输行业中一个单独系统，与其他运输系统有以下几方面的不同点：管道与输送介质相对流动，这就要求管道内部尽可能光滑，减少磨阻；另外考虑介质的腐蚀性，在设计上要增加相应的裕量。管道是相对固定的。即管道埋于地下，除改造、敷设新线路等原因外，管道一般不会发生位移。 输送的连续性。即管道一旦建成、投产，一般情况下应连续运行，相应地增加了不停输带压维修的操作难度和危险性。在役运行的管道对地面建构筑物或区域长期构成威胁，尤其是天然气、煤气、lpg等易燃气体管道，其威胁程度更大。长输管道除特殊地形，一般均为地下敷设，运行中不易发现潜在的危险，尤其是建设中未检出的缺陷。通过上述分析，说明管道质量对其安全运行和使用寿命是非常重要的。因此，管道焊接质量是影响管道质量的极其重要的因素。二、焊接在长输管道建设中的特点流动性施工对焊接质量的影响。施工作业点随着施工进度而不断迁移，与工厂产品生产相比，增加了施工管理、质量管理、安全管理等方面的难度；因焊接作业处于流动状态，对保证质量相对增加了难度。地形地貌对焊接质量的影响。施工单位没有能力选择理想的施工场地。一条长输管道可能会遇到多种地形如西气东输工程，自西向东途经戈壁、沙漠、黄土高原、山区、平原、水网等，地形地貌对焊接有直接影响，所以要因地制宜，选择不同的焊接方法来满足工程的需要。环境对焊接质量的影响。风、雨、温度、湿度等自然环境，与焊接质量高低有着一定的关系。除现场双联管焊接外，焊接设备、工艺、材料及焊工技能等因素，对焊接质量有很大影响。人文、社会环境对焊接质量的影响。在我国的东部人工密集地区，由于