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      國內鍋爐、耐熱鋼和管道焊接技術(shù)的新發(fā)展

       
      鑒于鍋爐、耐熱鋼和管道涉及到許多重要的工業(yè)部門(mén),其中包括火力、水力、風(fēng)力,核能發(fā)電設備,石油化工裝置,煤液化裝置、輸油、輸氣管線(xiàn),飲料、乳品加工設備,制藥機械,飲用水處理設備和液化氣儲藏和運輸設備等,焊接技術(shù)的內容是相當廣泛的。
      近10年來(lái),國內外鍋爐、耐熱鋼和管道的焊接技術(shù)取得了引人注目的新發(fā)展。隨著(zhù)鍋爐、耐熱和管道工作參數的大幅度提高及應用領(lǐng)域的不斷擴展,對焊接技術(shù)提出了愈來(lái)愈高的要求。所選用的焊接方法、焊接工藝、焊接材料和焊接設備首先應保證焊接接頭的高質(zhì)量,同時(shí)必須滿(mǎn)足高效、低耗、低污染的要求。因此,在這一領(lǐng)域內,焊接工作者始終面臨復雜而艱巨的技術(shù)難題,要求不斷尋求****的解決方案。通過(guò)不懈的努力已在許多關(guān)鍵技術(shù)上取得重大突破,并在實(shí)際生產(chǎn)中得到成功的應用,取得了可觀(guān)的經(jīng)濟效益,使鍋爐、壓力容器和管道的焊接技術(shù)達到了新的發(fā)展水平。
        
        鍋爐壓力容器和管道用鋼的新發(fā)展
        1 鍋爐用鋼的新發(fā)展
        在鍋爐、壓力容器和管道用鋼這三類(lèi)鋼中,鍋爐用鋼的發(fā)展最為迅速。這主要是近10年來(lái),火力發(fā)電站用燃料—煤炭的供應日趨緊張,降低燃料的消耗已成為世界性的迫切需要。為此,必須提高鍋爐的效率。通常鍋爐效率每提高5%,燃料的消耗可降低15%。而鍋爐的效率基本上取決于其運行參數—蒸汽壓力和蒸汽溫度。最近,上海鍋爐廠(chǎng)生產(chǎn)600~670MW超臨界鍋爐的蒸汽壓力為254bar,過(guò)熱蒸汽溫度為569℃,鍋爐的熱效率約為43%。如果鍋爐的運行參數提高到特超臨界級,即蒸汽壓力為280 bar蒸汽溫度為620℃,鍋爐的熱效率可提高到47%。目前世界上特超臨界鍋爐的最高工作參數為350 bar/700℃/720℃,鍋爐的熱效率達到了50% 。
        這里應當強調指出,隨著(zhù)鍋爐效率的提高,鍋爐煙氣中的SO2、NOX和CO2的排放量逐漸下降。因此從減少大氣污染的角度出發(fā),設計制造高工作參數的特超臨界鍋爐也是必然的發(fā)展趨勢。
        鍋爐蒸汽參數的提高直接影響到鍋爐受壓部件的強度性能。在超臨界和特超臨界工作條件下,鍋爐的主要部件,如膜式水冷壁,過(guò)熱器,再熱器、高壓出口集箱和主蒸汽管道的工作溫度均已達到鋼材蠕變溫度范圍以?xún)。制作這些部件的鋼材在規定的工作溫度下,除了具有足夠的蠕變強度 (或105h高溫持久強度)外,還應具有高的耐蝕性和抗氧化性以及良好的焊接性和成形性能。
        從鍋爐主要部件用鋼的發(fā)展階段來(lái)看,即便是工作溫度相對較底的水冷壁部件,也必須采用鉻含量大于2%的Cr-Mo鋼或多組元的CrMoVTiB鋼。按現行的鍋爐制造規程,這類(lèi)低合金鋼,當管壁厚度超過(guò)規定的界限時(shí),焊后必須進(jìn)行熱處理。由于膜式水冷壁的外形尺寸相當大,工件長(cháng)度一般超過(guò)30m,焊后熱處理不僅延長(cháng)了生產(chǎn)周期,而且大大提高了制造成本。為解決這一問(wèn)題,國外研制了一種專(zhuān)用于膜式水冷壁的新鋼種7CrMoVTiB1010。最近,該鋼種已得到美國ASME的認可,并已列入美國ASME材料標準,鋼號為A213-T24。這種鋼的特點(diǎn)是含碳量控制在0.10%以下,硫含量不超過(guò)0.010%,因此具有相當好的焊接性。焊前無(wú)需預熱。當管壁厚度不大于10 m m,焊后亦可不作熱處理。
        在特超臨界的蒸氣參數下,當蒸氣溫度達到700℃,蒸氣壓力超過(guò)370 bar時(shí),水冷壁的壁溫可能超過(guò)600℃。在這種條件下,必須采用9%Cr或12%Cr馬氏體耐熱鋼。這些鋼種對焊接工藝和焊后熱處理提出了嚴格的要求,必須采取特殊的工藝措施,才能確保接頭的焊接質(zhì)量。
        對于鍋爐過(guò)熱器和再熱器高溫部件,在超臨界和特超臨界蒸汽參數下,其工作溫度范圍為560~650℃。在低溫段通常采用9~12%Cr鋼,從高溫耐蝕性角度考慮,最好選用12%Cr鋼。在600℃以上的高溫段,則必須采用奧氏體鉻鎳高合金耐熱鋼。根據近期的研究成果,對于高溫段過(guò)熱器和再熱器管件,為保證足夠高的高溫耐蝕性和抗氧化性,應當選用鉻含量大于20%的奧氏體鋼,例如25Cr-20NiNbN(HR3C),23Cr-18NiCuWNbN(SAVE25),22Cr-15NiNbN(Tempaloy A-3),和20Cr-25NiMoNbTi(NF709)等。
        在相當高的蒸汽參數下(375 bar/700℃)下,在過(guò)熱器出口段,由于奧氏體鋼蠕變強度不足,不能滿(mǎn)足要求,而必須采用鎳基合金,如Alloy617。
        現代奧氏體耐熱鋼與傳統的奧氏體耐熱鋼相比,其****特點(diǎn)是含有多組元的碳化物強化元素,從而在很大程度上提高了鋼材的蠕變強度。
        對于超臨界鍋爐機組的高壓出口集箱和主蒸汽管道等厚壁部件主要采用改進(jìn)型的9-12%Cr馬氏體鉻鋼。
        9~12%馬氏體鉻鋼的發(fā)展規律與前述的奧氏體耐熱鋼相似,即從最原始的Cr-Mo二元合金向多組元合金演變,其主攻方向是盡可能提高鋼材的高溫蠕變強度,減薄厚壁部件的壁 厚,以簡(jiǎn)化制造工藝和降低制造成本。上述鋼種由于 嚴格控制了碳、硫、磷含量,焊接性明顯改善。在國外超臨界和特臨界鍋爐已逐步推廣應用,取得了可觀(guān)的經(jīng)濟效益。 
        2 壓力容器用鋼的新發(fā)展
        近年來(lái),壓力容器用鋼的發(fā)展與鍋爐用鋼不同,其主攻方向是提高鋼的純凈度,即采用各種先進(jìn)的冶煉技術(shù),****限度地降低鋼中的有害雜質(zhì)元素,如硫、磷、氧、氫和氮等的含量。這些冶金技術(shù)的革新,不僅明顯地提高了鋼的沖擊韌性,特別是低溫沖擊韌性,抗應變時(shí)效性、抗回火脆性、抗中子幅照脆化性和耐蝕性,而且可大大改善其加工性能,包括焊接性和熱加工性能。
        對比采用常規冶煉方法和現代熔煉方法軋制的16MnR鋼板的化學(xué)成分和不同溫度下的缺口沖擊韌度和應變時(shí)效后的沖擊韌性,數據表明,超低級的硫、磷、氮含量顯著(zhù)地提高了普通低合金鋼的低溫沖擊韌度和抗應變時(shí)效性。
        高純凈化對深低溫用9%Ni鋼的極限工作溫度(-196℃)下的缺口沖擊韌度也起到相當良好的作用,按美國ASTM A353和A553(9%Ni)鋼標準,該鋼種在-196℃沖擊功的保證值為27J。但按大型液化天然氣(LNG)儲罐的制造技術(shù)條件,9% Ni鋼殼體-196℃的沖擊功應 70J,相差2.6倍之多。這一問(wèn)題也是通過(guò)9% Ni鋼的純凈化處理而得到完滿(mǎn)的解決。同時(shí)還大大改善了9% Ni鋼的焊接性。焊接不必預熱,焊后亦無(wú)須熱處理。對于厚度30mm以下的9%Ni鋼,焊前不必預熱,焊后亦無(wú)需熱處理。這對于大型(10萬(wàn)m3以上)LNG儲罐的建造,具有十分重要的意義。
        把9% Ni鋼標準的化學(xué)成分和力學(xué)性能并與高純度9% Ni鋼相應的性能進(jìn)行對比,它們之間的明顯差異。
        在高壓加氫裂化反應容器中,由于工作溫度高于450℃,殼體材料必須采用2.25CrlMo或3CrlMo低合金抗氧鋼。但這類(lèi)鋼在450℃以上溫度下長(cháng)期使用時(shí),會(huì )產(chǎn)生回火脆性,使鋼的韌性明顯下降,給加氫反應的安全運行造成隱患。
        近期的大量研究證明,上列鉻鉬鋼的回火脆性主要起因于鋼中P、Sn、Sb和As等微量雜質(zhì)。合金元素Si和Mn也對鋼的回火脆性起一定的促進(jìn)作用。因此必須通過(guò)現代的冶金技術(shù),把鋼中的這些雜質(zhì)降低到最低的水平。目前,許多國外鋼廠(chǎng)已提出嚴格控制鋼中雜質(zhì)含量的供貨技術(shù)條件,F代煉鋼技術(shù)能夠達到了最低雜質(zhì)含量的上限,可大大降低2.25CrlMo和3CrlMo鋼的回火脆性敏感性,其回火脆性指數J低于100,而普通的2.25Cr-lMo鋼的J 指數高達300。
        由此可見(jiàn),壓力容器用鋼的純凈化是一種必然的發(fā)展趨勢。
        近幾年來(lái),各類(lèi)不銹鋼在金屬結構制造業(yè)中應用急速增長(cháng),其年增長(cháng)率為5.5%,2003年世界不銹鋼消耗量為2150萬(wàn)噸,其中我國不銹鋼的用量占54.2%極大部分用于各種壓力容器和管道,包括部分輸油輸氣管線(xiàn)。
        為滿(mǎn)足各種不同的運行條件下的耐蝕性要求,并改善不同施工條件下的加工性能,近期開(kāi)發(fā)了多種性能優(yōu)異的不銹鋼,其中包括超級馬氏體不銹鋼、超級鐵素體不銹鋼,鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼和超級鐵素體—奧氏體不銹鋼。這些新型不銹鋼的共同特點(diǎn)是超低碳、超低雜質(zhì)含量、合金元素的匹配更趨優(yōu)化,不僅顯著(zhù)提高了其在各種腐蝕介質(zhì)下的耐蝕性,而且大大改善了焊接性和熱加工性能。在一定的厚度范圍,超級馬氏體不銹鋼焊前可不必預熱,焊后亦無(wú)需作熱處理。這對于大型儲罐和跨國海底輸油輸氣管線(xiàn)的建設具有重要的經(jīng)濟意義。
        目前已在壓力容器和管道制造中得到實(shí)際應用的馬氏體不銹鋼、鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼和超級雙相不銹鋼,這些不銹鋼合金系列與常規不銹鋼之間存在較大的差異。
        3 管道用鋼的新發(fā)展
        管道用鋼的發(fā)展在很多方面與前述的鍋爐與壓力容器用鋼相似。實(shí)際上很多鋼種和鋼號都是相同的,其中只有輸氣管線(xiàn)用鋼可以認為是獨立的分支。近10年來(lái),輸送管線(xiàn)的工作應力已從40bar提高到100bar,甚至更高。最近臺灣省建造了一座1600MW抽水蓄能電站,其壓水管道采用了X100型(屈服強度690Mpa)高強度鋼。
        目前在世界范圍內,輸送管線(xiàn)中采用的最高強度級別的鋼種為X80型,相當于我國標準鋼號L555,其最低屈服強度為555Mpa。國外已計劃將X100型高強度鋼用于輸送管線(xiàn)。
        鑒于管線(xiàn)的焊接都在野外作業(yè),要求鋼材具有良好的焊接性,因此管線(xiàn)用鋼多采用低碳,低硫磷的微合金鋼,并經(jīng)熱力學(xué)處理。
        鍋爐、壓力容器和管道焊接方法的新發(fā)展
        鍋爐、壓力容器和管道均為全焊結構,焊接工作量相當大,質(zhì)量要求十分高。焊接工作者總是在不斷探索優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟的焊接方法,并取得了引人注目的進(jìn)步。以下重點(diǎn)介紹在國內外鍋爐、壓力容器與管道制造業(yè)中已得到成功應用的先進(jìn)高效焊接方法。
        1 鍋爐膜式水冷壁管屏雙面脈沖MAG自動(dòng)焊接生產(chǎn)線(xiàn)
        為提高鍋爐熱效率,節省材料費用,大型電站鍋爐式水冷壁管屏均采用光管+扁鋼組焊而成。這種部件的外形尺寸與鍋爐的容量成正比。一臺600MW電站鍋爐膜式水冷壁管屏的拼接縫總長(cháng)已超過(guò)萬(wàn)米。因此必須采用高效的焊接方法。在上世紀90年代以前,國內外鍋爐爐制造廠(chǎng)大多數采用多頭(6~8頭)埋弧自動(dòng)焊。在多年的實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現,這種埋弧焊方法存在一致命的缺點(diǎn),即埋弧焊只能從單面焊接,管屏焊后不可避免會(huì )產(chǎn)生嚴重的撓曲變形。管屏長(cháng)度愈長(cháng),變形愈大,必須經(jīng)費工的校正工序。不僅提高了生產(chǎn)成本,而且延長(cháng)了成產(chǎn)周期。因此必須尋求一種更合理的焊接方法。
        上世紀80年代后期,日本三菱重工率先開(kāi)發(fā)膜式水冷壁管屏雙面脈沖MAG自動(dòng)焊新焊接方法及焊接設備,并成功地應用于焊接生產(chǎn)。這種焊接方法在日本俗稱(chēng)MPM法,其特點(diǎn)是多個(gè)MAG焊焊頭從管屏的正反兩面同時(shí)進(jìn)行焊接。焊接過(guò)程中,正反兩面焊縫的焊接變形相互抵消。管屏焊接后基本上無(wú)撓曲變形。這是一項重大的技術(shù)突破。經(jīng)濟效益顯著(zhù)。數年后哈爾濱鍋爐廠(chǎng)最先從日本三菱公司引進(jìn)了這項先進(jìn)技術(shù)和裝備,并在鍋爐膜式壁管屏拼焊生產(chǎn)中得到成功的應用。之后,逐步在我國各大鍋爐制造廠(chǎng)推廣應用,至今已有十多條MPM焊接生產(chǎn)線(xiàn)正常投運。管屏MPM焊接的主要技術(shù)關(guān)鍵是必須保證正反兩面的焊縫質(zhì)量,包括焊縫熔深,成形和外形尺寸基本相同。這就要求在仰焊位置的焊接采用特殊的焊接工藝—脈沖電弧MAG焊(富氬混合氣體)。焊接電源和送絲系統應在管屏全長(cháng)的焊接過(guò)程中產(chǎn)生穩定的脈沖噴射過(guò)渡。因此必須配用高性能和高質(zhì)量的脈沖焊接電源和恒速送絲機。這些焊接設備的性能和質(zhì)量愈高,管屏反面焊縫的質(zhì)量愈穩定,合格率愈高。實(shí)際上,哈鍋廠(chǎng)從日本三菱重工引進(jìn)的原裝機只配用了晶閘管控制的第二代脈沖MIG/MAG焊電源,送絲機也只是傳統的等速送絲機,管屏反面焊縫的合格率達不到100%,總有一定的返修量,為進(jìn)一步改進(jìn)膜式壁管屏MPM焊機的性能,最近國產(chǎn)的管屏MPM焊機配用了第三代微要控制逆變脈沖焊接電源和測速反饋的恒速送絲機,明顯提高了反面焊縫的合格率。
        2 鍋爐受熱面管對接高效焊接法
        鍋爐受熱面過(guò)熱器和再熱器部件管件接頭的數量和壁厚,隨著(zhù)鍋爐容量的提高而成倍增加,600MW電站鍋爐熱器的****壁厚已達13mm,接頭總數超過(guò)數千個(gè)。傳統的填充冷絲TIG焊的效率以遠遠不能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)展的要求,必須采用效率較高的且保接頭質(zhì)量的溶焊方法。為此,哈鍋和上鍋相繼從日本引進(jìn)了厚壁管細絲脈沖MIG自動(dòng)焊管機,其效率比傳統的TIG焊提高3~5倍。后因經(jīng)常出現根部未焊透和弧坑下垂等缺陷而改用TIG焊封底MIG焊填充和蓋面工藝,改進(jìn)的焊接工藝雖然基本上解決了根部未焊透的問(wèn)題,但降低了焊接效率,增加了設備的投資,同時(shí)也使操作程序復雜化。最近,上鍋,哈鍋又從國外引進(jìn)了熱絲TIG自動(dòng)焊管機。熱絲TIG焊的原理是將填充絲在送入焊接熔池之前由獨立的恒壓交流電源供電。電阻加熱至650~800℃高溫,這就大大加速了焊絲的熔化速度,其熔敷率接近于相同直徑的MTG焊熔敷率。另外,TIG方法良好的封底特性確保了封底焊道的熔質(zhì)量,因此,熱絲TIG焊不失為小直徑壁厚管對接焊優(yōu)先選擇的一種焊接方法。然而不應當由此全面否定脈沖MIG焊在小直徑壁厚管對接中應用的可行性。曾通過(guò)大量的試驗查明,在厚壁管MIG焊對接接頭中,根部末焊透90%以上位于超弧段,而弧坑下垂起因于連續多層焊時(shí)熔池金屬熱量積聚導致過(guò)熱。如將焊接電源電弧的功率作精確的控制,則完全可以消除上述缺陷的形成。但由于引進(jìn)的MIG焊自動(dòng)焊管機原配的焊接電源為晶閘管脈沖電源,無(wú)法實(shí)現電弧功率的程序控制如改用當代******的全數字控制逆變脈沖焊接電源或波形控制脈沖焊接電源(計算機軟件控制。,則可容易地按焊接工藝要求,對焊接電弧的功率作精確的控制,確保接頭的焊接質(zhì)量。
        我們建議對現有的管子對接自動(dòng)焊MIG焊機組織二次開(kāi)發(fā),將原有的晶閘管焊接電源更換成全數字控制逆變脈沖焊接電源,并采用PLC和人機界面改造控制系統,充分發(fā)揮MIG焊的高效優(yōu)勢。
       3 厚壁容器縱環(huán)縫的窄間隙埋弧焊
        厚壁容器對接縫的窄間隙埋弧焊是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的焊接方法。自1985年哈鍋從瑞典ESAB公司引進(jìn)第一臺窄間隙埋弧焊系統以來(lái),窄間隙埋弧焊已在我國各大鍋爐、化工機械和重型機械等制造廠(chǎng)推廣使用,近20年的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗表明,窄間隙埋弧焊確實(shí)是厚壁容器對接焊的****選擇。
        為進(jìn)一步提高窄間隙埋弧焊的效率,國內外推出串列電弧雙絲窄隙埋弧焊工藝與設備,但至今未得到普遍推廣應用。這不僅是因為增加了操作的難度,更主要的是交流電弧的焊道成形欠佳,不利于脫渣,容易引起焊縫夾渣。
        最近,美國林肯(Lincoln)公司向中國市場(chǎng)推出交流波形參數(脈沖寬度、正半波電流值、脈沖頻率,脈沖波形斜率)可任意控制的AC/DC1000型埋弧焊電源。采用這種新一代的計算機控制埋弧焊電源,可使串列電弧雙絲埋弧焊的工藝參數達到****的組合。不但可以獲得窄間隙埋弧焊所要求的焊道形成,而且還可進(jìn)一步提高交流電弧焊絲的熔敷率?梢灶A期,波形控制AC/DC埋弧焊電源的問(wèn)世必將對串列電弧雙絲窄間隙埋弧焊的推廣應用作出積級的貢獻。
        4 大直徑厚壁管生產(chǎn)中的高效焊接法
        隨著(zhù)輸送管線(xiàn)工作參數不斷提升,大直徑厚壁管的需求量急劇增加,制造這類(lèi)管材量經(jīng)濟的方法是將鋼板壓制成形,并以1條或2條縱縫組焊而成。由于厚壁管焊接工作量相當大,為提高鋼管的產(chǎn)量,通常采用3絲,4絲或5絲串列電弧高速埋弧焊。5絲埋弧焊焊接16mm厚壁管外縱縫的最高焊接速度可達156m/h,焊接38mm厚壁管外縱縫的最高焊接速度可達100mm/h。
        最近,我國某鋼鐵公司將投資數十億建設一條大直徑厚管生產(chǎn)線(xiàn),其中內外縱縫焊接機擬采用5絲串列電弧高速埋弧焊工藝。為確保達到最高焊縫質(zhì)量標準,最好配用高性能的PowerwaveAC/DC1000數字控制焊接電源。
        5 風(fēng)力發(fā)電站生產(chǎn)中的高效焊接方法
        眾所周知,我國當前正面臨電力十分緊張的狀況,而且火力發(fā)電廠(chǎng)煙氣大量排放對大氣的污染也令人擔憂(yōu)。因此發(fā)展綠色能源已成為世人關(guān)注的焦點(diǎn)。在世界范圍內風(fēng)力發(fā)電作為一種可再生的清潔能源因運而生,產(chǎn)并以相當高的速度發(fā)展,年增長(cháng)率約為20%。近來(lái),我國也開(kāi)始重視風(fēng)力發(fā)電的建設,制定相應的規劃,可望在今后5年內將有較快的發(fā)展。
        風(fēng)力發(fā)電站主要由基礎、底座、立柱、風(fēng)力渦輪發(fā)電機和饋電系統等組成,其中底座和立柱為焊接結構,采用不同厚度的低碳鋼或低合金鋼板卷制而成。錐形立柱總長(cháng)可達100m,底部****直徑為4.8m,壁厚40~70 m m,項部直徑約1.7 m,壁厚12~35 m?傊亓考s80T。每根立柱熔敷金屬的重量約700—1500Kg?梢(jiàn)焊接工作量相當可觀(guān)而且必須采用高效焊接法。最近瑞典ESAB公司專(zhuān)為風(fēng)力發(fā)電站立柱焊接推出兩對雙絲串列電弧埋弧焊接法(Tandem-Twin)。如采用4根¢時(shí)2.5mm的焊絲,最高熔敷率可達38Kg/h,而普通的單弧雙絲焊(TwinArc)的熔敷率僅為15 Kg//h。錐體簡(jiǎn)身縱縫采用兩對雙絲串列電弧焊,配用的焊接電源型號相應為L(cháng)AF1250和TAF1250。
        立柱環(huán)縫采用焊接操作機與頭尾架翻轉機組合的專(zhuān)用焊接裝置,頭架轉盤(pán)由交流伺服電機驅動(dòng),可精確控制工件旋轉速度,以確保焊縫的高質(zhì)量。
        鍋爐、壓力容器和管道焊接自動(dòng)化的新發(fā)展
        在我國鍋爐、壓力容器和管道制造行業(yè)中,各大中型企業(yè)的焊接機械化和自動(dòng)化程度相對較高,像哈鍋,上鍋這樣的企業(yè)已達到80%以上。不過(guò),在國際上對焊接機械化和自動(dòng)化作了重新定義。焊接機械化是指焊接機頭的運動(dòng)和焊絲的給送由機械完成,焊接過(guò)程中焊頭相對于接縫中心位置和焊絲離焊縫表面的距離仍須由焊接操作工監視和手工調整。焊接自動(dòng)化是指焊接過(guò)程自啟動(dòng)至結束全部由焊機的執行自動(dòng)完成。無(wú)需操作工作任何調整,即焊接過(guò)程中焊頭的位置的修正和各焊接參數的調整是通過(guò)焊機的自適應控制系統實(shí)現的。而自適應控制系統通常由高靈敏傳感器,人工智能軟件、信息處理器和快速反應的精密執行機構等組成。按照上述標準來(lái)衡量,我國鍋爐,壓力容器和管道焊接的自動(dòng)化率是相當低的。極大多數僅實(shí)現了焊接生產(chǎn)的機械化。因此,為加速本行業(yè)焊接生產(chǎn)現代化的進(jìn)程,增強企業(yè)的核心競爭力,應盡快提高焊接自動(dòng)化的程度。按照當前中央提出的“以人為本”的理念。焊接自動(dòng)化具有更深刻的意義。它不僅僅是提高了焊接生產(chǎn)率和穩定了焊接質(zhì)量,而更重要的是使焊工遠離了有害的工作環(huán)境,減輕或消除了職業(yè)病的危害。
        以下列舉幾個(gè)在壓力容器和管道制造中已得到實(shí)際應用現代化自動(dòng)焊接裝備實(shí)例。以說(shuō)明其基本結構和功能以及在焊接生產(chǎn)中所發(fā)揮的作用。
        1 厚壁壓力容器對接接頭的全自動(dòng)焊接裝備
        德國B(niǎo)abcock-Borsig公司與瑞典ESAB公司合作于1997年開(kāi)發(fā)了一臺大型龍門(mén)式全自動(dòng)自適應控制埋弧裝備。專(zhuān)用于、厚壁容器筒體縱縫和環(huán)縫的焊接。自1998年正式投運至今使用狀況良好,為了型厚壁容器對接縫的自動(dòng)埋弧焊開(kāi)創(chuàng )了成功的先例。
        該裝備配置了串列電弧雙絲埋弧焊焊頭,由計算機軟件控制的ABW系統(Adaptive Batt Welding)和激光圖像傳感器。
        在焊接過(guò)程中激光圖像傳感器連續測定接頭的外形尺寸,測量數據通過(guò)計算機由智能軟件快速處理,并確定所要求的焊接參數和焊頭位置。也就是說(shuō)每焊道的尺寸和焊道的排列是由系統的軟件以自適應的方式控制的。
        系統軟件可調整每一填充焊道的4個(gè)焊接參數:焊接速度,焊接電流,焊道的排列和各填充層和蓋面層的焊道數。因此,該系統可使實(shí)時(shí)焊接參數自動(dòng)適應接頭整個(gè)長(cháng)度上橫截面和幾何尺寸的偏差。焊接速度是控制不同區域內的熔敷金屬量,而焊接電流是控制焊道的高度和熔敷金屬量。焊道的排列是決定每層焊道間的搭接量。每層的焊道數則取決于每層的坡口寬度。
        該設備的主控制器和監視器以PC機為基礎。
        多年的使用經(jīng)驗表明,該裝備不僅大大提高厚壁容器的焊接生產(chǎn)率,而且確保形成無(wú)缺陷的厚壁焊縫,同時(shí)顯著(zhù)降低了焊工勞動(dòng)強度,改善了工作環(huán)境。
        2 厚壁管件全自動(dòng)多站焊接裝置
        火力和核電站的主蒸汽管道,其壁厚已超過(guò)100mm,焊接工作量相當大,迫切需要實(shí)現焊接生產(chǎn)的全自動(dòng)化,以提高生產(chǎn)率。每個(gè)焊接工作站由焊接操作機,翻轉機構,滾輪架,夾緊裝置和焊接機頭及焊接電源等組成。所有的焊接工作站由中央控制器集成控制。適用的管徑范圍為139~558 mm,壁厚18~100 mm。管件長(cháng)度大于1800 mm?扇詣(dòng)焊接直管對接,直管與彎管接頭,直管與法蘭以及直管與端蓋對接接頭。焊接方法采用窄坡口熱絲TIG焊。
        在該自適應控制系統中,采用黑白攝像機檢測坡口邊緣的位置。采用彩色攝像機監控電弧和填充絲的位置。通過(guò)檢則焊絲加熱電流控制填充絲的垂直方向的位置。這種控制方法是利用黑白攝像機的圖像,經(jīng)過(guò)計算機圖像處理,確定內外邊緣的照度差。當焊接條件變化時(shí),系統將自動(dòng)調整攝相機快門(mén)的曝光時(shí)間。以達到給定的照度,使焊槍始終保持在焊接開(kāi)始時(shí)調整好的位置。
        壁厚管件全自動(dòng)多站焊接裝置基本上實(shí)現了焊接作業(yè)無(wú)人操作。只需要一名操作人員在主控制室內設置管件的原始條件并在焊接過(guò)程中進(jìn)行監控。這種全自動(dòng)焊接裝置已在日本三菱重工公司投入生產(chǎn)試用。
        3 大直徑管對接全位置自TIG焊機
        大直徑管對接的全位置TIG焊是一項難度很大的焊接作業(yè),培養一名技能高度熟練的焊工需要耗費大量的人力和物力,而且產(chǎn)品的焊接質(zhì)量還取決于焊工自身多年積累的生產(chǎn)經(jīng)驗。為了克服對焊工技能的依賴(lài)性,消除人為因素對產(chǎn)品焊接質(zhì)量的不利影響,產(chǎn)生了開(kāi)發(fā)模擬高級熟練焊工的智能和操作要領(lǐng)的全自動(dòng)焊管機的想法。
        該自動(dòng)焊管機可用于直徑165—1000mm,壁厚7.0—35.0 mm的不銹鋼管環(huán)縫的全位置焊,并采用窄間隙填絲TIG焊(單層單道焊工藝)。焊機的自動(dòng)控制系統采用了視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)傳感器,由計算機程序控制執行機構,模仿熟練焊工的反應和動(dòng)作。
        自適應控制和質(zhì)量監控系統的作用原理為,自適應控制主要是通過(guò)視覺(jué)傳感器實(shí)時(shí)檢測的信息和計算機圖像處理,按模糊邏輯規則,實(shí)時(shí)控制鎢極相對于坡口邊緣的位置,填充焊絲相對于鎢極的位置以及決定焊接熔池尺寸的焊接參數。而焊縫質(zhì)量的監控系統則按照激光視頻傳感器,聽(tīng)覺(jué)傳感器和電流傳感器的信息實(shí)時(shí)修正焊接熔池尺寸,焊道形狀,鎢極尖端的形狀,電弧燃燒的穩定性和焊接電流,以保證焊縫質(zhì)量的一致性。
        在自適應控制系統中,安裝在焊槍前側的視覺(jué)傳感器(攝像機)起主要作用,將所攝取的對接區圖像輸入到計算機,根據計算機軟件圖像處理結果,可以定量檢測鎢極相對于坡口邊緣的位置,填充焊絲相對于鎢極的橫向位移,以及焊接熔池的尺寸及鎢極的損耗。
        激光視頻傳感器是由攝像機和激光聚光燈組成,安裝在焊槍的后側。所形成的圖像可用來(lái)測定焊道邊緣的潤溫角,即焊道表面與坡口側壁之間的角度?刂葡到y根據這些信息,對焊接參數進(jìn)行自適應控制。
        自適應計算方法的工原理如下。焊接過(guò)程中,為調整鎢極的位置,引用了模糊邏輯理論,即所謂奇數理論。當前節距內鎢極位置的修正速度是按所測定的鎢極位移量和前一節距內的修正速度計算的,以此來(lái)保證修正精度。
        上述大直徑管全自動(dòng)全位置焊管機已在電站鍋爐安裝工程中得到實(shí)際的應用,取得了令人滿(mǎn)意的效果。

       1、我國電站鍋爐、壓力容器和管道已進(jìn)入高參數和超高參數的發(fā)展階段,必須選用各種新型的耐熱鋼,耐蝕鋼,抗氫鋼和高強度鋼。這些鋼種及其相配的焊接材料目前尚未國產(chǎn)化。期望我國鋼鐵工業(yè)和焊材制造行業(yè)能在短期內滿(mǎn)足鍋爐、壓力容器和管道制造行業(yè)發(fā)展的需要。
        2、在我國鍋爐、壓力容器和管道制造企業(yè)中,已推廣使用了多種技術(shù)先進(jìn)的高效焊接法,引進(jìn)了為數不少的現代化焊接設備,焊接生產(chǎn)的工藝水平已達到較高的水平。為適應鍋爐壓力容器和管道需求量的不斷高速增長(cháng),應當進(jìn)一步開(kāi)發(fā),推廣生產(chǎn)效率更高的先進(jìn)焊接方法和工藝。
        3、在高靈敏傳感技術(shù),計算機控制技術(shù)和精密機械高度發(fā)展的今天,焊接過(guò)程的全面自動(dòng)化已從實(shí)驗室進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,鍋爐、壓力容器和管道制造業(yè)有望率先實(shí)現焊接生產(chǎn)過(guò)程的全面自動(dòng)化。
       
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