論鍋爐、壓力容器和管道焊接技術(shù)

顧其庚　楊成

隨著鍋爐、壓力容器和管道工作參數(shù)的大幅度提高及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，對(duì)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(shè)備首先應(yīng)保證焊接接頭的高質(zhì)量，同時(shí)必須滿足高效、低耗、低污染的要求。因此，在這一領(lǐng)域內(nèi)，焊接工作者始終面臨復(fù)雜而艱巨的技術(shù)難題，要求不斷尋求最佳的解決方案。

鍋爐、壓力容器和管道均為全焊結(jié)構(gòu)，焊接工作量相當(dāng)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(jì)的焊接方法，并取得了引人注目的進(jìn)步。

一、鍋爐膜式水冷壁管屏雙面脈沖MAG自動(dòng)焊接生產(chǎn)線

為提高鍋爐熱效率，節(jié)省材料費(fèi)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(tái)600MW電站鍋爐膜式水冷壁管屏的拼接縫總長(zhǎng)已超過(guò)萬(wàn)米。因此必須采用高效的焊接方法。在上世紀(jì)90年代以前，國(guó)內(nèi)外鍋爐爐制造廠大多數(shù)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(xiàn)，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(yán)重的撓曲變形。管屏長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，變形愈大，必須經(jīng)費(fèi)工的校正工序。不僅提高了生產(chǎn)成本，而且延長(zhǎng)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(jì)80年代后期，日本三菱重工率先開發(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(shè)備，并成功地應(yīng)用于焊接生產(chǎn)。這種焊接方法在日本俗稱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(xiàng)重大的技術(shù)突破。經(jīng)濟(jì)效益顯著。數(shù)年后哈爾濱鍋爐廠最先從日本三菱公司引進(jìn)了這項(xiàng)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(yīng)用。之后，逐步在我國(guó)各大鍋爐制造廠推廣應(yīng)用，至今已有十多條MPM焊接生產(chǎn)線正常投運(yùn)。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(tǒng)應(yīng)在管屏全長(zhǎng)的焊接過(guò)程中產(chǎn)生穩(wěn)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(jī)。這些焊接設(shè)備的性能和質(zhì)量愈高，管屏反面焊縫的質(zhì)量愈穩(wěn)定，合格率愈高。實(shí)際上，哈鍋廠從日本三菱重工引進(jìn)的原裝機(jī)只配用了晶閘管控制的第二代脈沖MIG/MAG焊電源，送絲機(jī)也只是傳統(tǒng)的等速送絲機(jī)，管屏反面焊縫的合格率達(dá)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(jī)的性能，最近國(guó)產(chǎn)的管屏MPM焊機(jī)配用了第三代微要控制逆變脈沖焊接電源和測(cè)速反饋的恒速送絲機(jī)，明顯提高了反面焊縫的合格率。

二、鍋爐受熱面管對(duì)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(shù)量和壁厚，隨著鍋爐容量的提高而成倍增加，600MW電站鍋爐熱器的最大壁厚已達(dá)13mm，接頭總數(shù)超過(guò)數(shù)千個(gè)。傳統(tǒng)的填充冷絲TIG焊的效率以遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(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(xì)絲脈沖MIG自動(dòng)焊管機(jī)，其效率比傳統(tǒng)的TIG焊提高3～5倍。后因經(jīng)常出現(xiàn)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(shè)備的投資，同時(shí)也使操作程序復(fù)雜化。最近，上鍋，哈鍋又從國(guó)外引進(jìn)了熱絲TIG自動(dòng)焊管機(jī)。熱絲TIG焊的原理是將填充絲在送入焊接熔池之前由獨(dú)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(duì)接焊優(yōu)先選擇的一種焊接方法。然而不應(yīng)當(dāng)由此全面否定脈沖MIG焊在小直徑壁厚管對(duì)接中應(yīng)用的可行性。曾通過(guò)大量的試驗(yàn)查明，在厚壁管MIG焊對(duì)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(xù)多層焊時(shí)熔池金屬熱量積聚導(dǎo)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(jī)原配的焊接電源為晶閘管脈沖電源，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電弧功率的程序控制如改用當(dāng)代最先進(jìn)的全數(shù)字控制逆變脈沖焊接電源或波形控制脈沖焊接電源（計(jì)算機(jī)軟件控制小），則可容易地按焊接工藝要求，對(duì)焊接電弧的功率作精確的控制，確保接頭的焊接質(zhì)量。

三、厚壁容器縱環(huán)縫的窄間隙埋弧焊

厚壁容器對(duì)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(tái)窄間隙埋弧焊系統(tǒng)以來(lái)，窄間隙埋弧焊已在我國(guó)各大鍋爐、化工機(jī)械和重型機(jī)械等制造廠推廣使用，近20年的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，窄間隙埋弧焊確實(shí)是厚壁容器對(duì)接焊的最佳選擇。

為進(jìn)一步提高窄間隙埋弧焊的效率，國(guó)內(nèi)外推出串列電弧雙絲窄隙埋弧焊工藝與設(shè)備，但至今未得到普遍推廣應(yīng)用。這不僅是因?yàn)樵黾恿瞬僮鞯碾y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。

四、大直徑厚壁管生產(chǎn)中的高效焊接法

隨著輸送管線工作參數(shù)不斷提升，大直徑厚壁管的需求量急劇增加，制造這類管材量經(jīng)濟(jì)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(dāng)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(dá)156m/h，焊接38mm厚壁管外縱縫的最高焊接速度可達(dá)100mm/h.

在我國(guó)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(jī)械化和自動(dòng)化程度相對(duì)較高，像哈鍋，上鍋這樣的企業(yè)已達(dá)到80%以上。不過(guò)，在國(guó)際上對(duì)焊接機(jī)械化和自動(dòng)化作了重新定義。焊接機(jī)械化是指焊接機(jī)頭的運(yùn)動(dòng)和焊絲的給送由機(jī)械完成，焊接過(guò)程中焊頭相對(duì)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(jiān)視和手工調(diào)整。焊接自動(dòng)化是指焊接過(guò)程自啟動(dòng)至結(jié)束全部由焊機(jī)的執(zhí)行自動(dòng)完成。無(wú)需操作工作任何調(diào)整，即焊接過(guò)程中焊頭的位置的修正和各焊接參數(shù)的調(diào)整是通過(guò)焊機(jī)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。而自適應(yīng)控制系統(tǒng)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(yīng)的精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。按照上述標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，我國(guó)鍋爐，壓力容器和管道焊接的自動(dòng)化率是相當(dāng)?shù)偷?。極大多數(shù)僅實(shí)現(xiàn)了焊接生產(chǎn)的機(jī)械化。因此，為加速本行業(yè)焊接生產(chǎn)現(xiàn)代化的進(jìn)程，增強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)盡快提高焊接自動(dòng)化的程度。

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(yīng)用，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，使鍋爐、壓力容器和管道的焊接技術(shù)達(dá)到了新的發(fā)展水平。