焊接技術(shù)在電站鍋爐集箱制造中的應(yīng)用

徐祥久，黃 超

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150046）

焊接技術(shù)在電站鍋爐集箱制造中的應(yīng)用

徐祥久，黃 超

（哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司高效清潔燃煤電站鍋爐國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150046）

根據(jù)電站鍋爐集箱常用的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述焊接技術(shù)在電站鍋爐集箱制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀。結(jié)合集箱不同焊縫的焊接生產(chǎn)過(guò)程，分析GTAW、SMAW、SAW、FCAW等方法在集箱焊接中應(yīng)用的特點(diǎn)，并指出焊接技術(shù)在電站鍋爐集箱制造中的發(fā)展方向。

電站鍋爐；集箱；焊接

0 前言

電站鍋爐集箱一般由筒體、三通、彎頭、端蓋、大管接頭、小管接頭以及附件等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)不同的作用和布置位置，集箱通常與水冷壁、過(guò)熱器、再熱器、省煤器以及連接管道相連，起著工作介質(zhì)的匯集和分配的作用，是電站鍋爐中重要的受壓元件[1-2]。焊接技術(shù)在電站鍋爐集箱制造中起著重要作用，合理的焊接和熱處理工藝是保證集箱產(chǎn)品質(zhì)量和性能的關(guān)鍵，在此主要針對(duì)焊接技術(shù)在電站鍋爐集箱制造中的應(yīng)用情況和發(fā)展前景進(jìn)行闡述。

1 集箱材料

電站鍋爐集箱用材料主要是無(wú)縫鋼管，其中集箱筒體為大口徑無(wú)縫鋼管，管接頭為小口徑無(wú)縫鋼管。集箱用三通、彎頭、端蓋，以及一些特殊接管采用鍛件形式。

根據(jù)不同的使用溫度和壓力要求，不同集箱部件的材料選用差異明顯，目前主要集中在碳鋼、碳錳鋼、鉻鉬鋼材料上。由于這些材料具有良好的可加工性能、較好的焊接性能、優(yōu)良的熱強(qiáng)性能、適宜的耐腐蝕性能等，被廣泛應(yīng)用于電站鍋爐的集箱部件中[3]。電站鍋爐集箱常用無(wú)縫鋼管及對(duì)應(yīng)的焊接材料如表1所示，這些材料主要符合中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB）和美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME）兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系，是電站鍋爐集箱部件常采用的成熟材料。

2 電站鍋爐集箱的焊接

為了實(shí)現(xiàn)集箱結(jié)構(gòu)的完整性，減少火電機(jī)組建造過(guò)程焊接工作量，很多焊接工作需在制造廠內(nèi)完成，主要包括集箱筒體自身拼接以及筒體與三通、彎頭、端蓋等的拼接環(huán)縫，大管接頭的焊接、小管接

頭的焊接、附件及水壓試驗(yàn)端蓋的焊接等。

圖1 集箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 電站鍋爐集箱用無(wú)縫鋼管及其對(duì)應(yīng)焊接材料

2.1 筒體環(huán)縫焊接

集箱筒體環(huán)縫主要包括：筒體自身拼接以及筒體與三通、彎頭、端蓋、過(guò)渡管等的拼接環(huán)縫。這些環(huán)縫均為開(kāi)坡口的對(duì)接接頭形式，焊縫厚度20～160 mm，且要求全焊透。由于集箱筒體直徑一般小于1000mm，且焊接過(guò)程中大都要求進(jìn)行較高溫度的焊前預(yù)熱，因此這類環(huán)縫焊接不適宜進(jìn)行雙面焊接操作。為了保證焊縫根部焊透，這類環(huán)縫根部焊接通常采用鎢極氬弧焊（GTAW）。在焊接過(guò)程中通過(guò)控制坡口根部間隙、鈍邊尺寸，并采用一定的焊接技巧，保證根部第一道焊道焊接時(shí)實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，進(jìn)而保證整條焊縫的質(zhì)量。集箱常用的焊接坡口形式如圖2所示。

圖2 集箱環(huán)縫焊接坡口及其焊縫截面

在實(shí)際焊接生產(chǎn)過(guò)程中，為了保證生產(chǎn)效率，GTAW僅用來(lái)進(jìn)行打底焊接，然后在焊接滾輪架的配合下，在平焊位置采用焊條電弧焊（SMAW）進(jìn)行過(guò)渡，當(dāng)焊縫達(dá)到一定厚度時(shí)便采用焊接效率更高、

焊接過(guò)程更可控、工人勞動(dòng)強(qiáng)度更低的埋弧焊（SAW），即整條環(huán)縫是采用GTAW+SMAW+SAW的組合焊接工藝。但對(duì)于一些操作位置不水平、埋弧焊無(wú)法施焊的環(huán)縫，GTAW打底后采用焊條電弧焊進(jìn)行填充和蓋面焊。

根據(jù)集箱產(chǎn)品的尺寸和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了保證焊縫滿足相應(yīng)產(chǎn)品性能的要求，一般埋弧焊選用的焊絲直徑均不超過(guò)3.2 mm。而對(duì)于SA-335P92類材料的焊接，為了進(jìn)一步控制焊接熱輸入，通常采用直徑為2.4 mm或更小直徑的焊絲進(jìn)行焊接。

對(duì)于直徑小于273 mm的集箱筒體焊接，尤其是坡口根部焊道焊接時(shí)，由于待焊表面曲率大，常規(guī)埋弧焊時(shí)焊接熔池相對(duì)較大（液態(tài)金屬體積大），在工件轉(zhuǎn)動(dòng)焊接過(guò)程中液態(tài)金屬易發(fā)生流淌，且焊劑不能穩(wěn)定存在于熔池表面，對(duì)熔池及電弧的保護(hù)作用不佳。另外，由于工件直徑較小，焊接時(shí)工件轉(zhuǎn)動(dòng)一周所用時(shí)間較短，焊接操作過(guò)程中對(duì)熔渣的清理和層間溫度的控制均較困難。因此，常規(guī)埋弧焊工藝很難實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑小于273 mm的集箱筒體進(jìn)行焊接。針對(duì)此類集箱筒體焊接，采用GTAW打底+細(xì)絲埋弧焊的特殊工藝可有效解決此類產(chǎn)品常規(guī)埋弧焊存在的問(wèn)題，提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本。目前該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于電站鍋爐集箱的焊接中，并取得了較好的效果。

另外，目前有些鍋爐廠采用窄間隙熱絲TIG焊接集箱環(huán)縫[4-5]，其焊接坡口寬度較窄，一般為9～12 mm，焊接過(guò)程中每層只需焊接一道，通過(guò)連續(xù)焊接完成整條環(huán)縫焊接，如圖3所示。由于窄間隙熱絲TIG焊具有焊接熱輸入小、電弧精確可控等特點(diǎn)，采用該焊接方法能夠獲得成形美觀、強(qiáng)度高、韌性好的優(yōu)良焊接接頭，同時(shí)窄間隙坡口可極大縮小焊縫截面積，減少焊接材料的填充量，降低生產(chǎn)成本。

圖3 集箱窄間隙熱絲TIG焊接接頭

相對(duì)于GTAW+SMAW+SAW組合焊接工藝而言，窄間隙熱絲TIG焊接設(shè)備采購(gòu)及維護(hù)成本高、對(duì)焊接坡口的加工及裝配精度要求極高、焊接輔助時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)效率較低。另外，焊接過(guò)程中坡口內(nèi)產(chǎn)生缺陷后不易處理。因此，雖然窄間隙熱絲TIG具有許多優(yōu)點(diǎn)，卻仍未在電站鍋爐集箱環(huán)縫的焊接中被廣泛使用。

2.2 大管接頭焊接

大管接頭是電站鍋爐集箱部件中常見(jiàn)的焊接結(jié)構(gòu)，如圖4a所示，管接頭與集箱筒體之間為馬鞍型焊接坡口，通常要求全焊透。在集箱焊接生產(chǎn)過(guò)程中，由于集箱筒體與大管接頭外徑比例較小，造成馬鞍落差較大，大部分大管接頭只能采用手工焊接，焊接工作量大、操作難度高。典型產(chǎn)品焊接坡口如圖4b所示，目前針對(duì)這種結(jié)構(gòu)采用的焊接方法主要有焊條電弧焊（SMAW）和藥芯焊絲熔化極氣體保護(hù)焊（FCAW）[6-7]，同樣需利用手工氬弧焊進(jìn)行打底，以保證全焊透。

圖4 集箱大管接頭焊接

此外，馬鞍型埋弧焊（SAW）在集箱大管接頭的焊接中也有應(yīng)用，但一般只應(yīng)用于筒體與接管外徑比大于等于3的結(jié)構(gòu)中，對(duì)于筒體與接管外徑比小于3的部件，由于馬鞍落差較大，在橫焊位置不能

形成有效的焊接熔池而無(wú)法應(yīng)用，尤其是無(wú)法進(jìn)行面層的焊接。

上述SMAW、FCAW、SAW三種焊接方法在大管接頭的焊接過(guò)程中，F(xiàn)CAW的生產(chǎn)效率最高，約為SMAW的兩倍，但FCAW所用焊接材料（藥芯焊絲）的制造難度較大，成本高于SMAW和SAW，且目前國(guó)內(nèi)藥芯焊絲的研制并未涵蓋所有電站鍋爐常用材料，應(yīng)用最為普遍的仍是GB E501T-1（AWS E71T-1C）。SAW的焊接生產(chǎn)效率與SMAW相當(dāng)，優(yōu)點(diǎn)是SAW的操作環(huán)境和工人勞動(dòng)強(qiáng)度優(yōu)于SMAW和FCAW，為機(jī)械化焊接生產(chǎn)過(guò)程，但需要專門(mén)的馬鞍型埋弧焊設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)此類產(chǎn)品的SAW焊接。

目前，國(guó)內(nèi)外焊接設(shè)備廠家均研制了大管接頭的機(jī)械化和自動(dòng)化焊接設(shè)備，雖然各種數(shù)控馬鞍型焊接設(shè)備層出不窮，但多數(shù)用于壓力容器產(chǎn)品制造行業(yè)，而在電站鍋爐集箱大管接頭的焊接中尚未廣泛應(yīng)用。

2.3 小管接頭焊接

小管接頭是電站鍋爐集箱中種類和數(shù)量最多、焊接難度最大的結(jié)構(gòu)之一。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)及使用要求，小管接頭與集箱筒體的焊縫可為全焊透、部分焊透或非焊透結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 小管接頭與集箱筒體的焊接接頭形式

對(duì)于不要求全焊透的小管接頭的焊接，目前普遍采用SMAW；而對(duì)于要求全焊透的小管接頭則需使用GTAW進(jìn)行打底焊接，然后再SMAW進(jìn)行填充和蓋面焊。由于集箱上的小管接頭多為密排布置，管接頭凈間距一般為40～100mm，有些特殊結(jié)構(gòu)的最小凈間距僅為18 mm，焊接操作十分困難，唯有手工操作才能進(jìn)行焊接。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多設(shè)備廠家大量研究了集箱小管接頭的機(jī)械化或自動(dòng)化焊接。例如日本一設(shè)備制造廠利用機(jī)械手采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）

技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非全焊透結(jié)構(gòu)集箱小管接頭的自動(dòng)化焊接，但目前該設(shè)備尚未在國(guó)內(nèi)集箱生產(chǎn)中采用。另外，一些設(shè)備廠家開(kāi)發(fā)的特種鎢極氬弧焊機(jī)可將焊槍插入小管接頭內(nèi)部，采用GTAW方法不填絲自熔的方式實(shí)現(xiàn)小管接頭與集箱筒體之間的焊接，然后再對(duì)外部坡口采用SMAW、FCAW、SAW等方法進(jìn)行填充和蓋面，這種方法既可保證小管接頭與集箱筒體之間的全焊透焊接，又能提高焊接效率減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，且打底焊無(wú)需焊接材料，但該設(shè)備只適用于長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)的直管接頭與集箱筒體焊接，同時(shí)對(duì)焊接坡口的加工及裝配精度要求較高。

2.4 附件及水壓端蓋的焊接

電站鍋爐集箱的附件是指用于運(yùn)輸包裝和現(xiàn)場(chǎng)安裝的臨時(shí)性或永久性的耳板、彎板、扁鋼及小鋼板等，其焊接結(jié)構(gòu)多為T(mén)型接頭和角接接頭，附件的數(shù)量相對(duì)較少，焊接工作量及焊接難度均不高，通常采用操作方便靈活的SMAW和FCAW方法進(jìn)行焊接，既能保證焊接質(zhì)量，又能保證焊接效率。

水壓試驗(yàn)端蓋焊縫為臨時(shí)性焊縫，僅對(duì)焊縫強(qiáng)度和密封性有要求，在水壓試驗(yàn)端蓋焊接時(shí)集箱的產(chǎn)品焊縫已全部焊接完成，此時(shí)集箱無(wú)法進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)于制造廠內(nèi)水壓試驗(yàn)端蓋（包括集箱筒體、大管接頭、小管接頭的水壓試驗(yàn)端蓋）的焊接均采用SMAW或FCAW方法進(jìn)行焊接。

3 焊后熱處理

集箱的焊后熱處理通常是為了消除焊接殘余應(yīng)力，一般是在所有焊接工作全部完成后進(jìn)行整體進(jìn)爐熱處理。當(dāng)工件壁厚較大或筒體矯正時(shí)也會(huì)在產(chǎn)品制造過(guò)程中采取一定的中間熱處理過(guò)程。根據(jù)集箱材料等級(jí)和焊縫公稱厚度不同，熱處理保溫溫度和時(shí)間也有較大差異，但目前集箱所用材料的焊后消應(yīng)力熱處理溫度為600℃～785℃，熱處理保溫時(shí)間不超過(guò)12 h。

除焊后熱處理外，在集箱產(chǎn)品焊接生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)不同的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊接過(guò)程中控制層間溫度，焊后進(jìn)行后熱或消氫處理，以保證整個(gè)集箱的焊接接頭質(zhì)量。

4 結(jié)論和展望

綜上所述，目前電站鍋爐集箱各種焊接結(jié)構(gòu)焊接方法的選用主要集中在GTAW、SMAW和SAW。環(huán)縫的焊接已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化焊接，但是環(huán)縫SAW焊采用的焊接坡口仍較寬，焊接材料消耗量較大。僅小部分管接頭的焊接可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化焊接，然而對(duì)于焊接工作量最大的密排布置長(zhǎng)管接頭和部分大管接頭的焊接仍然局限于傳統(tǒng)的SMAW方法，已成為制約焊接技術(shù)在集箱制造中的瓶頸。

因此，應(yīng)加大集箱焊接設(shè)備的開(kāi)發(fā)與研制，以進(jìn)一步提高電站鍋爐集箱焊接生產(chǎn)的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化水平。加強(qiáng)對(duì)焊接技術(shù)的研究，以尋求更經(jīng)濟(jì)高效的工藝技術(shù)應(yīng)用于集箱焊接生產(chǎn)。

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Application of welding technology in the manufacture of utility boiler header

XU Xiangjiu，HUANG Chao
（State Key laboratory of efficient and clean Coal-fired Utility Boiler，Harbin Boiler Company limited，Harbin 150046，China）

Accordingtothe material and structure characteristics ofutility boiler header，expatiate on the application ofwelding technology in the manufacture of utility boiler header.Analyze the characteristics of GTAW，SMAW，SAW and FCAW which used in header welding based on the manufacture process of different welds.The development trends of welding technology in the manufacture of utility boiler header were indicated.

utility boiler；header；welding

TG457.5

B

1001－2303（2016）09－0063－05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.15

2015-05-19；

2016-06-01

徐祥久（1982—），男，國(guó)際焊接工程師，碩士，主要從事鍋爐、壓力容器、核電等產(chǎn)品的焊接和熱處理的技術(shù)工作。