快裝鍋爐管板焊接的工藝性分析

劉智昕

摘 要：本文對臥式快裝蒸汽鍋爐管板的焊接性進(jìn)行了較為全面的分析，其中重點(diǎn)對管板角焊縫的不同焊接工藝方法進(jìn)行了探討分析，并從本單位的實(shí)際情況出發(fā)，為一臺型號為WNS6-1.25-Y（Q）燃?xì)庹羝仩t的煙管更換選擇了合理的焊接工藝，給予了同種類型鍋爐的大修更多的焊接參考。

關(guān)鍵詞：臥式快裝鍋爐管;板大修焊接工藝;分析

中圖分類號：TK223 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0164-03

0 引言

臥式快裝鍋爐屬于一種煙（火）管與水管組合鍋爐，在小參數(shù)（≤20t/h）的工業(yè)鍋爐的使用中得到了普及，其自身具備結(jié)構(gòu)相對較為緊湊、性能良好且運(yùn)行較為穩(wěn)定、易于進(jìn)行維護(hù)工作等等諸多較為突出的優(yōu)點(diǎn)。該種鍋爐一般由鍋殼與前后管板以及高低溫?zé)煿艿鹊雀鱾€(gè)受壓部件構(gòu)成的，全部采用焊接結(jié)構(gòu)。其中高、低溫?zé)熓业墓馨搴附硬捎媒呛缚p形式，在工作時(shí)外部介質(zhì)為高溫?zé)煔?，其中的介質(zhì)為爐內(nèi)的沸水，而且爐水中會產(chǎn)生一定的氣泡，而氣泡處于角焊縫根部的情況下，角焊縫根部的溫度會瞬間升高，其承受的應(yīng)力屬于交變應(yīng)力，工作的環(huán)境條件相對較差，發(fā)生滲漏的可能性較小，因此對焊接質(zhì)量要求較高。我公司一臺由中核動力設(shè)備有限公司制造的型號為WNS6-1.25-Y（Q）的蒸汽鍋爐由于多年的運(yùn)行，前后高低溫?zé)煿苁軣峁苈纷儽。?jīng)常出現(xiàn)爆管事故。2019年7月公司決定對其進(jìn)行大修，更換煙管。作為鍋爐主要的受熱面，其中有更多的煙管，其管孔在管板上多均勻布置，布置簡圖如圖1所示。

為最大限度的減少成本支出，當(dāng)受熱面達(dá)到相應(yīng)要求時(shí)要盡可能的使用體積或者直徑較小的鍋筒，同時(shí)盡可能更多的布置煙管，然而管橋，即相鄰兩管孔之間的最小間距過小，將強(qiáng)度作為考慮的因素，角焊縫的標(biāo)準(zhǔn)高度要滿足管壁的厚度再加上三毫米，而且管橋不可以太小，在這其中存在一定的矛盾關(guān)系。所以在快裝鍋爐的制造和大修中，管板的焊接屬于焊接工藝評判的主要內(nèi)容，由于管板角焊縫臨近的角焊縫間的距離較短，很有可能會有熱影響區(qū)和焊縫重疊的狀況產(chǎn)生，以結(jié)構(gòu)定型為基礎(chǔ)，需要對焊接工藝進(jìn)行合理控制。而且，提升生產(chǎn)效率且工件裝配標(biāo)準(zhǔn)也作為編制焊接工藝要考慮的主要內(nèi)容。將對這臺快裝鍋爐中管子和管板的焊接工藝做出探討分析[1]。

1 管板材質(zhì)的焊接性分析

此臺WNS6-1.25-Y（Q）快裝鍋爐的管板材料為低合金鋼16Mng（Q345），煙管材料為低碳鋼20g，大致講述兩者都屬與低碳鋼系列中的良好碳素結(jié)構(gòu)鋼以及鍋爐專用鋼材。20g、16Mng鋼材的主體材料其實(shí)就是20#和16Mn鋼材?！癵”便能夠代表鍋爐專用鋼材，其中加入了含量較少的合金元素，目的是要有效提升鋼的各方面的性能，和一般的20#、16Mn做出比較，其有溫度形變小、耐腐蝕性好、微合金化等較為突出的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 管板材料的化學(xué)成分與機(jī)械性能

1.1.1 管板材料的化學(xué)成分（表1）

1.1.2 管板材料的機(jī)械性能（表2）

1.2 對低碳鋼的焊接性做出分析

因?yàn)榈吞间撝械奶荚氐暮颗c合金元素的含量相對較低，但是其強(qiáng)度相對較低，具有較好的塑性，有優(yōu)異的焊接性。

（1）能夠制作成為多種焊接的接頭種類，適合于各種位置的焊接;

（2）焊縫有裂紋的情況發(fā)生、氣孔的傾向性較小，只有焊材、母材的成份不符合基本要求時(shí)，例如其中的碳、硫、磷的含量較高的情況下，焊縫處才會有產(chǎn)生熱裂紋的可能性;

（3）一般無需在焊制前對其進(jìn)行預(yù)熱，而當(dāng)在溫度不高或者結(jié)構(gòu)的剛性太大時(shí)，才有可能對其進(jìn)行預(yù)加熱;

（4）若空氣中的氧和氮進(jìn)入焊接熔池時(shí)，焊縫金屬將被氧化或氮化。其中的氧化亞鐵就能夠引法熱裂紋的情況;

（5）當(dāng)沸騰鋼中的氧的成分較大時(shí)，有可能會出現(xiàn)裂紋;

（6）硫和磷的含量偏高，也是使裂紋傾向增加的重要因素。

16Mng隨屬低合金鋼，但其焊接性跟低碳鋼差不多，在進(jìn)行焊接工藝評定的時(shí)候，大多數(shù)情況都?xì)w屬于低碳鋼[2]。

2 幾種不同焊接方法的特點(diǎn)

該管板焊縫屬于水平固定情況下的全位置焊接，焊接的方式可以是焊條電弧焊或者是自動鎢極氬弧焊、自動熔化極氣體保護(hù)焊，三種焊接方法各有其優(yōu)點(diǎn)及不足。

2.1 焊條電弧焊（SMAW）

鍋爐管子、管板角焊縫采用焊條電弧焊時(shí)，依據(jù)母材的材質(zhì)，分別采用E4303，即母材屬于碳鋼的情況或者是E5015，即母材屬于低合金鋼的情況下的焊條，焊材規(guī)格多采用Φ3.2mm，焊接電流90～120A，電弧電壓22～24V。由于操作者的技能和焊縫金屬自重的原因，角焊縫的寬度k1 和高度k2并不固定，而且還會隨著焊縫位置的變化而變化（圖2），所以相鄰角焊縫熱影響區(qū)間距離不能夠達(dá)到相應(yīng)的基本要求，需在焊接完成后對其進(jìn)行熱處理，使生產(chǎn)的成本更高。然而，焊條電弧焊的工件的裝配標(biāo)準(zhǔn)較低，管板的平面度或者是管口圓度較差時(shí)也可以進(jìn)行焊接。

綜上所述，采用焊條電弧焊焊接管板角焊縫具有這樣的特征：（1）生產(chǎn)效率較高;（2）用于設(shè)備的支出較小;（3）裝配的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)較低;（4）所形成的焊縫并不美觀，易受到焊工技術(shù)水平的明顯影響，容易之事相鄰的角焊縫與熱影響區(qū)發(fā)生重疊;（5）增加了焊工的勞動強(qiáng)度，同時(shí)勞動的環(huán)境較為惡略。

當(dāng)前，因?yàn)楹笚l電弧焊具有生產(chǎn)效率較高的特點(diǎn)、工件的裝配標(biāo)準(zhǔn)較低，因此在管板角焊縫的焊接過程中得到了應(yīng)用的普及，但更需在設(shè)計(jì)時(shí)加長管橋的長度以避免出現(xiàn)相鄰管子間的角焊縫距離不符合相應(yīng)的技術(shù)要求的情況發(fā)生[3]。

2.2 自動焊中的鎢極氬弧焊（TAW-P）

這種焊接方式是為彌補(bǔ)焊條電弧焊的缺點(diǎn)而出現(xiàn)的，因?yàn)楹附舆^程中的熱量輸入較小，能夠更好地把控焊縫成形，焊縫處的熱影響區(qū)域較小，其能夠滿足各項(xiàng)技術(shù)的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段的鍋爐制造商經(jīng)常使用德國制造的0RBIMAT 250C焊接使用的電源與P-16M/P-20機(jī)頭以提供于管板焊接使用，P-16M要在開始焊接之前與之后的管板和煙管角焊縫處使用，定位芯軸過長，P-20需應(yīng)用于回?zé)熓业墓馨搴蜔煿芙呛缚p的焊接，其定位芯軸相對而言比較短。焊接的區(qū)域在水平固定位置，這一設(shè)備運(yùn)用了DSP技術(shù)，其控制的形式為計(jì)算機(jī)控制使得焊接電源與控制系統(tǒng)具有良好的調(diào)節(jié)能力，電源的外部特征、動特征，焊接參數(shù)的穩(wěn)定性與調(diào)節(jié)能力都可以滿足管板全位置鎢極氬弧焊的焊接要求，同時(shí)可以準(zhǔn)確地對焊接的每一個(gè)參數(shù)做出調(diào)節(jié)與自動化的控制，并且具備便利的焊接程序編制功能。只需將焊接的各個(gè)參數(shù)，其中包含預(yù)先設(shè)置和滯后以及焊接時(shí)的規(guī)范性的參數(shù)，輸入至已完成編制的程序之內(nèi)，以控制電源與機(jī)頭使其能夠自動完成焊接的完整過程。這一設(shè)備尚不具備程序的記憶與儲存能力，可以將數(shù)十個(gè)編碼完成的焊接程序存儲在磁卡或者是打印與紙上，之后可以依照號碼來選取使用。

因?yàn)閼?yīng)用氬弧焊的焊接方式，焊接時(shí)的熱量輸入較小，一般焊接時(shí)的電流是90～130A，電弧的電壓是13～15V，焊縫的成形較好，這時(shí)候圖3中的角焊縫的焊接完成較好，同時(shí)角焊縫的寬度與高度之差較小，尤其在管橋狹小的位置，可以確保焊縫間的最小6mm的間距。然而，因?yàn)楣馨宓钠矫娑却嬖谌秉c(diǎn)，管子或者是管口并不為很好的圓形，其在加工制造時(shí)會產(chǎn)生較小的公差，事實(shí)上為一橢圓，焊槍的跟蹤調(diào)節(jié)系統(tǒng)不能做到對其完成自動調(diào)節(jié)，因此在設(shè)備的焊接過程中工件裝配標(biāo)準(zhǔn)較低，例如：規(guī)定了管板的平面度處于Φ200mm之內(nèi)比2mm小，不然焊槍的3個(gè)支撐腳不能夠和管板緊密貼合，焊槍的運(yùn)行軌跡會產(chǎn)生偏差，可能會焊在管板或者是管子上，而且也許會將管子焊穿;同時(shí)，管孔的直徑需要做到比管子的直徑略大，并要控制其處于1mm的范圍內(nèi)，不然管子管孔不同心會導(dǎo)致焊槍發(fā)生轉(zhuǎn)動或者是偏離，以上這些問題均為這一設(shè)備存在的最為嚴(yán)重的問題，同時(shí)是較難得到良好去除的缺點(diǎn)。而且，這一設(shè)備的生產(chǎn)效率相對低，一個(gè)角焊縫需焊兩道才能夠符合焊縫尺寸的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，只是考慮焊接的速率的情況下，焊條電弧焊的焊接速率相較于自動鎢極氬弧焊將近快一倍。特別是鍋爐現(xiàn)場局部維修的補(bǔ)焊工作就更加發(fā)揮不出自動鎢極氬弧焊的優(yōu)越性來，應(yīng)用其它鎢極氬弧焊設(shè)備的情況和這種相類似。

自動鎢極氬弧焊焊接管板的角焊縫具有這樣的特征：（1）焊縫的最終形態(tài)較好，能夠確保焊接的質(zhì)量;（2）工件裝配標(biāo)準(zhǔn)較低;（3）焊接速度相較與焊條電弧焊低;（4）設(shè)備成本較高。因此，自動鎢極氬弧焊更多的應(yīng)用在管橋極為狹窄的區(qū)域，當(dāng)前在鍋爐管板焊接過程中的使用較少，但是在換熱器管板的焊接中的使用卻相對較為普遍。

2.3 自動熔化極氣體保護(hù)焊（CO2W）

一般運(yùn)用CO2氣體或者是混合氣體的保護(hù)焊，常將CO2作為焊接過程中的保護(hù)氣體，能夠使用實(shí)心焊絲亦或是藥芯焊絲。因而其焊接過程中的熱量輸入較大，焊接的電流為180～200A，電弧的壓為23～26V，一條角焊縫的焊接只需要焊接一道，便能夠符合角焊縫的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，大大提高了自動鎢極氬弧焊的生產(chǎn)效率，其良好的綜合了焊條電弧焊和自動鎢極氬弧焊兩種焊接方法的長處，在確保較高焊接質(zhì)量的同時(shí)，能夠保持較高的生產(chǎn)效率。需要的設(shè)備和自動鎢極氬弧焊時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)具有相似性。焊接不一樣的位置需應(yīng)用與之對應(yīng)的焊接參數(shù)，而且這些焊接參數(shù)能夠按照之前的設(shè)置完成自動轉(zhuǎn)換，焊縫的成形較好。這種焊接工藝具有這樣的主要特征：（1）焊縫的質(zhì)量較好;（2）生產(chǎn)的效率較高;（3）能夠有效降低焊工的勞動強(qiáng)度;（4）工件的裝配標(biāo)準(zhǔn)較低;（5）設(shè)備成本較大;（6）焊接的成本較大。

通過以上分析，自動鎢極氬弧焊和自動熔化極氣體保護(hù)焊較適合于制造單位的批量制造，而并不適合使用單位的零星焊接修理[4]。

3 鍋爐管板焊接時(shí)焊縫的坡口形式

管板角焊縫坡口有三種基本形式（如圖3）。

4 焊接材料的選用原則

前面談到16Mng和20g的焊接性差不多，但從微觀角度講管板16Mng和煙管20g間的焊接是不同種類的金屬低碳鋼與低合金鋼的焊接，因此焊接材料選取要求是：強(qiáng)度和塑性、沖擊韌度都不可以低于被焊鋼材中的最小值。

5 WNS6-1.25-Y（Q）鍋爐煙管更換時(shí)的焊接工藝選擇

根據(jù)我公司生產(chǎn)實(shí)際和現(xiàn)有設(shè)備狀況，本著充分利用現(xiàn)有資源，挖掘職工潛力的原則，最終確定焊接工藝如下：

（1）焊接方法：焊條電弧焊;

（2）焊接材料：φ3.2低氫鈉型焊條（E5015），高溫烘干并保溫，隨用隨取;

（3）焊接設(shè)備：弧焊整流器（ZXE1-160），直流反接，I=90～120A;

（4）坡口形式為管端伸出開坡口，管端、管板要除銹、清油污，打磨平整，全位置焊接，每條焊縫兩遍;

（5）焊接順序：前后管板交替，同一管板對角錯(cuò)開，避免焊接應(yīng)力局部高度集中;

（6）挑選具備鍋爐壓力容器焊接資格的高級焊工;

（7）做好相應(yīng)的安保防護(hù)。

6 結(jié)語

在對快裝鍋爐的管板角的焊縫進(jìn)行焊接的過程中，為符合安全技術(shù)規(guī)范的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，必須要更多的考慮每一種焊接方式的特征，確保質(zhì)量和效率能夠達(dá)到很好的平衡狀態(tài)，選用適宜的焊接方法。以上的焊接方式中，焊條電弧焊的生產(chǎn)效率很高，卻需要更長的管橋長度才能夠保障焊接的質(zhì)量，自動鎢極氬弧焊的焊縫質(zhì)量好，但是生產(chǎn)效率卻非常低，同時(shí)對工件的裝配要求并不高，自動熔化極氣體保護(hù)焊的焊縫的質(zhì)量優(yōu)異，能產(chǎn)生更高的生產(chǎn)效率，只是其焊接的成本太大。目前，我公司幾臺蒸汽鍋爐在檢修時(shí)均采用焊條電弧焊，其它生產(chǎn)廠家或使用單位要根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮。

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