電廠鍋爐超厚壁集箱材料選擇與焊接工藝優(yōu)化

摘 要：超厚壁集箱是電廠鍋爐不可或缺的核心組件，起著熱量傳遞與高壓承受等重要作用，其材料品質和焊接技藝的優(yōu)劣直接關系到鍋爐的安全運行與使用持久度。鑒于傳統(tǒng)焊接方式所存在的問題，本文提出了一種模糊控制算法，旨在優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。通過實驗驗證與對比分析評估了這一方法的有效性。相較于傳統(tǒng)方法，模糊控制算法在預測精確度與穩(wěn)定性方面展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)越性。采用該算法優(yōu)化后的焊接技術，顯著增強了集箱材料的力學性能，如抗拉強度、屈服強度、延伸率、沖擊韌性及硬度等，同時材料的耐腐蝕性也得到了大幅度提升，為電廠鍋爐超厚壁集箱的焊接工藝優(yōu)化提供了新的視角和實用方法。

關鍵詞：電廠鍋爐；超厚壁集箱；材料選擇；焊接工藝；模糊控制算法

中圖分類號：TM621.2；TG441.7

文獻標志碼：A

Material selection and welding process optimization for ultra

thick wall header of power plant boilers

WEI Jiagui， HENG Xin， YIN Yi， ZHOU Tianhao

（Shaanxi Energy Electric Power Operation Co.， Ltd.， Xi’an 710016， Shaanxi， China）

Abstract： The ultra thick wall header is an essential core component of power plant boilers， responsible for multiple important roles such as heat transfer and high-pressure bearing. The quality of its materials and welding skills directly affect the safe operation and durability of the boiler. In view of the problems existing in traditional welding methods， this paper proposes a novel fuzzy control algorithm aimed at optimizing welding process parameters. The study conducted experimental verification and comparative analysis to evaluate the effectiveness of this method. Compared to traditional methods， fuzzy control algorithms have shown significant advantages in prediction accuracy and stability. The optimized welding technology using this algorithm significantly enhances the mechanical properties of the header material， such as tensile strength， yield strength， elongation， impact toughness， and hardness. At the same time， the corrosion resistance of the material has also been significantly improved. Therefore， the fuzzy control algorithm proposed in this article provides a new perspective and practical method for optimizing the welding process of ultra thick wall headers in power plant boilers.

Key words： power plant boilers; ultra thick wall header; material selection; welding process; fuzzy control algorithm

0 引 言

在電力工業(yè)領域，電廠鍋爐的穩(wěn)定運行對保障整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定供應至關重要。隨著社會對電力需求的持續(xù)攀升和發(fā)電技術的不斷創(chuàng)新，電廠鍋爐正逐步向更高參數(shù)、更大容量的方向發(fā)展［1］。其中，超厚壁集箱作為電廠鍋爐的關鍵部件，因其承擔著傳遞熱量、承受高壓等多種重要任務，其材料選擇和焊接工藝的質量直接關系到鍋爐的安全性能和使用壽命。在材料選擇方面，超厚壁集箱面臨著高溫、高壓、腐蝕等極端工作環(huán)境的挑戰(zhàn)，這就要求所選材料必須具備出色的耐高溫、抗蠕變、耐腐蝕等特性［2］。傳統(tǒng)的材料選擇方法主要依賴于行業(yè)經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)，但在新材料層出不窮，性能要求日益嚴格的背景下，這種方法的局限性日益凸顯。為了更科學、系統(tǒng)地選擇適用于超厚壁集箱的材料，需要綜合考慮材料的各項性能指標、工作環(huán)境，以及經(jīng)濟成本等多方面因素，以確保所選材料既能滿足性能要求，又具有良好的經(jīng)濟性。

在焊接工藝方面，超厚壁集箱的焊接過程是一項復雜而精細的技術活動。由于集箱壁厚較大，焊接過程中容易產(chǎn)生焊接變形、殘余應力等問題，不僅影響集箱的幾何尺寸和外觀質量，更可能對其安全性能和使用壽命造成潛在威脅［3］。因此，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、提高焊縫質量是確保超厚壁集箱焊接質量的關鍵。近年來，隨著焊接技術的不斷發(fā)展和智能化焊接設備的廣泛應用，將模糊控制算法等先進控制算法應用于焊接工藝參數(shù)優(yōu)化已成為可能。這些算法能夠根據(jù)實時焊接狀態(tài)自動調整焊接參數(shù)，從而有效提高焊縫質量、減少焊接變形和殘余應力［4］。本文針對傳統(tǒng)焊接工藝存在的問題，提出基于模糊控制算法的焊接工藝參數(shù)優(yōu)化方法，并通過實驗驗證和對比分析，評估所提方法的可行性。

此項研究具有重要的理論和實踐意義。在理論方面，通過綜合運用材料科學、焊接技術、控制算法等多學科知識，提出了一套科學、系統(tǒng)的電廠鍋爐超厚壁集箱材料選擇和焊接工藝優(yōu)化方法；在實踐方面，所提方法能夠為電廠鍋爐的安全、經(jīng)濟運行提供有力保障，也可為其他類似設備的材料選擇和焊接工藝優(yōu)化提供有益借鑒。

1 理論和技術基礎

1.1 材料科學基礎

材料的力學性能是評價其是否適用于超厚壁集箱的關鍵因素之一。力學性能包括強度、韌性、硬度等多個方面，這些性能指標直接影響集箱在高溫、高壓環(huán)境下的安全性能。因此，需要深入研究材料的力學性能與其微觀組織結構之間的關系，以便通過優(yōu)化材料的組織結構來改善其力學性能。馬成勇等［5］研究了高溫合金的微觀結構與性能關系，為超厚壁集箱材料的高溫性能優(yōu)化提供了理論基礎。宋生華等［6］通過先進的材料表征技術，分析了鍋爐用鋼的蠕變行為，為材料選擇提供了重要依據(jù)。Kurtulmu［7］探討了耐腐蝕合金在復雜環(huán)境下的腐蝕機理，為超厚壁集箱的耐腐蝕材料設計提供了指導。Zhang等［8］研究了材料成分與性能之間的定量關系，為優(yōu)化超厚壁集箱材料的成分設計提供了有力支持。

材料的耐腐蝕性能也是超厚壁集箱材料選擇中需要考慮的重要因素。在鍋爐運行過程中，集箱可能會遭受到水蒸氣、煙氣等介質的腐蝕作用，從而導致材料性能下降甚至失效。因此，需要研究材料的腐蝕機理和影響因素，以便選擇具有優(yōu)異耐腐蝕性能的材料或采取適當?shù)姆雷o措施。

1.2 焊接技術基礎

焊接技術是一種重要的材料連接方法，廣泛應用于電廠鍋爐等設備的制造和維修過程中。在超厚壁集箱的焊接過程中，焊接技術的選擇對焊縫質量、焊接變形和殘余應力等具有重要影響。王鋒等［9］針對厚壁構件的焊接變形問題，提出了有效的焊接順序和工藝參數(shù)優(yōu)化方法，顯著減少了焊接變形。劉紅星等［10］通過數(shù)值模擬技術，分析了焊接過程中的溫度場和應力場分布，為優(yōu)化焊接工藝提供了有力工具?？祵汖垼?1］研究了焊接殘余應力的產(chǎn)生機理和控制方法，為降低超厚壁集箱的焊接殘余應力提供了技術支持。

焊接方法的選擇是影響焊縫質量的關鍵因素之一。常見的焊接方法包括手工電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊等。不同的焊接方法具有不同的特點和應用范圍，需要根據(jù)具體的焊接要求和材料特性進行選擇。焊接參數(shù)的設置也是影響焊縫質量的重要因素之一。焊接參數(shù)包括焊接電流、電壓、焊接速度等多個方面。這些參數(shù)的設置直接影響焊縫的成型、熔深和熔寬等質量指標。

1.3 控制理論基礎

控制理論是研究系統(tǒng)控制規(guī)律和方法的一門學科。在電廠鍋爐超厚壁集箱的焊接工藝優(yōu)化中，引入控制理論的方法和技術可以實現(xiàn)焊接過程的精確控制和優(yōu)化。韓守鵬［12］將模糊控制算法應用于焊接過程控制，實現(xiàn)了焊接參數(shù)的智能優(yōu)化，提高了焊接質量。Odoemelam等［13］結合神經(jīng)網(wǎng)絡與模糊控制，建立了焊接工藝參數(shù)預測模型。Li等［14］探討了自適應控制在焊接過程中的應用，實現(xiàn)了焊接參數(shù)的實時調整和優(yōu)化。Xing等［15］分析了焊接過程中不確定性因素對焊接質量的影響，提出了基于穩(wěn)健控制理論的焊接工藝優(yōu)化方法。

模糊控制算法作為一種先進的控制方法，在處理不確定性和非線性問題方面具有獨特的優(yōu)勢。在超厚壁集箱的焊接過程中，由于材料特性、焊接條件等多種因素的影響，焊接過程存在較大的不確定性和非線性。因此，將模糊控制算法應用于焊接工藝參數(shù)優(yōu)化中可以實現(xiàn)焊接過程的智能控制。

模糊控制算法通過建立模糊邏輯模型和模糊推理規(guī)則來實現(xiàn)對焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化控制。首先，根據(jù)焊接過程的特點和要求建立相應的模糊邏輯模型；然后，根據(jù)實際焊接過程中的輸入信息和反饋信息進行模糊推理和決策；最后，輸出優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)以實現(xiàn)精確控制。

2 模糊控制算法在焊接工藝優(yōu)化中的應用

模糊控制算法是一種基于模糊數(shù)學和模糊邏輯的控制方法。它通過模擬人的模糊推理和決策過程，對難以建立精確數(shù)學模型的系統(tǒng)進行有效控制。模糊控制算法的核心是模糊控制器，其由模糊化接口、知識庫、推理機和清晰化接口4部分組成。其中，模糊化接口負責將精確的輸入量轉化為模糊量；知識庫包含模糊控制規(guī)則和隸屬度函數(shù)；推理機根據(jù)模糊控制規(guī)則進行推理，得出模糊控制量；清晰化接口則將模糊控制量轉化為精確的控制輸出。

焊接工藝參數(shù)是影響焊接質量的關鍵因素。在傳統(tǒng)的焊接工藝中，焊接工藝參數(shù)的設置多依賴于焊工的經(jīng)驗和試錯法，缺乏科學性和精確性。然而，焊接工藝參數(shù)與焊接質量之間存在著復雜的非線性關系，難以用簡單的數(shù)學公式來描述。因此，需要一種更為科學、系統(tǒng)的方法來優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，提高焊接質量。模糊控制算法在處理這種復雜關系方面具有獨特的優(yōu)勢。它可以通過建立模糊控制規(guī)則，綜合考慮多種影響因素的綜合作用，得出優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)。這些優(yōu)化的參數(shù)不僅可以提高焊縫的成型質量和力學性能，還可以減少焊接變形和殘余應力，提高焊接接頭的整體性能。模糊控制器結構如圖1所示。

假設輸入量為焊接速度v、電流i，輸出量為焊接質量Q，則模糊控制系統(tǒng)的輸入輸出關系可表示為：

這里，μk（v）和μk（i）分別是輸入變量v和i的第k個模糊集合的隸屬度函數(shù)，Qk是輸出變量Q的第k個模糊值。

首先，需要確定焊接工藝優(yōu)化中的輸入輸出變量。輸入變量通常包括焊接電流、電壓、焊接速度等工藝參數(shù)；輸出變量則為焊接質量指標，如焊縫成型系數(shù)、熔深、熔寬等。這些變量的選擇應根據(jù)具體的焊接工藝要求和實驗條件來確定。根據(jù)焊接工藝專家的經(jīng)驗和知識，建立模糊控制規(guī)則。這些規(guī)則描述了輸入變量與輸出變量之間的關系，以及不同輸入變量之間的相互作用。隸屬度函數(shù)是模糊控制算法中的重要組成部分，用于描述輸入變量和輸出變量的模糊性。根據(jù)焊接工藝的特點和要求，設計合適的隸屬度函數(shù)，以反映不同輸入變量和輸出變量之間的相對重要性。

設待分類元素的集合X=［X1， X2， …， Xn］，每一元素有s個指標：

其中，Z=（z1， z2， …， zn）， zj表示第j類的聚類中心，j=1， 2， …， c；m是加權系數(shù)；dij（xi， zj）=xi－zj表示樣本點xi到中心點zj的歐氏距離。

在建立了模糊控制規(guī)則和設計了相應的隸屬度函數(shù)之后，便可以開始進行模糊推理和決策過程。這一過程旨在模擬人類的邏輯思維，處理那些難以用精確數(shù)學語言表達的復雜情況。在模糊推理階段，使用已建立的模糊控制規(guī)則來評估當前輸入狀態(tài)下的可能輸出。每一條模糊控制規(guī)則都對應一種可能的焊接情況，它們反映了焊接工藝參數(shù)與焊接質量之間的非線性關系。模糊控制規(guī)則的合成公式為：

Ai=∑nj=1wij·Aj

（6）

其中，Ai為第i個輸出變量，Aj為第j個輸入變量，wij為第i個輸出變量與第j個輸入變量之間的模糊關系權重。在模糊決策階段，結合所有適用的模糊控制規(guī)則和相應的隸屬度函數(shù)，通過模糊合成運算來得出最終的優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。這一步驟實現(xiàn)了從模糊輸入到精確輸出的轉換，為人們提供了優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)集。通過模擬的模糊推理過程，能夠得出在各種不同焊接條件下都能獲得良好焊接質量的優(yōu)化參數(shù)。這些參數(shù)不僅考慮了單個因素的影響，還綜合考慮了多個因素之間的相互作用和權重關系。

3 實驗驗證和結果分析

在本次研究中，為了探究模糊控制算法對電廠鍋爐超厚壁集箱焊接工藝的優(yōu)化效果，我們選取了具有代表性的電廠鍋爐超厚壁集箱材料作為焊接對象，并利用先進的焊接機器人和輔助設備進行實驗操作。實驗分為傳統(tǒng)焊接組和模糊控制優(yōu)化組，以傳統(tǒng)工藝為基準，通過對比分析來驗證新策略的有效性。在實驗過程中，嚴格控制了焊接工藝參數(shù)和實驗環(huán)境條件，確保了數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。實驗結束后，對焊接接頭的力學性能和耐腐蝕性能進行了測試，展示了模糊控制算法在提升材料性能方面的優(yōu)勢。

圖2所展示的傳統(tǒng)方法在特定工藝環(huán)境下的焊接工藝參數(shù)預測結果，說明了傳統(tǒng)預測方法在實際應用中的局限性。隨著注入?yún)?shù)的變化，預測結果與實際工藝參數(shù)之間出現(xiàn)了明顯的偏差，這不僅影響了焊接過程的精確性，還可能對焊接接頭的性能產(chǎn)生不利影響。針對預測結果存在的偏差問題，可以考慮引入模糊控制算法進行優(yōu)化。

如圖3所示，在相同的工藝環(huán)境下，新策略展現(xiàn)出了相較于傳統(tǒng)方法更高的預測精度。預測結果與實際工藝參數(shù)之間的高度吻合，充分證明了模糊控制算法在處理復雜焊接工藝參數(shù)預測時的有效性和優(yōu)越性。

模糊控制算法具有較強的自適應能力和穩(wěn)健性。在實際應用中，焊接工藝環(huán)境可能會發(fā)生變化，如材料性能的差異、設備老化等。模糊控制算法能夠通過實時調整和優(yōu)化控制規(guī)則，適應這些變化，保持預測結果的穩(wěn)定性。

在電廠鍋爐超厚壁集箱的材料選擇上，本試驗選擇了如20G、 12Cr1MoV等優(yōu)質合金鋼作為主要材料。這些材料不僅具有良好的力學性能，如高抗拉強度、高屈服強度、良好的延伸率和沖擊韌性，而且還具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，能夠在高溫、高壓的惡劣環(huán)境下長期穩(wěn)定運行。從表1可以看出，采用模糊控制算法優(yōu)化后的焊接工藝（A2～A4）相較于傳統(tǒng)焊接工藝（A1），在力學性能上有了顯著提升?？估瓘姸?、屈服強度、延伸率、沖擊韌性和硬度等指標均有所增長。這表明模糊控制算法能夠有效地優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，從而提高電廠鍋爐超厚壁集箱材料的力學性能。

表2展示了采用不同焊接工藝后電廠鍋爐超厚壁集箱材料的耐腐蝕性能。通過對比傳統(tǒng)焊接工藝（B1）和模糊控制優(yōu)化后的焊接工藝（B2～B4），可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的工藝顯著提高了材料的耐腐蝕性能。在鹽霧腐蝕試驗中，優(yōu)化后的焊接接頭表現(xiàn)出了更長的耐腐蝕時間和更低的腐蝕速率。同時，點蝕電位也有所提高，說明優(yōu)化后的焊接工藝能夠有效提高材料的抗腐蝕能力。

與傳統(tǒng)方法相比，優(yōu)化后的工藝顯著提升了材料的力學性能和耐腐蝕性能。優(yōu)化后的焊接接頭具有更高的強度和韌性，能夠承受更大的載荷和沖擊，同時，耐腐蝕時間更長，腐蝕速率更低。這表明模糊控制算法在處理復雜焊接過程中具有優(yōu)越性，為電廠設備的制造和維護提供了新的有效方法。

4 結 論

本文研究了模糊控制算法在電廠鍋爐超厚壁集箱焊接工藝優(yōu)化中的應用，并通過實驗驗證了其有效性。結果表明，相較于傳統(tǒng)焊接工藝，采用模糊控制算法優(yōu)化的焊接工藝能夠顯著提升材料的力學性能和耐腐蝕性能。優(yōu)化后的焊接接頭具有更高的強度、韌性和抗腐蝕能力，有望提高電廠設備的安全性和可靠性，延長其使用壽命并降低維護成本。

模糊控制算法在電廠鍋爐超厚壁集箱焊接工藝優(yōu)化中展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢。未來的研究可以進一步探索模糊控制算法與其他先進技術的結合，以期在更廣泛的領域實現(xiàn)焊接工藝的智能化優(yōu)化。

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