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焊接技术|锅炉行业焊接技术的现状及发展趋势

发布时间:2020-1-17

我国锅炉行业经过数十年的发展,特别是近5年的快速发展,取得了辉煌的成就。据统计,锅炉生产厂家达1400多家,锅炉制造能力接近1亿kW。各种锅炉技术的发展突飞猛进,如超临界和超超临界锅炉、大型CFB锅炉以及蒸汽燃气联合循环锅炉等。大型发电锅炉朝着大容量高参数和高效率发展,短短几年之内,我国锅炉完成了由300mW机组上升到600mW、1000mW机组,蒸汽压力从亚临界发展到超临界和超超临界,主蒸汽温度从540℃发展到566℃、600℃。我国锅炉设计、制造技术水平已经达到世界先进水平。

焊接是锅炉制造中最为关键的工艺方法之一,锅炉行业中焊接技术水平的高低直接影响我国发电装备制造行业水平。长期以来,锅炉制造行业一直致力于锅炉焊接技术的发展,进步锅炉制造技术水平,特别是近5年来,锅炉技术的发展进一步加快了焊接技术的发展,同时焊接技术水平的进步也有利推动了锅炉行业的发展。下面重点先容锅炉焊接技术的发展现状,并结合后期锅炉发展趋势,谈谈锅炉焊接技术的发展方向和远景。

锅炉焊接技术的发展现状

这些年来,国内各锅炉厂均在积极进行技术改造,引进新设备,推行先进的焊接新工艺,以适应锅炉容量、参数和炉型的变化,满足复杂锅炉部件和锅炉新材料的制造要求。下面着重先容锅炉关键部件的焊接技术发展现状。

1.锅炉关键部件焊接工艺现状

电站锅炉主要关键部件包括汽包、集箱、膜式壁和蛇形管(过热器、再热器和省煤器)等部件。各部件焊接技术现状如下:

(1)锅炉汽包的焊接

汽包在锅炉中承担集汽、集水和汽水分离的作用,是亚临界锅炉关键核心部件。汽包由筒节、封头、下降管管座、汽水连接管座、水位表管座和汽包内件组成,其主要焊缝包括筒节纵缝、环缝、下水管管座焊接、汽水连接管的焊接以及其它附件焊接。

由于汽包在锅炉中的特殊地位,其焊接质量一直受到制造厂的高度重视和电厂用户的普遍关心,我国国家法规对其焊接和检验提出相当高的要求,因此焊接工艺必须确保焊接质量。同时,由于汽包壁厚和尺寸大,焊接工作量相当大,因此,锅炉制造厂家需积极发展高效的焊接工艺和方法。

①锅炉筒身纵、环缝焊接

当前汽包筒身主要采用板制焊接而成,成形工艺有压制和卷制两种工艺。根据筒身成形工艺不同,各厂采用的焊接方法、工艺和焊接坡口也就有所差异。目前,用于锅筒纵、环缝焊接方法中有电渣焊、焊条电弧焊+常规坡口埋弧自动焊和焊条电弧焊+窄间隙埋弧自动焊等,其焊接坡口和工艺如表所示。


国内300mW、600mW锅炉的压制筒节纵缝和环缝大都采用了窄间隙埋弧自动焊,配备焊接防窜动滚轮架和焊接操纵机,构成纵环缝焊接工作站。由于该焊接工艺填充量小,接头韧性好,焊缝抗氢致裂纹性能好,在锅炉上得到广泛使用。纵缝焊接时应留意焊接变形导致坡口尺寸变化,应在选择坡口角度和防止变形方面采取措施。

窄间隙埋弧焊接可以单丝或双丝,双丝比单丝效率进步70%~80%。然而由于双丝焊接对坡口加工精度、焊缝跟踪、焊剂工艺性能和焊工操纵技能等要求较高,而少有采用,东方锅炉已完全把握该技术并在锅炉汽包和重型容器上使用。

20世纪80年代以前各锅炉厂均采用电渣焊工艺,用来焊接200mW以下锅炉汽包筒节纵缝。设备为前苏联引进和国内仿制的3丝电渣焊。后来因设备报废,国内停止生产而逐渐淘汰。部分厂家因其焊接效率高、配套成形设备等因素仍继续使用,而且通过改进焊接材料、外加磁场和热处理工艺,较好地改善了电渣焊接头的综协力学性能。

②下降管管座焊接

大容量机组锅筒下降管管座常由15CrMo、20MnMo、13MnNiMo54等低合金钢制成,每台汽包至少有4只下降管。典型锅炉下降管座及其坡口形式如图1所示。常用的焊接方法为焊条电弧焊和埋弧自动焊,此外还有药芯焊丝半自动气保焊。

20世纪90年代以前,我国各锅炉厂普遍采用手工电弧焊接。焊接量相当大,如300mW锅炉下降管角焊缝所用焊条达120~140kg,需要2名焊工对称焊接3天左右,而且深坡口内焊渣很难清除导致焊接缺陷,合金钢焊接预热温度150℃以上,焊接劳动强度相当大。

③大管座焊接

锅炉汽包上管径φ≥108mm的管座一般多达150只,焊接工作量也相当大,而且锅炉法规要求所有接头采用焊透结构、焊透的工艺方法,并经过100%UT探伤检查。因此须采用图3所示的坡口形式,并采用氩弧焊打底的焊接工艺保证根部焊透。外面填充焊道各厂采用不同的焊接方法,有手工电弧焊、半自动气体保护焊、马鞍埋弧自动焊。马鞍埋弧自动焊接采用φ1.6~φ2.0焊丝,焊接效率比手工焊接进步50%以上,合格率达98%,该方法已在锅炉行业广泛使用,但焊道之间需要人工排道。

当前有的锅炉厂已经实现内孔自动氩弧焊+马鞍埋弧自动焊新工艺。

④内件及其他附件焊接,当前还没有实现机械或自动焊接,主要采用半自动气体保护焊和焊条电弧焊。

(2)集箱焊接

集箱也是锅炉中关键的承压部件之一,在锅炉中起到集汽或分汽、集水或分水作用,往往布置在炉膛之外,连接炉膛或烟道中的水冷壁、再热器、过热器和省煤器。因此其材料随使用温度不同而变化,包括碳钢、合金耐热钢、高合金耐热钢,甚至不锈钢。集箱焊接主要包括筒身环缝焊接、大管座焊接和受热面管座焊接,其各自的焊接方法如下:

①进行筒身环缝焊接时,当φ<190mm或壁厚δ<14mm时,通常采用手工氩弧焊+焊条电弧焊;当φ≥190mm时,通常采用手工氩弧焊+焊条电弧焊+埋弧自动焊。

②集箱大管座焊接,一般采用手工TIG焊+手工电弧焊或药芯焊丝气保焊组合焊接工艺。

③受热面管座焊接,对于全焊透结构的短管接头,可采用内孔TIG焊+电弧焊;非全焊透的短管接头和长管接头都采用焊条电弧焊。

集箱是锅炉行业焊接的难点,其焊接结构复杂,材料品种、规格多样,焊接要求高,难以实现自动化焊接。多年来我国锅炉行业一直致力于自动焊接工艺和装备的研究,先后开发或引进过热丝TIG焊、焊接机器人工作站、机器人焊接等,均未能成功运用于生产。近年来,随着电子技术和焊接技术的发展,已经取得了一些成效,如环缝窄间隙热丝TIG、集箱短管座内孔氩弧焊、集箱管座细丝埋弧焊等。

环缝窄间隙热丝TIG焊接技术的突破,可以很好的解决集箱环缝打底焊接并焊至8~10mm,以便直接用埋弧焊接,解决了以前两种方法才能完成的焊接任务具有以下优点:

①焊接质量好合格率99%以上;

②焊材消耗低,是原来的1/3;

③适应难焊的高合金材料的焊接。

窄间隙热丝TIG焊接新工艺(如图4)解决了长期困绕的筒身点焊与转动题目、筒身窜动与跟踪题目,必将成为未来集箱与管道焊接的方向。

(3)膜式壁焊接

锅炉的炉膛和烟道均采用全焊接密封结构,往往使用管子+扁钢焊接成膜式壁。膜式壁管屏根据管内介质不同而分为水冷壁和包墙过热器。膜式壁焊接最具特色的就是光管+扁钢的焊接,其焊接量相当大,一台300mW锅炉焊缝长度达18万m,因此膜式壁焊接的追求目标就是高效、自动化。

当今世界先进的膜式壁自动焊接技术主要有日本三菱重工开发的MPM焊接技术和德国BOBCOCK公司开发的SAW自动焊接技术两种技术流派。我国各大锅炉厂在20世纪80年代末开始引进自动焊接技术,因引进渠道的不同,而沿用和发展了不同的焊接工艺,无论采用哪种焊接技术,均达到了世界先进水平。这两种焊接专用设备均完全实现了国产化,特别是近年来随着电力井喷行情到来,锅炉行业大量装备了膜式壁自动焊接技术。

MPM焊,配备12头(甚至20头)GMAW焊头,能从管屏的正反两面进行焊接,焊接过程中产生稳定的脉冲喷射过渡,这就保证了上、下焊缝成型美观,焊接质量稳定,同时正反两面焊缝的焊接变形能相互抵消,管屏焊接后基本上无挠曲变形,其焊接速度为700mm/min。

管屏埋弧焊接技术采用1.6mm焊丝,匹配高速焊剂,可以达到1200~1300mm/min的焊接速度,埋弧焊接成形美观,熔深较大。对于超临界锅炉9mm扁钢可以不开坡口。但是埋弧焊接不能实现正反两面同时焊接,因此焊接正面后需要翻面再焊,带来的题目就是单面焊后存在变形需要校正,并且车间焊接环境较差。

(4)蛇形管的焊接技术

锅炉蛇形管焊接主要是直径小于76mm小口径管的对接焊,其材料从碳钢、高合金钢到不锈钢,焊接接头均要求进行100%的射线探伤。锅炉小口径管的对接接头数目和壁厚,随着锅炉容量的增大而增加,如1000mW超超临界锅炉的过热器壁厚已达12.7mm,悬挂管壁厚达18.3mm,上部水冷壁凝渣管壁厚达20~22mm,接头总数达5万多个。因此进步管子焊接的质量和效率是锅炉制造厂长期追求的目标。

当前,我国锅炉小管直管对接焊主要采用自动TIG+MIG和自动热丝TIG焊两种焊接工艺。自动焊接设备配备焊前自动取料架和焊后送管料架,与X射线产业荧光探伤机和自动CNC弯管机,构成了蛇形管生产线,使锅炉蛇形管生产效率和质量得到大大进步。锅炉行业已经装备蛇形管焊接生产线100余条,而且全部能实现国产化。

热丝TIG焊接具有焊接质量好、焊接效率高、异种钢焊接稀释率低、焊接材料供给方便、材料适应性广和可实现连续焊接等优点,必将成为锅炉蛇形管焊接主流。

当然,锅炉蛇形管生产中也存在先弯管后焊接的情况,此时只能采用手工TIG焊、手工TIG焊打底+焊条电弧焊以及全位置TIG焊等,对于壁厚较厚的弯管对接(δ≥10mm),最好采用全位置热丝脉冲TIG焊。

蛇形管附件焊接主要采用手工电弧焊和半自动气体保护焊接。

2.锅炉焊接材料

锅炉上使用的焊接材料主要针对耐热钢焊材体系,品种有手工焊条、氩弧焊丝、埋弧焊焊丝、气体保护焊实心、药芯焊丝等。这些年我国焊接材料生产厂家在生产规模、焊接材料品种、产品质量、镀铜包装有了长足进步,表现在以下方面:

(1)气体保护焊丝的质量进步较快,如氩弧焊丝实现筒装,焊丝直径均匀度、焊丝送线性和焊丝镀铜质量均比以前更好,有利促进了锅炉行业气体保护焊接工艺技术的推广运用;

(2)药芯焊丝开发上取得进展,在碳钢焊丝基础上开发了E811-B2、B3等耐热钢、强度60kg等级别的药芯焊丝;

(3)埋弧焊丝基本实现镀铜、盘装,方便了生产,进步了焊接质量。

但是,我国锅炉焊接材料还不能适应大容量、高参数锅炉发展的需要,在锅炉高合金耐热钢和耐热不锈钢的研发上严重滞后,特别是适用于566℃以上温度参数的高强度耐热钢材料的焊接。而日本、美国、欧洲等在开发新材料方面取得了可喜成绩,开发了T/P23、T/P24、T/P91、T/P92、T/P122、SUPER304H、HR3C等材料的同时,开发了一系列相适应的焊接材料。

3.计算机在焊接治理上的运用

国家法规和标准对锅炉承压部件的焊接工艺、焊接材料、焊工培训考试与治理均提出很高要求,每项焊接工艺需要进行工艺评定,焊接材料需要焊接试验和进厂验收,每项焊接工作需要相应资格的焊工进行施焊,其治理难度相当大,需要微机治理。

2000年以后,各锅炉厂借用工艺CAPP的商用软件平台,并进行二次开发,实现了焊接材料验收和治理、焊工考试和治理、焊接工艺评定和焊接工艺规程自动编制和治理、焊接工艺编制和焊接材料定额等焊接治理工作的全微机化。随着公司ERP系统的开发和运用,还将进一步拓展焊接微机治理领域和功能,如开发焊工治理网络软件,实现异地焊工的网络治理。

锅炉焊接技术发展方向

随着大容量、高参数锅炉的发展,其焊接质量要求越来越高,同时为了适应我国锅炉行业走向国际市场和国内人力资源本钱的变化,当前的焊接工艺和手段还不能适应发展的需要,应继续围绕进步焊接效率、焊接质量,减低本钱,改善焊接作业环境等课题,推广应用新工艺,进步焊接自动化、机械化、数字化水平。锅炉制造厂应开展以下工作:

1.焊接材料的国产化

当前锅炉用钢将使用大量新型Cr-Mo耐热钢和不锈钢,而这些材料都是国外研制开发的,其焊接材料均依靠进口,存在采购周期长且花费大量外汇,如P23、P91、P92、SUPER304H和HR3C等材料的焊材。因此新型锅炉用钢及其焊材的国产化是锅炉制造企业、钢铁企业和焊材生产厂家所肩负的责任,要尽快组织气力进行研制开发和国产化。

2.自动化焊接和机器人焊接

近年来锅炉焊接技术取得了长足进步,但部分产品的焊接自动化水平还不高,焊接质量还依靠焊工技术水平的高低,锅炉制造企业正积极同专业焊接设备厂家积极开发以下新的焊接装备和焊接技术:

(1)蛇形管附件和膜式壁管屏附件焊接机器人或机械手工作站,配置专用工装和夹具,采用MAG焊机;

(2)大力推进小口径管全位置脉冲热丝TIG焊机,代替手工钨极氩弧焊,进步焊接质量;

(3)窄间隙热丝TIG焊或窄间隙热丝TIG焊+埋弧焊是集箱、管道、汽水分离器等部件环缝焊接的方向,需要解决筒体自动点焊、根部单面焊接双面成形、筒体旋转的防窜动、焊缝跟踪、小筒体窄间隙焊接自动排道和焊渣自动脱落等技术困难;

(4)集箱大小管座的自动焊接技术及其设备是当前研究的重点,特别是大管座自动焊接需解决立体马鞍焊缝的自动排道和焊缝跟踪技术;

(5)双丝窄间隙埋弧焊接,可将焊接效率在单丝基础上进步60%~70%,必须优化焊接材料和工艺,彻底把握其操纵技术。

(6)对当前锅炉使用的自动焊接装备,也需要不断发展进一步进步效率,在不增加设备的情况下发挥更大的效益。如进一步进步热丝TIG焊接的热丝规范和送丝速度,进步MPM或管屏埋弧焊接速度等。

随着机械加工、工装技术的发展,将逐渐发展锅炉产品焊接单元集成自动化系统,如集箱环缝焊接,采用窄间隙热丝焊+窄间隙埋弧焊接技术;集箱管座焊接,采用内孔氩弧焊+自动MAG或细丝埋弧焊技术;锅炉管子自动接永生产线(主要解决系统联动题目)等。

3.继续推进高效优质气体保护焊技术

该技术固然在集箱大管座的焊接、膜式壁的焊接、锅炉汽包附件、受热面管屏附件和锅炉钢构的焊接得到广泛运用,但锅炉制造厂还大量使用手工电弧焊接,气体保护焊接工艺还有很大的使用空间,还将继续推广该方法用于其他构件的焊接,特别是药芯焊丝气体保护焊接和自动气体保护焊接作为未来的发展方向,但需解决高等级锅炉材料药芯焊丝的研发和供给。同时,也需要进一步进步焊丝工艺性能和电源的工艺性能。

4.焊接环境的改善

锅炉上大量的焊接作业,都依靠焊条电弧焊或气体保护焊,焊接烟尘较大,作业环境较差,特别是容器内焊接。局部烟尘处置设施、作业区或整个车间烟尘处理设施的配置是改善焊接作业环境的未来方向。随着锅炉制造企业的安全环保取证,其焊接环境的改善已提到议事日程。


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