鍋爐焊接工藝的現狀與發展方向

鄭永杰

（中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司　 天津　300308）

鍋爐焊接工藝的現狀與發展方向

鄭永杰

（中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司 天津300308）

隨著我國發電設備制造行業的快速發展，開發高效能焊接設備及焊接設備自動化水平的提升成為電站鍋爐行業焊接技術的發展趨勢。鍋爐焊接是生產鍋爐的過程中最為重要的一步，鍋爐制造行業的水平直接依賴于鍋爐的焊接技術水平，鍋爐焊接工藝及技術的發展前景對于鍋爐行業的可持續發展有著重要意義。主要闡述我國焊接技術設備以及關鍵部件焊接技術的現狀，鍋爐焊接的主要問題以及影響焊接質量的因素，最后展望鍋爐焊接技術的發展前景。

鍋爐焊接 工藝技術 發展趨勢

目前，社會的進步與發展在很大程度上促進了發電設備鍋爐制造業的發展，而鍋爐效率的提高對于資源問題與環境污染問題的解決至關重要，鍋爐焊接技術的水平以及相應的生產過程操作說明作為其最重要的工藝技術已成為鍋爐行業所面臨的重要問題。為了保證鍋爐的焊接質量，提高焊接技術，以滿足鍋爐生產的基本要求，工作人員必須對鍋爐焊接技術中存在的問題有充分的了解以及全面的把握，確保焊接工藝的實際應用效果，促進我國鍋爐產業和發電裝備制造業的可持續發展。

鍋爐焊接工藝是鍋爐制造和修理過程中制定的一套確保鍋爐質量和施工安全的技術方案，包括焊工資質，焊件焊材，焊接方式，技術要求，質量檢測等內容。焊接工藝的正確性在很大程度上決定了鍋爐的產品質量，在鍋爐焊接前，必須規定鍋爐焊接工藝評定，主要包括對焊接的試件進行缺口韌性試驗，彎曲試驗，拉伸試驗以及化學分析，以此判斷焊接試件是否可以滿足使用性能，從而判斷鍋爐焊接工藝的正確性[1]。

1　鍋爐焊接技術的發展狀況

近5年來，國內鍋爐行業不斷積極地進行技術改造，引進新設備，推行先進的焊接新工藝，鍋爐焊接技術已經取得了顯著的成就。據不完全統計，截止至2013年，我國的鍋爐制造生產商已達到了1 400多家。世界發達國家也加大了對鍋爐焊接技術的研究，效果顯著，研究出了不同功能的利用潔凈燃料的鍋爐。

我國鍋爐生產企業主要采用的焊接技術及設備有：

（1）MPM焊接技術。MPM焊接技術也被稱作多頭焊接，擁有12頭的GMAW焊頭，可同時焊接12條或更多的焊縫，多用于電站鍋爐的管屏焊接。該焊接技術不僅能夠滿足焊接質量的要求，而且焊接外觀美觀，是國內較為普遍的一種焊接技術。為了實現超臨界鍋爐螺旋水冷壁和冷灰斗中帶彎頭和三角形管屏，需要采用龍門式MPM焊接設備，圖1所示為龍門式MPM焊接示意圖。

圖1　龍門式MPM焊接

（2）管屏埋弧焊接技術。管屏埋弧焊技術主要是利用焊絲和高速焊劑實現的一種焊接技術，外觀成形美觀，但是不能實現像MPM焊接技術那樣同時實現正反兩面的焊接，所以在焊接應用中有一定的局限性。

（3）馬鞍埋弧焊接設備。圖2所示為馬鞍埋弧焊接設備，主要由焊接操作機、馬鞍形焊接機頭、電控系統、焊接電源、焊劑斗以及橫向調節滑板組成。該焊接設備主要用于壓力容器接管的埋弧自動焊接。該設備采用國內外先進的一體化操作控制、送絲機構、焊接電源，實現了埋弧自動焊接，不僅可以用于類似管狀機構的焊接，而且焊接質量明顯提高、操作簡單。

圖2　馬鞍埋弧焊接設備

（4）先進的窄間隙熱絲TIG焊。圖3所示為窄間隙熱絲TIG焊接，該焊接技術主要用于鍋爐的制造安裝過程中管道或集箱環縫的焊接，這種技術成功地解決了焊接技術中存在的筒身跟蹤與竄動問題，筒身點焊與轉動的問題。熱絲 TIG 焊接不僅具有效率高、異種鋼焊接稀釋率低、焊接材料供應方便等優點，而且解決了集箱與管道的焊接問題，在焊接過程中產生的焊接接頭在彎曲試驗，拉伸試驗和夏比沖擊試驗中表現出了良好的效果，所以這種工藝將成為我國各大鍋爐制造廠商焊接工藝發展的主要方向[2]。

圖3　窄間隙熱絲TIG焊

近幾年，我國焊接材料的生產廠家在焊接產品質量、鍍銅包裝、生產規模、品種、材料等方面都有了進步，主要表現在以下方面：氣體保護焊絲質量的提升比較快；藥芯焊絲的開發上也取得了較大的進步；埋弧焊絲實現了盤裝、鍍銅，不僅方便了生產，而且提高了焊接質量[3]。

2　鍋爐關鍵部件焊接現狀

國內各大鍋爐生產廠商為了適應鍋爐容量參數以及爐型的變化，滿足鍋爐新材料的焊接和復雜鍋爐部件的結構，不斷的改善新技術，引進新設備，研究新工藝。電站鍋爐是發電廠的關鍵設備，電站鍋爐主要由汽包、膜式壁、集箱和蛇形管組成，還包括過熱器、再熱器、省煤器等部件。目前，電站鍋爐主要部件焊接技術現狀為：

（1）汽包的焊接。汽包在鍋爐中的地位非常重要，其焊接質量受到了高度的重視，承擔著集氣、集水和汽水分離的關鍵作用，是整個鍋爐的核心部件。汽包筒身環縱縫主要采用埋弧電弧焊、電渣焊；大管座與下降管采用焊條電弧焊、馬鞍埋弧焊；其他部分固件采用氣體保護焊。

（2）膜式壁的焊接。當今世界上掌握較為先進的自動焊接膜式壁的技術有德國BOBCOCK公司研發的SAW的焊接技術，還有日本三菱重工研發的MPM的焊接技術。由于我國鍋爐各行業對于國外先進技術的引進方式不同，發展形成了不同的焊接工藝技術。如今的膜式壁焊接主要采取半自動CO2氣體保護焊和MPM氣體保護自動焊。

（3）集箱的焊接。由于集箱的焊接結構復雜，材料規格復雜多樣，所以難以實現自動化焊接，是鍋爐焊接中的難點之一。集箱在鍋爐中起到集汽分汽、集水分水的作用，連接著爐膛、再熱器、過熱器、水冷壁以及省煤器。集箱筒身環縫焊接主要采用窄間隙熱絲TIG焊和埋弧焊；受熱面管座主要采用手工電弧焊和內孔氬弧焊；大座管采用藥芯焊絲氣體保護焊。

（4）蛇形管的焊接。近幾年，國內的蛇形管焊接主要通過直管接長和彎曲后對焊完成的。國內鍋爐小管直徑的焊接工藝大多采用熱絲TIG焊接。熱絲TIG焊接具有質量好、效率高、焊接材料供應方便、材料適應性廣、可連續焊接等優點，成為我國各大鍋爐制造商主流的發展方向。

3　影響焊接質量的主要因素與工藝要求

鍋爐焊接技術是鍋爐生產中最為重要的一步，影響焊接質量的一些工藝要求主要因素包括：焊條的種類，母材的厚度、鋼號，焊接方法，焊接過程中預熱的溫度，焊接完整后的熱處理過程等。由于這些因素影響，使得焊接完成后的焊接接頭相對于母材在性能方面存在一定的差距，比如金屬沖擊韌性低，硬度低以及焊接處有陰影線等。焊接接頭（包括焊縫與熱影響區）是焊接過程中必然存在的，合格的焊接接頭應該滿足沒有超標缺陷，性能符合設計要求，焊接變形在允許的范圍內。焊縫不僅有密封作用，而且還起著承載受力的傳遞作用，因此焊接接頭的質量與鍋爐的制造質量密切相關。

因此，為了提高焊接接頭的性能，保證焊接質量符合工藝要求，需要對焊接工藝進行評定，編制合理的焊接工藝，比如焊后熱處理等措施，以此改變焊接接頭的金相組織，提高焊接接頭的力學性能。編制正確的焊接工藝可以保證焊工正確的操作，保證鍋爐焊接質量，使焊接缺陷最小，在整個焊接質量控制系統中起著指導作用。正確的焊接工藝評定可以保證焊接接頭的性能，焊接缺陷可以依靠焊工的技能避免[4]。所選用的焊材不僅要滿足焊縫金屬的強度，還要滿足運行溫度下的韌性與蠕變強度要求，焊接工藝的要求主要包括：

（1）焊前預熱：在實際生產中，預熱可以減緩焊后的冷卻速度，降低焊接應力，提高焊接接頭的抗裂性。

（2）焊口背面保護：在打底焊時焊口背面若不采取保護措施，合金元素就會產生嚴重的氧化燒傷，造成焊縫性能降低，焊縫根部成型不良，導致未焊透、為熔合等缺陷。

（3）焊接參數：現有的焊接工藝要求焊接時盡量用較小的焊接電流，以便控制焊接線能量，但是過小的焊接電流會導致焊接熔池不易散開，很容易造成焊接缺陷。

（4）焊后熱處理：熱處理的溫度和保護時間可以改善焊接接頭的硬度與沖擊性能，實際生產制造中熱處理的溫度一般是在滿足國內相關標準和ASME標準相關要求的前提下，各個制造廠根據自己的生產設備等確定。

4　目前鍋爐焊接工藝技術中存在的缺陷與完善對策

4.1存在的問題

近幾年，隨著我國發電裝備制造發展的速度越來越快，對鍋爐焊接質量的要求也越來越高，傳統的鍋爐焊接工藝已不能滿足現代化發展的需求，出現了較多的問題，主要包括以下幾個方面[5]：

（1）焊接過程中存在未焊透的現象。焊接過程中出現未焊透的原因主要包括兩個方面：一方面是因為對片與片在組裝的時候間隙不一致，導致了一個焊口完成焊接后，其他焊口間隙變小導致未焊透；另一方面是由于膜式水冷管進行管子對接過程中，安裝方式不正確，出現間隙，從而導致未焊透的現象。

（2）焊接未熔合。造成焊接未熔合主要是因為焊接參數的選擇不正確，比如焊接速度、焊接電流、電弧電壓等。焊接未熔合是目前鍋爐焊接中存在的主要缺陷之一。

（3）焊接裂紋。焊接裂紋的存在對于焊接質量的影響很大，主要是因為焊材的選擇不合理以及焊接環境的不恰當，比如母材的磷硫含量過高。裂紋的出現嚴重影響鍋爐的質量，因此必須受到高度重視。

4.2焊接工藝技術的解決措施

為了改善未焊透現象，應嚴格控制每個焊口之間的間隙，盡可能使焊口之間的間隙均勻，偏差值在允許的范圍內；對于未熔合現象來說，要控制好電流的大小與焊接的速度，保證母材能夠充分熔化，在實際的操作過程中若出現焊條偏心的情況，應及時進行調整，使電弧處于正確的方向；焊接裂紋造成的危險較大，焊接人員必須根據實際需要選擇相關材料，確保焊縫夠長夠厚，確保所用的焊接材料符合標準。

4.3注意事項

（1）鍋爐焊接管件前應先向有關單位確認焊后是否要做焊后檢驗，如射線探傷或超聲波檢查。

（2）如果有焊后檢驗工序，那么應該嚴格按照焊接標準施工，確保焊工持有有效合格證，以免造成返工、糾紛等問題，需要打磨坡口的應安裝打磨坡口，需要氬弧焊打底的就用氬弧焊打底，該焊透的應保證焊透。若沒有焊后檢驗工序，相應標準也隨之降低。

（3）焊接鍋爐管要注意焊接的焊條，一定要選用適合鍋爐管材質的專用焊條，并在焊接前做焊接試驗，焊工一定是具有豐富的焊接經驗和具有高壓容器焊接合格證，并嚴格遵守焊接操作規程，鍋爐關鍵處的焊接（如上升下降管，水冷壁等）一定要做探傷試驗，嚴格按照焊接工藝要求去操作。

5　鍋爐焊接工藝技術的發展趨勢

鍋爐焊接工藝作為我國鍋爐行業在發電設備制造行業中的一項重要技術，未來必然會受到相關部門的高度重視。但從我國目前的焊接工藝水平來看，還不能夠滿足鍋爐行業發展的需要。因此，技術人員必須不斷的改進和優化焊接技術，以提高焊接質量與焊接效率，降低焊接成本，改善焊接的工作環境，推廣使用新工藝為終極目標。為了使鍋爐焊接工藝的發展由復雜的機械化向焊接工藝的自動化成功轉變，實現我國鍋爐行業國際化，技術人員應該將未來的技術重點集中在以下幾個方面[6]：

（1）焊接材料的自主生產。我國的焊接材料主要是針對耐熱鋼焊材體系，使用場合的不同，所用的焊接材料也不盡相同，主要包括氣體保護焊實心、藥芯焊絲等、氬弧焊絲、埋弧焊焊絲、手工焊條。近些年，我國的各大鍋爐制造商在材料品種、產品質量、生產規模和鍍銅包裝等方面取得了進一步發展。然而從市場需求來看，焊接材料還不能夠滿足高容量，高參數發展的需要，特別是鍋爐高合金耐熱鋼以及耐熱不銹鋼的研發上嚴重落后。現今制造的鍋爐多采用新型結構，大多數的焊接材料都是國外研制，依靠國外進口，成本高。因而如何實現焊接材料的自主化生產以及培養能制造焊接材料的人才是目前各鍋爐行業急需解決的問題。

（2）自動化焊接的逐步推廣。鍋爐焊接工藝技術雖然取得了一定進步，但是傳統的焊接水平較為落后，部分產品的焊接自動化水平較低，焊接質量的好壞仍取決于焊工技術水平的高低，因此必須大力采用自動化水平較高的焊接工藝，提高焊接效率和質量，開發新的焊接設備與技術。未來焊接機器人代替人工焊接是自動化發展的必然趨勢，也是鍋爐制造企業需要考慮的手段，鍋爐制造廠應大力推進。

（3）焊接電源的發展。隨著焊接技術的不斷發展，鍋爐焊接自動化的程度不斷提高，因此對焊接電源的控制精度、降低能耗、可靠性以及穩定性等方面提出了更高的要求，將來的焊接電源維修要簡單化，操作面板要人性化，便于監控和管理，方便焊接規范數值顯示。數字化控制逆變電源的發展對于提高鍋爐焊接的質量和效率發揮了非常重要的作用，產生了良好的經濟效益和社會效益。

（4）推進高效高質量的氣體保護焊技術。氣體保護焊接是一種高效、節能、優質的焊接工藝，在國外已得到了廣泛的使用。合理利用資源，保護環境，降低消耗，使氣體保護焊成為綠色、環保的工藝，這是發展的必然趨勢，特別是以藥芯焊絲的氣體形式和自動氣體保護焊接是日后重點發展的對象，但目前的問題是鍋爐材料藥芯焊絲的研制與生產。

（5）改善焊接的作業環境。鍋爐上大量的焊接作業，都是利用焊條的電弧焊或氣體保護焊，因此焊接煙塵較大，作業環境惡劣，尤其是在容器內部的焊接。因此配置局部煙塵處置設施、作業區或整個車間的煙塵處理系統，是改善焊接工作環境的發展方向。隨著企業管理水平的不斷提高，法律法規的不斷完善，改善環境質量已提到議事日程。

6　總結

隨著社會的發展，我國鍋爐制造行業的水平不斷提高，相關部門對于鍋爐焊接工藝給予了高度重視，鍋爐的焊接質量關系到技術人員的安全、產品的使用性能以及產品的安全。鍋爐焊接工藝受到所用材料，焊接方法，技術人員水平等等因素的影響，不同的焊接工藝會產生不同的焊接質量，因此需要檢驗人員按照施工流程執行，認真的把關，對焊接工程中所存在的問題進行全面分析，不斷的進行技術創新，這是對鍋爐焊接工藝發展的基本要求。鍋爐焊接技術與很多產業密切相關，要不斷的將更好的技術應用到實際操作中，才能促進企業的進一步發展。

[1]Shul’man, I.E., Skalyapov, A.I., Klepikov, S.I., Merkulov, B.A. Boiler welding production. Sov Engergy Tschnology. Welding and Bonding, 1985, 28～30

[2]柏春艷.淺談鍋爐焊接工藝技術[J].實用科技,2010,261

[3]亓安芳.電站鍋爐行業焊接技術現狀及發展趨勢[J].現代焊接,2007,1～3

[4]曾會強,潘乾剛.鍋爐焊接技術和設備的應用現狀及發展方向[J].現代焊接,2006,7:8～10

[5]朱振貴.對鍋爐焊接工藝技術實際應用的思考[J].電源技術應用,2013,10:444

[6]朱兆彬.淺析鍋爐焊接工藝及其發展[J].科技技術應用,2012,44.

Present Situation and Development Trend of Boiler Welding Process

ZHENG Yong-jie
(China Railway 18thBureau Group Construction and Installation Engineering Co., Ltd. Tianjin300308China)

With the rapid development of power generation equipment manufacturing industry in our country, the development of high-performance welding equipment and the level of welding equipment automation have become the development trend of welding technology in power boiler industry. Boiler welding is the most important step in the process for producing boiler, and the level of our country’s boiler manufacturing industry depends directly on the level of the boiler welding technology. The prospect of process and technology for boiler industry is of great significance for sustainable development of the industry. This paper mainly introduces the present situation of welding technology and equipment, as well as the key components of welding technology in our country, the main problems in welding process and the influencing factors on welding quality, and finally shows the prospects of boiler welding technology.

boiler welding process and technologydevelopment trend

文獻標識碼：A 文章編號：1673-1816(2016)03-0031-05

2015-11-14

鄭永杰（1976-），男，高級工程師，研究方向建筑安裝技術和管理。