鍋爐壓力容器焊接自動化技術應用分析

安建全, 劉世光, 閆帥增, 郝云偉, 宮 磊

(中建四局安裝工程有限公司,廣東 廣州 510670)

0 引 言

隨著社會經濟的快速發展以及科學技術的不斷進步,各種技術逐漸應用于工業生產與制造當中,這在很大程度上推動了行業的發展以及技術水平的提升,比如自動化技術。現階段,有的企業在壓力容器焊接中已經應用了自動化技術,同時也取得了顯著效果。為了更好地促進行業進步,提高企業生產效益,切實保證生產安全與質量,需要加強壓力容器焊接自動化技術的應用,并不斷進行創新與改善,以提高該技術的整體應用效果與水平。結合實際,只有不斷增強與自動化技術相關的無損檢測技術研究與推廣,才能更好地推動壓力容器焊接自動化系統的全面發展。

1 焊接自動化及鍋爐壓力容器制造

焊接自動化是指借助信息技術,并基于計算機系統根據焊接要求預先設置好參數,由系統根據設置好的指令完成焊接工作的整個過程。在壓力容器焊接方面,使用自動化技術能在很大程度上減輕作業人員的勞動量,并更好地保障其安全,同時焊接質量也能得到很好的保證。目前的焊接自動化技術水平得到了進一步提升,主要采用了開環控制系統,各項焊接流程分別由不同功能的自動焊機完成。對于結構較復雜的焊接自動化系統,則使用的是閉環控制,即借助多用焊機等自動化設備使焊接前后工序(比如定位夾緊、工件裝卸、組件裝配等)完成自動化操作。在實際生產中,在鍋爐壓力容器焊接方面應用較多的焊接自動化系統有焊接機器人、電弧焊和電阻電焊自動化系統等,不同技術和系統的應用成本與效果存在顯著差異。鍋爐壓力容器是鍋爐和壓力容器的統稱,由兩個單獨的裝置構成,屬于特種設備,在工業治療以及生產方面有著非常重要的作用,如圖1所示。鍋爐主要以燃料為能源,通過燃燒加熱水,利用水蒸氣進行運作的設備,而生產中有固定技術功能并承受一定壓力的裝置即為壓力容器。這兩種裝備對于技術以及工藝有著很嚴格的要求,例如在壓力容器焊接方面,極為強調焊接的牢固程度以及密封度,且焊接工藝專業程度將直接影響到鍋爐運行的安全與穩定,高專業水平與高質量焊接能夠更好地確保鍋爐壓力容器的安全與可靠性。

圖1 常見鍋爐壓力容器

2 自動化技術在鍋爐壓力容器焊接中的價值

2.1 提高生產效率

將自動化焊接技術運用于鍋爐壓力容器的焊接工作中,能夠實現連續、高速、無間斷的焊接作業,相比于傳統手工焊接,自動化焊接速度更快,還能夠避免因焊工停工而導致的焊接過程中的停機時間。相比于傳統化的手工焊接,自動化焊接設備可以連續工作,并能大大減少焊接作業的停機時間,提高生產效率。不僅如此,自動化技術的運用還能夠獲得更高的焊接質量,并能保證焊接的一致性和穩定性,可避免人為因素對焊接質量的影響,以及減少返工等一系列工作的時間消耗。

2.2 提升安全性

鍋爐壓力容器焊接工作環境相對較為特殊,環境溫度高,焊接過程中還有可能會釋放出各類有毒有害氣體,對人體健康產生影響。也正是這一類相對較為惡劣的工作環境,對焊工的安全提出了較高的要求。自動化焊接技術可以減少焊工的接觸時間,工作人員能夠在更短的時間內完成工作,降低了工人在危險環境中的風險,提高工作安全性,工作人員安全可得到更有效的保障。不僅如此,針對部分危險系數更高的焊接工作,還可以直接借助自動化技術進行作業,以避免工人與焊接工作臺直接接觸,這也提升了工人的工作安全性,并有效避免工人在工作過程中出現身體健康方面的損傷。

2.3 減少人工成本

自動化技術的運用不僅能夠提升工作質量和效率,還能夠從以下幾方面減少人力成本的支出,實現資源的最大化利用。

(1) 減少人力投入。自動化技術可以替代一部分或全部人工操作,可減少企業對人力資源的需求。相比于手工操作,自動化設備可以實現連續、高效的生產,減少了人力投入,從而降低了人工成本。

(2) 減少人員培訓成本。自動化技術的運用能夠減少崗位上的人力資源投入度,企業對于人員培訓的成本也將會得到有效控制。另一方面自動化設備的操作相對較為簡單,不需要太多的專業培訓。相比于手工操作,自動化技術能夠減少培訓人員的成本,降低企業對培訓的投入。

(3) 自動化設備在工作過程中可以精確控制操作參數,避免因人為因素導致的錯誤。相比于手工操作,自動化技術能夠提高工作的準確性和穩定性,減少人為錯誤帶來的不良影響,并降低人工成本。

2.4 提升焊接質量

在鍋爐壓力容器焊接工作當中,自動化技術的運用能夠有效縮短工作時間,還能夠提高工作質量。首先,自動化技術的運用能夠保證焊接一致性,自動化焊接技術能精確控制焊接參數,可以確保每次焊接的一致性。相比于手工焊接,自動化設備能夠穩定地提供相同的工藝條件,避免了人為因素對焊接質量的影響,從而提高了焊接的一致性。其次,自動化技術能夠保證每一次焊接的質量,可減少人為誤差。自動化焊接設備能夠精確控制焊接過程中的溫度、速度和焊接電流等參數,保證焊縫的質量。通過精確的焊接參數控制,可以避免焊接缺陷如氣孔、夾雜物等的產生,提高焊縫的強度和密實性;另一方面,在自動化技術運用之后,還能夠實現焊接質量的可追溯性。利用自動化技術進行焊接作業,自動化焊接設備通常會記錄焊接過程中的工藝參數,包括焊接電流、電壓、速度等,以及焊接結果的檢測數據。這些數據可以用于質量追溯,即時監控和分析焊接質量,及時調整焊接參數,以保證焊接質量的穩定性。

由此可見,自動化技術運用于鍋爐焊接工作中,能夠有效提升工作質量,減少人為誤差,并使工作效率得到大幅提升。

3 常見幾種自動化焊接技術

3.1 窄間隙埋弧焊技術

在壓力容器焊接過程中,會應用到多種功能不同、規格不同的壓力容器,這些壓力容器對工藝技術要求也不同,需要根據壓力容器具體類型與規格合理選擇焊接技術。倘若壓力容器的厚度大于100mm,且采取原有的U或V形焊接口,便會提高焊接成本,資源利用率也不高,出現浪費的情況,整體效果較差。隨著社會的發展以及工藝技術水平的提升,研究人員開發出了窄間隙埋弧焊技術,該技術的出現在很大程度上解決了傳統焊接技術問題,并有效提高了焊接操作時的穩定度。然而由于該技術焊接間隙偏窄,焊接修復難度高,過程中也會出現浪費的情況。[1]窄間隙埋弧焊技術當前已經有較廣泛的使用,例如國內第一臺重型機械的焊接操作,便是基于該技術開發出了加氫反應器,其壁厚均在300mm以上。綜合實際來看,窄間隙埋弧焊技術有顯著的作用與優勢,與自動化技術結合后,就能實現自動化追蹤,操作人員就能實時掌握雙側高度以及橫向變化情況,為金屬融入焊縫提供有力保障。

3.2 接管自動焊接技術

首先是接管和筒體的自動化焊接操作。以往在壓力容器焊接過程中,其接管馬鞍形埋弧自動焊接設備的運動軌跡是機械模仿形式,在使用時設備出現了運行問題,存在較大缺陷與不足。隨著工藝制造技術的進步,焊接水平得到顯著提升,加上接管馬鞍形埋弧自動焊接設備的出現,再借助自動化技術,便可自動形成焊槍馬鞍形軌跡,實現多層連接。其次是接管和封頭的自動焊接。該焊接操作分為非向心接管和向心接管,實際焊接時相關作業人員需對向心進行自動化定位,并密切觀察焊接縫隙變化情況,同步做好相應記錄,防止出現操作問題。

3.3 彎管內壁堆焊接技術

隨著科學技術的快速發展,在工業生產方面,設備的焊接操作越來越復雜,對技術要求更高,同時還具有多變性的特征。壓力容器在運行較長時間之后,接管的內壁會出現不同程度的變化,內部出現腐蝕。為確保設備焊接穩定與工作質量,技術人員需要進行相應處理,并做好相關的預防處理措施,在彎管內壁焊接操作過程中將彎管分為若干部分,分段開展焊接作業。30°彎管焊接操作可使用內堆焊來進行作業,在此期間可對操作進行靈活調整,后借助信息技術和計算機系統建立數學模型,實現工件的均勻運動,保持勻速狀態。90°彎管內壁堆焊平行彎管母線縱向自動化堆焊操作,利用二維變位機的旋轉運動焊接彎道。

3.4 新型激光復合焊接技術

激光復合焊接技術是一項全新的技術,可取代傳統鎢極填絲氬弧焊,彌補該焊接技術的缺陷,從而提高整體焊接效率,減少工作時間,并具有良好的安全性,很好地保障了焊接工作順利穩定完成。在科學技術快速發展的背景下,激光電弧復合熱源焊接技術在工業生產與制造方面得到有效推廣,使電弧溶池出現數量不等的孔洞,產生金屬離子,以引導電弧。[2]

4 鍋爐壓力容器焊接自動化技術應用

4.1 自動化技術在直管接長焊機中的應用

在鍋爐壓力容器焊接自動化應用與研究中,直管接長焊機是應用較多的一種自動化技術設備,如圖2所示。鍋爐壓力容器是一種高密封性的特殊設備裝置,在具體運行過程中會生產出較多熱量,為確保熱量得到有效控制,避免積聚過多而出現安全事故,需要做好相關的散熱措施。過去鍋爐壓力容器散熱方面所采用的措施主要是設置溫度控制參數。而隨著自動化技術的不斷應用,利用直管接長焊機就能起到良好的散熱效果,在鍋爐壓力容器中,將自動化技術與直管接長焊機結合,提高其焊接穩定性和整體質量,使焊接時的溫度得到有效控制。現階段大部分企業在處理鍋爐壓力容器中管子焊接時,優先使用直管接長焊機,在管子預處理時就能完成高效的自動化焊接。

圖2 直管法蘭管道自動焊機

4.2 自動化技術在膜式壁焊機中的應用

在鍋爐壓力容器工業生產中,膜式壁生產線是基礎工業生產內容,通過使用膜式壁焊機完成焊接作業。隨著工業的發展,生產技術與工藝水平得到優化與改進,也對膜式壁焊機進行了改造,并與自動化技術結合,實現了自動化生產。一般而言,膜式壁焊機能夠按照鍋爐壓力容器的焊接作業標準,分為不同焊接類型,比如氣體保護焊和埋弧焊。氣體保護焊的綜合性能較高,具有較強的焊接能力,焊縫密封度高;而埋弧焊可以確保作業人員的健康,在焊接過程中不會產生過多的有害氣體。可見,這兩種焊接技術優勢與適用范圍存在明顯不同,實際中應結合焊接要求合理選擇。膜式壁焊機中的自動技術,大多數情況是應用在對稱性的焊接中。鍋爐壓力容器焊接多為圓狀,能夠進行對稱焊接。[3]

4.3 自動化技術在馬鞍形焊機中的應用

通常而言,鍋爐壓力容器生產及運行對技術與設備有著一定要求。在實際生產中,操作技術人員需要把鍋爐壓力容器雙側焊接接頭連接到一起,以防止焊接時出現偏差,即位置不準確的情況。然而現實情況是,因鍋爐壓力容器焊接接頭有不同類型,各類型的焊接標準存在明顯不同,作業中難以確保接頭連接的準確性。對此,將自動化技術應用于鍋爐壓力容器中,便可提高接頭對接的精確性,避免出現偏差,很好地保證了焊接質量。在馬鞍形焊接中,利用自動化技術能實現無縫焊接,并借助信息技術構建數字化模型,將焊接各項參數傳輸到模型中,使用計算機分析運行軌跡,也能實現焊接自動化程度。目前已有許多鍋爐廠應用了馬鞍形焊機自動化技術,不僅提升了焊接效果,還減少了資源浪費,為企業節約更多的經濟成本,綜合效益與效果顯著。

5 結束語

綜上所述,隨著鍋爐壓力容器對產品需求的不斷提升,焊接自動化已經成為現階段鍋爐壓力容器生產的重要技術,是不可或缺的部分。當前焊接自動化技術已經應用到工藝生產各方面,包括鍋爐壓力容器焊接,為了使該技術能得到充分發揮,提高應用效果,相關企業要注重對焊接自動化設備的改進,優化操作流程與管理制度,加強對自動化設備的保養與維護,以保證系統運行的可靠性與穩定性,提高鍋爐及壓力容器運行效率和生產質量。