锅炉制造及锅炉焊接技术发展.doc

锅炉制造和锅炉焊接技术的发展
一、 国内锅炉技术的发展
火力发电在我国电力发电中占据主导地位，而锅炉效率的提高是解决能源、资源紧张以及环境污染的主要途径之一。党的十六大报告中明确提出我国电力发展的目标，并确立了我国电力结构调整方针，即“调整电源结构，大力发展水电，优化发展煤电，积极推进核电，适度发展天然气发电，鼓励新能源发电”。因此本着优化发展燃煤发电的方针，近年来各种锅炉技术的发展突飞猛进，如大容量、高参数和高效率的超临界和超超临界锅炉，大型环保、清洁燃烧的锅炉，以及蒸汽燃气联合循环锅炉。
1、 大型超临界、超超临界锅炉火电机组的发展
2、 大型循环流化床锅炉（CFB）机组的发展
二、 锅炉用材料和结构的发展
1、 我国锅炉用材现状及分析
我国锅炉用钢是以前苏联钢材为基础而发展起来的，随着美国CE锅炉技术的引进，逐渐形成了我国锅炉用钢体系。具有以下特点：
（1）锅筒 以20G 、SA299 、19Mn6、BHW35为代表的汽包用钢。

（2）水冷壁 20G、 SA210C、SA213T2、 15CrMo。

（3）蛇形管 20G（SA210C、ST45.8），12CrMo ( SA213T2、SA209T1a、 15Mo3 )，15CrMo (SA213 T12 、SA213 T11) ，12Cr1MoV(SA213 T22)，12Cr2MoWVTiB (简称G102)，SA213-T91，18Cr8NiTi (SA213 TP304H、SA231 TP347H)。

（4）集箱及管道 20G (SA106C、WB36)，12Cr1MoV。
以上材料仅适用亚临界以下锅炉，蒸汽温度在540℃以下。随着更高温度参数的发展，这些材料已经不适应，主要表现在以下几方面：①G102材料是12Cr1MoV(SA213 T22)与SA213T91和不锈钢之间很好的过渡材料，这些年来由于管材制造质量问题，很少使用。一旦取消该材料的使用，存在12Cr1MoV(SA213T22)、SA213T91和不锈钢直接连接，将带来焊接接头高温运行早期失效问题。②12Cr1MoV制作集箱和管道只能用于550℃，不能满足超临界锅炉的需要，即使用于亚临界锅炉，其壁厚达110mm，增加焊接生产的难度，也不利于长期高温运行。③SA213T91和常规不锈钢用于超临界锅炉高温段，其壁厚较大。需要强度更高、抗氧化腐蚀性能更好的不锈钢材料取代。④SA213T2、SA213T12用于超临界锅炉（SC）和超超临界锅炉（USC）的膜式壁，其壁厚较大，给水压和焊接都带来困难，同时焊后需要预热或热处理，增加制造难度和成本。
2、 国外锅炉新材料的开发
20世纪50～60年代，超临界锅炉技术就得到运用，但当时超临界的锅炉过热器、再热器、主蒸汽管等高温部件，均大量采用奥氏体不锈钢材料。该类锅炉运行中往往带来材料高温蠕变、燃用高硫燃料后的高温腐蚀、高温蒸汽氧化、奥氏体材料传热慢等问题，不同程度地制约了超临界锅炉地发展。近年来，日本、美国和欧洲均开发了一系列高温用钢，如SA213T23/SA335P23、SA213T24/SA335P24、SA213T91/SA335P91、SA213T92/SA335P92、SA213T122/SA335P122、E911、SUPER304H、SA213TP347HFG和HR3C等材料。这些材料地开发大大促进了超临界和超超临界锅炉的发展，同时锅炉技术的发展需要又进一步促进新材料的开发，如日本进一步开发适用于650℃锅炉蒸汽参数的材料如XA704、NF709、SAVE25等，欧洲正开发适用于700℃锅炉蒸汽参数的镍基材料。
我国要发展超临界锅炉及超超临界锅炉，目前的材料体系还不适应，必须进行新材料的研究，形成我国USC锅炉用钢体系。
3、 锅炉技术的发展，带来锅炉结构的变化
不同的锅炉，其结构变化很大。特别是超临界锅炉、超超临界锅炉、CFB锅炉和余热锅炉都有一些新结构，不能用传统的方法进行制造和焊接，必须采取新的工艺方法。下面列举几个典型结构问题：
（1） 超临界锅炉中小集箱的制造。超临界锅炉中大量使用∮190.7mm*47mm的小集箱，其焊接变性控制和小集箱环缝焊接存在问题，传统的埋弧自动焊接需要解决熔池流淌问题。
（2） 超临界锅炉中螺旋水冷壁的焊接。由于焊透要求高，所以用传统的气体保护焊接方法需要扁钢双面预制坡口，否则将存在熔深不足的问题。
（3） 超超临界中汇集集箱的制造。由于存在大量大口径管座所以其焊接质量和焊接变形控制难度较大，传统的手工电弧焊接效率低下。
（4） 大型CFB锅炉中的膜式再热器的制造，将解决SA213T23、SA213T91和不锈钢管屏的膜式壁焊接问题。
（5） 大型CFB锅炉中的关键部件旋风分离器的制造。
（6） 超超临界锅炉中大壁厚集箱的制造。
三、 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，推进先进的焊接新工艺，以适应锅炉容量、参数和炉型变化，满足复杂锅炉部件和锅炉新材料的焊接结构。下面着重介绍锅炉关键部位的焊接现状和公司近年来的焊接技术和焊接管理的进展。
1、 锅炉关键部件焊接现状
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） 汽包筒身纵环缝主要采用埋弧焊、窄间隙埋弧焊及电渣焊；下降管主要采用马鞍埋弧焊和焊条电弧焊；大管座主要采用马鞍埋弧焊和焊条电弧焊；其他附件采用气体保护焊和焊条电弧焊。
（2） 集箱筒身环缝焊接主要采用窄间隙热丝TIG焊和埋弧焊；大管座主要采用药芯焊丝气体保护焊和焊条电弧焊（针对没有药芯焊丝的材料）；受热面管座主要采用内孔氩弧焊和焊条电弧焊。
（3） 膜式壁主要采用自动MPM气体保护焊和半自动CO2气体保护焊。我公司共有自动焊接机头34头，半自动CO2气体保护焊65台用于膜式壁的焊接。
（4） 蛇形管的焊接主要是直管接长和弯后再对接焊，我公司主要采取热丝TIG焊和全位置热丝TIG焊，以及手工氩弧焊。附件焊接主要采取气体保护焊和焊条电弧焊。
2、 公司焊接新工艺和焊接技术进步
近年来，随着产量的剧增和锅炉品种、结构和材料的变化，以前的焊接工艺和手段已不能满足焊接生产制造，急需新增关键设备，更新改造老设备，推广应用新工艺。我公司推广应用了以下工艺：
（1）CO2气体保护焊接技术的推广应用 气体保护焊接是一种先进高效的焊接工艺。20年前我公司就开始推广应用。但由于当时的焊接设备、焊接材料和保护气体都存在一定的问题，半自动气体保护焊未能很好应用，只有自动气体保护焊应用于膜式壁的焊接。2002年我公司开始推广该方法，现在我公司各种锅炉部件上都广泛使用。现有150台气体保护焊机，取代了60％的焊条电弧焊。广泛用于集箱大管座的焊接、膜式壁的焊接、锅炉汽包附件、受热面管屏附件和锅炉钢结构的焊接，提高了焊接效率和焊接质量。使用的焊接材料有药芯焊丝和实芯焊丝，受压元件主焊缝一般采用药芯焊丝气体保护焊。后期还将继续推广该方法用于其他构件的焊接。
（2）先进的热丝TIG焊接技术 锅炉受热面管子的对接质量要求高，材料复杂，且数量相当大。一台600MW锅炉焊口达6万头，其焊接效率是影响锅炉制造的关键。我公司原采用三种直管对接焊工艺，即热丝TIG焊接、TIG+MIG焊接和不开坡口RRS76 TIG焊接。经过10多年的使用，认为热丝TIG焊接工艺是其中最成熟、焊接质量最高、适应性最广的焊接方法，应在锅炉制造种大力推广。在2003～2005年的技术改造后，我们投资近4000万元配置了两条世界先进的自动焊接、探伤、顶镦弯曲的生产线，一条双R弯曲生产线，从美国进口了7台先进的热丝TIG焊接，生产焊接合格率达97％以上，大大提高了公司的焊接技术水平和产品焊接质量。近年来热丝TIG焊接方法在锅炉行业中广泛使用，全国至少有上百台热丝TIG焊接设备。
（3）高效的马鞍埋弧焊 锅炉锅筒上往往布置有4～6根直径为508～711mm下降管和200个直径为108～168mm的蒸汽连接管汽水连接管。焊接工作量相当大，采用手工焊接的劳动强度大、周期长、焊接质量得不到保证。从2004年开始采用各种马鞍埋弧焊工艺，大大提高了效率、焊接质量和工人劳动强度。现在我公司购置了8台达马鞍和10台小马鞍埋弧焊焊接设备。大马鞍埋弧焊焊接设备用于焊接锅炉汽包下降管，小马鞍埋弧焊焊接设备主要用于焊接锅炉汽包108mm以上管座。目前，该方法已广泛用于锅炉汽包管座焊接。
（4先进的窄间隙热丝TIG焊 窄间隙热丝TIG焊主要用于锅炉制造和安装过程中管道或集箱环缝的焊接。窄间隙热丝TIG焊有全位置和固定位置两种，前者主要用于锅炉安装中的管道焊接，代替焊条电弧焊；后者主要用于锅炉制造中集箱或管道焊接中直管拼接。采用工件转动式的热丝TIG焊，需要解决管道驱动问题和坡口加工精度问题。若用滚轮架驱动，需解决驱动中工件的同步、径向圆跳动和防窜动问题。八五期间，我们曾经研制过热丝TIG焊设备，用于集箱环缝打底和过渡焊接，滚轮架驱动，但由于防窜动精度不高，焊接电弧电磁摆动超出气罩范围而出现气孔所以没有很好的运用。该方法用于焊接锅炉上难焊的新材料具有特别的优势因为P91/P92/P122等新材料用埋弧焊存在冲击性能不高的问题，以及焊接材料研制难度大，用窄间隙热丝TIG焊可以得到满意的焊接质量，接头性能好。为了提高效率，必须降低坡口宽度。目前有摆动和不摆动两种焊接方法，后者要求坡口宽度在10mm以下。目前我公司从法国进口了一套窄间隙热丝TIG焊，采用卡盘驱动可以焊接325*80以下的集箱环缝，焊接坡口窄，只有7～10mm，焊接过程中不摆动，主要用于超超临界锅炉中大量P91/P92材料集箱的焊接。哈尔滨锅炉厂也引进了一台同样的焊接设备。国内几大锅炉制造企业正积极推行窄间隙热丝TIG焊接新工艺。根据材料和工件大小和厚度，有些全部焊缝采用窄间隙焊接，也可以仅用于打底和过渡焊道，一般8～10mm，其余仍然采用传统的埋弧自动焊接。
（5）集箱管座内孔氩弧焊 我国《蒸汽锅炉安全监察规程》中规定：集箱上短管接头和集箱角焊缝焊接应开全焊透坡口，并尽量采用氩弧焊打底，这给生产制造带来较大难度。为了实现全焊透，必须采用内孔氩弧焊工艺，而因集箱管座直径较小，内孔焊添丝较困难。不采用添丝内孔焊，又容易产生根部焊缝内凹和咬边缺陷。我公司从法国进口两台内孔氩弧焊设备，具有AVC电压自动控制、热丝、脉冲TIG、添丝和摆动功能，根部打底质量相当好，现已成功用于集箱管座焊接中，大大提升了公司焊接技术水平。该工艺的运用，再通过采用小接管超声波探伤技术，可以完全确保管座焊接质量，为集箱产品免除厂内水压实验奠定了技术基础。
（6）龙门式MPM焊接 当前国内外焊接锅炉膜式壁有埋弧焊和气体保护焊两种流派，我公司和哈尔滨锅炉厂主要是气体保护焊（MPM焊），上海锅炉厂和武汉锅炉厂主要是埋弧焊，北京巴威公司两种方法都有。这两种方法具有各自的优缺点，MPM焊上下同时焊接，效率高，变形小，熔深较浅；埋弧焊接不能实现上下同时焊接需要翻面，单面焊接变形大，优点是熔深大。对于直管屏则多采用工件移动而焊枪不动的焊接设备，而对于超临界和超超临界锅炉螺旋水冷壁和冷灰斗中大量存在的带弯头和三角形的管屏，必须采用龙门式焊接设备。我公司基于气体保护焊的基础和制造经验，以及方便车间生产管理，与成都威达公司共同研制了6头龙门式焊接设备。
（7）双丝窄间隙埋弧焊接 锅炉汽包是电站锅炉中关键的厚壁容器。根据材料和锅炉容量的不同，汽包尺寸规格变化较大。我公司典型的600MW亚临界锅炉汽包采用BHW35材料，规格为2080mm*145mm*32000mm存在15～17条左右的纵、环缝，焊接量相当大。为了提高焊接效率和质量，需缩小焊接坡口，推行窄间隙埋弧焊接技术。下图所示为锅筒窄间隙坡口，其焊接熔敷量比常规埋弧焊降低40％。我公司从1996年开始采用该技术，首先用于核电厚壁容器的焊接，后推广运用于锅炉汽包的焊接，现有窄间隙焊接设备3台套。开技术在国内其他锅炉厂家也得到广泛使用。目前，该技术因各种原因还大多停留在单丝窄间隙焊接，为了使用双丝，将效率再提高60％～70％，必须彻底掌握其操作技术，适度优化焊接材料和工艺。
3、计算机在焊接管理上的运用
2002年借用商用软件平台，自行开发了计算机焊接材料验收和管理软件、焊工考试和管理软件、焊接工艺评定和焊接工艺规程自动编制和管理系统、焊接工艺编制系统和焊接材料定额软件基本实现了焊接管理工作的全微机化。随着公司ERP系统的开发和运用，还将进一步拓宽焊接微机管理领域和功能，如开发焊工管理网络软件，实现异地焊工的网络管理。
四、 锅炉焊接技术的发展方向
（1）焊接材料的国产化 随着锅炉超高参数发展，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，要尽快组织力量机型研制开发和国产化。
（2）气体保护焊在锅炉上的发展 气体保护焊接是一种高效、优质、节能的焊接工艺，在国外广泛使用。为了节约能源，降低消耗，该工艺还有很大的使用空间，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应。
（3）自动化焊接和机器人焊接 锅炉集箱和汽包的焊接技术水平还相对落后自动化水平较低，必须大力采用自动化水平较高的焊接工艺，提高焊接效率和质量。机器人或机械手工作站，是未来解决集箱上管座焊接的方向，锅炉制造厂应大力推进。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；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；管屏自动划线和附件自动焊接是未来锅炉制造企业需要考虑的工艺手段。随着机械加工、工装技术的发展锅炉产品焊接单元集成自动化系统将会出现，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；锅炉管子自动接长生产线（主要解决系统联动问题）等。
（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。