1、锅炉、压力容器和管道焊接技术的新发展近 10 年来，国内外锅炉、压力容器和管道的焊接技术取得了引人注目的新发展。随着锅炉、压力容器和管道工作参数的大幅度提高及应用领域的不断扩展，对焊接技术提出了愈来愈高的要求。所选用的焊接方法、焊接工艺、焊接材料和焊接设备首先应保证焊接接头的高质量，同时必须满足高效、低耗、低污染的要求。因此，在这一领域内，焊接工作者始终面临复杂而艰巨的技术难题，要求不断寻求最佳的解决方案。通过不懈的努力已在许多关键技术上取得重大突破，并在实际生产中得到成功的应用，取得了可观的经济效益，使锅炉、压力容器和管道的焊接技术达到了新的发展水平。 鉴于锅炉、压力容器和管道涉及到许多重要
2、的工业部门，其中包括火力、水力、风力，核能发电设备，石油化工装置，煤液化装置、输油、输气管线，饮料、乳品加工设备，制药机械，饮用水处理设备和液化气储藏和运输设备等，焊接技术的内容是相当广泛的。本文因篇幅所限，仅就锅炉、压力容器和管道用钢，先进的焊接方法和焊接过程机械化和自动化三方面的新发展作如下概括的介绍。锅炉压力容器和管道用钢的新发展1 锅炉用钢的新发展在锅炉、压力容器和管道用钢这三类钢中，锅炉用钢的发展最为迅速。这主要是近 10 年来，火力发电站用燃料煤炭的供应日趋紧张，降低燃料的消耗已成为世界性的迫切需要。为此，必须提高锅炉的效率。通常锅炉效率每提高 5%，燃料的消耗可降低 15%.而锅
3、炉的效率基本上取决于其运行参数蒸汽压力和蒸汽温度。最近，上海锅炉厂生产600670MW 超临界锅炉的蒸汽压力为 254bar，过热蒸汽温度为 569，锅炉的热效率约为 43%.如果锅炉的运行参数提高到特超临界级，即蒸汽压力为 280 bar 蒸汽温度为 620，锅炉的热效率可提高到 47%.目前世界上特超临界锅炉的最高工作参数为 350 bar/700/720，锅炉的热效率达到了 50% .这里应当强调指出，随着锅炉效率的提高，锅炉烟气中的SO2、NOX 和 CO2 的排放量逐渐下降。因此从减少大气污染的角度出发，设计制造高工作参数的特超临界锅炉也是必然的发展趋势。锅炉蒸汽参数的提高直接影响到
4、锅炉受压部件的强度性能。在超临界和特超临界工作条件下，锅炉的主要部件，如膜式水冷壁，过热器，再热器、高压出口集箱和主蒸汽管道的工作温度均已达到钢材蠕变温度范围以内。制作这些部件的钢材在规定的工作温度下，除了具有足够的蠕变强度 （或 105h 高温持久强度）外，还应具有高的耐蚀性和抗氧化性以及良好的焊接性和成形性能。从锅炉主要部件用钢的发展阶段来看，即便是工作温度相对较底的水冷壁部件，也必须采用铬含量大于 2%的 Cr-Mo 钢或多组元的CrMoVTiB 钢。按现行的锅炉制造规程，这类低合金钢，当管壁厚度超过规定的界限时，焊后必须进行热处理。由于膜式水冷壁的外形尺寸相当大，工件长度一般超过 30
5、m，焊后热处理不仅延长了生产周期，而且大大提高了制造成本。为解决这一问题，国外研制了一种专用于膜式水冷壁的新钢种 7CrMoVTiB1010.最近，该钢种已得到美国 ASME 的认可，并已列入美国 ASME 材料标准，钢号为 A213-T24.这种钢的特点是含碳量控制在0.10%以下，硫含量不超过 0.010%，因此具有相当好的焊接性。焊前无需预热。当管壁厚度不大于 10 m m，焊后亦可不作热处理。在特超临界的蒸气参数下，当蒸气温度达到 700，蒸气压力超过370 bar 时，水冷壁的壁温可能超过 600。在这种条件下，必须采用9%Cr 或 12%Cr 马氏体耐热钢。这些钢种对焊接工艺和焊后
6、热处理提出了严格的要求，必须采取特殊的工艺措施，才能确保接头的焊接质量。对于锅炉过热器和再热器高温部件，在超临界和特超临界蒸汽参数下，其工作温度范围为 560650。在低温段通常采用 912%Cr 钢，从高温耐蚀性角度考虑，最好选用 12%Cr 钢。在 600以上的高温段，则必须采用奥氏体铬镍高合金耐热钢。根据近期的研究成果，对于高温段过热器和再热器管件，为保证足够高的高温耐蚀性和抗氧化性，应当选用铬含量大于 20%的奥氏体钢，例如 25Cr-20NiNbN（HR3C） ，23Cr-18NiCuWNbN（SAVE25） ，22Cr-15NiNbN（Tempaloy A-3） ，和 20Cr-2
7、5NiMoNbTi（NF709）等。在相当高的蒸汽参数下（375 bar/700）下，在过热器出口段，由于奥氏体钢蠕变强度不足，不能满足要求，而必须采用镍基合金，如Alloy617.现代奥氏体耐热钢与传统的奥氏体耐热钢相比，其最大特点是含有多组元的碳化物强化元素，从而在很大程度上提高了钢材的蠕变强度。对于超临界锅炉机组的高压出口集箱和主蒸汽管道等厚壁部件主要采用改进型的 9-12%Cr 马氏体铬钢。912%马氏体铬钢的发展规律与前述的奥氏体耐热钢相似，即从最原始的 Cr-Mo 二元合金向多组元合金演变，其主攻方向是尽可能提高钢材的高温蠕变强度，减薄厚壁部件的壁 厚，以简化制造工艺和降低制造成本
8、。上述钢种由于 严格控制了碳、硫、磷含量，焊接性明显改善。在国外超临界和特临界锅炉已逐步推广应用，取得了可观的经济效益。2 压力容器用钢的新发展近年来，压力容器用钢的发展与锅炉用钢不同，其主攻方向是提高钢的纯净度，即采用各种先进的冶炼技术，最大限度地降低钢中的有害杂质元素，如硫、磷、氧、氢和氮等的含量。这些冶金技术的革新，不仅明显地提高了钢的冲击韧性，特别是低温冲击韧性，抗应变时效性、抗回火脆性、抗中子幅照脆化性和耐蚀性，而且可大大改善其加工性能，包括焊接性和热加工性能。对比采用常规冶炼方法和现代熔炼方法轧制的 16MnR 钢板的化学成分和不同温度下的缺口冲击韧度和应变时效后的冲击韧性，数据表
9、明，超低级的硫、磷、氮含量显著地提高了普通低合金钢的低温冲击韧度和抗应变时效性。高纯净化对深低温用 9%Ni 钢的极限工作温度（-196）下的缺口冲击韧度也起到相当良好的作用，按美国 ASTM A353 和 A553（9%Ni）钢标准，该钢种在-196冲击功的保证值为 27J.但按大型液化天然气（LNG）储罐的制造技术条件，9% Ni 钢壳体-196的冲击功应 70J，相差 2.6 倍之多。这一问题也是通过 9% Ni 钢的纯净化处理而得到完满的解决。同时还大大改善了 9% Ni 钢的焊接性。焊接不必预热，焊后亦无须热处理。对于厚度 30mm 以下的 9%Ni 钢，焊前不必预热，焊后亦无需热处
10、理。这对于大型（10 万 m3 以上）LNG 储罐的建造，具有十分重要的意义。把 9% Ni 钢标准的化学成分和力学性能并与高纯度 9% Ni 钢相应的性能进行对比，它们之间的明显差异。在高压加氢裂化反应容器中，由于工作温度高于 450，壳体材料必须采用 2.25CrlMo 或 3CrlMo 低合金抗氧钢。但这类钢在 450以上温度下长期使用时，会产生回火脆性，使钢的韧性明显下降，给加氢反应的安全运行造成隐患。近期的大量研究证明，上列铬钼钢的回火脆性主要起因于钢中P、Sn、Sb 和 As 等微量杂质。合金元素 Si 和 Mn 也对钢的回火脆性起一定的促进作用。因此必须通过现代的冶金技术，把钢中
11、的这些杂质降低到最低的水平。目前，许多国外钢厂已提出严格控制钢中杂质含量的供货技术条件。现代炼钢技术能够达到了最低杂质含量的上限，可大大降低 2.25CrlMo 和 3CrlMo 钢的回火脆性敏感性，其回火脆性指数 J 低于100，而普通的 2.25Cr-lMo 钢的 J 指数高达 300.由此可见，压力容器用钢的纯净化是一种必然的发展趋势。近几年来，各类不锈钢在金属结构制造业中应用急速增长，其年增长率为 5.5%，2003 年世界不锈钢消耗量为 2150 万吨，其中我国不锈钢的用量占 54.2%极大部分用于各种压力容器和管道，包括部分输油输气管线。为满足各种不同的运行条件下的耐蚀性要求，并改
12、善不同施工条件下的加工性能，近期开发了多种性能优异的不锈钢，其中包括超级马氏体不锈钢、超级铁素体不锈钢，铁素体奥氏体双相不锈钢和超级铁素体奥氏体不锈钢。这些新型不锈钢的共同特点是超低碳、超低杂质含量、合金元素的匹配更趋优化，不仅显著提高了其在各种腐蚀介质下的耐蚀性，而且大大改善了焊接性和热加工性能。在一定的厚度范围，超级马氏体不锈钢焊前可不必预热，焊后亦无需作热处理。这对于大型储罐和跨国海底输油输气管线的建设具有重要的经济意义。目前已在压力容器和管道制造中得到实际应用的马氏体不锈钢、铁素体奥氏体双相不锈钢和超级双相不锈钢，这些不锈钢合金系列与常规不锈钢之间存在较大的差异。3 管道用钢的新发展管
13、道用钢的发展在很多方面与前述的锅炉与压力容器用钢相似。实际上很多钢种和钢号都是相同的，其中只有输气管线用钢可以认为是独立的分支。近 10 年来，输送管线的工作应力已从 40bar 提高到100bar，甚至更高。最近台湾省建造了一座 1600MW 抽水蓄能电站，其压水管道采用了 X100 型（屈服强度 690Mpa）高强度钢。目前在世界范围内，输送管线中采用的最高强度级别的钢种为 X80型，相当于我国标准钢号 L555，其最低屈服强度为 555Mpa.国外已计划将 X100 型高强度钢用于输送管线。鉴于管线的焊接都在野外作业，要求钢材具有良好的焊接性，因此管线用钢多采用低碳，低硫磷的微合金钢，并
14、经热力学处理。锅炉、压力容器和管道焊接方法的新发展锅炉、压力容器和管道均为全焊结构，焊接工作量相当大，质量要求十分高。焊接工作者总是在不断探索优质、高效、经济的焊接方法，并取得了引人注目的进步。以下重点介绍在国内外锅炉、压力容器与管道制造业中已得到成功应用的先进高效焊接方法。1 锅炉膜式水冷壁管屏双面脉冲 MAG 自动焊接生产线为提高锅炉热效率，节省材料费用，大型电站锅炉式水冷壁管屏均采用光管扁钢组焊而成。这种部件的外形尺寸与锅炉的容量成正比。一台 600MW 电站锅炉膜式水冷壁管屏的拼接缝总长已超过万米。因此必须采用高效的焊接方法。在上世纪 90 年代以前，国内外锅炉炉制造厂大多数采用多头（
15、68 头）埋弧自动焊。在多年的实际生产中发现，这种埋弧焊方法存在一致命的缺点，即埋弧焊只能从单面焊接，管屏焊后不可避免会产生严重的挠曲变形。管屏长度愈长，变形愈大，必须经费工的校正工序。不仅提高了生产成本，而且延长了成产周期。因此必须寻求一种更合理的焊接方法。上世纪 80 年代后期，日本三菱重工率先开发膜式水冷壁管屏双面脉冲 MAG 自动焊新焊接方法及焊接设备，并成功地应用于焊接生产。这种焊接方法在日本俗称 MPM 法，其特点是多个 MAG 焊焊头从管屏的正反两面同时进行焊接。焊接过程中，正反两面焊缝的焊接变形相互抵消。管屏焊接后基本上无挠曲变形。这是一项重大的技术突破。经济效益显著。数年后哈
16、尔滨锅炉厂最先从日本三菱公司引进了这项先进技术和装备，并在锅炉膜式壁管屏拼焊生产中得到成功的应用。之后，逐步在我国各大锅炉制造厂推广应用，至今已有十多条 MPM 焊接生产线正常投运。管屏 MPM 焊接的主要技术关键是必须保证正反两面的焊缝质量，包括焊缝熔深，成形和外形尺寸基本相同。这就要求在仰焊位置的焊接采用特殊的焊接工艺脉冲电弧 MAG 焊（富氩混合气体） 。焊接电源和送丝系统应在管屏全长的焊接过程中产生稳定的脉冲喷射过渡。因此必须配用高性能和高质量的脉冲焊接电源和恒速送丝机。这些焊接设备的性能和质量愈高，管屏反面焊缝的质量愈稳定，合格率愈高。实际上，哈锅厂从日本三菱重工引进的原装机只配用了
17、晶闸管控制的第二代脉冲 MIG/MAG焊电源，送丝机也只是传统的等速送丝机，管屏反面焊缝的合格率达不到 100%，总有一定的返修量，为进一步改进膜式壁管屏 MPM 焊机的性能，最近国产的管屏 MPM 焊机配用了第三代微要控制逆变脉冲焊接电源和测速反馈的恒速送丝机，明显提高了反面焊缝的合格率。2 锅炉受热面管对接高效焊接法锅炉受热面过热器和再热器部件管件接头的数量和壁厚，随着锅炉容量的提高而成倍增加，600MW 电站锅炉热器的最大壁厚已达 13mm，接头总数超过数千个。传统的填充冷丝 TIG 焊的效率以远远不能满足实际生产进展的要求，必须采用效率较高的且保接头质量的溶焊方法。为此，哈锅和上锅相继
18、从日本引进了厚壁管细丝脉冲 MIG 自动焊管机，其效率比传统的 TIG 焊提高 35 倍。后因经常出现根部未焊透和弧坑下垂等缺陷而改用 TIG 焊封底 MIG 焊填充和盖面工艺，改进的焊接工艺虽然基本上解决了根部未焊透的问题，但降低了焊接效率，增加了设备的投资，同时也使操作程序复杂化。最近，上锅，哈锅又从国外引进了热丝TIG 自动焊管机。热丝 TIG 焊的原理是将填充丝在送入焊接熔池之前由独立的恒压交流电源供电。电阻加热至 650800高温，这就大大加速了焊丝的熔化速度，其熔敷率接近于相同直径的 MTG 焊熔敷率。另外，TIG 方法良好的封底特性确保了封底焊道的熔质量，因此，热丝 TIG 焊不
19、失为小直径壁厚管对接焊优先选择的一种焊接方法。然而不应当由此全面否定脉冲 MIG 焊在小直径壁厚管对接中应用的可行性。曾通过大量的试验查明，在厚壁管 MIG 焊对接接头中，根部末焊透 90%以上位于超弧段，而弧坑下垂起因于连续多层焊时熔池金属热量积聚导致过热。如将焊接电源电弧的功率作精确的控制，则完全可以消除上述缺陷的形成。但由于引进的 MIG 焊自动焊管机原配的焊接电源为晶闸管脉冲电源，无法实现电弧功率的程序控制如改用当代最先进的全数字控制逆变脉冲焊接电源或波形控制脉冲焊接电源（计算机软件控制小） ，则可容易地按焊接工艺要求，对焊接电弧的功率作精确的控制，确保接头的焊接质量。我们建议对现有的
20、管子对接自动焊 MIG 焊机组织二次开发，将原有的晶闸管焊接电源更换成全数字控制逆变脉冲焊接电源，并采用 PLC和人机界面改造控制系统，充分发挥 MIG 焊的高效优势。3 厚壁容器纵环缝的窄间隙埋弧焊厚壁容器对接缝的窄间隙埋弧焊是一种优质、高效、低耗的焊接方法。自 1985 年哈锅从瑞典 ESAB 公司引进第一台窄间隙埋弧焊系统以来，窄间隙埋弧焊已在我国各大锅炉、化工机械和重型机械等制造厂推广使用，近 20 年的实际生产经验表明，窄间隙埋弧焊确实是厚壁容器对接焊的最佳选择。为进一步提高窄间隙埋弧焊的效率，国内外推出串列电弧双丝窄隙埋弧焊工艺与设备，但至今未得到普遍推广应用。这不仅是因为增加了操
21、作的难度，更主要的是交流电弧的焊道成形欠佳，不利于脱渣，容易引起焊缝夹渣。最近，美国林肯（Lincoln）公司向中国市场推出交流波形参数（脉冲宽度、正半波电流值、脉冲频率，脉冲波形斜率）可任意控制的AC/DC1000 型埋弧焊电源。采用这种新一代的计算机控制埋弧焊电源，可使串列电弧双丝埋弧焊的工艺参数达到最佳的组合。不但可以获得窄间隙埋弧焊所要求的焊道形成，而且还可进一步提高交流电弧焊丝的熔敷率。可以预期，波形控制 AC/DC 埋弧焊电源的问世必将对串列电弧双丝窄间隙埋弧焊的推广应用作出积级的贡献。4 大直径厚壁管生产中的高效焊接法随着输送管线工作参数不断提升，大直径厚壁管的需求量急剧增加，制造这类管材量经济的方法是将钢板压制成形，并以 1 条或 2 条纵缝组焊而成。由于厚壁管焊接工作量相当大，为提高钢管的产量，通常采用 3 丝，4 丝或 5 丝串列电弧高速埋弧焊。5 丝埋弧焊焊接 16mm 厚壁管外纵缝的最高焊接速度可达 156m/h，焊接 38mm 厚壁管外纵缝的最高焊接速度可达 100mm/h.最近，我国某钢铁公司将投资数十亿建设一条大直径厚管生产线，其中内外纵缝焊接机拟采用 5 丝串列电弧高速埋弧焊工艺。为确保达到最高焊缝质量标准，最好配用高性能的 PowerwaveAC/DC1000 数字控制焊
