鍋爐、壓力容器和管道焊接技術(shù)的新發(fā)展
發(fā)布時(shí)間：2017/5/10 10:13:17
在鍋爐、壓力容器和管道用鋼這三類鋼中，鍋爐用鋼的發(fā)展最為迅速。這主要是近10年來，火力發(fā)電站用燃料—煤炭的供應(yīng)日趨緊張，降低燃料的消耗已成為世界性的迫切需要。為此，必須提高鍋爐的效率。通常鍋爐效率每提高5%，燃料的消耗可降低15%。而鍋爐的效率基本上取決于其運(yùn)行參數(shù)—蒸汽壓力和蒸汽溫度。最近，上海鍋爐廠生產(chǎn)600~670MW超臨界鍋爐的蒸汽壓力為254bar，過熱蒸汽溫度為569℃，鍋爐的熱效率約為43%。如果鍋爐的運(yùn)行參數(shù)提高到特超臨界級(jí)，即蒸汽壓力為280bar蒸汽溫度為620℃，鍋爐的熱效率可提高到47%。目前世界上特超臨界鍋爐的最高工作參數(shù)為350bar/700℃/720℃，鍋爐的熱效率達(dá)到了50%。
這里應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)指出，隨著鍋爐效率的提高，鍋爐煙氣中的SO2、NOX和CO2的排放量逐漸下降。因此從減少大氣污染的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)制造高工作參數(shù)的特超臨界鍋爐也是必然的發(fā)展趨勢(shì)。
鍋爐蒸汽參數(shù)的提高直接影響到鍋爐受壓部件的強(qiáng)度性能。在超臨界和特超臨界工作條件下，鍋爐的主要部件，如膜式水冷壁，過熱器，再熱器、高壓出口集箱和主蒸汽管道的工作溫度均已達(dá)到鋼材蠕變溫度范圍以內(nèi)。制作這些部件的鋼材在規(guī)定的工作溫度下，除了具有足夠的蠕變強(qiáng)度（或105h高溫持久強(qiáng)度）外，還應(yīng)具有高的耐蝕性和抗氧化性以及良好的焊接性和成形性能。
從鍋爐主要部件用鋼的發(fā)展階段來看，即便是工作溫度相對(duì)較底的水冷壁部件，也必須采用鉻含量大于2%的Cr-Mo鋼或多組元的CrMoVTiB鋼。按現(xiàn)行的鍋爐制造規(guī)程，這類低合金鋼，當(dāng)管壁厚度超過規(guī)定的界限時(shí)，焊后必須進(jìn)行熱處理。由于膜式水冷壁的外形尺寸相當(dāng)大，工件長(zhǎng)度一般超過30m，焊后熱處理不僅延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期，而且大大提高了制造成本。為解決這一問題，國(guó)外研制了一種專用于膜式水冷壁的新鋼種7CrMoVTiB1010。最近，該鋼種已得到美國(guó)ASME的認(rèn)可，并已列入美國(guó)ASME材料標(biāo)準(zhǔn)，鋼號(hào)為A213-T24。這種鋼的特點(diǎn)是含碳量控制在0.10%以下，硫含量不超過0.010%，因此具有相當(dāng)好的焊接性。焊前無需預(yù)熱。當(dāng)管壁厚度不大于10mm，焊后亦可不作熱處理。
在特超臨界的蒸氣參數(shù)下，當(dāng)蒸氣溫度達(dá)到700℃，蒸氣壓力超過370bar時(shí)，水冷壁的壁溫可能超過600℃。在這種條件下，必須采用9%Cr或12%Cr馬氏體耐熱鋼。這些鋼種對(duì)焊接工藝和焊后熱處理提出了嚴(yán)格的要求，必須采取特殊的工藝措施，才能確保接頭的焊接質(zhì)量。
對(duì)于鍋爐過熱器和再熱器高溫部件，在超臨界和特超臨界蒸汽參數(shù)下，其工作溫度范圍為560~650℃。在低溫段通常采用9~12%Cr鋼，從高溫耐蝕性角度考慮，最好選用12%Cr鋼。在600℃以上的高溫段，則必須采用奧氏體鉻鎳高合金耐熱鋼。根據(jù)近期的研究成果，對(duì)于高溫段過熱器和再熱器管件，為保證足夠高的高溫耐蝕性和抗氧化性，應(yīng)當(dāng)選用鉻含量大于20%的奧氏體鋼，例如25Cr-20NiNbN(HR3C)，23Cr-18NiCuWNbN(SAVE25)，22Cr-15NiNbN(TempaloyA-3)，和20Cr-25NiMoNbTi(NF709)等。
在相當(dāng)高的蒸汽參數(shù)下（375bar/700℃）下，在過熱器出口段，由于奧氏體鋼蠕變強(qiáng)度不足，不能滿足要求，而必須采用鎳基合金，如Alloy617。
現(xiàn)代奧氏體耐熱鋼與傳統(tǒng)的奧氏體耐熱鋼相比，其最大特點(diǎn)是含有多組元的碳化物強(qiáng)化元素，從而在很大程度上提高了鋼材的蠕變強(qiáng)度。
對(duì)于超臨界鍋爐機(jī)組的高壓出口集箱和主蒸汽管道等厚壁部件主要采用改進(jìn)型的9-12%Cr馬氏體鉻鋼。
9~12%馬氏體鉻鋼的發(fā)展規(guī)律與前述的奧氏體耐熱鋼相似，即從最原始的Cr-Mo二元合金向多組元合金演變，其主攻方向是盡可能提高鋼材的高溫蠕變強(qiáng)度，減薄厚壁部件的壁厚，以簡(jiǎn)化制造工藝和降低制造成本。上述鋼種由于嚴(yán)格控制了碳、硫、磷含量，焊接性明顯改善。在國(guó)外超臨界和特臨界鍋爐已逐步推廣應(yīng)用，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
壓力容器用鋼的新發(fā)展
近年來，壓力容器用鋼的發(fā)展與鍋爐用鋼不同，其主攻方向是提高鋼的純凈度，即采用各種先進(jìn)的冶煉技術(shù)，最大限度地降低鋼中的有害雜質(zhì)元素，如硫、磷、氧、氫和氮等的含量。這些冶金技術(shù)的革新，不僅明顯地提高了鋼的沖擊韌性，特別是低溫沖擊韌性，抗應(yīng)變時(shí)效性、抗回火脆性、抗中子幅照脆化性和耐蝕性，而且可大大改善其加工性能，包括焊接性和熱加工性能。
由此可見，壓力容器用鋼的純凈化是一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。
近幾年來，各類不銹鋼在金屬結(jié)構(gòu)制造業(yè)中應(yīng)用急速增長(zhǎng)，其年增長(zhǎng)率為5.5%，2003年世界不銹鋼消耗量為2150萬噸，其中我國(guó)不銹鋼的用量占54.2%極大部分用于各種壓力容器和管道，包括部分輸油輸氣管線。
為滿足各種不同的運(yùn)行條件下的耐蝕性要求，并改善不同施工條件下的加工性能，近期開發(fā)了多種性能優(yōu)異的不銹鋼，其中包括超級(jí)馬氏體不銹鋼、超級(jí)鐵素體不銹鋼，鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼和超級(jí)鐵素體—奧氏體不銹鋼。這些新型不銹鋼的共同特點(diǎn)是超低碳、超低雜質(zhì)含量、合金元素的匹配更趨優(yōu)化，不僅顯著提高了其在各種腐蝕介質(zhì)下的耐蝕性，而且大大改善了焊接性和熱加工性能。在一定的厚度范圍，超級(jí)馬氏體不銹鋼焊前可不必預(yù)熱，焊后亦無需作熱處理。這對(duì)于大型儲(chǔ)罐和跨國(guó)海底輸油輸氣管線的建設(shè)具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。
管道用鋼的新發(fā)展
管道用鋼的發(fā)展在很多方面與前述的鍋爐與壓力容器用鋼相似。實(shí)際上很多鋼種和鋼號(hào)都是相同的，其中只有輸氣管線用鋼可以認(rèn)為是獨(dú)立的分支。近10年來，輸送管線的工作應(yīng)力已從40bar提高到100bar，甚至更高。最近臺(tái)灣省建造了一座1600MW抽水蓄能電站，其壓水管道采用了X100型（屈服強(qiáng)度690Mpa）高強(qiáng)度鋼。
目前在世界范圍內(nèi)，輸送管線中采用的最高強(qiáng)度級(jí)別的鋼種為X80型，相當(dāng)于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)鋼號(hào)L555，其最低屈服強(qiáng)度為555Mpa。國(guó)外已計(jì)劃將X100型高強(qiáng)度鋼用于輸送管線。
鑒于管線的焊接都在野外作業(yè)，要求鋼材具有良好的焊接性，因此管線用鋼多采用低碳，低硫磷的微合金鋼，并經(jīng)熱力學(xué)處理。
鍋爐、壓力容器和管道焊接方法的新發(fā)展
鍋爐、壓力容器和管道均為全焊結(jié)構(gòu)，焊接工作量相當(dāng)大，質(zhì)量要求十分高。焊接工作者總是在不斷探索優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)的焊接方法，并取得了引人注目的進(jìn)步。以下重點(diǎn)介紹在國(guó)內(nèi)外鍋爐、壓力容器與管道制造業(yè)中已得到成功應(yīng)用的先進(jìn)高效焊接方法。
1鍋爐膜式水冷壁管屏雙面脈沖MAG自動(dòng)焊接生產(chǎn)線
為提高鍋爐熱效率，節(jié)省材料費(fèi)用，大型電站鍋爐式水冷壁管屏均采用光管＋扁鋼組焊而成。這種部件的外形尺寸與鍋爐的容量成正比。一臺(tái)600MW電站鍋爐膜式水冷壁管屏的拼接縫總長(zhǎng)已超過萬米。因此必須采用高效的焊接方法。在上世紀(jì)90年代以前，國(guó)內(nèi)外鍋爐爐制造廠大多數(shù)采用多頭（6~8頭）埋弧自動(dòng)焊。在多年的實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，這種埋弧焊方法存在一致命的缺點(diǎn)，即埋弧焊只能從單面焊接，管屏焊后不可避免會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的撓曲變形。管屏長(zhǎng)度愈長(zhǎng)，變形愈大，必須經(jīng)費(fèi)工的校正工序。不僅提高了生產(chǎn)成本，而且延長(zhǎng)了成產(chǎn)周期。因此必須尋求一種更合理的焊接方法。
鍋爐受熱面過熱器和再熱器部件管件接頭的數(shù)量和壁厚，隨著鍋爐容量的提高而成倍增加，600MW電站鍋爐熱器的最大壁厚已達(dá)13mm，接頭總數(shù)超過數(shù)千個(gè)。傳統(tǒng)的填充冷絲TIG焊的效率以遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)展的要求，必須采用效率較高的且保接頭質(zhì)量的溶焊方法。為此，哈鍋和上鍋相繼從日本引進(jìn)了厚壁管細(xì)絲脈沖MIG自動(dòng)焊管機(jī)，其效率比傳統(tǒng)的TIG焊提高3~5倍。后因經(jīng)常出現(xiàn)根部未焊透和弧坑下垂等缺陷而改用TIG焊封底MIG焊填充和蓋面工藝，改進(jìn)的焊接工藝雖然基本上解決了根部未焊透的問題，但降低了焊接效率，增加了設(shè)備的投資，同時(shí)也使操作程序復(fù)雜化。最近，上鍋，哈鍋又從國(guó)外引進(jìn)了熱絲TIG自動(dòng)焊管機(jī)。熱絲TIG焊的原理是將填充絲在送入焊接熔池之前由獨(dú)立的恒壓交流電源供電。電阻加熱至650~800℃高溫，這就大大加速了焊絲的熔化速度，其熔敷率接近于相同直徑的MTG焊熔敷率。另外，TIG方法良好的封底特性確保了封底焊道的熔質(zhì)量，因此，熱絲TIG焊不失為小直徑壁厚管對(duì)接焊優(yōu)先選擇的一種焊接方法。然而不應(yīng)當(dāng)由此全面否定脈沖MIG焊在小直徑壁厚管對(duì)接中應(yīng)用的可行性。曾通過大量的試驗(yàn)查明，在厚壁管MIG焊對(duì)接接頭中，根部末焊透90%以上位于超弧段，而弧坑下垂起因于連續(xù)多層焊時(shí)熔池金屬熱量積聚導(dǎo)致過熱。如將焊接電源電弧的功率作精確的控制，則完全可以消除上述缺陷的形成。但由于引進(jìn)的MIG焊自動(dòng)焊管機(jī)原配的焊接電源為晶閘管脈沖電源，無法實(shí)現(xiàn)電弧功率的程序控制如改用當(dāng)代最先進(jìn)的全數(shù)字控制逆變脈沖焊接電源或波形控制脈沖焊接電源（計(jì)算機(jī)軟件控制小），則可容易地按焊接工藝要求，對(duì)焊接電弧的功率作精確的控制，確保接頭的焊接質(zhì)量。
我們建議對(duì)現(xiàn)有的管子對(duì)接自動(dòng)焊MIG焊機(jī)組織二次開發(fā)，將原有的晶閘管焊接電源更換成全數(shù)字控制逆變脈沖焊接電源，并采用PLC和人機(jī)界面改造控制系統(tǒng)，充分發(fā)揮MIG焊的高效優(yōu)勢(shì)。
3厚壁容器縱環(huán)縫的窄間隙埋弧焊
厚壁容器對(duì)接縫的窄間隙埋弧焊是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的焊接方法。自1985年哈鍋從瑞典ESAB公司引進(jìn)第一臺(tái)窄間隙埋弧焊系統(tǒng)以來，窄間隙埋弧焊已在我國(guó)各大鍋爐、化工機(jī)械和重型機(jī)械等制造廠推廣使用，近20年的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)表明，窄間隙埋弧焊確實(shí)是厚壁容器對(duì)接焊的最佳選擇。
為進(jìn)一步提高窄間隙埋弧焊的效率，國(guó)內(nèi)外推出串列電弧雙絲窄隙埋弧焊工藝與設(shè)備，但至今未得到普遍推廣應(yīng)用。這不僅是因?yàn)樵黾恿瞬僮鞯碾y度，更主要的是交流電弧的焊道成形欠佳，不利于脫渣，容易引起焊縫夾渣。
最近，美國(guó)林肯（Lincoln）公司向中國(guó)市場(chǎng)推出交流波形參數(shù)（脈沖寬度、正半波電流值、脈沖頻率，脈沖波形斜率）可任意控制的AC/DC1000型埋弧焊電源。采用這種新一代的計(jì)算機(jī)控制埋弧焊電源，可使串列電弧雙絲埋弧焊的工藝參數(shù)達(dá)到最佳的組合。不但可以獲得窄間隙埋弧焊所要求的焊道形成，而且還可進(jìn)一步提高交流電弧焊絲的熔敷率。可以預(yù)期，波形控制AC/DC埋弧焊電源的問世必將對(duì)串列電弧雙絲窄間隙埋弧焊的推廣應(yīng)用作出積級(jí)的貢獻(xiàn)。
