基于专利分析的管—板焊接发展趋势研究

梁为　于复生　严高超　朱宝星

摘 要：管-板焊接技术近年来在我国飞速发展，使我国压力容器行业的发展有了极大的提升。基于佰腾和soopat专利检索数据库，以管-板焊接为研究对象，检索2018年之前境内关于管-板焊接的相关专利，并统计分析管-板焊接申请专利的技术领域、申请机构、总体趋势等。重点对管-板焊接的五个技术方向进行分析阐述，并给出发展趋势及一些建议。

关键词：管-板焊接；发展趋势；专利分析

中图分类号：TG44 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）03-0054-04

Abstract： Pipe-plate welding technology has developed rapidly in recent years in China， which has greatly improved the development of pressure vessel industry in China. Based on Baiten and Soopat Patent Retrieval Databases， with tube-plate welding as the research subject， this paper retrieves the relevant patents on pipe-plate welding in China before 2018， and statistical analysis of the technical field of patent application for pipe-plate welding， application institutions， general trends and so on. The paper focuses on the analysis and elaboration of five technical directions of tube-plate welding， and gives the development trend and some suggestions.

Keywords： tube-plate welding； development trend； patent analysis

換热器、反应器、储存器等压力容器在石油、电力、冶金、化工、核电、轻工等行业的应用极其广泛[1]。我国的压力容器制造行业与世界工业发达国家相比，无论在产能、生产效率、技术装备的先进性还是产品质量控制与管理、技术标准和信息化技术的应用等方面都存在较大差距[2]。在压力容器制造领域，管与板之间的连接是压力容器制造过程的关键工序。这种焊接接头的数量大、焊接位置苛刻、管口接头长期承受压差对管子产生的轴向负荷、多次反复加热、冷却、高压和介质腐蚀疲劳强度破坏的作用， 对焊缝的致密性及力学性能要求严格。如果焊缝的根部没有焊透，焊缝中存在裂纹、气孔等缺陷，在检验中又未被发现，那么在运行中就会在交变应力的作用下，使缺陷扩展、泄漏通道扩大、从而导致冲蚀、以至泄漏、影响整机的运行安全和使用寿命[3]。由于焊接接头的数量大、焊接位置苛刻，同时焊接劳动强度大，焊接环境恶劣，不同熟练度的焊工的焊接质量差异很大，管与板之间的焊接不能完全依赖人工。

后来出现了焊接操作架、自动化焊接小车等半自动化、专用化的焊接装备[4]，这在一定程度上提高了管与板的焊接质量和效率，但这些装置的使用和安装过程复杂，自动化程度不高。随着管-板焊接技术的发展，国内开发研制了很多智能化、高自动化的管-板焊接设备并将其应用到生产中，取得了不错的效果。

1 管-板焊接相关专利分析分布

专利是技术信息有效的载体，通过有效的专利分析洞悉技术的演变和发展趋势，是学术界和社会实践的迫切要求[5]。近几年以来，针对管-板焊接的专利层出不穷，涉及到管板焊接设备、焊接方法、工装、夹具等多方面，专利类别多、数量大。但由于没有具体的专利分析报告，难以把握管-板焊接的发展趋势。

本文分析数据来源于佰腾和soopat专利检索数据库，时间截止到2017年12月31日，检索到关于管-板焊接相关专利共278篇。按所属技术领域划分，可以分为焊接设备、焊接方法、连接结构、工装、夹具、坡口、外观设计等技术方向。因为专利所属技术方向并非独立，专利分类的交叉性较强，因此数据也存在交叉性。各技术领域的专利申请数量如图1所示。

从图1中可以看出2018年之前境内专利申请的主要技术领域，其中焊接设备、焊接方法以及焊接结构位居前三，是专利申请的热门方向。

从专利申请机构上看，申请数量较多的机构分布如图2。可以得知，各类公司申请的专利数量所占的比例最大，其次是各类高校。

2 管-板焊接相关专利申请状况分析

管-板焊接领域境内专利申请的发展趋势如图3所示。图3显示了从首件境内管-板焊接技术专利申请开始至2017年的申请量发展趋势；由于早期申请量与近几年的申请量差异较大，为了更清楚地显示2007年之后境内管-板焊接技术专利申请量变化趋势，在图4中放大显示了从2008年开始到2017年间境内管-板焊接技术专利申请量的发展趋势。

从图3中可以看出，2006年之前每年的专利申请量很少，这是因为管-板焊接方法与设备的研究整体处于发展初期，进展缓慢。随着国家提出节约能源的政策以及工厂对于多管-板焊接方法与设备需求的明显提升，除了长期从事多管-板焊接方法与设备研究的高校和科研院所外，多家企业以及为数众多的民营企业都纷纷涉足多管-板焊接方法与设备领域，相较于之前，2006年和2007年管-板焊接方法与设备相关专利申请量开始增长，在2007年出现一个发展的小高潮，之后2008年受到大地震及金融危机的影响有所回落，随着硬件系统技术的成熟，多管-板焊接行业准入标准大大降低，大批企业进入多管-板焊接方法与设备市场，在中国掀起了多管-板焊接方法与设备发展热潮，2008年之后管-板焊接方法与设备相关的专利呈现爆发式增长，多管-板焊接方法与设备技术在这一时期得到快速发展。专利数量不断增加，不断有新产品投入市场。

3 管-板焊接相关专利的主要技术方向和发展趋势

专利信息分析方法是指对有关的专利文献进行筛选、统计、分析，使之转化成可利用信息的方法[6]。本文运用专利信息分析方法分析我国境内目前涉及管-板焊接相关专利，针对管-板焊接领域内的重点发明专利进行阐述，重点从该领域的三个技术方向进行分析阐述，分析总体趋势等信息。

3.1 管-板连接结构

检索到的管-板连接结构这一技术方向的申请专利共72篇，管-板连接结构专利申请大致可以细分为以下几类：（1）螺母紧固式连接结构，代表性专利申请如 CN2283174Y；（2）内胀式连接结构，代表性专利申请如 CN2879095Y；（3）强制性密封结构，代表性专利申请如 CN105202963B；（4）密封圈式，代表性专利申请如 CN102564211A。从专利申请机构来看，茂名重力石化机械制造有限公司专利申请量最大，江苏普格机械有限公司和卢秉威（沈阳陆正冷热设备有限公司）次之。

管-板连接结构对管-板焊接质量影响极大，所以针对这一技术的专利申请在整个有关管-板焊接专利申请中占的比重很大。同时也可以看出，寻求一種更有效的管-板连接结构是提高焊接质量的突破口。管与板合理的连接结构设计可以使焊接效果更加充分，减少焊接缺陷，更加便于施焊，可以考虑在设计上对管-板连接结构进行改进，以保证其焊接质量，这是目前提高管-板焊接质量的一种趋势。目前常见的连接结构有螺母紧固式、内胀式、密封圈密封式、强制密封式等。设计时应进一步考虑焊接的力学性能、致密性等问题，以提高焊接接头处的承压能力，这是设计中值得考虑和应该考虑的问题。同时，在低温预热方面，在焊接时需要对管板进行低温预热，以提高管与板之间的焊接质量。

3.2 管-板焊接设备

检索到管-板焊接设备技术方向的申请专利共112篇。这是研究的一个重点，焊接设备的研制对于提高焊接生产效率、保证焊接质量有很大的影响。该技术方向可进一步分为以下几类：（1）焊接操作架，代表性专利申请如CN206982036U；（2）手动焊机，代表性专利申请如CN2191058Y；（3）半自动化管-板焊机，代表性专利申请如CN2366214Y；（4）自动化管-板焊接设备，代表性专利申请如CN205342175U。从专利申请机构来看，苏州工业园区华焊科技有限公司专利申请量最大，深圳市瑞凌实业股份有限公司次之。从专利申请数量上来看，半自动化管-板焊机的专利数量最多。

由此可见，管与板的焊接正向着自动化的方向发展，针对不同的材质，采用不同的管板焊枪，并辅以各种架构，实现管板焊接的自动化。但是在某些设备中焊接定位过程不是自动实现的，焊接过程也需要人工的监管。在管-板焊接设备的研制过程中，焊接质量是制约其发展的关键因素。焊接质量差可能会引起未焊透、未熔合，甚至出现裂纹，焊接缺陷中危害最大的是裂纹。因此，在研制管-板焊接设备时要特别注意管与板之间的焊接定位问题以及焊区表面的清理。

3.3 管-板焊接方法

检索到管-板焊接方法技术方向的申请专利共73篇，该类专利数量占的比重较大。从专利申请机构来看，上海电气核电设备有限公司、东方电气集团东方锅炉股份有限公司和哈尔滨工业大学的专利申请量最大。该技术方向又可细分为氩弧焊接方法、摩擦焊接方法、复合弧焊焊接方法、堆焊焊接方法、钎焊方法等。氩弧焊接方法代表性专利如CN102717175B，采用PS406电源和TS-2000焊接机头，先对坡口进行清理，再布置四层焊道进行焊接；摩擦焊接方法代表性专利如CN100417487C，通过在容器外壁加工锥形孔与管相配合，利用芯轴带动导管旋转使导管与容器壁摩擦完成焊接；堆焊焊接方法代表性专利如CN101797660A，采用带极电渣堆焊工艺进行管板大面积堆焊，减少管板镍合金堆焊的时间；钎焊方法代表性专利如CN105397280B。

在管-板焊接过程中，焊接方法的选择是极为重要的，应当针对材料性能及焊接结构特征，特别是母材的物理性能、冶金性能和力学性能，结构的焊接位置、焊件厚度、接头形式及接头的几何形状等因素，根据各种焊接方法的特点，结合产品的具体生产类型等因素综合考虑后选定。

3.4 管-板焊接技术发展趋势

根据上文的分析，管-板焊接技术研究较多的关键词是焊接设备、焊接方法、连接结构等；根据检索到的专利对焊接设备、焊接方法、连接结构、工装、夹具、坡口、