钢铁厂自备电站锅炉智能化焊接现状及发展趋势

李明元

（1.中国电建集团河北工程有限公司；2.河北省大型电站机炉安装技术创新中心，河北 石家庄 050021）

历经多年的发展，我国的锅炉制造及安装技术也在不断成熟，从上世纪五十年代的6MW机组，发展到八十年代的300MW机组，九十年代、电站锅炉的单机容量已经超过了600MW，锅炉的蒸汽参数也从亚临界提高到了超临界。21世纪，电站锅炉的单机容量突破了1000MW，蒸汽参数也提高至超临界。最近三十年，我国电站锅炉的制造技术突飞猛进，焊接技术在电站锅炉的制造中应用非常广泛，除了环焊缝、长直焊缝可以采用智能化焊接，大部分焊接结构仍然需要手工电弧焊。新时期下，自动化和智能化焊接成为我国加工制造行业的重点研究课题，在钢铁厂自备电站锅炉制造和安装过程中，手工焊接存在许多弊端，比如锅炉集箱的管座，排列非常密集，操作空间狭小，而且焊接之前需要预热到300℃左右，以预防裂纹的出现，手工焊接劳动强度过高，而且无法保证焊接质量。正因如此，研究智能化焊接技术才具有深远的理论价值和现实意义。

1 钢铁厂自备电站锅炉的智能化焊接现状分析

一台锅炉的重量有万余t，它是一个体积庞大、结构复杂的系统装置。根据运行功能，可以将电站锅炉的核心承压部件分为汽包/汽水分离器、集箱、蛇形管、膜式壁四种类型。每种部件的结构形式不同，制造过程中采用的焊接技术也存在很大差异。

1.1 集箱零部件的焊接

在钢铁厂自备电站锅炉的运行过程中，集箱的主要作用是汇集并分配汽水，它是非常重要的承压部件。集箱筒身的焊接工序有环缝对接、受热面管座焊接、大管座焊接以及附件焊接，集箱的筒身是由成品钢管制作而成，环缝焊接方面，多数制造厂家采用的是氩弧焊打底＋埋弧焊的焊接技术，也有厂家实现了窄间隙热丝TIG焊，主要用于高等级材料制成的集箱，可显著提高焊接质量。大管座的焊接，很多厂家都在啊研发自动焊装置与工艺，但现阶段并未成功，仍然采用手工焊接。小管座的焊接，有的厂家采用药芯焊丝气保焊，还有的厂家应用氩弧焊＋细丝埋弧焊。

1.2 蛇形管部件

对于钢铁厂自备电站锅炉而言，蛇形管部件同样重要，它属于锅炉的受热面管系，形状十分复杂，由小口径管拼接而成，特点是材料类型和焊口数量较多，制造难度大。管子对接是蛇形管部件的主要焊接工序，大多数制造厂家在直管对接中都选择机械热丝TIG焊进行焊接，也有一部分厂家为了提高焊接效率，采用的是机械TIG＋MIG焊。在弯管对接中，由于焊接位置的局限，通常只能采用手工氩弧焊＋焊条电弧焊技术。尽管目前已经研发了全位置的TIG焊设备，但从实际应用来看，效果并不理想。

1.3 膜式壁部件

该部件的主要作用是吸收炉膛火焰的热量，对管内介质进行加热，降低烟气的温度，能够很好的保护炉墙，膜式壁部件主要设置在炉膛周围的受热面，由光管与扁钢两部分组成，还包括一部分部件。膜式壁光管＋扁钢角焊缝的工作量极大，但现阶段机械焊接广泛普及，通过机械气保焊、机械埋弧焊等焊接技术可以顺利完成焊接工作。机械气保焊包括两种类型：一种是龙门焊，为4头或6头，主要用在非直管屏的焊接中，从正面焊接。另一种是MPM焊，具有多头的上焊枪与下焊枪，通常用来焊接直管屏，可以同时从上下两侧进行焊接，焊枪可以达到20头以上。机械埋弧焊只有4头或者8头，仅能用于管屏上侧的焊接。

在钢铁厂自备电站锅炉的一部分炉型中，膜式壁部件的销钉焊接还可以采用销钉螺柱焊焊接工艺，销钉的数量较多，目前还没有实现全自动化焊接，只能通过人工焊接的方式逐个焊接，需要花费大量时间和人力。膜式壁其他部件的焊接技术主要是半自动熔化极气体保护焊或者手工焊条电弧焊。

总体而言，钢铁厂自备电站锅炉焊接的自动化、智能化程度并不高，大部分焊接工作仍然需要依赖人工操作，无法实现机械焊接。能够机械焊接的部件也无法完全实现智能化焊接，作业过程中仍然需要人工监控。为了节约成本，钢铁厂采购的焊接设备比较简单，功能相对单一，很大程度上制约了智能化焊接的发展。

2 钢铁厂自备电站锅炉智能化焊接的发展

近几年，传统工业生产行业竞争较为激烈，全球经济陷入低迷，钢铁生产企业想在激烈的市场竞争中脱颖而出，必须要不断升级制造设备，提高自动化与智能化水平，控制和降低锅炉的焊接成本。

2.1 立足于现有条件开发智能化焊接设备

现阶段，集箱管座、销钉的焊接仍然以手工焊接为主。如果用设备替代人工，无疑是对这一焊接工序进行了重大改革，不仅提高了制造效率和质量，还能大幅度降低人工成本。然而，使用智能设备来代替人工并不是短时间内就能实现的，从人工焊接到智能化焊接的转变，需要一定的过渡，可将自动化和机械化焊接作为过渡方案。在自动化发展的过程中，最大的阻碍便是集箱大管座的布道，实际操作中可以参考汽包大管座马鞍埋弧焊的经验，焊接时先进行人工布道，然后再采用机械焊。在集箱小管座焊接方面，一部分厂家已经验证了机器人焊接的可行性，但前提是要提高坡口的加工精度，并不能够满足锅炉的安装和焊接需求。销钉焊接的自动化程度较低，需要通过人工的方式持焊枪焊接，然后安装销钉以及磁圈。由此可见，提高销钉焊机的自动化水平也是智能化焊接的重要研究方向。

2.2 重视对机械焊设备的智能化改造

现阶段，龙门焊、MPM焊在膜式壁管屏的焊接中已经广泛普及，但实践操作中，仍然需要人工的方式来操控焊枪，整体而言，自动化水平较低。应用MPM焊时，仍然需要人工监测并调整焊缝的位置及相关参数。龙门焊和MPM焊虽然属于机械焊，但都需要人工操作，因此，只有对这些焊接设备进行智能化改造，才能提高设备的制造性能，在设计方面，可以采用视觉识别和机械焊两种技术相互结合的方式，让焊枪能够自动搜索、定位焊缝的位置，最终实现自动化焊接。

2.3 推广焊接模拟与仿真技术

现阶段，计算机技术已经非常成熟，通过计算机软件编程，完全可以普及焊接过程系统模拟以及仿真技术，该技术是实现智能化焊接的基础，通过焊接建模，在锅炉新结构的焊接中能够完成应力、变形等数据的计算，从而预测不同焊接条件的新材料组织的转变。

2.4 重视对焊接系统智能化集成的研究

焊接电源、焊接模拟仿真技术、焊接机器人是构建部位焊接智能化集成的前提，理论上而言，未来的智能化焊接并不需要人工操作，而是将焊接工程师作为对话对象，借助远程焊接控制技术以及焊接过程中的自动监控、诊断等技术实现人工与机械设备的分离，这也是提高钢铁厂自备电站锅炉智能化一个方案，此方法实施不仅需要开发商的努力，同时还需要钢铁企业与安装单位的积极配合。

3 钢铁厂自备电站锅炉集箱管座的焊接系统设计

3.1 设计要求

作为钢铁厂自备电站锅炉的重要组成部件，集箱的功能是汇集所有工作介质，并且把工作介质从集箱分配至各个管道内，实现对工作介质的均匀分配和加热作用。根据锅炉系统的类别，可以把锅炉汇集管束的集箱分为省煤器集箱、水冷壁集箱、过热器集箱、再热器集箱几种类型，集箱的筒身上安装了大量和受热面相焊接的管接头，管接头的材质可以是低合金钢，也可以是高合金耐热钢。管接头的外径通常为30mm～108mm，壁厚3mm～50mm。管接头的特点是规格复杂、材质类型多样、数量巨大，成排密集的分布在集箱筒身上，管接头之间间隔的距离非常小，手工操作的空间十分狭窄，工作强度高，工作效率低。小管接头的机械化、自动化焊接水平较低，现阶段主要用手工电弧焊＋药芯焊丝气体保护焊或者焊条电弧焊的方式进行焊接，工作量大，人工付出的劳动强度非常高，而且焊接质量与合格率较低。正因如此，设计钢铁厂自备电站锅炉集箱小管座的自动化焊接系统，提高焊接效率和质量显得格外重要，系统的设计要求如表1所示。

表1 锅炉集箱小管座自动化焊接系统的设计要求

3.2 机械人焊接编程系统

PowerMILL、FeatureCAM、DentMILL、PartMaker、ArtCAM是英国Delcam公司研发的高端软件，在制造领域有着广泛应用。在PowerMILL平台的基础上，该公司推出了PowerMILL Robot Interface工业机器人编程软件，实现了对焊接机器人的离线编程。PowerMILL Robot Interface支持大部分主流Robot设备，还可以根据厂家的需求制定个性化的Robot设备。PowerMILL Robot Interface的优势主要体现在五个方面：

（1）编程效率高，易学易用，操作简单，控制性能极佳，可使用标准化的刀具库管理系统和模板变成，更容易实现制造车间的标准化管理。

（2）具备机器人装卸、搬运、焊接、激光、水刀切割、火焰切割、发泡取件、注塑取件、铣削复杂零件等功能。

（3）机器人可直接读取、采用离线编程程序。

（4）能够模拟真实的工作环境。

（5）Delcam离线编程让技术人员更容易控制机器人，离线仿真技术可以减少现场的验证等待时间，降低出错率和风险性，消除生产安全隐患。

4 结语

综上所述，尽管目前钢铁厂自备电站锅炉的焊接主要以人工、半机械操作为主，但随着弧焊机器人、机械化焊接专机设备的完善，智能化焊接将在工业制造安装领域占据主导地位。