快装锅炉管板焊接的工艺性分析

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　　摘 要：本文对卧式快装蒸汽锅炉管板的焊接性进行了较为全面的分析，其中重点对管板角焊缝的不同焊接工艺方法进行了探讨分析，并从本单位的实际情况出发，为一台型号为WNS6-1.25-Y（Q）燃气蒸汽锅炉的烟管更换选择了合理的焊接工艺，给予了同种类型锅炉的大修更多的焊接参考。
　　关键词：卧式快装锅炉管;板大修焊接工艺;分析
　　中图分类号：TK223 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）01-0164-03
　　0 引言
　　卧式快装锅炉属于一种烟（火）管与水管组合锅炉，在小参数（≤20t/h）的工业锅炉的使用中得到了普及，其自身具备结构相对较为紧凑、性能良好且运行较为稳定、易于进行维护工作等等诸多较为突出的优点。该种锅炉一般由锅壳与前后管板以及高低温烟管等等各个受压部件构成的，全部采用焊接结构。其中高、低温烟室的管板焊接采用角焊缝形式，在工作时外部介质为高温烟气，其中的介质为炉内的沸水，而且炉水中会产生一定的气泡，而气泡处于角焊缝根部的情况下，角焊缝根部的温度会瞬间升高，其承受的应力属于交变应力，工作的环境条件相对较差，发生渗漏的可能性较小，因此对焊接质量要求较高。我公司一台由中核动力设备有限公司制造的型号为WNS6-1.25-Y（Q）的蒸汽锅炉由于多年的运行，前后高低温烟管受热管路变薄，经常出现爆管事故。2019年7月公司决定对其进行大修，更换烟管。作为锅炉主要的受热面，其中有更多的烟管，其管孔在管板上多均匀布置，布置简图如图1所示。
　　为最大限度的减少成本支出，当受热面达到相应要求时要尽可能的使用体积或者直径较小的锅筒，同时尽可能更多的布置烟管，然而管桥，即相邻两管孔之间的最小间距过小，将强度作为考虑的因素，角焊缝的标准高度要满足管壁的厚度再加上三毫米，而且管桥不可以太小，在这其中存在一定的矛盾关系。所以在快装锅炉的制造和大修中，管板的焊接属于焊接工艺评判的主要内容，由于管板角焊缝临近的角焊缝间的距离较短，很有可能会有热影响区和焊缝重叠的状况产生，以结构定型为基础，需要对焊接工艺进行合理控制。而且，提升生产效率且工件装配标准也作为编制焊接工艺要考虑的主要内容。将对这台快装锅炉中管子和管板的焊接工艺做出探讨分析[1]。
　　1 管板材质的焊接性分析
　　此台WNS6-1.25-Y（Q）快装锅炉的管板材料为低合金钢16Mng（Q345），烟管材料为低碳钢20g，大致讲述两者都属与低碳钢系列中的良好碳素结构钢以及锅炉专用钢材。20g、16Mng钢材的主体材料其实就是20#和16Mn钢材。“g”便能够代表锅炉专用钢材，其中加入了含量较少的合金元素，目的是要有效提升钢的各方面的性能，和一般的20#、16Mn做出比较，其有温度形变小、耐腐蚀性好、微合金化等较为突出的优点。
　　1.1 管板材料的化学成分与机械性能
　　1.1.1 管板材料的化学成分（表1）
　　1.1.2 管板材料的机械性能（表2）
　　1.2 对低碳钢的焊接性做出分析
　　因为低碳钢中的碳元素的含量与合金元素的含量相对较低，但是其强度相对较低，具有较好的塑性，有优异的焊接性。
　　（1）能够制作成为多种焊接的接头种类，适合于各种位置的焊接;
　　（2）焊缝有裂纹的情况发生、气孔的倾向性较小，只有焊材、母材的成份不符合基本要求时，例如其中的碳、硫、磷的含量较高的情况下，焊缝处才会有产生热裂纹的可能性;
　　（3）一般无需在焊制前对其进行预热，而当在温度不高或者结构的刚性太大时，才有可能对其进行预加热;
　　（4）若空气中的氧和氮进入焊接熔池时，焊缝金属将被氧化或氮化。其中的氧化亚铁就能够引法热裂纹的情况;
　　（5）当沸腾钢中的氧的成分较大时，有可能会出现裂纹;
　　（6）硫和磷的含量偏高，也是使裂纹倾向增加的重要因素。
　　16Mng随属低合金钢，但其焊接性跟低碳钢差不多，在进行焊接工艺评定的时候，大多数情况都归属于低碳钢[2]。
　　2 几种不同焊接方法的特点
　　该管板焊缝属于水平固定情况下的全位置焊接，焊接的方式可以是焊条电弧焊或者是自动钨极氩弧焊、自动熔化极气体保护焊，三种焊接方法各有其优点及不足。
　　2.1 焊条电弧焊（SMAW）
　　锅炉管子、管板角焊缝采用焊条电弧焊时，依据母材的材质，分别采用E4303，即母材属于碳钢的情况或者是E5015，即母材属于低合金钢的情况下的焊条，焊材规格多采用Φ3.2mm，焊接电流90～120A，电弧电压22～24V。由于操作者的技能和焊缝金属自重的原因，角焊缝的宽度k1 和高度k2并不固定，而且还会随着焊缝位置的变化而变化（图2），所以相邻角焊缝热影响区间距离不能够达到相应的基本要求，需在焊接完成后对其进行热处理，使生产的成本更高。然而，焊条电弧焊的工件的装配标准较低，管板的平面度或者是管口圆度较差时也可以进行焊接。
　　综上所述，采用焊条电弧焊焊接管板角焊缝具有这样的特征：（1）生產效率较高;（2）用于设备的支出较小;（3）装配的相应标准较低;（4）所形成的焊缝并不美观，易受到焊工技术水平的明显影响，容易之事相邻的角焊缝与热影响区发生重叠;（5）增加了焊工的劳动强度，同时劳动的环境较为恶略。
　　当前，因为焊条电弧焊具有生产效率较高的特点、工件的装配标准较低，因此在管板角焊缝的焊接过程中得到了应用的普及，但更需在设计时加长管桥的长度以避免出现相邻管子间的角焊缝距离不符合相应的技术要求的情况发生[3]。
　　2.2 自动焊中的钨极氩弧焊（TAW-P）
　　这种焊接方式是为弥补焊条电弧焊的缺点而出现的，因为焊接过程中的热量输入较小，能够更好地把控焊缝成形，焊缝处的热影响区域较小，其能够满足各项技术的相应标准。现阶段的锅炉制造商经常使用德国制造的0RBIMAT 250C焊接使用的电源与P-16M/P-20机头以提供于管板焊接使用，P-16M要在开始焊接之前与之后的管板和烟管角焊缝处使用，定位芯轴过长，P-20需应用于回烟室的管板和烟管角焊缝的焊接，其定位芯轴相对而言比较短。焊接的区域在水平固定位置，这一设备运用了DSP技术，其控制的形式为计算机控制使得焊接电源与控制系统具有良好的调节能力，电源的外部特征、动特征，焊接参数的稳定性与调节能力都可以满足管板全位置钨极氩弧焊的焊接要求，同时可以准确地对焊接的每一个参数做出调节与自动化的控制，并且具备便利的焊接程序编制功能。只需将焊接的各个参数，其中包含预先设置和滞后以及焊接时的规范性的参数，输入至已完成编制的程序之内，以控制电源与机头使其能够自动完成焊接的完整过程。这一设备尚不具备程序的记忆与储存能力，可以将数十个编码完成的焊接程序存储在磁卡或者是打印与纸上，之后可以依照号码来选取使用。 　　因为应用氩弧焊的焊接方式，焊接时的热量输入较小，一般焊接时的电流是90～130A，电弧的电压是13～15V，焊缝的成形较好，这时候图3中的角焊缝的焊接完成较好，同时角焊缝的宽度与高度之差较小，尤其在管桥狭小的位置，可以确保焊缝间的最小6mm的间距。然而，因为管板的平面度存在缺点，管子或者是管口并不为很好的圆形，其在加工制造时会产生较小的公差，事实上为一椭圆，焊枪的跟踪调节系统不能做到对其完成自动调节，因此在设备的焊接过程中工件装配标准较低，例如：规定了管板的平面度处于Φ200mm之内比2mm小，不然焊枪的3个支撑脚不能够和管板紧密贴合，焊枪的运行轨迹会产生偏差，可能会焊在管板或者是管子上，而且也许会将管子焊穿;同时，管孔的直径需要做到比管子的直径略大，并要控制其处于1mm的范围内，不然管子管孔不同心会导致焊枪发生转动或者是偏离，以上这些问题均为这一设备存在的最为严重的问题，同时是较难得到良好去除的缺点。而且，这一设备的生产效率相对低，一个角焊缝需焊两道才能够符合焊缝尺寸的相应标准，只是考虑焊接的速率的情况下，焊条电弧焊的焊接速率相较于自动钨极氩弧焊将近快一倍。特别是锅炉现场局部维修的补焊工作就更加发挥不出自动钨极氩弧焊的优越性来，应用其它钨极氩弧焊设备的情况和这种相类似。
　　自动钨极氩弧焊焊接管板的角焊缝具有这样的特征：（1）焊缝的最终形态较好，能够确保焊接的质量;（2）工件装配标准较低;（3）焊接速度相较与焊条电弧焊低;（4）设备成本较高。因此，自动钨极氩弧焊更多的应用在管桥极为狭窄的区域，当前在锅炉管板焊接过程中的使用较少，但是在换热器管板的焊接中的使用却相对较为普遍。
　　2.3 自动熔化极气体保护焊（CO2W）
　　一般运用CO2气体或者是混合气体的保护焊，常将CO2作为焊接过程中的保护气体，能够使用实心焊丝亦或是药芯焊丝。因而其焊接过程中的热量输入较大，焊接的电流为180～200A，电弧的压为23～26V，一条角焊缝的焊接只需要焊接一道，便能够符合角焊缝的尺寸标准，大大提高了自动钨极氩弧焊的生产效率，其良好的综合了焊条电弧焊和自动钨极氩弧焊两种焊接方法的长处，在确保较高焊接质量的同时，能够保持较高的生产效率。需要的设备和自动钨极氩弧焊时的标准具有相似性。焊接不一样的位置需应用与之对应的焊接参数，而且这些焊接参数能够按照之前的设置完成自动转换，焊缝的成形较好。这种焊接工艺具有这样的主要特征：（1）焊缝的质量较好;（2）生产的效率较高;（3）能够有效降低焊工的劳动强度;（4）工件的装配标准较低;（5）设备成本较大;（6）焊接的成本较大。
　　通过以上分析，自动钨极氩弧焊和自动熔化极气体保护焊较适合于制造单位的批量制造，而并不适合使用单位的零星焊接修理[4]。
　　3 锅炉管板焊接时焊缝的坡口形式
　　管板角焊缝坡口有三种基本形式（如图3）。
　　4 焊接材料的选用原则
　　前面谈到16Mng和20g的焊接性差不多，但从微观角度讲管板16Mng和烟管20g间的焊接是不同种类的金属低碳钢与低合金钢的焊接，因此焊接材料选取要求是：强度和塑性、冲击韧度都不可以低于被焊钢材中的最小值。
　　5 WNS6-1.25-Y（Q）锅炉烟管更换时的焊接工艺选择
　　根据我公司生产实际和现有设备状况，本着充分利用现有资源，挖掘职工潜力的原则，最终确定焊接工艺如下：
　　（1）焊接方法：焊条电弧焊;
　　（2）焊接材料：φ3.2低氢钠型焊条（E5015），高温烘干并保温，随用随取;
　　（3）焊接设备：弧焊整流器（ZXE1-160），直流反接，I=90～120A;
　　（4）坡口形式为管端伸出开坡口，管端、管板要除锈、清油污，打磨平整，全位置焊接，每条焊缝两遍;
　　（5）焊接顺序：前后管板交替，同一管板对角错开，避免焊接应力局部高度集中;
　　（6）挑选具备锅炉压力容器焊接资格的高级焊工;
　　（7）做好相应的安保防护。
　　6 结语
　　在对快装锅炉的管板角的焊缝进行焊接的过程中，为符合安全技术规范的相应标准，必须要更多的考虑每一种焊接方式的特征，确保质量和效率能够达到很好的平衡状态，选用适宜的焊接方法。以上的焊接方式中，焊条电弧焊的生产效率很高，却需要更长的管桥长度才能够保障焊接的质量，自动钨极氩弧焊的焊缝质量好，但是生产效率却非常低，同时对工件的装配要求并不高，自动熔化极气体保护焊的焊缝的质量优异，能产生更高的生产效率，只是其焊接的成本太大。目前，我公司几台蒸汽锅炉在检修时均采用焊条电弧焊，其它生产厂家或使用单位要根据实际情況综合考虑。
　　参考文献
　　[1] 张应立.新编焊工实用手册[M].北京：金盾出版社，2006.
　　[2] 陈晓.高性能压力容器和压力容器钢管用钢[M].北京：科学出版社，1999.
　　[3] 韩效鸿.工业锅炉维护与保养[M].北京：中国建筑工业出版社，1981.
　　[4] 中国机械工程学会焊接学会编，焊接手册[M].北京：械工业出版社，2009.
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