锅炉压力容器焊接自动化技术应用分析

安建全, 刘世光, 闫帅增, 郝云伟, 宫 磊

(中建四局安装工程有限公司,广东 广州 510670)

0 引 言

随着社会经济的快速发展以及科学技术的不断进步,各种技术逐渐应用于工业生产与制造当中,这在很大程度上推动了行业的发展以及技术水平的提升,比如自动化技术。现阶段,有的企业在压力容器焊接中已经应用了自动化技术,同时也取得了显著效果。为了更好地促进行业进步,提高企业生产效益,切实保证生产安全与质量,需要加强压力容器焊接自动化技术的应用,并不断进行创新与改善,以提高该技术的整体应用效果与水平。结合实际,只有不断增强与自动化技术相关的无损检测技术研究与推广,才能更好地推动压力容器焊接自动化系统的全面发展。

1 焊接自动化及锅炉压力容器制造

焊接自动化是指借助信息技术,并基于计算机系统根据焊接要求预先设置好参数,由系统根据设置好的指令完成焊接工作的整个过程。在压力容器焊接方面,使用自动化技术能在很大程度上减轻作业人员的劳动量,并更好地保障其安全,同时焊接质量也能得到很好的保证。目前的焊接自动化技术水平得到了进一步提升,主要采用了开环控制系统,各项焊接流程分别由不同功能的自动焊机完成。对于结构较复杂的焊接自动化系统,则使用的是闭环控制,即借助多用焊机等自动化设备使焊接前后工序(比如定位夹紧、工件装卸、组件装配等)完成自动化操作。在实际生产中,在锅炉压力容器焊接方面应用较多的焊接自动化系统有焊接机器人、电弧焊和电阻电焊自动化系统等,不同技术和系统的应用成本与效果存在显著差异。锅炉压力容器是锅炉和压力容器的统称,由两个单独的装置构成,属于特种设备,在工业治疗以及生产方面有着非常重要的作用,如图1所示。锅炉主要以燃料为能源,通过燃烧加热水,利用水蒸气进行运作的设备,而生产中有固定技术功能并承受一定压力的装置即为压力容器。这两种装备对于技术以及工艺有着很严格的要求,例如在压力容器焊接方面,极为强调焊接的牢固程度以及密封度,且焊接工艺专业程度将直接影响到锅炉运行的安全与稳定,高专业水平与高质量焊接能够更好地确保锅炉压力容器的安全与可靠性。

图1 常见锅炉压力容器

2 自动化技术在锅炉压力容器焊接中的价值

2.1 提高生产效率

将自动化焊接技术运用于锅炉压力容器的焊接工作中,能够实现连续、高速、无间断的焊接作业,相比于传统手工焊接,自动化焊接速度更快,还能够避免因焊工停工而导致的焊接过程中的停机时间。相比于传统化的手工焊接,自动化焊接设备可以连续工作,并能大大减少焊接作业的停机时间,提高生产效率。不仅如此,自动化技术的运用还能够获得更高的焊接质量,并能保证焊接的一致性和稳定性,可避免人为因素对焊接质量的影响,以及减少返工等一系列工作的时间消耗。

2.2 提升安全性

锅炉压力容器焊接工作环境相对较为特殊,环境温度高,焊接过程中还有可能会释放出各类有毒有害气体,对人体健康产生影响。也正是这一类相对较为恶劣的工作环境,对焊工的安全提出了较高的要求。自动化焊接技术可以减少焊工的接触时间,工作人员能够在更短的时间内完成工作,降低了工人在危险环境中的风险,提高工作安全性,工作人员安全可得到更有效的保障。不仅如此,针对部分危险系数更高的焊接工作,还可以直接借助自动化技术进行作业,以避免工人与焊接工作台直接接触,这也提升了工人的工作安全性,并有效避免工人在工作过程中出现身体健康方面的损伤。

2.3 减少人工成本

自动化技术的运用不仅能够提升工作质量和效率,还能够从以下几方面减少人力成本的支出,实现资源的最大化利用。

(1) 减少人力投入。自动化技术可以替代一部分或全部人工操作,可减少企业对人力资源的需求。相比于手工操作,自动化设备可以实现连续、高效的生产,减少了人力投入,从而降低了人工成本。

(2) 减少人员培训成本。自动化技术的运用能够减少岗位上的人力资源投入度,企业对于人员培训的成本也将会得到有效控制。另一方面自动化设备的操作相对较为简单,不需要太多的专业培训。相比于手工操作,自动化技术能够减少培训人员的成本,降低企业对培训的投入。

(3) 自动化设备在工作过程中可以精确控制操作参数,避免因人为因素导致的错误。相比于手工操作,自动化技术能够提高工作的准确性和稳定性,减少人为错误带来的不良影响,并降低人工成本。

2.4 提升焊接质量

在锅炉压力容器焊接工作当中,自动化技术的运用能够有效缩短工作时间,还能够提高工作质量。首先,自动化技术的运用能够保证焊接一致性,自动化焊接技术能精确控制焊接参数,可以确保每次焊接的一致性。相比于手工焊接,自动化设备能够稳定地提供相同的工艺条件,避免了人为因素对焊接质量的影响,从而提高了焊接的一致性。其次,自动化技术能够保证每一次焊接的质量,可减少人为误差。自动化焊接设备能够精确控制焊接过程中的温度、速度和焊接电流等参数,保证焊缝的质量。通过精确的焊接参数控制,可以避免焊接缺陷如气孔、夹杂物等的产生,提高焊缝的强度和密实性;另一方面,在自动化技术运用之后,还能够实现焊接质量的可追溯性。利用自动化技术进行焊接作业,自动化焊接设备通常会记录焊接过程中的工艺参数,包括焊接电流、电压、速度等,以及焊接结果的检测数据。这些数据可以用于质量追溯,即时监控和分析焊接质量,及时调整焊接参数,以保证焊接质量的稳定性。

由此可见,自动化技术运用于锅炉焊接工作中,能够有效提升工作质量,减少人为误差,并使工作效率得到大幅提升。

3 常见几种自动化焊接技术

3.1 窄间隙埋弧焊技术

在压力容器焊接过程中,会应用到多种功能不同、规格不同的压力容器,这些压力容器对工艺技术要求也不同,需要根据压力容器具体类型与规格合理选择焊接技术。倘若压力容器的厚度大于100mm,且采取原有的U或V形焊接口,便会提高焊接成本,资源利用率也不高,出现浪费的情况,整体效果较差。随着社会的发展以及工艺技术水平的提升,研究人员开发出了窄间隙埋弧焊技术,该技术的出现在很大程度上解决了传统焊接技术问题,并有效提高了焊接操作时的稳定度。然而由于该技术焊接间隙偏窄,焊接修复难度高,过程中也会出现浪费的情况。[1]窄间隙埋弧焊技术当前已经有较广泛的使用,例如国内第一台重型机械的焊接操作,便是基于该技术开发出了加氢反应器,其壁厚均在300mm以上。综合实际来看,窄间隙埋弧焊技术有显著的作用与优势,与自动化技术结合后,就能实现自动化追踪,操作人员就能实时掌握双侧高度以及横向变化情况,为金属融入焊缝提供有力保障。

3.2 接管自动焊接技术

首先是接管和筒体的自动化焊接操作。以往在压力容器焊接过程中,其接管马鞍形埋弧自动焊接设备的运动轨迹是机械模仿形式,在使用时设备出现了运行问题,存在较大缺陷与不足。随着工艺制造技术的进步,焊接水平得到显著提升,加上接管马鞍形埋弧自动焊接设备的出现,再借助自动化技术,便可自动形成焊枪马鞍形轨迹,实现多层连接。其次是接管和封头的自动焊接。该焊接操作分为非向心接管和向心接管,实际焊接时相关作业人员需对向心进行自动化定位,并密切观察焊接缝隙变化情况,同步做好相应记录,防止出现操作问题。

3.3 弯管内壁堆焊接技术

随着科学技术的快速发展,在工业生产方面,设备的焊接操作越来越复杂,对技术要求更高,同时还具有多变性的特征。压力容器在运行较长时间之后,接管的内壁会出现不同程度的变化,内部出现腐蚀。为确保设备焊接稳定与工作质量,技术人员需要进行相应处理,并做好相关的预防处理措施,在弯管内壁焊接操作过程中将弯管分为若干部分,分段开展焊接作业。30°弯管焊接操作可使用内堆焊来进行作业,在此期间可对操作进行灵活调整,后借助信息技术和计算机系统建立数学模型,实现工件的均匀运动,保持匀速状态。90°弯管内壁堆焊平行弯管母线纵向自动化堆焊操作,利用二维变位机的旋转运动焊接弯道。

3.4 新型激光复合焊接技术

激光复合焊接技术是一项全新的技术,可取代传统钨极填丝氩弧焊,弥补该焊接技术的缺陷,从而提高整体焊接效率,减少工作时间,并具有良好的安全性,很好地保障了焊接工作顺利稳定完成。在科学技术快速发展的背景下,激光电弧复合热源焊接技术在工业生产与制造方面得到有效推广,使电弧溶池出现数量不等的孔洞,产生金属离子,以引导电弧。[2]

4 锅炉压力容器焊接自动化技术应用

4.1 自动化技术在直管接长焊机中的应用

在锅炉压力容器焊接自动化应用与研究中,直管接长焊机是应用较多的一种自动化技术设备,如图2所示。锅炉压力容器是一种高密封性的特殊设备装置,在具体运行过程中会生产出较多热量,为确保热量得到有效控制,避免积聚过多而出现安全事故,需要做好相关的散热措施。过去锅炉压力容器散热方面所采用的措施主要是设置温度控制参数。而随着自动化技术的不断应用,利用直管接长焊机就能起到良好的散热效果,在锅炉压力容器中,将自动化技术与直管接长焊机结合,提高其焊接稳定性和整体质量,使焊接时的温度得到有效控制。现阶段大部分企业在处理锅炉压力容器中管子焊接时,优先使用直管接长焊机,在管子预处理时就能完成高效的自动化焊接。

图2 直管法兰管道自动焊机

4.2 自动化技术在膜式壁焊机中的应用

在锅炉压力容器工业生产中,膜式壁生产线是基础工业生产内容,通过使用膜式壁焊机完成焊接作业。随着工业的发展,生产技术与工艺水平得到优化与改进,也对膜式壁焊机进行了改造,并与自动化技术结合,实现了自动化生产。一般而言,膜式壁焊机能够按照锅炉压力容器的焊接作业标准,分为不同焊接类型,比如气体保护焊和埋弧焊。气体保护焊的综合性能较高,具有较强的焊接能力,焊缝密封度高;而埋弧焊可以确保作业人员的健康,在焊接过程中不会产生过多的有害气体。可见,这两种焊接技术优势与适用范围存在明显不同,实际中应结合焊接要求合理选择。膜式壁焊机中的自动技术,大多数情况是应用在对称性的焊接中。锅炉压力容器焊接多为圆状,能够进行对称焊接。[3]

4.3 自动化技术在马鞍形焊机中的应用

通常而言,锅炉压力容器生产及运行对技术与设备有着一定要求。在实际生产中,操作技术人员需要把锅炉压力容器双侧焊接接头连接到一起,以防止焊接时出现偏差,即位置不准确的情况。然而现实情况是,因锅炉压力容器焊接接头有不同类型,各类型的焊接标准存在明显不同,作业中难以确保接头连接的准确性。对此,将自动化技术应用于锅炉压力容器中,便可提高接头对接的精确性,避免出现偏差,很好地保证了焊接质量。在马鞍形焊接中,利用自动化技术能实现无缝焊接,并借助信息技术构建数字化模型,将焊接各项参数传输到模型中,使用计算机分析运行轨迹,也能实现焊接自动化程度。目前已有许多锅炉厂应用了马鞍形焊机自动化技术,不仅提升了焊接效果,还减少了资源浪费,为企业节约更多的经济成本,综合效益与效果显著。

5 结束语

综上所述,随着锅炉压力容器对产品需求的不断提升,焊接自动化已经成为现阶段锅炉压力容器生产的重要技术,是不可或缺的部分。当前焊接自动化技术已经应用到工艺生产各方面,包括锅炉压力容器焊接,为了使该技术能得到充分发挥,提高应用效果,相关企业要注重对焊接自动化设备的改进,优化操作流程与管理制度,加强对自动化设备的保养与维护,以保证系统运行的可靠性与稳定性,提高锅炉及压力容器运行效率和生产质量。