火电厂超厚壁大口径集箱中间段更换的焊接技术与工艺优化

收稿日期：20240529

作者简介：张小锋，高级工程师，主要从事电力检维修方面的研究。

摘 要：针对火电厂中超厚壁大口径集箱中间段更换的焊接工艺进行了优化探讨。采用神经网络为基础的优化手段，对焊接过程中的参数设置、焊接次序以及实时监控反馈体系进行了细致的调整与优化。与传统焊接工艺进行对比实验，结果显示，优化后的工艺在焊接品质、焊缝性能及工作效率方面均展现出明显的优越性。具体而言，优化工艺下的焊接接头质量得以显著提升，焊缝内部缺陷大幅减少，力学性能有所增强。同时，焊接周期缩短，材料利用率提高。此外，该优化工艺还有效地缩减了热影响区域，控制了焊接过程中的形变，并降低了焊接后残余应力。总体而言，本研究采用的优化方法显著提高了火电厂中超厚壁大口径集箱更换的焊接工艺水准，为电力行业的设备维修提供了坚实的技术支撑。

关键词：火电厂；超厚壁大口径集箱；焊接技术；工艺优化；神经网络

中图分类号：TG457.11;TM621

文献标志码：A

Welding technology and process optimization for the replacement of intermediate

sections of ultra-thick wall Large-diameter headers in thermal power plants

ZHANG Xiaofeng， L Pinzheng， WEI Jiagui， LEI Bingbing， MA Zhaopeng

（Shaanxi Energy Electric Power Operation Co.， Ltd. Xian 710016， Shaanxi， China）

Abstract： This study explores the optimization of welding processes for replacing the middle section of ultra-thick wall large-diameter headers in thermal power plants. Using a neural network-based optimization approach， detailed adjustments and optimizations were made to the welding parameters， welding sequence， and real-time monitoring feedback system. Through comparative experiments with traditional welding processes， the results show that the optimized process exhibits significant advantages in welding quality， weld performance， and work efficiency. Specifically， the quality of welded joints under the optimized process has been significantly improved， with a substantial reduction in internal weld defects and enhanced mechanical properties. Additionally， the welding cycle has been shortened， and material utilization has improved. Furthermore， the optimized process effectively reduces the heat-affected zone， controls welding deformation， and lowers residual stress. Overall， the optimization method adopted in this study significantly improves the welding process for replacing the middle section of ultra-thick wall large-diameter headers in thermal power plants， providing solid technical support for equipment maintenance in the power industry.

Key words： thermal power plant； ultra-thick wall large-diameter header； welding technology； process optimization； neural network

0 引 言

在能源领域，火电厂对于满足日益增长的电力需求，确保国家能源安全和推动经济发展具有至关重要的作用^［1］。而超厚壁大口径集箱是火电厂的核心设备，它负责传输和分配高温高压蒸汽，对电厂的安全与效率有着直接影响^［2］。然而，在火电厂的长期运营过程中，超厚壁大口径集箱因长时间使用、磨损、材料老化或原始设计存在的缺陷，时常面临更换的需求^［3］。特别是集箱中间段的替换工作，由于涉及复杂的超厚壁和大口径焊接技术，一直是电力行业亟待攻克的技术难题。随运行时间的累积，集箱中间段可能因性能退化而产生安全隐患^［4］，因此，其及时更换成为保障火电厂安全运营的关键环节。

在更换流程中，选择合适的焊接技术与工艺显得至关重要。传统的焊接技术在处理超厚壁材料时，其焊接质量和焊缝性能稳定性不足，可能对电厂的整体安全构成风险^［5］。本研究将深入探讨并优化火电厂中超厚壁大口径集箱中间段更换所涉及的焊接技术与工艺。首先剖析了传统焊接技术在处理超厚壁材料时的局限，并探索新型焊接技术的运用和潜在优势；提出了一套专门针对超厚壁大口径集箱的焊接工艺优化策略，以提升焊接质量，保障电厂设备的安全稳定运行。为验证所提优化策略的有效性，本研究还设计了一系列实验，旨在通过对比传统技术与优化工艺在焊接质量和焊缝性能方面的差异，来评估优化工艺可行性。

1 火电厂超厚壁大口径集箱概述

1.1 结构特点与材料特性

火电厂超厚壁大口径集箱是锅炉系统的核心组件，其结构特性和材料选择均体现了高度的专业性和针对性。首先，其显著的结构特点体现在超厚的壁材和较大的口径上^［6］。超厚壁设计是为了应对锅炉内部的高温高压环境，确保集箱具备出色的结构强度和稳定性，有效防止因内部压力过大而引发的形变或破裂风险^［7］。大口径设计则确保了蒸汽在集箱内的顺畅流通，满足了火电厂锅炉产生的大量蒸汽传输需求，提升了锅炉的整体运行效能^［8］。

在材料选择上，超厚壁大口径集箱所使用的材料必须具备出色的耐高温性、优良的力学特性以及强大的抗腐蚀性^［9］。集箱所处的工作环境极为恶劣，锅炉内部温度极高，通常在500～600℃，甚至更高。因此，集箱材料必须具备卓越的耐高温性，以维持其力学性能的稳定性。目前，诸如铬钼钢、不锈钢等常用材料均具备这些特性，能够满足集箱在高温环境中的工作要求。此外，集箱还需承受锅炉运行中的巨大压力和冲击力，因此其材料还需具备高强度、高韧性，以及优异的抗疲劳性。同时，火电厂锅炉内产生的蒸汽中常含有具有腐蚀性的组分，集箱材料还需具备强大的抗腐蚀性。

1.2 在火电厂中的核心作用

超厚壁大口径集箱在火电厂中发挥着举足轻重的作用。首先，它负责蒸汽的传输与分配^［10］。作为锅炉系统的核心组件，集箱将锅炉内产生的蒸汽均匀且高效地传递到下游设备，从而保证了整个系统的高效运行。其次，集箱在锅炉运行中起到压力平衡调节的作用^［11］。在锅炉工作过程中，各受热面之间可能会存在压力差异，这种不平衡状态可能影响系统的稳定运行。集箱利用其大容量设计，能够有效地平衡这些压力差异，维护系统的稳定运行。最后，集箱还为系统提供关键的保护作用。其高强度和高稳定性的设计使其能够在一定程度上抵御锅炉内部的异常压力波动或冲击载荷等潜在风险，为整个锅炉系统的安全稳定运行提供坚实保障。

2 中间段更换的焊接技术分析

2.1 传统焊接技术的局限性

传统焊接技术，如手工电弧焊、埋弧焊等，在应对超厚壁大口径集箱焊接时，存在显著的局限性^［12］。首先，焊接品质容易受到焊工技艺、焊接环境，以及材料特性的影响，导致焊接接头质量不稳定。其次，多层多道的焊接操作使得焊接效率低下，增加了维护成本和停机时间。此外，传统焊接技术产生的热影响区域较大，可能影响材料的原始性能。

2.2 新型焊接技术的应用

为克服传统焊接技术的局限性，近年来，新型焊接技术得到了广泛应用。这些技术包括窄间隙焊接、激光焊接和电子束焊接等，它们在火电厂超厚壁大口径集箱的焊接中展现出显著优势。

窄间隙焊接技术以其较小的焊缝间隙和多层单道的焊接模式，实现了焊接材料的低消耗和焊接变形的减少。这种技术特别适用于超厚壁材料的焊接，显著提高了焊接效率和品质。

激光焊接技术则利用高能激光束作为热源，实现了焊接过程的高精度控制和焊接质量的显著提升。激光焊接具有焊接速度快、热影响区域小、焊接变形轻微等特点，尤其适用于对焊接质量要求高的场景。

电子束焊接技术则通过高速电子束撞击工件表面产生的热量实现焊接，其焊接速度快、热输入量可精确控制，能够实现深熔焊，增强焊接接头的结构强度和密封性能^［13］。

2.3 新型焊接技术的优势

相较于传统焊接技术，新型焊接技术在火电厂超厚壁大口径集箱的焊接中具有以下显著优势。

首先，新型焊接技术采用先进的设备和工艺，能够实现焊接过程的高精度控制，确保焊接质量的稳定可靠。这大大降低了焊接缺陷的产生概率，提高了集箱的安全性和使用寿命。

其次，新型焊接技术通常具有较高的焊接速度和效率，能够显著缩短焊接周期，提高维修效率。这对于减少火电厂的停机时间和降低维修成本具有重要意义。

最后，新型焊接技术在焊接过程中产生的热量较小，热影响区域范围相对较窄。这有助于保持材料的原始性能，减少因焊接热影响而导致的性能变化，从而保持集箱的整体性能。

3 焊接工艺优化方案

在焊接作业前，为确保超厚壁大口径集箱中间段更换的焊接质量，需对集箱材料进行详尽的物性分析，包括化学成分、机械性能、热性能、微观组织观察和焊接性分析，以全面了解材料的特性和行为。同时，合理设置焊接参数，如焊接电流、电压、速度、层数与道数等，以及选择匹配的焊接材料，这对于保证焊缝质量、控制焊接变形和残余应力至关重要。通过基于神经网络的优化手段，本研究将对焊接过程进行精细调整，以实现焊接工艺的优化。这些数据将成为后续优化算法不可或缺的输入参数。为确保焊接表面的清洁并降低焊接缺陷的产生，会运用尖端清理技术，例如激光或化学清理方法。此外，预热流程也得到了精细化改进，通过建立集箱材料的热传导模型，实现了对预热温度和时间更为精确的控制，旨在减少焊接过程中产生的热应力。预热温度的选择依托于材料的热膨胀系数、焊接接头的几何形状与尺寸等因素，并经过算法精确计算，以此保障焊接时材料的均匀受热。

在焊接参数优化阶段，依据历史数据和行业经验设定一个初始的参数调整范围。随后，借助遗传算法进行多次迭代，每次迭代都会根据特定的适应度函数（例如焊缝的强度与韧性指标）对参数进行筛选和调整。通过多轮迭代优化，最终获得一组最佳的焊接参数配置。这组配置旨在确保焊接质量的同时，最大程度地缩减焊接热影响区域并控制焊接变形。

此外，还采用了神经网络模型对焊接过程进行预测和控制（模型结构见图1）。通过输入历史焊接数据和优化的焊接参数，神经网络可以预测焊接接头的性能和可能出现的缺陷。在焊接过程中，根据神经网络的预测结果实时调整焊接参数，以确保焊接质量。

任何一层卷积都与其之后的所有卷积层相连接。这样一来，第 l 层卷积层能够获得之前所有层所提取出来的特征信息，并且每一层的输入 x l 可以表达为：

x l=H l{［x 0， x "…，x l－1］} （1）

其中 ［x 0， x "…，x l－1］ 代表着由0到 l 层提取到的特征的集合。

在超厚壁大口径集箱中间段更换的焊接工艺优化设计中引入了查表法。考虑到tanh函数的特性，仅在表单中保存了其非饱和区域的一半信息，从而大大减少了数据存储和处理的需求。而对于函数的其他部分，通过精心设计的算法和模型进行计算，确保在优化焊接参数、顺序及实时监控过程中，能够准确、高效地获取所需数据，进一步提升了焊接工艺的精确性和可靠性。如下式所示，两种激活函数之间可以通过在坐标系内进行平移和缩放相互转化：

σ （x）=tanh

x2

+12 （2）

tanh（x）=2σ（2x）－1 （3）

除了非线性的激活函数之外，模型中的其他关键运算还包括矩阵向量乘法、向量的点乘操作等。

在火电厂超厚壁大口径集箱中间段更换的过程中，综合考虑材料特性、焊接技术、工艺参数等多个维度的信息筛选出对焊接质量和效率有关键影响的有用信息，如材料的热传导性能、焊接电流和电压的最佳组合等。同时，也过滤掉了那些对焊接过程影响较小的无用信息，以避免干扰决策。这一过程旨在加强集箱材料、焊接技术和工艺参数等实体词与其相互关系之间的联系，从而提升获取和优化实体关系的能力。对于每一时间步的 t， 选择门机制使用 S， h n， e ""e 2 生成每个选择门的表示 h′ t， 其计算公式如下：

S=h n

h 1 （4）

S Gate t=σ （W sh t+U sS+V se 1+V se 2+b） （5）

h′ t=h tS Gate （6）

其中， W s， U s， V s 是权重向量， b 是偏置值， σ 表示sigmoid激活函数，表示数组点乘。最后得到一个新的句子表示序列 {h′ ""h′ "…，h′ n}。

为了确保焊接过程的稳定性和可控性，引入实时监控与反馈系统。该系统通过传感器实时监测焊接过程中的温度、应力等关键参数，并将这些数据反馈给控制系统。控制系统根据反馈数据实时调整焊接参数和焊接顺序，以确保焊接过程的稳定性。焊接完成后，采用先进的焊缝检测技术和设备对焊缝进行全面的质量检测。一旦发现问题，立即进行修正和补救措施，以确保焊接接头的质量和安全性。

4 实验验证与结果分析

为了验证本文提出的焊接工艺优化方案的有效性，本节进行了一系列实验验证，并对实验结果进行了详细的分析。这些实验旨在评估优化后的焊接工艺在焊接质量、焊缝性能以及焊接效率等方面的提升。

4.1 实验设置

选取多个相同规格的超厚壁大口径集箱中间段作为实验对象，分别采用传统焊接工艺和优化后的焊接工艺进行焊接。实验过程中，严格控制了焊接环境、材料准备、焊接参数等变量，以确保实验结果的可靠性。

4.2 实验结果与数据分析

（1） 焊接质量评估。

首先，对焊接接头的外观质量进行了检查。采用优化后的焊接工艺，焊接接头的外观更加平整，焊缝宽度均匀，无明显的焊接缺陷。而传统焊接工艺的焊接接头则存在较多的焊接波纹和不规则焊缝。

为了更客观地评估焊接质量，采用了X射线检测和超声波检测对焊缝内部质量进行了检查。表1展示了两种焊接工艺下焊缝内部质量的检测结果。

从表1中可以看出，采用优化后的焊接工艺，焊缝内部的缺陷数量明显减少，且缺陷等级较低，说明优化工艺在提升焊接质量方面取得了显著效果。

（2） 焊缝性能测试。

对焊接接头的力学性能进行测试，包括抗拉强度、屈服强度和冲击韧性等。表2展示了两种焊接工艺下焊缝性能的测试结果。

从表2中可以看出，采用优化后的焊接工艺，焊缝的抗拉强度、屈服强度和冲击韧性均得到了显著提升，说明优化工艺在提高焊缝性能方面表现优异。

（3） 焊接效率对比。

除了焊接质量和焊缝性能外，我们还对比了两种焊接工艺的焊接效率。表3展示了两种焊接工艺的焊接时间和材料利用率。

从表3中可以看出，采用优化后的焊接工艺，不仅缩短了焊接时间，还提高了材料利用率，从而提高了整体焊接效率。

（4） 热影响区分析。

研究中还对两种焊接工艺下的热影响区进行了对比分析。通过金相显微镜观察，发现优化工艺下的热影响区明显小于传统工艺（表4）。这表明优化工艺在减少焊接热影响区方面取得了良好效果，有助于保持材料的原始性能。

（5） 焊接变形分析。

焊接变形是焊接过程中不可避免的问题。对两种焊接工艺下的焊接变形进行了测量和分析。结果表明，优化工艺在控制焊接变形方面表现更佳（表5）。这得益于优化工艺中合理的焊接顺序和参数选择。

（6） 残余应力分析。

最后，对焊接接头的残余应力进行了测量。残余应力是影响焊接接头性能的重要因素之一。通过对比两种焊接工艺的残余应力水平，发现优化工艺下的残余应力明显较低（见表6）。这有助于提高焊接接头的稳定性和使用寿命。

通过一系列实验验证和数据分析，证实了优化后的焊接工艺在焊接质量、焊缝性能、焊接效率以及控制焊接变形和残余应力等方面均表现出显著优势。这些结果充分证明了所提出的焊接工艺优化方案的实用性。

5 结 论

本研究致力于火电厂超厚壁大口径集箱中间段更换时的焊接工艺研究和优化，阐述了一种创新的焊接工艺优化策略，旨在全方位提升焊接的品质、效率及焊缝的耐久性。

在实验验证环节，对传统焊接工艺与优化后的新工艺进行了全面的比对分析。实验数据表明，优化后的工艺在显著提升焊接接头的外观质量和内部结构完整性方面表现出色，有效降低了焊缝内部缺陷的发生率。同时，该优化工艺还显著增强了焊缝的力学性能，具体体现在抗拉强度、屈服强度以及冲击韧性的提升。不仅如此，新工艺还实现了焊接时间的缩减和材料利用率的提高，进而大幅提升了整体的焊接效率。值得一提的是，该优化方案在缩小热影响区域、精准控制焊接变形，以及有效降低残余应力方面也取得了很好的效果。这些改进不仅增强了焊接接头的即时使用性能，也为其长期稳定运行提供了坚实的基础。

综上所述，本研究提出的基于算法与模型的焊接工艺优化策略在实际工业应用中展现出了显著的优势和成效。未来将继续深入探索焊接技术的创新与优化路径，以更好地满足不断演进的工业需求。

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