电厂锅炉超厚壁集箱材料选择与焊接工艺优化

摘 要：超厚壁集箱是电厂锅炉不可或缺的核心组件，起着热量传递与高压承受等重要作用，其材料品质和焊接技艺的优劣直接关系到锅炉的安全运行与使用持久度。鉴于传统焊接方式所存在的问题，本文提出了一种模糊控制算法，旨在优化焊接工艺参数。通过实验验证与对比分析评估了这一方法的有效性。相较于传统方法，模糊控制算法在预测精确度与稳定性方面展现出了明显的优越性。采用该算法优化后的焊接技术，显著增强了集箱材料的力学性能，如抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击韧性及硬度等，同时材料的耐腐蚀性也得到了大幅度提升，为电厂锅炉超厚壁集箱的焊接工艺优化提供了新的视角和实用方法。

关键词：电厂锅炉；超厚壁集箱；材料选择；焊接工艺；模糊控制算法

中图分类号：TM621.2；TG441.7

文献标志码：A

Material selection and welding process optimization for ultra

thick wall header of power plant boilers

WEI Jiagui， HENG Xin， YIN Yi， ZHOU Tianhao

（Shaanxi Energy Electric Power Operation Co.， Ltd.， Xi’an 710016， Shaanxi， China）

Abstract： The ultra thick wall header is an essential core component of power plant boilers， responsible for multiple important roles such as heat transfer and high-pressure bearing. The quality of its materials and welding skills directly affect the safe operation and durability of the boiler. In view of the problems existing in traditional welding methods， this paper proposes a novel fuzzy control algorithm aimed at optimizing welding process parameters. The study conducted experimental verification and comparative analysis to evaluate the effectiveness of this method. Compared to traditional methods， fuzzy control algorithms have shown significant advantages in prediction accuracy and stability. The optimized welding technology using this algorithm significantly enhances the mechanical properties of the header material， such as tensile strength， yield strength， elongation， impact toughness， and hardness. At the same time， the corrosion resistance of the material has also been significantly improved. Therefore， the fuzzy control algorithm proposed in this article provides a new perspective and practical method for optimizing the welding process of ultra thick wall headers in power plant boilers.

Key words： power plant boilers; ultra thick wall header; material selection; welding process; fuzzy control algorithm

0 引 言

在电力工业领域，电厂锅炉的稳定运行对保障整个电力系统的稳定供应至关重要。随着社会对电力需求的持续攀升和发电技术的不断创新，电厂锅炉正逐步向更高参数、更大容量的方向发展［1］。其中，超厚壁集箱作为电厂锅炉的关键部件，因其承担着传递热量、承受高压等多种重要任务，其材料选择和焊接工艺的质量直接关系到锅炉的安全性能和使用寿命。在材料选择方面，超厚壁集箱面临着高温、高压、腐蚀等极端工作环境的挑战，这就要求所选材料必须具备出色的耐高温、抗蠕变、耐腐蚀等特性［2］。传统的材料选择方法主要依赖于行业经验和试验数据，但在新材料层出不穷，性能要求日益严格的背景下，这种方法的局限性日益凸显。为了更科学、系统地选择适用于超厚壁集箱的材料，需要综合考虑材料的各项性能指标、工作环境，以及经济成本等多方面因素，以确保所选材料既能满足性能要求，又具有良好的经济性。

在焊接工艺方面，超厚壁集箱的焊接过程是一项复杂而精细的技术活动。由于集箱壁厚较大，焊接过程中容易产生焊接变形、残余应力等问题，不仅影响集箱的几何尺寸和外观质量，更可能对其安全性能和使用寿命造成潜在威胁［3］。因此，优化焊接工艺参数、提高焊缝质量是确保超厚壁集箱焊接质量的关键。近年来，随着焊接技术的不断发展和智能化焊接设备的广泛应用，将模糊控制算法等先进控制算法应用于焊接工艺参数优化已成为可能。这些算法能够根据实时焊接状态自动调整焊接参数，从而有效提高焊缝质量、减少焊接变形和残余应力［4］。本文针对传统焊接工艺存在的问题，提出基于模糊控制算法的焊接工艺参数优化方法，并通过实验验证和对比分析，评估所提方法的可行性。

此项研究具有重要的理论和实践意义。在理论方面，通过综合运用材料科学、焊接技术、控制算法等多学科知识，提出了一套科学、系统的电厂锅炉超厚壁集箱材料选择和焊接工艺优化方法；在实践方面，所提方法能够为电厂锅炉的安全、经济运行提供有力保障，也可为其他类似设备的材料选择和焊接工艺优化提供有益借鉴。

1 理论和技术基础

1.1 材料科学基础

材料的力学性能是评价其是否适用于超厚壁集箱的关键因素之一。力学性能包括强度、韧性、硬度等多个方面，这些性能指标直接影响集箱在高温、高压环境下的安全性能。因此，需要深入研究材料的力学性能与其微观组织结构之间的关系，以便通过优化材料的组织结构来改善其力学性能。马成勇等［5］研究了高温合金的微观结构与性能关系，为超厚壁集箱材料的高温性能优化提供了理论基础。宋生华等［6］通过先进的材料表征技术，分析了锅炉用钢的蠕变行为，为材料选择提供了重要依据。Kurtulmu［7］探讨了耐腐蚀合金在复杂环境下的腐蚀机理，为超厚壁集箱的耐腐蚀材料设计提供了指导。Zhang等［8］研究了材料成分与性能之间的定量关系，为优化超厚壁集箱材料的成分设计提供了有力支持。

材料的耐腐蚀性能也是超厚壁集箱材料选择中需要考虑的重要因素。在锅炉运行过程中，集箱可能会遭受到水蒸气、烟气等介质的腐蚀作用，从而导致材料性能下降甚至失效。因此，需要研究材料的腐蚀机理和影响因素，以便选择具有优异耐腐蚀性能的材料或采取适当的防护措施。

1.2 焊接技术基础

焊接技术是一种重要的材料连接方法，广泛应用于电厂锅炉等设备的制造和维修过程中。在超厚壁集箱的焊接过程中，焊接技术的选择对焊缝质量、焊接变形和残余应力等具有重要影响。王锋等［9］针对厚壁构件的焊接变形问题，提出了有效的焊接顺序和工艺参数优化方法，显著减少了焊接变形。刘红星等［10］通过数值模拟技术，分析了焊接过程中的温度场和应力场分布，为优化焊接工艺提供了有力工具。康宝龙［11］研究了焊接残余应力的产生机理和控制方法，为降低超厚壁集箱的焊接残余应力提供了技术支持。

焊接方法的选择是影响焊缝质量的关键因素之一。常见的焊接方法包括手工电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等。不同的焊接方法具有不同的特点和应用范围，需要根据具体的焊接要求和材料特性进行选择。焊接参数的设置也是影响焊缝质量的重要因素之一。焊接参数包括焊接电流、电压、焊接速度等多个方面。这些参数的设置直接影响焊缝的成型、熔深和熔宽等质量指标。

1.3 控制理论基础

控制理论是研究系统控制规律和方法的一门学科。在电厂锅炉超厚壁集箱的焊接工艺优化中，引入控制理论的方法和技术可以实现焊接过程的精确控制和优化。韩守鹏［12］将模糊控制算法应用于焊接过程控制，实现了焊接参数的智能优化，提高了焊接质量。Odoemelam等［13］结合神经网络与模糊控制，建立了焊接工艺参数预测模型。Li等［14］探讨了自适应控制在焊接过程中的应用，实现了焊接参数的实时调整和优化。Xing等［15］分析了焊接过程中不确定性因素对焊接质量的影响，提出了基于稳健控制理论的焊接工艺优化方法。

模糊控制算法作为一种先进的控制方法，在处理不确定性和非线性问题方面具有独特的优势。在超厚壁集箱的焊接过程中，由于材料特性、焊接条件等多种因素的影响，焊接过程存在较大的不确定性和非线性。因此，将模糊控制算法应用于焊接工艺参数优化中可以实现焊接过程的智能控制。

模糊控制算法通过建立模糊逻辑模型和模糊推理规则来实现对焊接工艺参数的优化控制。首先，根据焊接过程的特点和要求建立相应的模糊逻辑模型；然后，根据实际焊接过程中的输入信息和反馈信息进行模糊推理和决策；最后，输出优化后的焊接工艺参数以实现精确控制。

2 模糊控制算法在焊接工艺优化中的应用

模糊控制算法是一种基于模糊数学和模糊逻辑的控制方法。它通过模拟人的模糊推理和决策过程，对难以建立精确数学模型的系统进行有效控制。模糊控制算法的核心是模糊控制器，其由模糊化接口、知识库、推理机和清晰化接口4部分组成。其中，模糊化接口负责将精确的输入量转化为模糊量；知识库包含模糊控制规则和隶属度函数；推理机根据模糊控制规则进行推理，得出模糊控制量；清晰化接口则将模糊控制量转化为精确的控制输出。

焊接工艺参数是影响焊接质量的关键因素。在传统的焊接工艺中，焊接工艺参数的设置多依赖于焊工的经验和试错法，缺乏科学性和精确性。然而，焊接工艺参数与焊接质量之间存在着复杂的非线性关系，难以用简单的数学公式来描述。因此，需要一种更为科学、系统的方法来优化焊接工艺参数，提高焊接质量。模糊控制算法在处理这种复杂关系方面具有独特的优势。它可以通过建立模糊控制规则，综合考虑多种影响因素的综合作用，得出优化的焊接工艺参数。这些优化的参数不仅可以提高焊缝的成型质量和力学性能，还可以减少焊接变形和残余应力，提高焊接接头的整体性能。模糊控制器结构如图1所示。

假设输入量为焊接速度v、电流i，输出量为焊接质量Q，则模糊控制系统的输入输出关系可表示为：

这里，μk（v）和μk（i）分别是输入变量v和i的第k个模糊集合的隶属度函数，Qk是输出变量Q的第k个模糊值。

首先，需要确定焊接工艺优化中的输入输出变量。输入变量通常包括焊接电流、电压、焊接速度等工艺参数；输出变量则为焊接质量指标，如焊缝成型系数、熔深、熔宽等。这些变量的选择应根据具体的焊接工艺要求和实验条件来确定。根据焊接工艺专家的经验和知识，建立模糊控制规则。这些规则描述了输入变量与输出变量之间的关系，以及不同输入变量之间的相互作用。隶属度函数是模糊控制算法中的重要组成部分，用于描述输入变量和输出变量的模糊性。根据焊接工艺的特点和要求，设计合适的隶属度函数，以反映不同输入变量和输出变量之间的相对重要性。

设待分类元素的集合X=［X1， X2， …， Xn］，每一元素有s个指标：

其中，Z=（z1， z2， …， zn）， zj表示第j类的聚类中心，j=1， 2， …， c；m是加权系数；dij（xi， zj）=xi－zj表示样本点xi到中心点zj的欧氏距离。

在建立了模糊控制规则和设计了相应的隶属度函数之后，便可以开始进行模糊推理和决策过程。这一过程旨在模拟人类的逻辑思维，处理那些难以用精确数学语言表达的复杂情况。在模糊推理阶段，使用已建立的模糊控制规则来评估当前输入状态下的可能输出。每一条模糊控制规则都对应一种可能的焊接情况，它们反映了焊接工艺参数与焊接质量之间的非线性关系。模糊控制规则的合成公式为：

Ai=∑nj=1wij·Aj

（6）

其中，Ai为第i个输出变量，Aj为第j个输入变量，wij为第i个输出变量与第j个输入变量之间的模糊关系权重。在模糊决策阶段，结合所有适用的模糊控制规则和相应的隶属度函数，通过模糊合成运算来得出最终的优化焊接工艺参数。这一步骤实现了从模糊输入到精确输出的转换，为人们提供了优化的焊接工艺参数集。通过模拟的模糊推理过程，能够得出在各种不同焊接条件下都能获得良好焊接质量的优化参数。这些参数不仅考虑了单个因素的影响，还综合考虑了多个因素之间的相互作用和权重关系。

3 实验验证和结果分析

在本次研究中，为了探究模糊控制算法对电厂锅炉超厚壁集箱焊接工艺的优化效果，我们选取了具有代表性的电厂锅炉超厚壁集箱材料作为焊接对象，并利用先进的焊接机器人和辅助设备进行实验操作。实验分为传统焊接组和模糊控制优化组，以传统工艺为基准，通过对比分析来验证新策略的有效性。在实验过程中，严格控制了焊接工艺参数和实验环境条件，确保了数据的准确性和可靠性。实验结束后，对焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能进行了测试，展示了模糊控制算法在提升材料性能方面的优势。

图2所展示的传统方法在特定工艺环境下的焊接工艺参数预测结果，说明了传统预测方法在实际应用中的局限性。随着注入参数的变化，预测结果与实际工艺参数之间出现了明显的偏差，这不仅影响了焊接过程的精确性，还可能对焊接接头的性能产生不利影响。针对预测结果存在的偏差问题，可以考虑引入模糊控制算法进行优化。

如图3所示，在相同的工艺环境下，新策略展现出了相较于传统方法更高的预测精度。预测结果与实际工艺参数之间的高度吻合，充分证明了模糊控制算法在处理复杂焊接工艺参数预测时的有效性和优越性。

模糊控制算法具有较强的自适应能力和稳健性。在实际应用中，焊接工艺环境可能会发生变化，如材料性能的差异、设备老化等。模糊控制算法能够通过实时调整和优化控制规则，适应这些变化，保持预测结果的稳定性。

在电厂锅炉超厚壁集箱的材料选择上，本试验选择了如20G、 12Cr1MoV等优质合金钢作为主要材料。这些材料不仅具有良好的力学性能，如高抗拉强度、高屈服强度、良好的延伸率和冲击韧性，而且还具有优异的耐腐蚀性能，能够在高温、高压的恶劣环境下长期稳定运行。从表1可以看出，采用模糊控制算法优化后的焊接工艺（A2～A4）相较于传统焊接工艺（A1），在力学性能上有了显著提升。抗拉强度、屈服强度、延伸率、冲击韧性和硬度等指标均有所增长。这表明模糊控制算法能够有效地优化焊接工艺参数，从而提高电厂锅炉超厚壁集箱材料的力学性能。

表2展示了采用不同焊接工艺后电厂锅炉超厚壁集箱材料的耐腐蚀性能。通过对比传统焊接工艺（B1）和模糊控制优化后的焊接工艺（B2～B4），可以发现优化后的工艺显著提高了材料的耐腐蚀性能。在盐雾腐蚀试验中，优化后的焊接接头表现出了更长的耐腐蚀时间和更低的腐蚀速率。同时，点蚀电位也有所提高，说明优化后的焊接工艺能够有效提高材料的抗腐蚀能力。

与传统方法相比，优化后的工艺显著提升了材料的力学性能和耐腐蚀性能。优化后的焊接接头具有更高的强度和韧性，能够承受更大的载荷和冲击，同时，耐腐蚀时间更长，腐蚀速率更低。这表明模糊控制算法在处理复杂焊接过程中具有优越性，为电厂设备的制造和维护提供了新的有效方法。

4 结 论

本文研究了模糊控制算法在电厂锅炉超厚壁集箱焊接工艺优化中的应用，并通过实验验证了其有效性。结果表明，相较于传统焊接工艺，采用模糊控制算法优化的焊接工艺能够显著提升材料的力学性能和耐腐蚀性能。优化后的焊接接头具有更高的强度、韧性和抗腐蚀能力，有望提高电厂设备的安全性和可靠性，延长其使用寿命并降低维护成本。

模糊控制算法在电厂锅炉超厚壁集箱焊接工艺优化中展现出了显著的优势。未来的研究可以进一步探索模糊控制算法与其他先进技术的结合，以期在更广泛的领域实现焊接工艺的智能化优化。

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