鍋爐壓力容器焊接自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用分析

安建全, 劉世光, 閆帥增, 郝云偉, 宮 磊

(中建四局安裝工程有限公司,廣東 廣州 510670)

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,各種技術(shù)逐漸應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)與制造當(dāng)中,這在很大程度上推動(dòng)了行業(yè)的發(fā)展以及技術(shù)水平的提升,比如自動(dòng)化技術(shù)?，F(xiàn)階段,有的企業(yè)在壓力容器焊接中已經(jīng)應(yīng)用了自動(dòng)化技術(shù),同時(shí)也取得了顯著效果。為了更好地促進(jìn)行業(yè)進(jìn)步,提高企業(yè)生產(chǎn)效益,切實(shí)保證生產(chǎn)安全與質(zhì)量,需要加強(qiáng)壓力容器焊接自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用,并不斷進(jìn)行創(chuàng)新與改善,以提高該技術(shù)的整體應(yīng)用效果與水平。結(jié)合實(shí)際,只有不斷增強(qiáng)與自動(dòng)化技術(shù)相關(guān)的無損檢測(cè)技術(shù)研究與推廣,才能更好地推動(dòng)壓力容器焊接自動(dòng)化系統(tǒng)的全面發(fā)展。

1 焊接自動(dòng)化及鍋爐壓力容器制造

焊接自動(dòng)化是指借助信息技術(shù),并基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)焊接要求預(yù)先設(shè)置好參數(shù),由系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置好的指令完成焊接工作的整個(gè)過程。在壓力容器焊接方面,使用自動(dòng)化技術(shù)能在很大程度上減輕作業(yè)人員的勞動(dòng)量,并更好地保障其安全,同時(shí)焊接質(zhì)量也能得到很好的保證。目前的焊接自動(dòng)化技術(shù)水平得到了進(jìn)一步提升,主要采用了開環(huán)控制系統(tǒng),各項(xiàng)焊接流程分別由不同功能的自動(dòng)焊機(jī)完成。對(duì)于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的焊接自動(dòng)化系統(tǒng),則使用的是閉環(huán)控制,即借助多用焊機(jī)等自動(dòng)化設(shè)備使焊接前后工序(比如定位夾緊、工件裝卸、組件裝配等)完成自動(dòng)化操作。在實(shí)際生產(chǎn)中,在鍋爐壓力容器焊接方面應(yīng)用較多的焊接自動(dòng)化系統(tǒng)有焊接機(jī)器人、電弧焊和電阻電焊自動(dòng)化系統(tǒng)等,不同技術(shù)和系統(tǒng)的應(yīng)用成本與效果存在顯著差異。鍋爐壓力容器是鍋爐和壓力容器的統(tǒng)稱,由兩個(gè)單獨(dú)的裝置構(gòu)成,屬于特種設(shè)備,在工業(yè)治療以及生產(chǎn)方面有著非常重要的作用,如圖1所示。鍋爐主要以燃料為能源,通過燃燒加熱水,利用水蒸氣進(jìn)行運(yùn)作的設(shè)備,而生產(chǎn)中有固定技術(shù)功能并承受一定壓力的裝置即為壓力容器。這兩種裝備對(duì)于技術(shù)以及工藝有著很嚴(yán)格的要求,例如在壓力容器焊接方面,極為強(qiáng)調(diào)焊接的牢固程度以及密封度,且焊接工藝專業(yè)程度將直接影響到鍋爐運(yùn)行的安全與穩(wěn)定,高專業(yè)水平與高質(zhì)量焊接能夠更好地確保鍋爐壓力容器的安全與可靠性。

圖1 常見鍋爐壓力容器

2 自動(dòng)化技術(shù)在鍋爐壓力容器焊接中的價(jià)值

2.1 提高生產(chǎn)效率

將自動(dòng)化焊接技術(shù)運(yùn)用于鍋爐壓力容器的焊接工作中,能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、高速、無間斷的焊接作業(yè),相比于傳統(tǒng)手工焊接,自動(dòng)化焊接速度更快,還能夠避免因焊工停工而導(dǎo)致的焊接過程中的停機(jī)時(shí)間。相比于傳統(tǒng)化的手工焊接,自動(dòng)化焊接設(shè)備可以連續(xù)工作,并能大大減少焊接作業(yè)的停機(jī)時(shí)間,提高生產(chǎn)效率。不僅如此,自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用還能夠獲得更高的焊接質(zhì)量,并能保證焊接的一致性和穩(wěn)定性,可避免人為因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響,以及減少返工等一系列工作的時(shí)間消耗。

2.2 提升安全性

鍋爐壓力容器焊接工作環(huán)境相對(duì)較為特殊,環(huán)境溫度高,焊接過程中還有可能會(huì)釋放出各類有毒有害氣體,對(duì)人體健康產(chǎn)生影響。也正是這一類相對(duì)較為惡劣的工作環(huán)境,對(duì)焊工的安全提出了較高的要求。自動(dòng)化焊接技術(shù)可以減少焊工的接觸時(shí)間,工作人員能夠在更短的時(shí)間內(nèi)完成工作,降低了工人在危險(xiǎn)環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn),提高工作安全性,工作人員安全可得到更有效的保障。不僅如此,針對(duì)部分危險(xiǎn)系數(shù)更高的焊接工作,還可以直接借助自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行作業(yè),以避免工人與焊接工作臺(tái)直接接觸,這也提升了工人的工作安全性,并有效避免工人在工作過程中出現(xiàn)身體健康方面的損傷。

2.3 減少人工成本

自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用不僅能夠提升工作質(zhì)量和效率,還能夠從以下幾方面減少人力成本的支出,實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用。

(1) 減少人力投入。自動(dòng)化技術(shù)可以替代一部分或全部人工操作,可減少企業(yè)對(duì)人力資源的需求。相比于手工操作,自動(dòng)化設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、高效的生產(chǎn),減少了人力投入,從而降低了人工成本。

(2) 減少人員培訓(xùn)成本。自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用能夠減少崗位上的人力資源投入度,企業(yè)對(duì)于人員培訓(xùn)的成本也將會(huì)得到有效控制。另一方面自動(dòng)化設(shè)備的操作相對(duì)較為簡(jiǎn)單,不需要太多的專業(yè)培訓(xùn)。相比于手工操作,自動(dòng)化技術(shù)能夠減少培訓(xùn)人員的成本,降低企業(yè)對(duì)培訓(xùn)的投入。

(3) 自動(dòng)化設(shè)備在工作過程中可以精確控制操作參數(shù),避免因人為因素導(dǎo)致的錯(cuò)誤。相比于手工操作,自動(dòng)化技術(shù)能夠提高工作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,減少人為錯(cuò)誤帶來的不良影響,并降低人工成本。

2.4 提升焊接質(zhì)量

在鍋爐壓力容器焊接工作當(dāng)中,自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用能夠有效縮短工作時(shí)間,還能夠提高工作質(zhì)量。首先,自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用能夠保證焊接一致性,自動(dòng)化焊接技術(shù)能精確控制焊接參數(shù),可以確保每次焊接的一致性。相比于手工焊接,自動(dòng)化設(shè)備能夠穩(wěn)定地提供相同的工藝條件,避免了人為因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響,從而提高了焊接的一致性。其次,自動(dòng)化技術(shù)能夠保證每一次焊接的質(zhì)量,可減少人為誤差。自動(dòng)化焊接設(shè)備能夠精確控制焊接過程中的溫度、速度和焊接電流等參數(shù),保證焊縫的質(zhì)量。通過精確的焊接參數(shù)控制,可以避免焊接缺陷如氣孔、夾雜物等的產(chǎn)生,提高焊縫的強(qiáng)度和密實(shí)性;另一方面,在自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用之后,還能夠?qū)崿F(xiàn)焊接質(zhì)量的可追溯性。利用自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行焊接作業(yè),自動(dòng)化焊接設(shè)備通常會(huì)記錄焊接過程中的工藝參數(shù),包括焊接電流、電壓、速度等,以及焊接結(jié)果的檢測(cè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以用于質(zhì)量追溯,即時(shí)監(jiān)控和分析焊接質(zhì)量,及時(shí)調(diào)整焊接參數(shù),以保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

由此可見,自動(dòng)化技術(shù)運(yùn)用于鍋爐焊接工作中,能夠有效提升工作質(zhì)量,減少人為誤差,并使工作效率得到大幅提升。

3 常見幾種自動(dòng)化焊接技術(shù)

3.1 窄間隙埋弧焊技術(shù)

在壓力容器焊接過程中,會(huì)應(yīng)用到多種功能不同、規(guī)格不同的壓力容器,這些壓力容器對(duì)工藝技術(shù)要求也不同,需要根據(jù)壓力容器具體類型與規(guī)格合理選擇焊接技術(shù)。倘若壓力容器的厚度大于100mm,且采取原有的U或V形焊接口,便會(huì)提高焊接成本,資源利用率也不高,出現(xiàn)浪費(fèi)的情況,整體效果較差。隨著社會(huì)的發(fā)展以及工藝技術(shù)水平的提升,研究人員開發(fā)出了窄間隙埋弧焊技術(shù),該技術(shù)的出現(xiàn)在很大程度上解決了傳統(tǒng)焊接技術(shù)問題,并有效提高了焊接操作時(shí)的穩(wěn)定度。然而由于該技術(shù)焊接間隙偏窄,焊接修復(fù)難度高,過程中也會(huì)出現(xiàn)浪費(fèi)的情況。[1]窄間隙埋弧焊技術(shù)當(dāng)前已經(jīng)有較廣泛的使用,例如國(guó)內(nèi)第一臺(tái)重型機(jī)械的焊接操作,便是基于該技術(shù)開發(fā)出了加氫反應(yīng)器,其壁厚均在300mm以上。綜合實(shí)際來看,窄間隙埋弧焊技術(shù)有顯著的作用與優(yōu)勢(shì),與自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合后,就能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化追蹤,操作人員就能實(shí)時(shí)掌握雙側(cè)高度以及橫向變化情況,為金屬融入焊縫提供有力保障。

3.2 接管自動(dòng)焊接技術(shù)

首先是接管和筒體的自動(dòng)化焊接操作。以往在壓力容器焊接過程中,其接管馬鞍形埋弧自動(dòng)焊接設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡是機(jī)械模仿形式,在使用時(shí)設(shè)備出現(xiàn)了運(yùn)行問題,存在較大缺陷與不足。隨著工藝制造技術(shù)的進(jìn)步,焊接水平得到顯著提升,加上接管馬鞍形埋弧自動(dòng)焊接設(shè)備的出現(xiàn),再借助自動(dòng)化技術(shù),便可自動(dòng)形成焊槍馬鞍形軌跡,實(shí)現(xiàn)多層連接。其次是接管和封頭的自動(dòng)焊接。該焊接操作分為非向心接管和向心接管,實(shí)際焊接時(shí)相關(guān)作業(yè)人員需對(duì)向心進(jìn)行自動(dòng)化定位,并密切觀察焊接縫隙變化情況,同步做好相應(yīng)記錄,防止出現(xiàn)操作問題。

3.3 彎管內(nèi)壁堆焊接技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,在工業(yè)生產(chǎn)方面,設(shè)備的焊接操作越來越復(fù)雜,對(duì)技術(shù)要求更高,同時(shí)還具有多變性的特征。壓力容器在運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間之后,接管的內(nèi)壁會(huì)出現(xiàn)不同程度的變化,內(nèi)部出現(xiàn)腐蝕。為確保設(shè)備焊接穩(wěn)定與工作質(zhì)量,技術(shù)人員需要進(jìn)行相應(yīng)處理,并做好相關(guān)的預(yù)防處理措施,在彎管內(nèi)壁焊接操作過程中將彎管分為若干部分,分段開展焊接作業(yè)。30°彎管焊接操作可使用內(nèi)堆焊來進(jìn)行作業(yè),在此期間可對(duì)操作進(jìn)行靈活調(diào)整,后借助信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)工件的均勻運(yùn)動(dòng),保持勻速狀態(tài)。90°彎管內(nèi)壁堆焊平行彎管母線縱向自動(dòng)化堆焊操作,利用二維變位機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)焊接彎道。

3.4 新型激光復(fù)合焊接技術(shù)

激光復(fù)合焊接技術(shù)是一項(xiàng)全新的技術(shù),可取代傳統(tǒng)鎢極填絲氬弧焊,彌補(bǔ)該焊接技術(shù)的缺陷,從而提高整體焊接效率,減少工作時(shí)間,并具有良好的安全性,很好地保障了焊接工作順利穩(wěn)定完成。在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的背景下,激光電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)與制造方面得到有效推廣,使電弧溶池出現(xiàn)數(shù)量不等的孔洞,產(chǎn)生金屬離子,以引導(dǎo)電弧。[2]

4 鍋爐壓力容器焊接自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用

4.1 自動(dòng)化技術(shù)在直管接長(zhǎng)焊機(jī)中的應(yīng)用

在鍋爐壓力容器焊接自動(dòng)化應(yīng)用與研究中,直管接長(zhǎng)焊機(jī)是應(yīng)用較多的一種自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備,如圖2所示。鍋爐壓力容器是一種高密封性的特殊設(shè)備裝置,在具體運(yùn)行過程中會(huì)生產(chǎn)出較多熱量,為確保熱量得到有效控制,避免積聚過多而出現(xiàn)安全事故,需要做好相關(guān)的散熱措施。過去鍋爐壓力容器散熱方面所采用的措施主要是設(shè)置溫度控制參數(shù)。而隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷應(yīng)用,利用直管接長(zhǎng)焊機(jī)就能起到良好的散熱效果,在鍋爐壓力容器中,將自動(dòng)化技術(shù)與直管接長(zhǎng)焊機(jī)結(jié)合,提高其焊接穩(wěn)定性和整體質(zhì)量,使焊接時(shí)的溫度得到有效控制?，F(xiàn)階段大部分企業(yè)在處理鍋爐壓力容器中管子焊接時(shí),優(yōu)先使用直管接長(zhǎng)焊機(jī),在管子預(yù)處理時(shí)就能完成高效的自動(dòng)化焊接。

圖2 直管法蘭管道自動(dòng)焊機(jī)

4.2 自動(dòng)化技術(shù)在膜式壁焊機(jī)中的應(yīng)用

在鍋爐壓力容器工業(yè)生產(chǎn)中,膜式壁生產(chǎn)線是基礎(chǔ)工業(yè)生產(chǎn)內(nèi)容,通過使用膜式壁焊機(jī)完成焊接作業(yè)。隨著工業(yè)的發(fā)展,生產(chǎn)技術(shù)與工藝水平得到優(yōu)化與改進(jìn),也對(duì)膜式壁焊機(jī)進(jìn)行了改造,并與自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)。一般而言,膜式壁焊機(jī)能夠按照鍋爐壓力容器的焊接作業(yè)標(biāo)準(zhǔn),分為不同焊接類型,比如氣體保護(hù)焊和埋弧焊。氣體保護(hù)焊的綜合性能較高,具有較強(qiáng)的焊接能力,焊縫密封度高;而埋弧焊可以確保作業(yè)人員的健康,在焊接過程中不會(huì)產(chǎn)生過多的有害氣體。可見,這兩種焊接技術(shù)優(yōu)勢(shì)與適用范圍存在明顯不同,實(shí)際中應(yīng)結(jié)合焊接要求合理選擇。膜式壁焊機(jī)中的自動(dòng)技術(shù),大多數(shù)情況是應(yīng)用在對(duì)稱性的焊接中。鍋爐壓力容器焊接多為圓狀,能夠進(jìn)行對(duì)稱焊接。[3]

4.3 自動(dòng)化技術(shù)在馬鞍形焊機(jī)中的應(yīng)用

通常而言,鍋爐壓力容器生產(chǎn)及運(yùn)行對(duì)技術(shù)與設(shè)備有著一定要求。在實(shí)際生產(chǎn)中,操作技術(shù)人員需要把鍋爐壓力容器雙側(cè)焊接接頭連接到一起,以防止焊接時(shí)出現(xiàn)偏差,即位置不準(zhǔn)確的情況。然而現(xiàn)實(shí)情況是,因鍋爐壓力容器焊接接頭有不同類型,各類型的焊接標(biāo)準(zhǔn)存在明顯不同,作業(yè)中難以確保接頭連接的準(zhǔn)確性。對(duì)此,將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于鍋爐壓力容器中,便可提高接頭對(duì)接的精確性,避免出現(xiàn)偏差,很好地保證了焊接質(zhì)量。在馬鞍形焊接中,利用自動(dòng)化技術(shù)能實(shí)現(xiàn)無縫焊接,并借助信息技術(shù)構(gòu)建數(shù)字化模型,將焊接各項(xiàng)參數(shù)傳輸?shù)侥Ｐ椭?使用計(jì)算機(jī)分析運(yùn)行軌跡,也能實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化程度。目前已有許多鍋爐廠應(yīng)用了馬鞍形焊機(jī)自動(dòng)化技術(shù),不僅提升了焊接效果,還減少了資源浪費(fèi),為企業(yè)節(jié)約更多的經(jīng)濟(jì)成本,綜合效益與效果顯著。

5 結(jié)束語

綜上所述,隨著鍋爐壓力容器對(duì)產(chǎn)品需求的不斷提升,焊接自動(dòng)化已經(jīng)成為現(xiàn)階段鍋爐壓力容器生產(chǎn)的重要技術(shù),是不可或缺的部分。當(dāng)前焊接自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到工藝生產(chǎn)各方面,包括鍋爐壓力容器焊接,為了使該技術(shù)能得到充分發(fā)揮,提高應(yīng)用效果,相關(guān)企業(yè)要注重對(duì)焊接自動(dòng)化設(shè)備的改進(jìn),優(yōu)化操作流程與管理制度,加強(qiáng)對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的保養(yǎng)與維護(hù),以保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性,提高鍋爐及壓力容器運(yùn)行效率和生產(chǎn)質(zhì)量。