CN112475767A - 一种基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法，属于电厂设备维修技术领域。本发明提供了一种基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法，以及通过大量的工艺试验研究，提供了一套适用于T23水冷壁现场修复的自动GTAW堆焊工艺；本发明借助于远程可视化爬壁机器人，利用自动GTAW堆焊镍基材料技术，实现了对T23水冷壁远程可视化自动GTAW堆焊修复。本发明解决了传统T23水冷壁管道修复中必须搭设脚手架或吊篮进行换管修复的问题，同时避免了换管要求的焊前预热和焊后热处理工序，大大降低了T23水冷壁现场修复的技术难度，缩短了工期、降低了成本。

Description

一种基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法

技术领域

本发明涉及一种基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法，属于电厂设备维修技术领域。

背景技术

在火电站领域，锅炉一般采用膜式水冷壁结构(高度方向共4个面，单面高度超过50米，单面宽度超过30米，由水冷壁管道和鳍片焊接而成)，利用煤粉的燃烧加热水冷壁中的水，通过产生的高温高压蒸汽推动汽轮机转动，进而推动发电机产生电能。在机组运行过程中，水冷壁表面受到高温烟气腐蚀、表面结垢(结渣)等影响，导致水冷壁厚度减薄或表面产生裂纹，严重时发生爆管，致使机组非正常停机，严重影响机组安全运行。目前，水冷壁管道的焊接维修，一般采用换管修复的方法，利用搭建的脚手架平台或吊篮，首先进行切管，然后采用手工焊的方式完成新管与旧管的焊接；不仅耗费大量的人力、物力，而且换管焊接难度大、进度缓慢。

膜式水冷壁管道一般采用T23钢(07Cr2MoW2VNbB)，此钢具有冷裂倾向和非常明显的再热裂纹倾向，如果要进行对接焊，必须进行焊前预热和焊后热处理。

堆焊修复是由美国EPRI提出用于管道内壁缺陷修复的一种维修技术，其实施方法是在其内壁存在缺陷或厚度减薄管道的外壁堆焊多层耐腐蚀材料，其优点在于通过增加壁厚来对带缺陷的管道进行加强，并通过堆焊在管道内侧形成所预期需要的焊接残余应力场，从而防止原缺陷的扩展和新缺陷的产生；在焊前不需要预热，焊后也不需进行热处理。由于堆焊修复技术的多种优点，特别适用于用于内部存在缺陷或减薄管道、异种材料接头和各种泄漏密封焊缝的维修过程中。

目前堆焊工艺已用于水冷壁制造阶段，以提高其耐热、耐腐蚀性能，增加使用寿命。但是材质为T23的水冷壁现场修复仍采用换管的方式。首先在锅炉内侧，搭设脚手架平台或吊篮，切掉受损的水冷壁管道，然后在锅炉内部和外部同时将新管与旧管对口、点焊，焊前预热后锅炉内外同时进行手工对口焊接，焊接完成后进行焊后预热。然后进行焊口探伤，合格后，换管工作结束。

随着爬壁机器人技术的发展，基于爬壁机器人的可远程操控的智能化检修平台应用成为可能。焊接机头搭载于爬壁机器人上，到达指定位置，通过自动 GTAW堆焊方式完成对缺陷部位的修复。

总体来说，现有的火电站膜式水冷壁的焊接维修方法存在以下的问题：

(1)、锅炉内部T23水冷壁换管修复需要搭建脚手架平台或吊篮，工作量大，检修时间长；

(2)、材质为T23钢的水冷壁焊接时具有冷裂倾向和非常明显的再热裂纹倾向，如果要进行对接焊，必须进行焊前预热和焊后热处理；在锅炉内部实现起来较为困难；

(3)、目前堆焊工艺已用于水冷壁制造阶段，但是材质为T23的水冷壁现场堆焊修复工艺研究较少，尤其是适用于T23水冷壁现场修复的自动GTAW堆焊工艺。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法。本发明提供了一种基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法，以及通过大量的工艺试验研究，提供了一套适用于T23水冷壁现场修复的自动 GTAW堆焊工艺；本发明借助于远程可视化爬壁机器人，利用自动GTAW堆焊镍基材料技术，实现了对T23水冷壁远程可视化自动GTAW堆焊修复。本发明解决了传统T23水冷壁管道修复中必须搭设脚手架或吊篮进行换管修复的问题，同时避免了换管要求的焊前预热和焊后热处理工序，大大降低了T23水冷壁现场修复的技术难度，缩短了工期、降低了成本。

本发明的一种基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法，具体修复步骤为：

(1)测试、安装爬壁机器人和水冷壁自动GTAW堆焊平台：

对水冷壁自动GTAW堆焊平台各模块进行组装，整体安装于爬壁机器人上，对爬壁机器人和水冷壁自动GTAW堆焊平台进行功能测试，检查其状况，保证能够正常运行；

(2)行走至指定位置：

转运设备至水冷壁人孔，将爬壁机器人和水冷壁自动GTAW堆焊平台，分别搬运到炉膛内部，组装完毕后，将机器人吸附到水冷壁上面，并挂载安全绳，防止非正常设备坠落。通过观察爬壁机器人自带摄像头和调节遥控器控制爬壁机器人行走至需要焊接部位；

(3)焊接修复前工作准备：

先通过遥控器，控制机器人前行、回转、横向运动、下压等动作，观察各运动单元工作是否稳定，完成对各功能校验后，调整爬壁机器人姿态，具备焊接修复条件；

(4)焊接实施：

根据自设的自动对焊工艺参数，通过遥控器，调用焊接数据单，启动焊接操作，通过高频引弧，钨针与水冷壁产生电弧，不断熔化水冷壁母材和ERNiCr3 焊丝，进行第一道打底焊道焊接，第一道堆焊完成后，不断重复操作，进行填充及盖面焊道焊接，直至堆焊完成；

(5)爬壁机器人和水冷壁自动GTAW堆焊平台返回：

堆焊完成后，通过观察环境摄像头和调节遥控器控制爬壁机器人返回人孔附近，关闭机器人电源及控制箱电源，拆除安全绳，最后，将爬壁机器人与水冷壁自动GTAW堆焊平台拆开，转运出人孔。

进一步的，所述水冷壁自动GTAW堆焊平台选用ERNiCr₃焊丝，焊丝直径为1.0mm，焊丝盘为0.5公斤，堆焊层共有4层，堆焊层总厚度大于等于水冷壁管道的厚度。

进一步的，步骤(4)中所述自设的自动对焊工艺参数如下，其中打底焊道的工艺参数是：电流峰值为165～175A，基值为60％，行走速度峰值为60％，基值为100～110mm/min，送丝速度峰值为1000～1200mm/min，基值为60％，电压值为8～9V，而填充及盖面焊道的工艺参数是：电流峰值为155～165A，基值为50％，行走速度峰值为60％，基值为100～110mm/min，送丝速度峰值为1000～1200mm/min，基值为60％，电压值为8～9V。

进一步的，步骤(4)中所述焊接操作时保护气体流量为10～15L/min，层间温度小于250℃。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

1、本发明的基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法提供了一种T23水冷壁现场自动修复方法和工艺，不用搭设脚手架或吊篮，远程可视化实现受损水冷壁管道的焊接修复，修复成本低、检修工期短；

2、本发明的基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法对T23水冷壁现场修复采用自动GTAW堆焊镍基焊丝的方法，避免了换管要求的焊前预热和焊后热处理工序，大大降低了T23水冷壁现场修复的技术难度；

3、本发明的基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法通过优化T23水冷壁现场修复的自动GTAW堆焊工艺，采用电流脉冲、行走脉冲和送丝脉冲工艺组合，以及同步耦合控制输出，实现了堆焊层的焊接热输入控制，避免了弧坑裂纹和焊道微裂纹的产生，可以获得高质量的堆焊层，满足锅炉内侧T23水冷壁管道修复的需求。

4、本发明的基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法根据优化的T23水冷壁现场修复的自动GTAW堆焊工艺进行的试验结果表明，镍基堆焊接头的力学性能满足标准要求；最终镍基堆焊层对水冷壁管道产生了255Mpa的压应力，从而防止原缺陷的扩展和新缺陷的产生。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某个实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明水冷壁自动GTAW堆焊平台的立体结构示意图；

图2是本发明水冷壁自动GTAW堆焊平台的主视图；

图3是本发明水冷壁自动GTAW堆焊平台的左视图；

图4是本发明水冷壁自动GTAW堆焊平台的俯视图；

图5是本发明水冷壁自动GTAW堆焊平台中电弧高度自适应原理逻辑图；

图6是T23母材显微组织图；

图7是熔合线附近显微组织图；

图8是NiCr3焊缝显微组织图；

图9是T23水冷壁自动GTAW堆焊示意图；

其中，图中；

1、三轴移动平台；2、焊炬；3、环境摄像头；4、熔池监测摄像头；5、电弧高度自适应模块；6、弧压采集模块；7、焊丝位置调整模块；8、爬壁机器人； 9、焊丝嘴；11、支架；12、横向电机；13、横向移动梁；14、纵向电机；15、纵向移动梁；16、上下电机；17、上下移动梁；18、固定螺栓；91、焊丝盘； 92、送丝机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1至图5，本发明一较佳实施例所述的一种水冷壁自动GTAW堆焊平台，包括三轴移动平台1、焊炬2、环境摄像头3、熔池监测摄像头4、电弧高度自适应模块5、弧压采集模块6、送丝***、焊丝位置调整模块7。

三轴移动平台1主要用于焊接机头的整体三轴移动，以及焊接过程中焊接机头的示教行走和焊接行走，包括支架11、横向电机12、横向移动梁13、纵向电机14、纵向移动梁15、上下电机16和上下移动梁17。横向电机12和横向移动梁13实现三轴移动平台1的横向移动；纵向电机14和纵向移动梁15实现三轴移动平台1的纵向移动；上下电机16和上下移动梁17实现三轴移动平台1 的上下移动。三轴移动平台1上面安装有支架11，整体通过固定螺栓18固定在爬壁机器人8本体上。

环境摄像头3主要用于对整体环境、位置的观察；整体通过螺栓固定在焊炬2上。

熔池监测摄像头4主要用于焊接过程中对焊接熔池的观察，确保焊接成形质量；整体通过螺栓固定在焊炬2上。

焊丝位置调整模块7用于焊丝嘴9与焊炬2之间相对位置的调整，包括上下距离、内外距离和角度。整体通过螺栓固定在焊炬2上。

焊炬2用于实际的焊接，在高频脉冲作用下，击穿空气，钨针与水冷壁之间产生电弧，熔化母材和焊丝，完成焊接。整体通过螺栓固定在电弧高度自适应模块5上。

弧压采集模块6安装于焊炬2外侧，主要用于焊接过程中电弧电压的采集。

电弧高度自适应模块5主要用于焊接过程中焊炬2与水冷壁之间距离的自适应调整，根据弧压采集模块6采集到的数值，与设定值进行对比，通过一定的算法，通过控制保证电弧高度自适应模块5中的调整电机，调整焊炬2与水冷壁之间距离至焊接工艺规定的数值。主要包括调整电机、齿轮、齿条、和电弧高度控制器。整体通过螺栓固定在三轴移动平台1的上下移动梁上。

送丝***主要用于焊丝的矫正和送丝。主要包括焊丝盘91、送丝机构92、焊丝矫正机构等。整体通过螺栓固定在三轴移动平台1的纵向移动梁15上。

为了在焊接过程中保证钨针与水冷壁之间电弧高度自适应模块5主要用于焊接过程中钨针与水冷壁之间距离的自适应调整，保证焊炬2与水冷壁之间距离按照焊接工艺规定的数值保持不变。主要包括调整电机、齿轮、齿条、弧压采集模块6和电弧高度控制器。整体通过螺栓固定在三轴移动平台1的上下移动梁17上。

电弧高度自适应原理：焊接过程中，安装于焊炬外侧的弧压采集模块实时采集焊接电压，数据传输到电弧高度控制器，通过与设定值进行对比分析，按照一定的电弧高度算法，电弧高度控制器驱动调整电机对焊炬往上或往下调整，使焊炬与水冷壁之间距离按照焊接工艺规定的数值保持不变。

电弧高度算法公式：电弧电压＝阴极压降+阳极压降+电弧压降×电弧高度；

行走示教原理：在焊接过程中，为了保证焊炬的移动按照实际焊接需求，防止走偏，焊接前必须进行焊接路径规划。利用x-y二维坐标两点路径算法，通过双轴联动调整，实现实际行走路径按照示教执行。

以下具体阐述下本实施例的工作过程，包括：

(1)测试、安装爬壁机器人和水冷壁自动GTAW堆焊平台：

对水冷壁自动GTAW堆焊平台各模块进行组装，整体安装于爬壁机器人上，对爬壁机器人和水冷壁自动GTAW堆焊平台进行功能测试，检查其状况，保证能够正常运行；

(2)行走至指定位置：

转运设备至水冷壁人孔，将爬壁机器人和水冷壁自动GTAW堆焊平台，分别搬运到炉膛内部，组装完毕后，将机器人吸附到水冷壁上面，并挂载安全绳，防止非正常设备坠落。通过观察爬壁机器人自带摄像头和调节遥控器控制爬壁机器人行走至需要焊接部位；

(3)焊接修复前工作准备：

先通过遥控器，控制机器人前行、回转、横向运动、下压等动作，观察各运动单元工作是否稳定，完成对各功能校验后，调整爬壁机器人姿态，具备焊接修复条件；

(4)焊接实施：

通过遥控器，调用焊接数据单，启动焊接操作，通过高频引弧，钨针与水冷壁产生电弧，不断熔化水冷壁母材和ERNiCr3焊丝，第一道堆焊完成后，不断重复操作，直至堆焊完成；

(5)爬壁机器人和水冷壁自动GTAW堆焊平台返回：

堆焊完成后，通过观察环境摄像头和调节遥控器控制爬壁机器人返回人孔附近，关闭机器人电源及控制箱电源，拆除安全绳，最后，将爬壁机器人与水冷壁自动GTAW堆焊平台拆开，转运出人孔。

基于自动GTAW堆焊技术的T23水冷壁现场修复方法，采用爬壁机器人搭载自动焊设备模式，远程控制到达需要焊接修复的部位，然后局部自动GTAW 堆焊镍基焊丝，在水冷壁含缺陷或减薄的位置实现压力边界的外延，并在局部区域制造压缩应力，抑制缺陷的扩展。

自动GTAW堆焊选用ERNiCr3焊丝，焊丝直径1.0mm，0.5公斤焊丝盘。堆焊层厚度等于水冷壁管道的厚度，其中水冷壁管道的厚度为6.8mm。

自动GTAW堆焊ERNiCr3焊丝中容易出现弧坑裂纹和焊道微裂纹；弧坑裂纹的消除主要增加熄弧时间，研究表明熄弧时间超过6s即可消除弧坑裂纹。焊道微裂纹主要为结晶裂纹，需要通过对工艺进行合理的选取来消除；研究表明，在T23水冷壁管道表面自动GTAW堆焊ERNiCr3焊丝时，必须采用工艺参数脉冲，同时各工艺参数进行同步耦合控制输出。经过大量的工艺试验和分析，开发了一套适用于T23水冷壁现场修复的自动GTAW堆焊工艺，具体工艺条件如表1所示；焊接时保护气体流量10～15L/min，层间温度控制在250℃以内。

表1适用于T23水冷壁现场修复的自动GTAW堆焊工艺

试验结果：

制备金相试样，在金相显微镜下观察堆焊接头各区域组织，如图6～8所示 T23母材区域为典型的回火贝氏体+回火马氏体组织，熔合线附近具有明显过渡层，结合紧密，未发现有未熔合、气孔、夹渣等缺陷，NiCr₃堆焊层为典型的奥氏体组织；

依据GB/T228.1《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，对堆焊接头进行常温拉伸性能试验，依据GB/T4338《金属材料高温拉伸试验方法》对堆焊试样进行450℃高温拉伸性能试验，依据GB/T229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》标准对堆焊试样进行室温冲击试验，试验结果如表2所示，表明水冷壁表面堆焊ERNiCr3焊材后，常温抗拉强度、高温屈服强度和常温冲击韧性都满足GB/T 5310《高压锅炉用无缝钢管》标准中对于T23管道的性能要求。

表2 T23水冷壁镍基堆焊接头力学性能

依据GB/T 31310-2014《金属材料残余应力测定钻孔应变法》标准，采用小孔释放法(盲孔法)，测量各镍基堆焊层的残余应力，如表3所示，全部为压应力，最终镍基堆焊层对水冷壁管道产生了255Mpa的压应力，从而防止原缺陷的扩展和新缺陷的产生。

表3 T23水冷壁各镍基堆焊层表面的残余应力

堆焊层	残余应力，MPa
		第1层(打底层)	-185.0
第2层(填充层)	-207.0
		第3层(填充层)	-242.0
第4层(盖面层)	-255.0

通过残余应力测试，得出T23水冷壁现场修复的自动GTAW堆焊层需要4层，厚度≥水冷壁厚度即可

本实施例中的T23水冷壁自动GTAW堆焊示意图见图9。

从上述实验结果可以看出，本发明提供的基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法具有极佳的修复效果，应用前景广阔。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法，其特征在于具体修复步骤为：

(1)测试、安装爬壁机器人和水冷壁自动GTAW堆焊平台：

对水冷壁自动GTAW堆焊平台各模块进行组装，整体安装于爬壁机器人上，对爬壁机器人和水冷壁自动GTAW堆焊平台进行功能测试，检查其状况，保证能够正常运行；

(2)行走至指定位置：

转运设备至水冷壁人孔，将爬壁机器人和水冷壁自动GTAW堆焊平台，分别搬运到炉膛内部，组装完毕后，将机器人吸附到水冷壁上面，并挂载安全绳，防止非正常设备坠落。通过观察爬壁机器人自带摄像头和调节遥控器控制爬壁机器人行走至需要焊接部位；

(3)焊接修复前工作准备：

先通过遥控器，控制机器人前行、回转、横向运动、下压等动作，观察各运动单元工作是否稳定，完成对各功能校验后，调整爬壁机器人姿态，具备焊接修复条件；

(4)焊接实施：

根据自设的自动对焊工艺参数，通过遥控器，调用焊接数据单，启动焊接操作，通过高频引弧，钨针与水冷壁产生电弧，不断熔化水冷壁母材和ERNiCr3焊丝，进行第一道打底焊道焊接，第一道堆焊完成后，不断重复操作，进行填充及盖面焊道焊接，直至堆焊完成；

(5)爬壁机器人和水冷壁自动GTAW堆焊平台返回：

堆焊完成后，通过观察环境摄像头和调节遥控器控制爬壁机器人返回人孔附近，关闭机器人电源及控制箱电源，拆除安全绳，最后，将爬壁机器人与水冷壁自动GTAW堆焊平台拆开，转运出人孔。

2.根据权利要求1所述的一种基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法，其特征在于：所述水冷壁自动GTAW堆焊平台选用ERNiCr₃焊丝，焊丝直径为1.0mm，焊丝盘为0.5公斤，堆焊层共有4层，堆焊层总厚度大于等于水冷壁管道的厚度。

3.根据权利要求1所述的一种基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法，其特征在于：步骤(4)中所述自设的自动对焊工艺参数如下，其中打底焊道的工艺参数是：电流峰值为165～175A，基值为60％，行走速度峰值为60％，基值为100～110mm/min，送丝速度峰值为1000～1200mm/min，基值为60％，电压值为8～9V，而填充及盖面焊道的工艺参数是：电流峰值为155～165A，基值为50％，行走速度峰值为60％，基值为100～110mm/min，送丝速度峰值为1000～1200mm/min，基值为60％，电压值为8～9V。

4.根据权利要求1所述的一种基于自动堆焊技术的水冷壁现场修复方法，其特征在于：步骤(4)中所述焊接操作时保护气体流量为10～15L/min，层间温度小于250℃。

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