焊接技术在现代制造业及工程建设中的应用与发展_上_

·综　述· 焊接技术在现代制造业及工程建设中 的应用与发展 (上) 史耀武 (北京工业大学 材料科学与工程学院 　北京 　100022) 摘 　要 　回顾了焊接技术在我国重大工程建设项目及现代制造业中的作用与地位 ,指出焊接技术的应用现状和产 业发展的需求。从焊接设备与装备、焊接材料、信息化技术及结构完整性与寿命评估的角度分析了我国焊接技术 面临的挑战与任务。 关键词 　焊接技术 　工程建设 　现代制造业 APPL ICATION AND DEVELOPMENT OF WELDING TECHNOLOGY IN MODERN MANUFACTURE AND ENGINEERING CONSTRUCTION(2 - 1) Shi Yaowu (School of Materials Science and Engineering , Beijing University of Technology 　Beijing 　100022) ABSTRACT　Statue and position of welding technology have been reviewed for the key engineering construction projects and modern manufacture at home1 The application and need of industries are pointed out1 The challenge faced with and task of welding technology are analyzed from the viewpoint of welding equipment and installation , welding consumables , information technology , construction integrity and lifetime assessment . KEY WORDS　welding technology 　　engineering construction 　　modern manufacture 0 　引 　言 焊接技术最早出现在 19 世纪初的西方国家 ,现 已成为制造业的重要加工工艺技术。焊接是指采用 物理或化学的方法 ,使分离的材料结合 ,形成具有一 定性能要求的整体 ,不包含铆接等机械连接。发展 至今 ,各种焊接工艺技术近百种 ,采用了力、热、电、 光、声及化学等一切可以利用的能源。焊接技术的 应用涉及能源、交通、航空航天、建筑工程、电气工 程、微电子等几乎所有工业领域。 随着冶金及材料科学的发展、计算机及网络技 术的广泛应用 ,材料连接的理论及焊接制造技术得 到了空前迅猛的发展 ,现代焊接技术已能适应当前 制造业的基本需求。但对异种材料的连接、微电子 及微机械的连接、特殊环境条件下的焊接等还面临 严重的挑战 ,至于像生物材料的连接技术 ,几乎是空 白。 今天焊接技术的应用如此广泛 ,是因为焊接结 构有一系列的优越性。焊接结构不受外形尺寸限 制 ,可以方便地拼成尺寸很大的工程结构。与铆接 或螺栓连接相比 ,焊接结构的重量较轻 ,没有铆钉或 螺钉的附加重量。与铸造结构相比 ,可方便地制成 空心结构或封闭结构。焊接结构的整体性好。焊接 结构的密封性好 ,这对压力容器或真空容器的制造 是不可缺少的条件。可根据结构服役及设计的需 要 ,在不同的部位采用不同材质或不同级别的材料 , 也可采用不同厚度的材料 ,从而节省材料 ,发挥材料 的最大效能 ,而且结构也更为轻巧 ,并可降低成本。 在制造业中尽量采用焊接技术 ,符合建设节约型社 会的时代潮流。 作者 :史耀武　男　1940 年 11 月出生　博士　教授 收稿日期 :2005 - 06 - 20 焊接结构的整体性好 ,但有时也带来问题 ,如止 裂性能差 ,扩展的裂纹很容易穿过焊缝 ,可能导致灾 难性的后果。另外 ,焊接结构及焊接接头的应力集 中较严重 ,焊接接头区域有可能存在缺陷 ,又是焊接 残余应力较大的部位 ,必须采取科学的工艺设计进 行控制 ,提高焊接接头的强韧性能和结构寿命。 36 史耀武 :焊接技术在现代制造业及工程建设中的应用与发展 Steel Construction1 2005 (5) , Vol120 , No181 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 1 　焊接技术在我国重大工程建设及现代制造业中 的应用 焊接俗称钢铁裁缝。中国钢产量自 1996 年突 破 1 亿 t 后 ,连续 9 年居世界第一 ,我国 2003 年的 钢产量已超过 2 亿 t ,钢材的实际消费量更大。如 40 %的钢铁材料要经过焊接加工才能成为有用的构 件或产品 ,可以想象将有多大的焊接加工量 ,焊接在 人们的生产生活、劳动就业、财富创造及国防建设中 将起到多么重大的作用。 制造业的整体能力和水平 ,直接关系到国家的 经济实力、国防实力、综合国力和在全球经济中的竞 争与合作能力 ,也决定着我国现代化和民族复兴的 进程。经过几代人的前仆后继 ,数亿人的奋发努力 , 我国已拥有相当规模和水平的制造体系 ,能够为国 民经济和社会发展提供先进的产品和装备。这些成 绩的取得均离不开焊接技术的发展和应用。下面结 合我国近年的重大工程项目说明焊接在现代制造业 中的作用和意义。 111 　西气东输工程 近年来全球对石油天然气的需求猛增 ,预计到 2025 年 ,天然气的需求量将比 2000 年增加近 20 倍。据报道 ,全世界油气输送管道总长度已达到 230 万 km ,每年铺设油气输送管线 2～3 万 km ,其 中 60 %为天然气输送管线。我国经济的快速增长 , 带来了能源的巨大需求。未来 10 年 ,我国将建成 14 条油气输送管线 ,形成两纵两横的油气输送管 网。 著名的西气东输工程 ,西起轮南油田 ,与陕北气 田汇合 ,经郑州、南京至上海 ,全长 4 000km ,是横贯 我国东西的能源大动脉 ,为能源紧缺的中国东部经 济发达地区输送丰富的天然气资源。从 2002 年 7 月开工至 2004 年 8 月建成 ,年输气量 120 亿 m3 ,最 大输气量每年 200 亿 m3 ,并可稳定供气 30 年。管 径为1 016 mm ,壁厚 1416～2612mm , X70 级钢 ,钢 管用量 170 万 t 。图 1 为西气东输的中卫黄河跨越 工程。 西气东输工程中 ,螺旋埋弧焊管约占 80 % ,其 余为直缝埋弧焊管 ,X70 级管线钢符合美国石油学 会 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,碳含量为 011 %～0114 % ,钢中除 Mn、Si 外 ,尽量降低 S、P 等杂质含量 ,还加入 Ti、V、Nb 等 微量合金元素 ,通过控轧控冷工艺 ,细化晶粒 ,显著 改善钢材的强韧性能。管线钢的碳含量低 ,淬硬倾 向小 ,焊接性较好 ,但在野外现场焊接时 ,还需采取 图 1 　西气东输中卫黄河跨越工程 必要的措施 ,防止产生冷裂纹。 在西气东输工程中 ,由于钢的强度等级较高 ,管 径和板厚较大 ,管线建设中应以自动焊和半自动焊 为主 ,以焊条手工焊为辅。技术关键是管道对口根 焊道的焊接成型。自动焊主要涉及熔化极气体保护 焊、自保护药芯焊丝电弧焊。焊条手工焊主要为纤 维素焊条下向焊和低氢焊条上向焊。在大直径厚壁 管道施工中 ,全位置 GMAW 自动焊的优势是非常 明显的 ,也是当今世界大直径管道焊接施工的主流 , 需要内对口机、管端坡口整型机等配套机具。今后 , 随着高强度级别管线钢 X80 或 X100 及大直径厚壁 管道的应用 ,可显著降低管线建设中的材料用量及 施工成本。 随着我国对油气进口依赖性的增大 ,我国正与 俄罗斯及中亚五国开展积极的能源合作 ,推进多元 化能源战略。正在谈判中的中俄韩天然气管道克维 克金 ( Kovykta) 项目 ,管道总长度预计为 4 887km , 总投资约 180 亿美元 ,在 30 年内该管道分别向中 国和韩国销售 6 000 亿 m3 和 3 000 亿 m3 天然气。 计划中的中哈原油管道西起哈萨克斯坦西部的阿特 劳 ,东到新疆的独山子 ,全长 3 088km ,其中哈萨克 斯坦境内 2 818km ,中国境内 270km ,预计投资 20 亿美元 ,年输送原油 2 000 万 t 以上 ,未来的管线建 设及焊接工作量将更加巨大。 112 　西电东送工程 我国已是世界电力大国 ,至 2001 年底 ,我国电 力装机容量达 3138 亿 kW ,年发电量 14 780 亿 kWh ,两者均占世界第 2 位。我国有 1 000MW 以上 装机容量的发电厂 92 座 ,其中水力发电厂 16 座。 100MW 以上的火力发电机组 848 台 ,大型机组已 是我国发电的主力机组。然而我国能源分布和能源 消费地区间的不平衡 ,决定了实施“西电东送”的必 然性。西部可开发水能资源约 21743 亿 kW ,占全 国的 72 %。西部已探明煤炭资源保有量为 3 882 亿 t ,约占全国的 39 %。”十五”计划明确提出 :建设西 46 加工制作 钢结构 　2005 年第 5 期第 20 卷总第 81 期 　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 电东送的北、中、南三条大通道 ,推进全国联网。 三峡水电工程是举世瞩目的 ,三峡水电站总装 机容量 18 200MW ,相当 18 座大型核电站 ,是世界 最大的水电站。2003 年首批机组发电 ,2009 年全部 建成。三峡水电站由 26 台轴流式水轮机组成 ,每台 水轮机的座环外径 16m ,高 4m。转子直径 10m ,质 量 450t ,发电 700MW。蜗壳进水口直径 1214m ,达 750t 。图 2 为三峡水轮机转子及蜗壳。 a - 转子 ; b - 蜗壳 图 2 　三峡水轮机转子及蜗壳 　　其转子材料为 410NiMo 马氏体不锈铸钢 (13 %Cr、4 %Ni、015 %Mo) ,焊接用于转子部件的组 装和铸造缺陷的修补。主要焊接方法是焊条手工焊 及双丝埋弧自动焊 ,焊丝有实心及金属粉芯两种 ,每 个转子的组装需焊接材料 7～10t。对焊接接头的 性能要求是 : 0 ℃最低恰贝冲击韧性 50J (热处理状 态) 及 20J (焊态) ; 热处理后接头最低屈服强度 550MPa ,抗拉强度 760MPa。另外 ,金属结构的焊 接工作量也很大。各种闸门就有 282 扇 ,闸门长度 在 40m 以上 ,焊接变形不得超过 5～10mm。 内蒙、山西及贵州等西部煤电基地建设中 ,由于 机组容量大 ,使用的钢材及焊接材料品种规格复杂 , 焊接 工 作 量 及 焊 口 可 靠 性 的 要 求 更 高。如 12CrMo、12Cr2Mo ( 德 国 的 10CrMo910 等 ) 、 12Cr1MoV 等低合金热强钢 ,调质状态 ,使用温度 545 ℃以下。为了使工作温度能提高到 600 ℃以上 , 曾采用 9Cr - 1Mo (瑞典的 HT7 等) 和 12Cr - 1Mo 钢 (德国的 F12、F11 等) ,由于焊接性很差 ,近年来 已广泛为改良型 9Cr - 1Mo 所替代 ,如 T91/ P91 ,钢 中添加了 Nb 和 V ,600 ℃持久强度比 F11 及 F12 提 高 70 %。最近还出现了以 W 代 Mo ,并配合 Nb、V 沉淀强化的 T23/ P23 钢以及 T122/ P122 钢 ,进一步 大幅提高 600 ℃及 650 ℃的持久强度 ,可用于超临界 机组。 另外 ,随机组容量和参数的增加 ,钢管的直径及 壁厚也增大。如 500MW 超临界机组的主蒸汽管 道 ,使用 15Cr1Mo1V 钢 ,规格 <426 ×80 ;600MW 机 组的主蒸汽管道使用 P91 钢 ,规格 <609 ×70。 秦山核电站于 1991 年建成投产 ,结束了我国大 陆无核电的历史 ,截至 2004 年 ,共有 9 台核电机组 投入运行 ,总装机容量 701 万 kW。建设中的江苏 田湾核电站 2005 年将全部建成投运 ,届时核电总装 机容量达 913 万 kW。由于火力发电受煤炭的压力 很大 ,饱受煤炭涨价之苦和运力限制 ,火电厂还存在 污染环境的问题。因此 ,发展核电是优化能源结构 , 调整能源布局 ,发展清洁能源 ,保护生态环境 ,满足 经济社会发展对能源需求的有效选择。按照 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 , 2020 年核电总装机容量将达到 4 000 万 kW ,要新 建 30 多台百万千瓦级核电机组。 以田湾核电站主岛安装工程为例 ,每个核岛涉 及主管道 36 个焊口 ,辅助管道 15 余万 m ,焊接条件 复杂 ,焊接及无损检测工作量十分巨大。图 3 为秦 山第二核电厂 2 号机组核反应堆厂房 ,2004 年 5 月 已投入商业运行。至此 ,我国自主设计、自主建造、 自主管理和自主运营的第一座大型商用核电站全面 建成投产 ,实现了由自主建设小型原型堆核电站到 自主建设大型商用核电站的重大跨越。 图 3 　秦山第二核电厂 2 号机组厂房 113 　南水北调工程 2002 年 12 月 27 日 ,世界上最大的水利工程 “南水北调工程”正式开工。该工程对缓解北方地区 水资源严重短缺局面 ,促进经济、社会和生态的协调 发展具有重要意义。可使北京、天津、石家庄、济南 等北方 44 座大中城市摆脱缺水的制约 ,为经济结构 56 史耀武 :焊接技术在现代制造业及工程建设中的应用与发展 Steel Construction1 2005 (5) , Vol120 , No181 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 调整创造机会和空间。按照 10 年建设期进行初步 估算 ,南水北调工程近期投资将拉动我国国内生产 总值 (增幅平均每年提高 0112 %) 。东线、中线一期 工程建设 ,每年带来 18 万个就业机会 ,平均每年创 造直接效益约为 560 亿元。 东线工程 1 150km ,总投资 580～620 亿元 ;中 线工程 1 400km ,总投资 1 677 亿元。输水工程及相 关的污水治理项目 ,大量采用钢筋混凝土结构 ,加上 阀门及部分管道的防腐处理 ,焊接工程量同样十分 巨大。图 4 为南水北调工程的丹江口水库。 图 4 　丹江口水库 114 　钢桥建设 作为“十五”四大工程的青藏铁路 ,格尔木至拉 萨段长 1 142km ,海拔 4 000m 以上地段有 965km , 昆仑山至唐古拉山区段海拔高度在 4 500m 以上 ,气 压 56～58kPa ,含氧量约为海平面的 60 % ,穿越多年 冻土地带长 550km ,年最低气温 - 36 ℃～ - 45 ℃,是 世界上海拔最高的铁路 ,也是世界上最长的高原铁 路。2001 年 6 月 29 日 ,青藏铁路全线开工。青藏 铁路公司努力使旅客列车以最短的时间通过高原缺 氧地区 ,冻土区行车速度有可能达到 100km/ h ,非 冻土区行车速度达到 120km/ h。今年内将实现全 线铺通的目标 ,2006 年下半年开展全线试运行。图 5 是建设中的青藏铁路。 图 5 　建设中的青藏铁路 青藏铁路常年处在低温环境 ,对铁路桥梁钢及 其焊接接头的韧性要求较高。青藏铁路结合梁的跨 度为 16、24 和 32m。钢材为 14MnNbq ,正火处理。 板厚 12、16 及 24mm ,并尽可能选择较薄的钢板。 要求 - 50 ℃冲击韧性及低温疲劳性能。 除了青藏铁路桥梁外 ,随着我国铁路与公路建 设的发展 ,钢桥建设得到了飞速的发展 ,特别是多座 跨越长江的大桥 ,设计与制造技术已接近世界先进 水平。钢桥形式很多 ,大跨度公路桥主要是悬索桥 和斜拉桥 ;铁路桥多为梁桥和拱桥。铁路桥的活载 比公路桥重 ,运行冲击力大 ,桥梁不仅要有足够的强 度 ,还要有足够的刚度和吸收冲击的能力 ,这使得桥 梁的跨越能力受到严格限制。就公路桥来说 ,已建 成的江阴长江大桥主跨 1 385m ,为全焊钢箱梁悬索 桥 ,居世界第 4 位 ,采用全焊钢箱梁斜拉桥的南京长 江二桥主跨 628m ,居世界第 3 位。世界全部斜拉桥 排名前 10 位的焊接钢桥中 ,我国就有 6 座。铁路桥 的发展也很快 ,铁路钢桥的跨度将达到 500m ,钢桥 的制造将从栓焊向全焊过渡 ,即从节点栓接过渡到 全焊整体节点。 今年将建成的上海东海大桥 ,是我国第一跨海 大桥 ,北起上海芦潮港 ,南抵浙江杭州湾的小洋山 岛 ,全长 32km ,是上海洋山国际深水港的配套工程。 桥宽 3115m ,双向 6 车道 ,设计车速 80km/ h。大桥 按高速公路标准设计并按集装箱重车密排进行校 验。大桥能满足洋山港区集装箱陆路运输需求。图 6 为即将合龙的东海大桥。 图 6 　即将合龙的东海大桥 焊接钢桥用材料由 16Mnq 发展到 14MnNbq , 钢板厚度发展到 50mm。14MnNbq 有较低的碳含 量 ,加入 Nb 等微量元素 ,降低杂质含量 ,控温控轧 , 正火细化晶粒 ,降低了 16Mn 的板厚效应 ,保证了桥 梁的焊接性能和抗断性能。以芜湖长江大桥为例 , 采用了先进的钢材生产技术 ,14MnNbq 钢板供货的 冲击韧性可达 234J ,远高于冲击韧性的要求值 ( - 40 ℃大于 120J ) 。 钢桥的制造先在工厂分段进行 ,再运到工地现 场组装。在公路斜拉桥和悬索桥钢箱梁的制造中 , 高效的 CO2 自动焊和半自动焊得到了广泛应用 ,据 66 加工制作 钢结构 　2005 年第 5 期第 20 卷总第 81 期 　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 润扬长江大桥建设统计 ,CO2 焊已占焊接工作量的 75 % ,埋弧焊约占 15 % ,其余为焊条手工焊 ;对于桁 梁式铁路桥或公路铁路两用桥 ,主要采用埋弧焊 ,如 芜湖长江大桥 ,埋弧焊占 60 % , CO2 焊约占 15 %。 为便于根部焊透和背面成型 ,广泛应用了陶瓷衬垫。 115 　船舶制造 按吨位计算 ,目前世界上 80 %的船舶在东亚地 区制造 ,特别是日本、韩国及中国的各造船厂 ,这里 已是世界的造船基地。2004 年 ,我国造船 880 万载 重吨 ,占世界造船份额 14 % ,连续 10 年列世界第三 位。预计今年我国造船产业将首次超过 1 000 万载 重吨 ,约占世界造船份额的 18 %。我国已能够自主 设计建造 30 万 t 级超大型原油船和 8 000 箱级超大 型集装箱船 ,并已成功进入液化天然气船建造市场 , 预计 15 年后中国将成为世界第一造船大国。2002 年还建成了用于越海铁路的大型轮渡船。图 7 为我 国建造的 30 万 t 大型油轮 ,长 333m ,宽 58m。 　　焊接技术在船舶制造中占有举足轻重的位置 , 是最主要的工艺技术。目前在下料工序中普遍采用 数控火焰切割及数控水下等离子切割 ;在大拼板工 序中采用多丝埋弧焊 ,单面焊双面成型 ,焊接的板厚 为 5～35mm ; 对船体的分段构架装焊采用自动及 图 7 　我国建造的大型油轮 半自动气体保护焊。船厂已普遍采用药芯焊丝 CO2 气体保护焊。造船厂是我国药芯焊丝的主要用户 , 目前我国船厂 CO2 气体保护焊的应用比例已达 65 %。 应该说 ,我国船厂的劳动生产率及企业效益仍 与发达国家有一定差距 ,必须加大企业技术改造力 度。自动化焊接生产系统及大型龙门式机器人已在 日本及欧洲船厂得到广泛应用 ,机器人完成的焊缝 已达到 20 %以上。出于对生产环境的考虑 ,目前还 在致力于低尘、低污染焊接材料的开发。 (待续) (上接第 81 页) 　　　K ———轴向刚度。 图 8 　悬链线阶段框架变形示意 312 　钢结构防火概念设计 建议 关于小区增设电动车充电建议给教师的建议PDF智慧城市建议书pdf给教师的36条建议下载税则修订调整建议表下载 从前面的分析可知 ,实际结构在火灾作用下 ,按 照现行的设计思想只验算柱的轴压比 ,按梁的抗弯 承载能力进行设计时 ,结构很可能会在升温膨胀阶 段或悬链线阶段由于钢梁轴力引起柱先于梁而破 坏 ,从而引起整个结构失去承载能力。而如果采用 合理的设计 ,不仅可以防止结构整体或局部倒塌 ,赢 得逃生和消防的时间 ,还可以利用梁的悬链线效应 降低钢结构建筑的防火成本 ,提高结构的安全性。 所以 ,对钢结构防火设计提出如下建议 : 　　1) 尽可能在边跨布置支撑 ,且宜在同一榀框架 两端布置。 2) 边跨以及建筑物周边水平构件的防火保护 应强于建筑物内部水平构件的防火保护。 3) 边跨柱应采用相对中跨柱较多的防火保护。 4) 当有较强的水平约束时 ,承载比 ≤015 的钢 梁可采用较少的防火保护。 5) 在整个升温过程中 ,公式 (1)中 M T和 M R项 始终占据着钢梁抵抗弯矩的主要部分 ,即使在悬链 线阶段 , M T和 M R项也占所有抵抗矩的 50 %以上。 参考文献 1 　Liu T C H. Experimental Investigation of Behaviour of Axially Re2 strained Steel Beams in Fire. Journal of Constructional Steel Re2 search , 2002 ,58 : 1 211～1 230 2 　CEN ( European Committee for Standardisation ) . DAFT ENV 1993 ,Eurocode 3 : Design of Steel Structures , 1995 3 　Usmani A S , Rotter J M , et al. Fundamental Principles of Struc2 tural Behavior under Thermal Effects1 Fire Safety Journal , 2001 , 36 : 721～744 76 史耀武 :焊接技术在现代制造业及工程建设中的应用与发展 Steel Construction1 2005 (5) , Vol120 , No181 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net