“未来技术”由德国BORSIG 公司焊接工程部主管Ing Andreas Risch 博士与伊萨焊接设备公司的项目经理Bengt Ekelöf执行
首发: Svetsaren 1-2/1999
关键词: SAW, 氧燃切割, 压力容器, 热交换器, ABW, 多功能台架
市场细分:过程工业
摘要: BORSIG (隶属于 Babcock-Borsig AG的公司), 著名化学和石化工业压力容器及热交换器供应商，使用全自动系统进行埋弧焊和氧燃切割来优化其焊接和切割生产过程。
BORSIG用一种先进的，全适应SAW 工艺进行120 mm对接焊。多层串联SAW 工艺由智能软件控制整个焊接操作。
压力容器壳中喷嘴交叉口的孔是由工业机器人切割的，切割孔的离线编程用不同的宏操控等倾角焊接和等体积接头。
先进的焊接和切割系统装于一台可以在轨道上移动的多功能台架上。台架与两个抗蠕变辊床站相连，见图1。这种机械是伊萨专门为BORSIG 产品线设计的的。
BORSIG产品
作为世界领先的化工及石化产业全套气体废热补救系统和急冷冷却系统供应商，BORSIG 设计并生产不同型号的热交换器和压力容器。
急冷冷却器用于快速冷却乙烯厂裂解炉中涌出的气体。主要应用为合成氨、甲醇、氢和煤炭气化厂的气体废热补救处理。
BORSIG生产的元件：
• 处理气体废热锅炉
• HP 蒸汽过热器
• HT 废热转换锅炉
• 给水加热器锅炉
• 气/气热交换器
• Synloop 废热锅炉
• 蒸汽锅炉
图2为典型的改良合成气体热扑救系统组合
几乎每个气体压力容器或热交换器都是独立的应用，根据客户要求针对专项应用设计方案。
所有这些应用涉及高压容器(达到 1,200°C)，气体压力达到300 bar，并且产生高压蒸汽（到达140 bar）。
质量要求
设计和制造高压设备要严格遵守世界压力容器数据规范，如AD, ASME, BS, Raccolta, Codap, Stoomwezen, IBR, JS, AS 等等。由于压力容器严格的操作环境，产品质量，特别是焊接质量至关重要。焊接区域的瑕疵率必须达到最小（根据ISO 5817最小值B组）。
每个压力容器外壳内包含的纵向和环形接头以及内部和外部区域都要接受完整的非破坏性试验，如磁性微粒或染料渗透性检查，或100% X光照相(RT)和/或超声波(UT)检测。喷嘴焊接要完全用UT检测。
在焊接生产之前，必须通过工艺质量试验(PQR)，包括密集的非破坏性试验和机械测试，确定所有焊接都满足应用数据和基材规范要求。生产工艺必须严格按照PQR的规定范围来要求基材组、厚度范围，焊后热处理(PWHT)和焊接参数范围（如：预热温度、焊接速度、电压、电流、层间温度等等）
材料和焊接技术
生产设备所需要的条件需要不同的钢材制造压力容器和热交换器。下面的例子是上述压力容器主要部件（船身）材料：
• 蒸汽锅炉和WHB外壳使用的高强 C 钢 (如 SA 516 Gr.70)
• 蒸汽锅炉和急冷冷却器的外壳和喷嘴使用的C-0.5% Mo 钢 (e.g. 15Mo3)
• 蒸汽锅炉,工业废气WHB或synloop WHB （蒸汽方）使用的高强耐热钢(例 15 NiCuMoNb 5 or SA 302 Gr.B/ Gr.C)
• WHB外壳（蒸汽方）和进出气部位，管板，废气锻造圆筒WHB使用的C-1.25% Cr-0.5% Mo 钢 (例如 13 CrMo 4-5)
• synloop WHB的进气部分，外壳，管板和喷嘴使用的C-2.25%Cr-1%Mo 钢 (如 10 CrMo 9-10) 和 C-3%Cr-1%Mo 钢 (10 CrMo 9-10 mod.)
将上面提到的钢材或类似钢材互相焊接（如外壳与外壳之间）或交叉焊接（如外壳与管板之间）。蒸汽锅炉和WHB(蒸汽方)的外壳厚度为40和120mm，synloop WHB进气部分厚度达到了250 mm。压力容器直径大小差别可能有1,000 mm（例如急冷冷却期）至3000mm（如WHB）。如图3图4所示。
根据壁厚按机械技术特性的要求生产高合金钢，在焊接和切割的时候应该预热，焊接同时控制能量输入和层间温度。
为避免冷裂，高强度钢需要提前预热到150-250°C 。C-1.25%-Cr-1%Mo- 和 C-2.25%Cr-1%Mo 钢也需要预热至200-250°和250-300°C。
环状接头通常用8°焊接倾角U制备。圆筒用圆柱体焊接V接头制备（完全张角50°）。喷嘴焊（内置喷嘴）用半V制备（焊接倾角30-40°）。主要焊接技术有GTAW，根部用SMAW和衬层/顶层焊接用SAW。
BORSIG 把大量自动化焊接和切割工艺融合进生产过程中来优化产品质量和焊接效率。
其中包括全自动化、电脑控制轨道GTAW焊接机器（填充焊丝与多层TIG技术）热交换器管对管板焊接、自动热线式堆焊关键特种接头、GMAW机器人焊接双关急冷制冷元件、机器人焊接特种硬化系统连接薄管板和CNC等离子或氧燃CAD数字和宏编程系统切割钢板。
BORSIG’s 选择高级焊接和切割系统
截止到1997年年底，埋弧焊圆周和纵切焊，以及外壳内部和进出气区域的喷嘴孔切割都是用人力操纵焊接切割设备完成的。所以操作人员的知识和经验决定操作的效果。
使用CNC数控机器的绝对程序控制并不合适，因为实际几何形状并不见得与输入数据完全切合（基材厚度、接口质量、外壳尺寸精度、偏心率等等）。另外,多道液滴处理预编程增加了停工次数,影响生产效率。
因此要想提高自动化生产的效率就必须使用智能调节软件，可以在整个操作过程中可以自己做出决定。1997年的焊接平台实现了这一要求，包括高级伊萨为SAW工艺和机器人切割系统开发的ABW技术，可以用宏基脱线编程。只有少数几种软件能够保证在生产压力容器时根据用户要求作合理调节。
系统
伊萨为开发了全自动多功能台架投入到BORSIG工程中与工程师密切配合来完成工作。所有元素和编程单元都按照用户需要在开始就进行了设置
台架安有全自动激光埋弧伊萨ABW焊接系统（见图5），与150吨抗蠕变辊床系统配合使用。这样就可以焊接长度为4,200 mm纵向焊缝以及直径为3,500 mm的圆周焊缝。
极窄辊床的设计是用来使压力容器上的喷嘴和法兰旋转，最大投射范围为750 mm ，喷嘴之间和附属零件之间最小距离为500 mm。
95%的BORSIG应用需要使用全自动调节纵排焊焊接壁厚为120 mm的压力容器。伊萨ABW焊头可以完成厚度为135 mm机械纵排焊。二级单焊丝焊接头即使壁厚250mm的容器也没有问题。
以上所有自动化和半自动化操作都是通过主控电脑控制的，如图6。台架底部两台250升焊剂补充压力箱自动交替供应焊剂。
不同的焊剂也可以分装在两个箱中依照要求投入使用。焊剂系统内装电子加热器。焊剂吸引器和循环装置防止了多余焊剂消耗。
ABB IRB 2400/S4工业机器人配备了火焰切割（氧燃）燃烧系统，安装一个支架上，另一个支架装在台架主水平梁上，两个支架互相垂直，如图7。两个支架都安装在机器人外部作支撑脚来定位，如果需要，还可以协助切割操作。脱线用宏指令编程可以切割厚度为150 mm的喷嘴孔。
系统可以承受直径为1,500 mm的孔切割。孔切挖尺寸和直径的最大比例为0.68。如果要切割1,500的孔，那么外壳最小直径为2,500 mm 。
另外，台架可能被用作多功能平台来处理切割喷嘴和其他容器附件。这样一来需要在平台上安装可动绝缘地板。整个台架和辊床被放置在长45m的轨道上。所有主要能量和数据转换电缆在可动地板下面布线。
ESAB ABW 可调接头填充装置
由于系统里的智能软件，安装在台架上的伊萨ABW可调纵排焊接系统能够处理全自动接头填充的环状和纵向焊接。
在焊接期间，用光学传感器对接口形状的真实数据进行测量，在连续基础测出两种要求焊接参数，并且进行跟踪和确定层间形态的支撑脚定位。
这意味着包括保护层在内的填充层焊滴大小和位置都可以由系统软件进行自调节设置。
系统软件主要影响以下四个参数：
• 焊接速度
• 电流
• 焊滴位置
• 填充层和保护层的焊滴数目
这种特性使得ABW可以适应横截面实际尺寸以及整个结合区的几何形状。
伊萨ABW系统软件影响四个填充参数，在ABW焊接填充步骤中有不同的功能。
• 焊接速度控制焊接金属在不同结合区域的熔敷量。
• 电流控制焊滴高度和在不同结合区域的熔敷量。
• 焊滴位置影响不同结合区域的层间形状
• 每层所选焊滴数量决定层间渗透程度、结合处底端形状和焊接填充度。
独一无二的伊萨ABW焊接技术是专为制造商设计用于高质量对接焊的100%自动化多层技术，即使接头几何形状超出原有配置，也能保证无故障焊接填充。
ESAB ABW系统可以根据BORSIG实际生产需要修改配置。通过发电机组自动控制各部分的流通电路，可以确认外壳和厚法兰之间的接头（位于焊接一侧），还有外壳和锥体之间的接头实际尺寸。
焊接操作的注册和记录
操作人员长达几小时监控连续全自动多道纵焊，在焊接填充过程中，不仅需要良好的人际通讯（MMC），而且需要报告系统随时通知焊接进程。
BORSIG使用的伊萨ABW操作系统软件安装了报告系统，操作中的焊接和定位数据分别存储在两个单独的文件夹中—焊接报告文件夹和日志文件夹。
所有工作参数，如焊丝型号和焊丝尺寸、焊剂型号和允许层间温度等都存储在焊接报告文件中，具体工艺参数如焊接电压、焊接电流和焊接速度，报警和停工极限也储存在该文件里。
焊接过程中的关键步骤都存储在焊接报告文件中，如启动、停止、再启动、超极限和焊剂指数报告，层间温度高低等。所有步骤都和具体数据一同保存：时间、焊层、接口焊接液滴和位置。如果该步骤超过了过程参数的限制范围，那么这个数值也会存进档案。
日志文件会一直记录定位和过程参数（每隔20mm），普通厚壁焊接的日志可以记录到1000页。
机器人氧燃切割喷嘴孔
由于柱形外壳筒形交叉点电路，切孔编程更为复杂化。
为了简化程序，电脑控制ARAC脱线编程系统投入使用。
操作人员之需要将下列数据输入宏中，两个宏指令检测电路的计算方式并且将其传输至机器人协调器，然后开始用恒定开口轧槽或恒定焊接量切割。
• 外壳直径
• 壁厚
• 孔/外壳交叉点的直径
• 焊接倾角度数
• 切割参数 (e.g. 预热时间, 气体参数, 切割速度等等)
• 离线定位设置、外切量和切割宽度设置
脱线电脑的程序传输至机器人控制单元，把机器人连接到切割位置，一种特殊测量程序会在操作运行之前启动。
燃烧点的特殊测量感应器在测试模式对外切中表面进行跳跃性控制。
宏会设置一项离线程序来选择最佳圆柱表面大小来保证燃烧点和金属表面的安全距离。该功能对于保证良好有效的切割效果起到了关键作用。
特殊遥控装置启动切割操作，在执行过程该装置始终以用户友好界面控制每个步骤。焊接尖口在一条焊道上被切割，如图8。操作过程中所有火焰控制（预热、内伸和切割火焰）都可以通过数码气体混合系统调节改变。
安装台架的效果
台架安装工作结束之后，多功能台架立即提高产能、质量和效率。该系统成功运行一年便证明了它可以在多方面改进了重型压力容器生产。
辊床系统的抗蠕变功能对于焊接启动和焊接过程是十分重要的优势。
工业化生产外壳都是由钢板卷曲而成，被卷成圆柱时会有一定的偏心率，在没有此项功能时无法阻止容器或容器元件蠕变。过去辊床调节会发费很长的时间来减少蠕变几率（有时还需要多次次调节）。
使用新系统之后，只需要把压力容器放在滚轮上按要求旋转几次，其水平位置就会保持平衡仅有±1 mm 的差距。特别设计的窄辊床和与抗蠕变传感器系统把对喷嘴位置的限制减少到最低。使设计压力容器有了更多的灵活性。
在最短的时间内作校准和参数设定，就可以直接启动焊接程序。焊接过程中，操作员仅负责在台架底部（底层）监控除渣和目测焊接质量。停工时间被减至最小-通常只有需要更换焊丝的时候（100kg 焊丝圈）才中断生产。
最关键是由于不再受到操作人员经验知识局限，焊接质量得到了极大的改善。
用机器人系统切割喷嘴孔，缩减了以前必须的工作步骤，操作更加方便。
而且也不必要在外壳表面标刻切出记号。完全避免处理和定位普通切割机的停工时间。此外，切出过程从通常的两步缩减到一步，有效切割时间也减少了一半（平切和角切分开运行）。
壁厚为50-150mm的材料需要高精切割。切出的最大直径偏差为±2 mm ，焊接倾角差不能多于±1°。高精度对喷嘴的适应性和下列用SAW喷嘴焊接机器焊接操作有着积极的影响。
另外很重要的一点是人的因素。由于可以在底层控制室完成所有自动化操作，操作人员和焊工不再受预热时产生的高温辐射。此外，如果在可动平台上进行喷嘴试装和喷嘴焊接，绝缘地板能保护试装人员和焊工的安全。
全自动焊接和切割操作的质量效果不取决于操作人员的实际经验和工作状态。另一方面，优秀的操作人员和切割人员操作该系统又是一种优势：他们对各种具体工艺有具体感受和了解。该系统采用了用户友好控制单元，只需要具备基本的电脑知识和CNC切割应用经验的人员即可驾驭该系统。
结论
BORSIG重工在采用新技术适应焊接和全自动机器人氧燃切割，大大提高了产能。高水平自动化保证了高度的灵活性和高品质。与同类工厂相比大大减少停工时间，也减少了机器的运行损耗。
