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近10年來，國內外鍋爐、壓力容器和管道的焊接技術取得了引人注目的新發展。隨著鍋爐、壓力容器和管道工作引數的大幅度提高及應用領域的不斷擴充套件，對焊接技術提出了愈來愈高的要求。所選用的焊接方法、焊接工藝、焊接材料和焊接裝置首先應保證焊接接頭的高質量，同時必須滿足高效、低耗、低汙染的要求。因此，在這一領域內，焊接工作者始終面臨複雜而艱鉅的技術難題，要求不斷尋求最佳的解決方案。通過不懈的努力已在許多關鍵技術上取得重大突破，並在實際生產中得到成功的應用，取得了可觀的經濟效益，使鍋爐、壓力容器和管道的焊接技術達到了新的發展水平。
鑑於鍋爐、壓力容器和管道涉及到許多重要的工業部門，其中包括火力、水力、風力，核能發電裝置，石油化工裝置，煤液化裝置、輸油、輸氣管線，飲料、乳品加工裝置，製藥機械，飲用水處理裝置和液化氣儲藏和運輸裝置等，焊接技術的內容是相當廣泛的。本文因篇幅所限，僅就鍋爐、壓力容器和管道用鋼，先進的焊接方法和焊接過程機械化和自動化三方面的新發展作如下概括的介紹。
鍋爐壓力容器和管道用鋼的新發展
1 鍋爐用鋼的新發展
在鍋爐、壓力容器和管道用鋼這三類鋼中，鍋爐用鋼的發展最為迅速。這主要是近10年來，火力發電站用燃料―煤炭的供應日趨緊張，降低燃料的消耗已成為世界性的迫切需要。為此，必須提高鍋爐的效率。通常鍋爐效率每提高5%，燃料的消耗可降低15%.而鍋爐的效率基本上取決於其執行引數―蒸汽壓力和蒸汽溫度。最近，上海鍋爐廠生產600~670MW超臨界鍋爐的蒸汽壓力為254bar，過熱蒸汽溫度為569℃，鍋爐的熱效率約為43%.如果鍋爐的執行引數提高到特超臨界級，即蒸汽壓力為280 bar蒸汽溫度為620℃，鍋爐的熱效率可提高到47%.目前世界上特超臨界鍋爐的最高工作引數為350 bar/700℃/720℃，鍋爐的熱效率達到了50% .
這裡應當強調指出，隨著鍋爐效率的提高，鍋爐煙氣中的SO2、NOX和CO2的排放量逐漸下降。因此從減少大氣汙染的角度出發，設計製造高工作引數的特超臨界鍋爐也是必然的發展趨勢。
鍋爐蒸汽引數的提高直接影響到鍋爐受壓部件的強度效能。在超臨界和特超臨界工作條件下，鍋爐的主要部件，如膜式水冷壁，過熱器，再熱器、高壓出口集箱和主蒸汽管道的工作溫度均已達到鋼材蠕變溫度範圍以內。製作這些部件的鋼材在規定的工作溫度下，除了具有足夠的蠕變強度 (或105h高溫持久強度)外，還應具有高的耐蝕性和抗氧化性以及良好的焊接性和成形效能。
從鍋爐主要部件用鋼的發展階段來看，即便是工作溫度相對較底的水冷壁部件，也必須採用鉻含量大於2%的Cr-Mo鋼或多組元的CrMoVTiB鋼。按現行的鍋爐製造規程，這類低合金鋼，當管壁厚度超過規定的`界限時，焊後必須進行熱處理。由於膜式水冷壁的外形尺寸相當大，工件長度一般超過30m，焊後熱處理不僅延長了生產週期，而且大大提高了製造成本。為解決這一問題，國外研製了一種專用於膜式水冷壁的新鋼種7CrMoVTiB1010.最近，該鋼種已得到美國ASME的認可，並已列入美國ASME材料標準，鋼號為A213-T24.這種鋼的特點是含碳量控制在0.10%以下，硫含量不超過0.010%，因此具有相當好的焊接性。焊前無需預熱。當管壁厚度不大於10 m m，焊後亦可不作熱處理。
在特超臨界的蒸氣引數下，當蒸氣溫度達到700℃，蒸氣壓力超過370 bar時，水冷壁的壁溫可能超過600℃。在這種條件下，必須採用9%Cr或12%Cr馬氏體耐熱鋼。這些鋼種對焊接工藝和焊後熱處理提出了嚴格的要求，必須採取特殊的工藝措施，才能確保接頭的焊接質量。
對於鍋爐過熱器和再熱器高溫部件，在超臨界和特超臨界蒸汽引數下，其工作溫度範圍為560~650℃。在低溫段通常採用9~12%Cr鋼，從高溫耐蝕性角度考慮，最好選用12%Cr鋼。在600℃以上的高溫段，則必須採用奧氏體鉻鎳高合金耐熱鋼。根據近期的研究成果，對於高溫段過熱器和再熱器管件，為保證足夠高的高溫耐蝕性和抗氧化性，應當選用鉻含量大於20%的奧氏體鋼，例如25Cr-20NiNbN(HR3C)，23Cr-18NiCuWNbN(SAVE25)，22Cr-15NiNbN(Tempaloy A-3)，和20Cr-25NiMoNbTi(NF709)等。
在相當高的蒸汽引數下(375 bar/700℃)下，在過熱器出口段，由於奧氏體鋼蠕變強度不足，不能滿足要求，而必須採用鎳基合金，如Alloy617.
現代奧氏體耐熱鋼與傳統的奧氏體耐熱鋼相比，其最大特點是含有多組元的碳化物強化元素，從而在很大程度上提高了鋼材的蠕變強度。
對於超臨界鍋爐機組的高壓出口集箱和主蒸汽管道等厚壁部件主要採用改進型的9-12%Cr馬氏體鉻鋼。
9~12%馬氏體鉻鋼的發展規律與前述的奧氏體耐熱鋼相似，即從最原始的Cr-Mo二元合金向多組元合金演變，其主攻方向是儘可能提高鋼材的高溫蠕變強度，減薄厚壁部件的壁 厚，以簡化製造工藝和降低製造成本。上述鋼種由於 嚴格控制了碳、硫、磷含量，焊接性明顯改善。在國外超臨界和特臨界鍋爐已逐步推廣應用，取得了可觀的經濟效益。
2 壓力容器用鋼的新發展
近年來，壓力容器用鋼的發展與鍋爐用鋼不同，其主攻方向是提高鋼的純淨度，即採用各種先進的冶煉技術，最大限度地降低鋼中的有害雜質元素，如硫、磷、氧、氫和氮等的含量。這些冶金技術的革新，不僅明顯地提高了鋼的衝擊韌性，特別是低溫衝擊韌性，抗應變時效性、抗回火脆性、抗中子幅照脆化性和耐蝕性，而且可大大改善其加工效能，包括焊接性和熱加工效能。
對比採用常規冶煉方法和現代熔鍊方法軋製的16MnR鋼板的化學成分和不同溫度下的缺口衝擊韌度和應變時效後的衝擊韌性，資料表明，超低階的硫、磷、氮含量顯著地提高了普通低合金鋼的低溫衝擊韌度和抗應變時效性。
高純淨化對深低溫用9%Ni鋼的極限工作溫度(-196℃)下的缺口衝擊韌度也起到相當良好的作用，按美國ASTM A353和A553(9%Ni)鋼標準，該鋼種在-196℃衝擊功的保證值為27J.但按大型液化天然氣(LNG)儲罐的製造技術條件，9% Ni鋼殼體-196℃的衝擊功應 70J，相差2.6倍之多。這一問題也是通過9% Ni鋼的純淨化處理而得到完滿的解決。同時還大大改善了9% Ni鋼的焊接性。焊接不必預熱，焊後亦無須熱處理。對於厚度30mm以下的9%Ni鋼，焊前不必預熱，焊後亦無需熱處理。這對於大型(10萬m3以上)LNG儲罐的建造，具有十分重要的意義。
把9% Ni鋼標準的化學成分和力學效能並與高純度9% Ni鋼相應的效能進行對比，它們之間的明顯差異。
在高壓加氫裂化反應容器中，由於工作溫度高於450℃，殼體材料必須採用2.25CrlMo或3CrlMo低合金抗氧鋼。但這類鋼在450℃以上溫度下長期使用時，會產生回火脆性，使鋼的韌性明顯下降，給加氫反應的安全執行造成隱患。
近期的大量研究證明，上列鉻鉬鋼的回火脆性主要起因於鋼中P、Sn、Sb和As等微量雜質。合金元素Si和Mn也對鋼的回火脆性起一定的促進作用。因此必須通過現代的冶金技術，把鋼中的這些雜質降低到最低的水平。目前，許多國外鋼廠已提出嚴格控制鋼中雜質含量的供貨技術條件。現代鍊鋼技術能夠達到了最低雜質含量的上限，可大大降低2.25CrlMo和3CrlMo鋼的回火脆性敏感性，其回火脆性指數J低於100，而普通的2.25Cr-lMo鋼的J 指數高達300.
由此可見，壓力容器用鋼的純淨化是一種必然的發展趨勢。
近幾年來，各類不鏽鋼在金屬結構製造業中應用急速增長，其年增長率為5.5%，2003年世界不鏽鋼消耗量為2150萬噸，其中我國不鏽鋼的用量佔54.2%極大部分用於各種壓力容器和管道，包括部分輸油輸氣管線。
為滿足各種不同的執行條件下的耐蝕性要求，並改善不同施工條件下的加工效能，近期開發了多種效能優異的不鏽鋼，其中包括超級馬氏體不鏽鋼、超級鐵素體不鏽鋼，鐵素體―奧氏體雙相不鏽鋼和超級鐵素體―奧氏體不鏽鋼。這些新型不鏽鋼的共同特點是超低碳、超低雜質含量、合金元素的匹配更趨優化，不僅顯著提高了其在各種腐蝕介質下的耐蝕性，而且大大改善了焊接性和熱加工效能。在一定的厚度範圍，超級馬氏體不鏽鋼焊前可不必預熱，焊後亦無需作熱處理。這對於大型儲罐和跨國海底輸油輸氣管線的建設具有重要的經濟意義。
目前已在壓力容器和管道製造中得到實際應用的馬氏體不鏽鋼、鐵素體―奧氏體雙相不鏽鋼和超級雙相不鏽鋼，這些不鏽鋼合金系列與常規不鏽鋼之間存在較大的差異。
3 管道用鋼的新發展
管道用鋼的發展在很多方面與前述的鍋爐與壓力容器用鋼相似。實際上很多鋼種和鋼號都是相同的，其中只有輸氣管線用鋼可以認為是獨立的分支。近10年來，輸送管線的工作應力已從40bar提高到100bar，甚至更高。最近臺灣省建造了一座1600MW抽水蓄能電站，其壓水管道採用了X100型(屈服強度690Mpa)高強度鋼。
目前在世界範圍內，輸送管線中採用的最高強度級別的鋼種為X80型，相當於我國標準鋼號L555，其最低屈服強度為555Mpa.國外已計劃將X100型高強度鋼用於輸送管線。
鑑於管線的焊接都在野外作業，要求鋼材具有良好的焊接性，因此管線用鋼多采用低碳，低硫磷的微合金鋼，並經熱力學處理。
鍋爐、壓力容器和管道焊接方法的新發展
鍋爐、壓力容器和管道均為全焊結構，焊接工作量相當大，質量要求十分高。焊接工作者總是在不斷探索優質、高效、經濟的焊接方法，並取得了引人注目的進步。以下重點介紹在國內外鍋爐、壓力容器與管道製造業中已得到成功應用的先進高效焊接方法。
1 鍋爐膜式水冷壁管屏雙面脈衝MAG自動焊接生產線
為提高鍋爐熱效率，節省材料費用，大型電站鍋爐式水冷壁管屏均採用光管+扁鋼組焊而成。這種部件的外形尺寸與鍋爐的容量成正比。一臺600MW電站鍋爐膜式水冷壁管屏的拼接縫總長已超過萬米。因此必須採用高效的焊接方法。在上世紀90年代以前，國內外鍋爐爐製造廠大多數採用多頭(6~8頭)埋弧自動焊。在多年的實際生產中發現，這種埋弧焊方法存在一致命的缺點，即埋弧焊只能從單面焊接，管屏焊後不可避免會產生嚴重的撓曲變形。管屏長度愈長，變形愈大，必須經費工的校正工序。不僅提高了生產成本，而且延長了成產週期。因此必須尋求一種更合理的焊接方法。
上世紀80年代後期，日本三菱重工率先開發膜式水冷壁管屏雙面脈衝MAG自動焊新焊接方法及焊接裝置，併成功地應用於焊接生產。這種焊接方法在日本俗稱MPM法，其特點是多個MAG焊焊頭從管屏的正反兩面同時進行焊接。焊接過程中，正反兩面焊縫的焊接變形相互抵消。管屏焊接後基本上無撓曲變形。這是一項重大的技術突破。經濟效益顯著。數年後哈爾濱鍋爐廠最先從日本三菱公司引進了這項先進技術和裝備，並在鍋爐膜式壁管屏拼焊生產中得到成功的應用。之後，逐步在我國各大鍋爐製造廠推廣應用，至今已有十多條MPM焊接生產線正常投運。管屏MPM焊接的主要技術關鍵是必須保證正反兩面的焊縫質量，包括焊縫熔深，成形和外形尺寸基本相同。這就要求在仰焊位置的焊接採用特殊的焊接工藝―脈衝電弧MAG焊(富氬混合氣體)。焊接電源和送絲系統應在管屏全長的焊接過程中產生穩定的脈衝噴射過渡。因此必須配用高效能和高質量的脈衝焊接電源和恆速送絲機。這些焊接裝置的效能和質量愈高，管屏反面焊縫的質量愈穩定，合格率愈高。實際上，哈鍋廠從日本三菱重工引進的原裝機只配用了閘流體控制的第二代脈衝MIG/MAG焊電源，送絲機也只是傳統的等速送絲機，管屏反面焊縫的合格率達不到100%，總有一定的返修量，為進一步改進膜式壁管屏MPM焊機的效能，最近國產的管屏MPM焊機配用了第三代微要控制逆變脈衝焊接電源和測速反饋的恆速送絲機，明顯提高了反面焊縫的合格率。
2 鍋爐受熱面管對接高效焊接法
鍋爐受熱面過熱器和再熱器部件管件接頭的數量和壁厚，隨著鍋爐容量的提高而成倍增加，600MW電站鍋爐熱器的最大壁厚已達13mm，接頭總數超過數千個。傳統的填充冷絲TIG焊的效率以遠遠不能滿足實際生產進展的要求，必須採用效率較高的且保接頭質量的溶焊方法。為此，哈鍋和上鍋相繼從日本引進了厚壁管細絲脈衝MIG自動焊管機，其效率比傳統的TIG焊提高3~5倍。後因經常出現根部未焊透和弧坑下垂等缺陷而改用TIG焊封底MIG焊填充和蓋面工藝，改進的焊接工藝雖然基本上解決了根部未焊透的問題，但降低了焊接效率，增加了裝置的投資，同時也使操作程式複雜化。最近，上鍋，哈鍋又從國外引進了熱絲TIG自動焊管機。熱絲TIG焊的原理是將填充絲在送入焊接熔池之前由獨立的恆壓交流電源供電。電阻加熱至650~800℃高溫，這就大大加速了焊絲的熔化速度，其熔敷率接近於相同直徑的MTG焊熔敷率。另外，TIG方法良好的封底特性確保了封底焊道的熔質量，因此，熱絲TIG焊不失為小直徑壁厚管對接焊優先選擇的一種焊接方法。然而不應當由此全面否定脈衝MIG焊在小直徑壁厚管對接中應用的可行性。曾通過大量的試驗查明，在厚壁管MIG焊對接接頭中，根部末焊透90%以上位於超弧段，而弧坑下垂起因於連續多層焊時熔池金屬熱量積聚導致過熱。如將焊接電源電弧的功率作精確的控制，則完全可以消除上述缺陷的形成。但由於引進的MIG焊自動焊管機原配的焊接電源為閘流體脈衝電源，無法實現電弧功率的程式控制如改用當代最先進的全數字控制逆變脈衝焊接電源或波形控制脈衝焊接電源(計算機軟體控制小)，則可容易地按焊接工藝要求，對焊接電弧的功率作精確的控制，確保接頭的焊接質量。
