基于專利分析的管—板焊接發展趨勢研究

梁為　于復生　嚴高超　朱寶星

摘 要：管-板焊接技術近年來在我國飛速發展，使我國壓力容器行業的發展有了極大的提升。基于佰騰和soopat專利檢索數據庫，以管-板焊接為研究對象，檢索2018年之前境內關于管-板焊接的相關專利，并統計分析管-板焊接申請專利的技術領域、申請機構、總體趨勢等。重點對管-板焊接的五個技術方向進行分析闡述，并給出發展趨勢及一些建議。

關鍵詞：管-板焊接；發展趨勢；專利分析

中圖分類號：TG44 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）03-0054-04

Abstract： Pipe-plate welding technology has developed rapidly in recent years in China， which has greatly improved the development of pressure vessel industry in China. Based on Baiten and Soopat Patent Retrieval Databases， with tube-plate welding as the research subject， this paper retrieves the relevant patents on pipe-plate welding in China before 2018， and statistical analysis of the technical field of patent application for pipe-plate welding， application institutions， general trends and so on. The paper focuses on the analysis and elaboration of five technical directions of tube-plate welding， and gives the development trend and some suggestions.

Keywords： tube-plate welding； development trend； patent analysis

換熱器、反應器、儲存器等壓力容器在石油、電力、冶金、化工、核電、輕工等行業的應用極其廣泛[1]。我國的壓力容器制造行業與世界工業發達國家相比，無論在產能、生產效率、技術裝備的先進性還是產品質量控制與管理、技術標準和信息化技術的應用等方面都存在較大差距[2]。在壓力容器制造領域，管與板之間的連接是壓力容器制造過程的關鍵工序。這種焊接接頭的數量大、焊接位置苛刻、管口接頭長期承受壓差對管子產生的軸向負荷、多次反復加熱、冷卻、高壓和介質腐蝕疲勞強度破壞的作用， 對焊縫的致密性及力學性能要求嚴格。如果焊縫的根部沒有焊透，焊縫中存在裂紋、氣孔等缺陷，在檢驗中又未被發現，那么在運行中就會在交變應力的作用下，使缺陷擴展、泄漏通道擴大、從而導致沖蝕、以至泄漏、影響整機的運行安全和使用壽命[3]。由于焊接接頭的數量大、焊接位置苛刻，同時焊接勞動強度大，焊接環境惡劣，不同熟練度的焊工的焊接質量差異很大，管與板之間的焊接不能完全依賴人工。

后來出現了焊接操作架、自動化焊接小車等半自動化、專用化的焊接裝備[4]，這在一定程度上提高了管與板的焊接質量和效率，但這些裝置的使用和安裝過程復雜，自動化程度不高。隨著管-板焊接技術的發展，國內開發研制了很多智能化、高自動化的管-板焊接設備并將其應用到生產中，取得了不錯的效果。

1 管-板焊接相關專利分析分布

專利是技術信息有效的載體，通過有效的專利分析洞悉技術的演變和發展趨勢，是學術界和社會實踐的迫切要求[5]。近幾年以來，針對管-板焊接的專利層出不窮，涉及到管板焊接設備、焊接方法、工裝、夾具等多方面，專利類別多、數量大。但由于沒有具體的專利分析報告，難以把握管-板焊接的發展趨勢。

本文分析數據來源于佰騰和soopat專利檢索數據庫，時間截止到2017年12月31日，檢索到關于管-板焊接相關專利共278篇。按所屬技術領域劃分，可以分為焊接設備、焊接方法、連接結構、工裝、夾具、坡口、外觀設計等技術方向。因為專利所屬技術方向并非獨立，專利分類的交叉性較強，因此數據也存在交叉性。各技術領域的專利申請數量如圖1所示。

從圖1中可以看出2018年之前境內專利申請的主要技術領域，其中焊接設備、焊接方法以及焊接結構位居前三，是專利申請的熱門方向。

從專利申請機構上看，申請數量較多的機構分布如圖2。可以得知，各類公司申請的專利數量所占的比例最大，其次是各類高校。

2 管-板焊接相關專利申請狀況分析

管-板焊接領域境內專利申請的發展趨勢如圖3所示。圖3顯示了從首件境內管-板焊接技術專利申請開始至2017年的申請量發展趨勢；由于早期申請量與近幾年的申請量差異較大，為了更清楚地顯示2007年之后境內管-板焊接技術專利申請量變化趨勢，在圖4中放大顯示了從2008年開始到2017年間境內管-板焊接技術專利申請量的發展趨勢。

從圖3中可以看出，2006年之前每年的專利申請量很少，這是因為管-板焊接方法與設備的研究整體處于發展初期，進展緩慢。隨著國家提出節約能源的政策以及工廠對于多管-板焊接方法與設備需求的明顯提升，除了長期從事多管-板焊接方法與設備研究的高校和科研院所外，多家企業以及為數眾多的民營企業都紛紛涉足多管-板焊接方法與設備領域，相較于之前，2006年和2007年管-板焊接方法與設備相關專利申請量開始增長，在2007年出現一個發展的小高潮，之后2008年受到大地震及金融危機的影響有所回落，隨著硬件系統技術的成熟，多管-板焊接行業準入標準大大降低，大批企業進入多管-板焊接方法與設備市場，在中國掀起了多管-板焊接方法與設備發展熱潮，2008年之后管-板焊接方法與設備相關的專利呈現爆發式增長，多管-板焊接方法與設備技術在這一時期得到快速發展。專利數量不斷增加，不斷有新產品投入市場。

3 管-板焊接相關專利的主要技術方向和發展趨勢

專利信息分析方法是指對有關的專利文獻進行篩選、統計、分析，使之轉化成可利用信息的方法[6]。本文運用專利信息分析方法分析我國境內目前涉及管-板焊接相關專利，針對管-板焊接領域內的重點發明專利進行闡述，重點從該領域的三個技術方向進行分析闡述，分析總體趨勢等信息。

3.1 管-板連接結構

檢索到的管-板連接結構這一技術方向的申請專利共72篇，管-板連接結構專利申請大致可以細分為以下幾類：（1）螺母緊固式連接結構，代表性專利申請如 CN2283174Y；（2）內脹式連接結構，代表性專利申請如 CN2879095Y；（3）強制性密封結構，代表性專利申請如 CN105202963B；（4）密封圈式，代表性專利申請如 CN102564211A。從專利申請機構來看，茂名重力石化機械制造有限公司專利申請量最大，江蘇普格機械有限公司和盧秉威（沈陽陸正冷熱設備有限公司）次之。

管-板連接結構對管-板焊接質量影響極大，所以針對這一技術的專利申請在整個有關管-板焊接專利申請中占的比重很大。同時也可以看出，尋求一種更有效的管-板連接結構是提高焊接質量的突破口。管與板合理的連接結構設計可以使焊接效果更加充分，減少焊接缺陷，更加便于施焊，可以考慮在設計上對管-板連接結構進行改進，以保證其焊接質量，這是目前提高管-板焊接質量的一種趨勢。目前常見的連接結構有螺母緊固式、內脹式、密封圈密封式、強制密封式等。設計時應進一步考慮焊接的力學性能、致密性等問題，以提高焊接接頭處的承壓能力，這是設計中值得考慮和應該考慮的問題。同時，在低溫預熱方面，在焊接時需要對管板進行低溫預熱，以提高管與板之間的焊接質量。

3.2 管-板焊接設備

檢索到管-板焊接設備技術方向的申請專利共112篇。這是研究的一個重點，焊接設備的研制對于提高焊接生產效率、保證焊接質量有很大的影響。該技術方向可進一步分為以下幾類：（1）焊接操作架，代表性專利申請如CN206982036U；（2）手動焊機，代表性專利申請如CN2191058Y；（3）半自動化管-板焊機，代表性專利申請如CN2366214Y；（4）自動化管-板焊接設備，代表性專利申請如CN205342175U。從專利申請機構來看，蘇州工業園區華焊科技有限公司專利申請量最大，深圳市瑞凌實業股份有限公司次之。從專利申請數量上來看，半自動化管-板焊機的專利數量最多。

由此可見，管與板的焊接正向著自動化的方向發展，針對不同的材質，采用不同的管板焊槍，并輔以各種架構，實現管板焊接的自動化。但是在某些設備中焊接定位過程不是自動實現的，焊接過程也需要人工的監管。在管-板焊接設備的研制過程中，焊接質量是制約其發展的關鍵因素。焊接質量差可能會引起未焊透、未熔合，甚至出現裂紋，焊接缺陷中危害最大的是裂紋。因此，在研制管-板焊接設備時要特別注意管與板之間的焊接定位問題以及焊區表面的清理。

3.3 管-板焊接方法

檢索到管-板焊接方法技術方向的申請專利共73篇，該類專利數量占的比重較大。從專利申請機構來看，上海電氣核電設備有限公司、東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司和哈爾濱工業大學的專利申請量最大。該技術方向又可細分為氬弧焊接方法、摩擦焊接方法、復合弧焊焊接方法、堆焊焊接方法、釬焊方法等。氬弧焊接方法代表性專利如CN102717175B，采用PS406電源和TS-2000焊接機頭，先對坡口進行清理，再布置四層焊道進行焊接；摩擦焊接方法代表性專利如CN100417487C，通過在容器外壁加工錐形孔與管相配合，利用芯軸帶動導管旋轉使導管與容器壁摩擦完成焊接；堆焊焊接方法代表性專利如CN101797660A，采用帶極電渣堆焊工藝進行管板大面積堆焊，減少管板鎳合金堆焊的時間；釬焊方法代表性專利如CN105397280B。

在管-板焊接過程中，焊接方法的選擇是極為重要的，應當針對材料性能及焊接結構特征，特別是母材的物理性能、冶金性能和力學性能，結構的焊接位置、焊件厚度、接頭形式及接頭的幾何形狀等因素，根據各種焊接方法的特點，結合產品的具體生產類型等因素綜合考慮后選定。

3.4 管-板焊接技術發展趨勢

根據上文的分析，管-板焊接技術研究較多的關鍵詞是焊接設備、焊接方法、連接結構等；根據檢索到的專利對焊接設備、焊接方法、連接結構、工裝、夾具、坡口、