1000MW超超臨界空冷機(jī)組廠房鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝

寧夏電力建設(shè)工程公司 （銀川 750001） 韓道永

1.概述

寧夏靈武電廠二期（2×1000MW）超超臨界機(jī)組燃煤空冷發(fā)電機(jī)組工程為世界上首座1000MW級空冷發(fā)電機(jī)組，其主廠房采用鋼結(jié)構(gòu)，即汽機(jī)房、除氧間、煤倉間形成雙框架，爐前平臺(tái)與鍋爐鋼架之間結(jié)構(gòu)采用滑動(dòng)連接。主廠房屋蓋采用32m跨雙坡實(shí)腹工字鋼梁結(jié)構(gòu)，屋面采用壓型鋼板承重。

主廠房鋼結(jié)構(gòu)按7排12列布置，縱向?yàn)?排，分別為A、1/A、2/A、3/A、B、C、D軸線，A、B軸鋼柱為焊接H型鋼，沿高度方向分3段，第一段至第三段立柱對接處H型鋼腹板為扭剪型高強(qiáng)螺栓聯(lián)接，翼緣板為焊接。C、D軸鋼柱為箱型柱，沿高度方向分6段，第一段至第五段立柱之間拼接處為焊接。

2.焊接內(nèi)容及特點(diǎn)

（1）主廠房鋼結(jié)構(gòu)焊接內(nèi)容 首先，立柱與立柱間焊接：立柱主要由箱型立柱和H型立柱組成，箱型立柱分布在C、D軸線上，共五層，每層之間連接方式為焊接，焊縫共計(jì)96道。H型立柱分布在A、B軸線上，共三層，每層之間連接方式為腹板螺栓聯(lián)接，翼板為焊接，焊縫共計(jì)48道。

其次，連梁與立柱焊接：C、D軸之間的連梁和立柱之間的連接方式采用焊接方法。另外，斜撐與橫梁焊接、加強(qiáng)筋板與立柱和橫梁焊接、平臺(tái)牛腿及欄桿焊接等。表1為箱型立柱對接焊縫、H型立柱對接焊縫。

（2）焊接特點(diǎn) ①主廠房鋼結(jié)構(gòu)主要接頭形式為箱型柱對接、H型立柱對接。柱接頭幾何尺寸大，H型鋼翼板達(dá)到1300mm，箱型柱的長邊達(dá)到1400mm，立柱鋼板厚度均超過45mm，最大達(dá)到55mm。②柱接頭均為高空組對焊接，操作空間狹小，焊接作業(yè)條件復(fù)雜，且為冬季焊接，防風(fēng)、雨、雪困難大。③焊接質(zhì)量等級要求高，焊接條件差、難度大。④焊接接頭服役條件差。

表1 箱型立柱對接焊縫、H型立柱對接焊縫

3.焊接工藝評定

在正式焊接之前，首先進(jìn)行焊接工藝評定試驗(yàn)。根據(jù)箱型柱接頭的材質(zhì)、規(guī)格，選取規(guī)格為420mm×400mm×40mm、材質(zhì)為Q345B的鋼板，分別進(jìn)行了橫焊、仰焊、立焊三個(gè)焊接位置的焊接試驗(yàn)，以確定焊接方法、焊接材料、焊接參數(shù)等，并對焊接接頭分別進(jìn)行了室溫拉伸、彎曲、沖擊等試驗(yàn)，均符合規(guī)范要求。表2～表4為橫焊位置焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

經(jīng)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，焊接接頭滿足規(guī)范要求。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

4.焊接工藝及技術(shù)

（1）坡口制備及組對要求 第一，采用V形坡口，立柱與立柱之間坡口尺寸如附圖所示。

注：α=20°～25°； b=2～5mm；p=1～2mm。

第二，坡口應(yīng)保持平整無毛刺，不得有裂紋、夾層、夾渣等焊接缺陷。

第三，坡口表面及每側(cè)應(yīng)將水、鐵銹、油污和積渣等清理干凈，清理范圍：①焊條電弧焊的對接焊縫為10～20mm。②對焊腳尺寸為K+（10～20）mm。③根據(jù)焊接方法、坡口放置時(shí)間和放置環(huán)境，必要時(shí)采取防腐措施。

第四，焊件對接允許對口錯(cuò)位如下：①一級焊縫：10%的板厚且≤2mm。②二級焊縫：15%的板厚且≤3mm。③三級焊縫：20%的板厚且≤4mm。不同厚度焊件對口錯(cuò)位允許值按薄板。

（2）焊接方法 采用焊條電弧焊，兩人對稱、多層多道焊接。

（3）焊接材料 選用E5015焊條，φ3.2mm或φ4.0mm。

（4）焊前預(yù)熱 采用火焰加熱，預(yù)熱溫度為80～100℃，預(yù)熱區(qū)域應(yīng)在焊接坡口兩側(cè)，寬度各為焊件施焊處厚度的1.5倍以上，且≥120mm，預(yù)熱溫度均勻。

（5）焊接 焊接參數(shù)如表5所示。具體焊接過程如下：第一，定位焊必須由持相應(yīng)合格證的焊工施焊，所用焊接材料應(yīng)與正式施焊相當(dāng)。定位焊焊縫應(yīng)與最終焊縫有相同的質(zhì)量要求。

第二，鋼襯墊的定位焊宜在接頭坡口內(nèi)焊接，定位焊焊縫厚度不宜超過設(shè)計(jì)焊縫厚度的2/3，定位焊焊縫長度應(yīng)＞40mm，間距宜為500～600mm，并應(yīng)填滿弧坑。定位焊預(yù)熱溫度應(yīng)高于正式施焊預(yù)熱溫度。當(dāng)定位焊焊縫上有氣孔或裂紋時(shí)，必須清除后重焊。

表5 焊接參數(shù)

第三，多層焊時(shí)應(yīng)連續(xù)施焊，每一焊道焊接完成后應(yīng)及時(shí)清理焊渣及表面飛濺物，發(fā)現(xiàn)影響焊接質(zhì)量的缺陷時(shí)，應(yīng)清除后方可再焊。遇有中斷施焊的情況，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)暮鬅帷⒈卮胧俅魏附訒r(shí)重新預(yù)熱溫度應(yīng)高于初始預(yù)熱溫度。

第四，在連續(xù)焊接過程中應(yīng)控制層間溫度，使層間溫度控制在80～250℃，焊接過程中使用溫度測溫儀進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)焊縫焊接溫度低于或高于要求時(shí)，立即采取加熱或停焊的方式，待層間溫度達(dá)到施焊條件后再行焊接。

第五，坡口底層焊道采用焊條電弧焊時(shí)宜使用≤3.2mm的焊條施焊，底層根部焊道的最小尺寸應(yīng)適宜，最大厚度≤4mm。

第六，焊接變形的控制：①對長焊縫采用分段退焊法與兩人對稱焊接法同時(shí)運(yùn)用。②宜采用跳焊法，避免焊接件局部加熱集中。③焊接過程中采用較小的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接。

第七，焊后消除應(yīng)力處理：①安裝焊縫采用錘擊法消除焊接應(yīng)力。②用錘擊法消除中間焊層應(yīng)力時(shí)，應(yīng)使用圓頭手錘或小型振動(dòng)工具，不應(yīng)對根部焊縫、蓋面焊縫或焊縫坡口邊緣的母材進(jìn)行錘擊。③采用分層錘擊，每焊接15mm厚錘擊一次，錘擊時(shí)用力均勻。

（6）熱處理工藝 ①箱型鋼柱、H型鋼柱對接焊縫焊后立即進(jìn)行后熱處理。②加熱方式：柔性陶瓷電阻加熱。③恒溫溫度200～250℃，恒溫時(shí)間2h。④熱處理的加熱寬度，構(gòu)件焊縫每側(cè)面加熱板的寬度不小于鋼板厚度的3倍，且≥200mm。⑤加熱板以外構(gòu)件兩側(cè)采用保溫棉覆蓋，每側(cè)不得小于鋼板厚度的5倍，以減少溫度梯度。⑥若現(xiàn)場電加熱難以滿足要求，應(yīng)采用火焰加熱進(jìn)行處理，采用遠(yuǎn)紅外測溫儀測溫，停止加熱后立即用保溫棉包裹緩慢冷卻。

5.焊接檢測

（1）焊接接頭外觀檢測 焊工本人應(yīng)對所焊接頭進(jìn)行外觀檢查。焊接質(zhì)量檢查人員對鋼立柱及主梁的焊接接頭100%進(jìn)行檢測，必要時(shí)應(yīng)使用焊縫檢測尺或5倍放大鏡，對經(jīng)打磨修復(fù)的外觀超標(biāo)缺陷應(yīng)作記錄。

（2）焊接質(zhì)量檢測 檢查人員應(yīng)根據(jù)圖樣要求對焊接部件進(jìn)行宏觀尺寸檢測。對重要部件應(yīng)在焊接過程中監(jiān)視焊接變形，并在焊接及熱處理完成后進(jìn)行最終尺寸檢查。

（3）焊接接頭無損檢測 H型立柱及箱型立柱對接焊縫做100%超聲波檢測。一級焊縫應(yīng)進(jìn)行100%的檢測，其合格等級執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 11345《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及質(zhì)量分級法》B級檢測的Ⅱ級及Ⅱ級以上。

6.結(jié)語

（1）采取焊前預(yù)熱、兩人對稱才多層多道焊接及焊后熱處理，成功地解決了1000MW空冷機(jī)組主廠房鋼結(jié)構(gòu)大型箱型柱、H型柱對接焊接的難題。

（2）通過焊前預(yù)熱、錘擊、后熱等技術(shù)手段，有效降低了焊接殘余應(yīng)力。使焊接變形得到了有效的控制，立柱垂直度數(shù)據(jù)達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。

（3）柱對接接頭焊縫全部通過驗(yàn)收，經(jīng)自檢和第三方檢測，焊縫合格率100%。

機(jī)組自2011年4月投入運(yùn)行以來，柱接頭焊縫及主廠房鋼結(jié)構(gòu)均無異常。