高壓鍋爐汽包制造關鍵工藝替代技術研究

賀 能 譚 湘 喻 穎

（湖南省特種設備檢驗檢測研究院湘潭分院 湘潭 411100）

高壓鍋爐汽包制造關鍵工藝替代技術研究

賀 能 譚 湘 喻 穎

（湖南省特種設備檢驗檢測研究院湘潭分院 湘潭 411100）

本文描述了某鍋爐廠在制造9.8MPa高壓鍋爐汽包過程中關鍵工藝替代技術所進行的研究。該鍋爐汽包因材料特殊、壁厚大、焊接難度較大、焊接應力大，易產生焊接裂紋，同時，要檢出這種厚壁的對接焊縫及角焊縫當中可能存在的焊接缺陷，無損檢測難度也很高，經過研究論證，采取了相應的焊接和檢測替代工藝措施，有效的控制了焊接缺陷的產生，提高了無損檢測對于焊接缺陷的檢出率，保證了產品質量。

制造 焊接 無損檢測 替代技術

隨著國家社會經濟的發展，鍋爐也在向著高能效、低排放、大噸位的方向發展，這對于鍋爐制造單位的生產能力和技術要求也越來越高。湘潭市某A級鍋爐制造單位最近承接了一臺XTG-45/9.8-AⅡ循環流化床鍋爐的制造，該鍋爐主要設計參數為：工作壓力9.8MPa，蒸發量45t/h，設計熱效率91.35%。

焊接和無損檢測均是該鍋爐汽包制造的關鍵工藝，該制造單位最初的工藝設計采用常規方案，在制造中存在缺陷，后變更了工藝技術設計，解決了汽包制造的問題。

1 汽包制造工藝流程

材料驗收→下料編程→數割→鋼印移植→刨焊接坡口→坡口磁粉檢測→100mm板卷筒→縱縫對接→焊前預熱→裝焊接試板→焊接、打鋼印→無損檢測→校圓→待組裝。

2 材料特性

汽包材料為19Mn6，主要用于電站鍋爐汽包制作。其化學成分和力學性能見表1。

通過與國內鍋爐鋼板標準GB 713—2014 《鍋爐和壓力容器用鋼板》進行比較，19Mn6材料與鍋爐用Q345R鋼板理化性能相當。通過焊接工藝試驗，表明該材料的焊接性能也與Q345R焊接性能比較接近。

表1 19Mn6化學成分和力學性能

3 制造的難點

汽包縱環焊縫原工藝設計考慮采用45°X型坡口，如圖1所示。

圖1 原設計45°X坡口型式

這種常規坡口型式存在一些缺點，比如焊接工作量大，焊材消耗較多，根部位置易產生缺陷，但根部位置位于焊縫中間，待兩側焊接連續焊完后，一旦檢測發現根部缺陷，返修困難，工作量大。

對于焊縫無損檢測，原設計采用焊接接頭100%X射線檢測。經分析認為，對于厚壁100mm材料的無損檢測，常規射線無損檢測只能采用Co60放射性元素進行檢測，而采用Co60，因其具有強烈的放射性，在其使用、管理等方面要求非常嚴格，使用不便，檢測成本也很高。Co60檢測時，無法交叉進行其他作業，會影響總體制造進度。Co60透照100mm板，焊縫中自身高度不大的缺陷在底片中形成的缺陷影像對比度小，黑度差小，難于識別。對于上述根部缺陷檢出比較困難，且射線可檢測出的缺陷有方向性，對于與焊縫表面不垂直的缺陷難以檢出，容易造成缺陷漏檢。

因此，制造單位決定在汽包筒體焊接及無損檢測中采用替代工藝技術。

4 替代工藝技術

4.1 焊接

經過反復研究，并經工藝試驗，將焊接及無損檢測工藝設計進行改進。焊縫坡口型式更改為采用4°U形窄間隙全焊透結構，其坡口單邊角度4°，焊縫底部為圓弧形，采用R10過渡圓角，如圖2所示。

圖2 設計變更后的4°U形窄間隙坡口型式

焊前預熱至200～250℃，保持層間溫度150～200℃范圍內，焊接材料：H10Mn2A，焊絲規格φ4mm，焊接電流500～600A，焊接電壓22～30V，焊接速度40～50mm/min，焊后進行消應力熱處理。

采用窄間隙接頭型式，窄間隙焊機是關鍵設備，但該公司現在沒有窄間隙焊機，新購置一臺窄間隙焊機需要100～110萬元，成本較高。在通過去某大型壓力容器制造廠進行工藝學習、考察后，該公司考慮將現有焊接設備進行改造。公司現有的埋弧焊機導電嘴均為短而接觸面小的圓形導電嘴，焊接窄間隙坡口焊縫時，焊縫根部無法與坡口側壁熔合好，根本不能用于小角度、窄間隙坡口的焊接。為了確保焊接過程的順利進行，焊出質量合格的焊縫，充分考慮到導電、溫度、耐磨及散熱、執久、耐用等多方面的因素，根據公司現使用的焊接設備，設計出了如圖3、圖4所示的導電嘴。

圖3 φ4.0mm扁形導電嘴實物

圖4 φ4.0mm扁形導電嘴

導電嘴材質采用耐磨及導電性能良好的鉻鋯銅，由于扁形導電嘴的體積和散熱面積都比圓錐形導電嘴大得多，所以很容易將熱量散去，更適用于連續焊接。而且扁形導電嘴端面積比圓錐形導電嘴大得多，所以扁形導電嘴比圓錐形導電嘴的電阻小導電性好，根據電阻、電路、電能損耗，可以節約不少電能。扁形導電嘴比圓錐形導電嘴更具耐久性、重復長期使用等特點。

經過對自動焊班幾名主力焊工進行培訓并進行模擬試件焊接，他們很快掌握了窄間隙埋弧焊的調整技巧。

采用新的焊接工藝后，與原焊接工藝相比，節省了大量填充金屬和焊接時間，焊接效率大大提高，窄間隙埋弧焊能節省焊材約20%～40%，焊接總效率可提高30%～45%，減少了焊接成本。另外，由于窄間隙坡口窄間隙埋弧焊在節約焊材的同時又減小焊接應力，焊縫金屬中積聚的氧也較少，焊接線能量較小，焊接變形亦得以減少，有效增加熔合比，避免夾雜等缺陷從而可提高焊接質量。

4.2 無損檢測

無損檢測工藝由原焊縫采用100%X射線檢測變更為焊縫采用100%TOFD（超聲衍射時差法）+100%UT（超聲無損檢測）+100%MT（磁粉無損檢測），并增加焊接坡口面100%MT（磁粉無損檢測）工藝。

因TOFD檢測不存在放射性，使用管理方便，對厚壁為100mm的焊縫，缺陷檢測的靈敏度很高，而且可以確定缺陷的深度、長度和自身高度，可檢出的缺陷沒有方向性，這都是比原設計采用Co60射線檢測更優越，但因TOFD檢測存在掃查面表面盲區，難以檢出掃查面表面和近表面存在的缺陷，而MT無損檢測能檢測出表面及近表面3mm以內的缺陷，因此，采用100%MT檢測，可以解決TOFD的表面盲區問題，UT檢測作為輔助檢測進一步增大了缺陷檢出率。此外，采用新的無損檢測工藝，也節約了至少1周的生產時間和約3萬元的檢測成本。

原設計沒有焊接坡口磁粉檢測要求，考慮到焊接坡口表面及近表面可能存在缺陷，這類缺陷主要來源有兩個：一是板材自身本就存在的缺陷，如分層；二是在火焰切割中新產生、而在坡口加工時未刨干凈的缺陷。焊接坡口一旦存在此類缺陷，就會造成焊接接頭的先天不足，容易在焊接中產生影響焊接接頭性能的缺陷，故增加焊接坡口面100%MT磁粉無損檢測，以及早發現并消除這些影響焊接接頭的先天性缺陷。在磁粉檢測過程中，也發現了不少由火焰切割產生的、因刨邊深度不夠而殘留的大量表面、近表面微裂紋，保證了焊接接頭的性能。

5 效果

該汽包焊接接頭經過焊接試板力學性能試驗、水壓試驗等檢驗，均為合格，證明汽包采用的替代工藝能滿足國家的鍋爐相關質量、安全的要求。

6 結束語

通過對鍋筒汽包焊接及無損檢測工藝進行變更，節省了焊接和檢測的時間，節約了經濟成本，減少了焊接接頭的缺陷產生率，提高了無損檢測的缺陷檢出率。所制造汽包的質量、安全能滿足國家相關標準的要求，在規定的交貨期內順利的完成了設備制造，為公司今后在同類設備制造工藝設計積累了不少經驗。

［1］ GB 713—2014 鍋爐和壓力容器用鋼板［S］.

［2］ NB/T 47013—2015 承壓設備無損檢測［S］.

［3］ TSG G0001—2012鍋爐安全技術監察規程［S］.

［4］ 郭宏川.200MW機組鍋爐汽包裂紋原因分析及預防措施［J］.中國特種設備安全，2015，32（01）：69-72.

Replacement Technology Research on Key Technology of High Pressure Boiler Steam Drum Manufacturing

He Neng Tan Xiang Yu Ying
（Xiangtan branch of Hunan special equipment inspection & testing institute Xiangtan 411100）

This paper describes the research on the key process replacement technology of a boiler factory in the process of producing 9.8MPa high pressure boiler steam drum.The boiler drum with special materials， big wall thickness and large difficulty in welding， great welding stress， in which welding crack is easy to be produced.At the same time， to detect potential weld defects in the butt welds and fillet welds of this kind of thick wall， nondestructive testing difficulty is also very high.After a demonstration study taken corresponding welding and testing alternative process measures， effective control of the welding defects， improve the nondestructive detection for weld defect detection rate， to ensure the quality of the products.

Manufacturing Welding Nondestructive testing Replacement technology

X933.2

B

1673-257X（2016）09-0026-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.09.006

賀能（1963～），男，本科，院長，高級工程師，從事鍋爐、壓力容器等的檢驗檢測、無損檢測、事故調查等工作。

（2016-03-15）