大型火電機組模塊式凝汽器制造工藝研究

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

大型火電機組模塊式凝汽器制造工藝研究

湯精忠，鄧富軍，楊必林

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

文章展示的是土耳其Karabiga模塊式凝汽器廠內制造技術的研究內容，著重介紹了殼體裝配、焊接變形控制、同軸度找正、脹管焊管、水壓泄漏檢測等關鍵環節的技術創新亮點。

模塊式凝汽器，制造工藝研究

1 前言

土耳其Karabiga項目為2×660 MW機組，是電站輔機事業部代表公司與北重-阿爾斯通（現GE）簽訂的涉外重點項目，屬“一帶一路”沿線國重大能源基礎設施建設項目。其N-35600型凝汽器按殼體模塊式廠內制造，尚屬首次。該項目凝汽器最大特點是實現了模塊化，便于電廠現場組合安裝。該凝汽器殼體模塊涉及到組裝、穿管、脹管、焊管、管程壓力試驗、保護、包裝、起吊（超行車能力）等方面，具有產品要求嚴格、技術難度大、施工周期長、占用場地多、安全質量風險高等特點，所以，模塊式凝汽器殼體的制造是整個凝汽器制造的重中之重。在該項目工藝研究中，應用了PFMEA（過程潛在失效模式和后果分析）技術進行風險評價和風險預控。

2 結構特征

凝汽器殼體模塊主要由進水側端管板組件、出水側端管板組件、管束組件、換熱管（鈦質）、側板組件、抽空氣裝置等組成，如圖1所示。殼體模塊的主要參數見表1。

圖1 凝汽器殼體模塊三維示意圖

表 1單個殼體模塊主要參數

3 制造難點及實現過程

3.1端管板管孔加工質量的保證

換熱管孔的加工質量（公差尺寸及粗糙度要求等）將直接影響穿管、管與管板的脹接強度、管口焊接質量等重要性能要求。

該項目凝汽器端管板為爆炸式復合鈦板（δ 35+5），管孔尺寸公差要求高，為公司首次加工，加工刀具為全新設計，且需進行工藝試驗。

通過做相關工藝試驗，充分考慮質量、成本等綜合因素，采用“數控加工底孔+精鏜孔”的加工工藝（見表2）。

表2 端管板管孔加工刀具及參數

3.2端管板組件裝焊變形的控制

3.2.1 端管板組件裝焊設計結構

端管板碳鋼側與接頸法蘭裝焊成端管板組件，如圖2所示。

圖2 端管組件裝焊示意圖

3.2.2 端管板組件裝焊變形分析[1]

由圖2可知，只是在端管板碳鋼面焊接接頸法蘭，形成了端管板單面（碳鋼側）焊接，焊縫長度較長，焊接量較大，由于焊接應力的影響，就會造成復合板的角變形和側板的旁彎變形。且鈦復合板焊接后不允許進行去應力處理，將防變形拉筋等去除后，由于應力的釋放，易導致零件變形。

3.2.3 焊接變形的控制

（1）制定合理的裝焊工藝順序及拉筋布置方式：先將端管板框架裝配為一部套件，框架內部加拉筋（見圖3），采用背靠背、對稱、分段跳焊等方式焊接，焊后及時熱處理，嚴格控制焊接變形。

圖3 端管板框架拉筋布置示意圖

（2）取兩件管孔已加工的、平面變形方向相反（凹對應凹、凸對應凸）的端管板，將兩端管板鈦側面對面重疊平放在裝焊平臺上，鈦層之間用橡膠皮進行完全隔開。端管板四周每隔300 mm均布工藝搭子連接，在冷卻管孔區每一平方米范圍內用螺栓將兩塊管板聯接緊固，使兩管板表面完全貼合，如圖4所示。

圖4 兩端管板背靠背裝配示意圖

（3）將框架裝配于端管板碳鋼側（見圖5），采用富氬氣體保護焊，按制定的工藝施焊，有效地控制了焊接變形，最大變形量在5 mm以下。

圖5 框架與端管板裝焊示意圖

3.3脹接強度的保證

管徑達Φ28的鈦質換熱管的脹接為公司首次。為了保證脹接強度，綜合考慮質量、成本因素，采用了機電式脹管機及可調試式脹管器，用脹接力矩控制脹接質量，代替了傳統用脹管率或減薄率的衡量標準。按要求，脹管扭矩必須通過鉆孔、脹管、壓力試驗、拉脫試驗進行確定。

（1）試樣準備

試板：詳見圖6；試管：詳見圖7。

圖6 試板示意圖

圖7 試管示意圖

（2）設備準備

脹管機：MD-0250V機電式脹管機（日本制造）；脹管器：新型可調試脹管器Φ28×0.5×34、Φ 28×0.7×34。

（3）試驗數據記錄

試驗數據記錄樣表見表3[1]。

（4）水壓試驗

采用水壓工裝，將試件裝配于工裝上（見圖8），進行0.8 MPa水壓試驗，穩壓30 min，無泄漏。

（5）拉脫力檢驗

對不同力矩的管子進行拉脫試驗，并記錄。

表3 土耳其項目管與管板脹接試驗記錄樣表

圖8 水壓試驗裝配圖

（6）扭矩的確定

A.管子的最低拉斷力F的計算公式為：F=Rm×So。其中：Rm為管子的抗拉強度；So為管子的橫截面積。該項目管子最低拉斷力計算如下：

Φ28×0.7 mm F=400×3.14×（14×14-13.3× 13.3）=24 002.16 N，其25%F=6 kN；

Φ28×0.5 mm F=400×3.14×（14×14-13.5× 13.5）=17 270 N，其25%F=4.3 kN。

B.扭矩的確定條件為：拉脫力大于管子最低拉斷力F的25%。

通過拉脫數據（見圖9），結合以往類似項目要求，考慮經驗系數，將該項目管板脹接力矩定為14 N·M。

圖9 拉脫力數據示意圖

3.4管口密封焊工藝評定

由于首次實施Φ28×0.5/0.7鈦管管口密封焊，無對應的PQR及WPS，故必須新作。

先按規范DB 45.7.5-2015制作焊接試件并檢驗焊縫（外觀、無損、金相等），再依據PQR和WPS確定焊接參數，詳見表4。

表4 管與管板管口密封焊焊接參數

3.5殼體模塊的組裝和水壓試驗

3.5.1 難點分析

（1）單個模塊的重量（約100 t）超過輔機事業部行車起吊能力；

（2）單個模塊尺寸大（12 670×4 260×5 284），且4個模塊同時生產，模塊的裝焊工藝布局及完工起吊發貨成為一大難點，且安全風險高；

（3）單模塊灌水后重量接近車間地基設計承載能力，現有裝焊平臺無法滿足灌水后載荷；

（4）管束同軸度要求較高，相鄰中間管板同軸度≤Φ2 mm，整個管束同軸度≤Φ3 mm；

（5）單個模塊管孔數量較多（16 072個管口），管孔的脹管質量和焊管質量控制成為一大難點；

（6）管程水壓試驗發生泄漏位置的判定難度很大。

3.5.2 過程實現

3.5.2.1 合理的工藝布局

綜合考慮產品、工藝、設備、發貨等，結合車間尺寸進行的工藝布局詳見圖10。

圖10 模塊制造工藝布局示意圖

3.5.2.2 殼體模塊的裝配

（1）設計裝焊平臺

綜合考慮地基強度、模塊尺寸等，設計了專用裝配平臺。

（2）設計主要工裝

（a）設計中間管板連接工藝螺桿：用于連接、調整相鄰中間管板之間的距離，工藝螺桿設計為可重復使用（見圖11）。

圖11 中間管板連接、調整螺桿示意圖

（b）設計同軸度調整工裝：同軸度測量器（見圖12）、找正絲堵（見圖13）、調整輔助工裝（含工字鋼、楔鐵塊），見圖14。

圖12 同軸度測量器示意圖

圖13 找正絲堵示意圖

圖14 同軸度調整輔助工裝裝配示意圖

（3）制定合理的裝配工藝順序

（a）在裝焊平臺上劃出模塊的中心位置線、底部H型鋼位置線、端管板裝配位置線，先將底部H型鋼就位，然后吊裝一端管管板調整位置合格后采用工藝支撐架將其支撐固定；

（b）以端管板為基準劃準中間管板位置線，按鋼印順序（進刀側朝向穿管方向）依次將中間管板裝配于平臺上，中間管板厚度方向定位焊固定塊，相鄰中間管板四周和中間裝配6件調整工藝螺桿（見圖15）。

圖15 中間管板裝配工藝螺桿示意圖

（c）同軸度找正：以端管板為基準找整個管束同軸度，利用輔助工裝進行同軸度調整（見圖16）[1]。

圖16 同軸度調整示意圖

（d）管束模塊的焊接：焊接時應保證調整合格的尺寸不變，并選擇合理的焊接順序及焊接方式以控制變形，焊接過程中監測相鄰中間管板同軸度變化情況，并做記錄。對所有內外相通的焊縫進行PT或MT檢驗。

3.5.2.3管與管板脹接、焊接質量控制

（1）清潔度的保證

清潔度對脹管、焊管質量的保證至關重要。因此，在內部管束已焊接完成的殼體模塊兩端布置了專用清潔度保護倉（見圖17），同時在殼體模塊外面覆蓋阻燃布。

圖17 清潔度保護倉設計示意圖

（2）脹管質量的控制

（a）穿管過程控制

編制專項標準SOP，規范穿管作業，保證管束組件的清潔度，為脹管、焊管質量的控制創造條件。

（b）脹管順序的規定

為控制脹管力矩對端管板變形的影響，采用分區域跳脹的方式，在管孔布置圖上標注方法以明確具體脹接順序（見圖18），每一區域脹接完后，檢驗確認是否漏脹。

圖18 脹接順序示意圖

（c）脹接設備的選用、脹接參數的控制

采用電動扭矩脹管機（日本制造），選用新型可調試脹管器（Φ28×0.5×34、Φ28×0.7×34）。同時要求每個班組開始工作時每隔400根管子就需在工藝試板上確認扭矩，確保脹管扭距符合工藝要求；每脹接1 000個孔更換脹管器或脹珠，以確保脹管器在合理壽命期內使用；每天開始脹管前，預先將待脹的管孔和管子吹去浮塵，清洗干凈并干燥處理。

（d）檢驗

外觀檢驗；拉脫試驗。

（3）焊管質量的控制

（a）焊管前管伸出管板距離檢查

嚴格控制管伸出管板端面0.3～0.5 mm。

（b）焊管前清理

每根管子穿過整個模塊后，使用推管工裝（見圖19），將管子向一端推出70 mm，清理干凈管孔和推出的管段后，再向反方向推出管板70 mm，重復清理另一端。焊接前，用溶劑將待焊接部位及周圍清理干凈。

圖19 專用清洗鈦管及管孔推管工裝示意圖

（c）焊接過程

為了控制焊接變形和焊接熱影響，保證焊接質量，要求必須按管孔焊接順序進行施焊；每焊一個管孔須隔4個孔以上距離焊接另一個孔；每臺設備、每個班開始焊接時以及每隔500個孔均要在試板上試焊檢查一次，確認焊接參數和焊接設備的正確性。

（d）檢驗

外觀、PT及對焊接試板進行檢驗。

3.5.2.4 模塊管程水壓

設計專用泵水工裝，采用2件水室作為泵水工裝。按規定的緊固件裝配順序（見圖20）將水室裝配于端管板上。管程水壓按對應的標準作業指導書（SOP）執行，并依據圖紙及規范中的要求制定專項壓力曲線（見圖21）。

圖20 管板與水室螺栓緊固順序示意圖

圖21 殼體模塊管程壓力曲線示意圖

4 技術創新點

總結土耳其Karabiga（2×660 MW）常規機組凝汽器廠內模塊式的制造經驗，有以下幾個技術創新點：

（1）該項目制造前，對于整個工藝方案策劃，采用PFMEA（過程潛在失效模式和后果分析）進行了風險評價及風險預控；

（2）試驗研究并應用了鈦復合板（δ5/ASTM B265 Gr.1+δ35/Q245R）Φ28管孔的鉆孔、鉸孔、倒角及去毛刺等加工技術；

（3）管板與換熱管采用扭矩控制的脹管技術，為公司首次在涉外火電機組上應用；

（4）管徑達Φ28的鈦質換熱管，為公司首次實施管與管板的脹接、密封焊；

（5）殼體模塊整體與水室管程水壓試驗過程中管或管口泄露檢驗技術（真空設備、分階段目測、單根換熱管灌水等多種檢測方式相結合）的綜合應用；

（6）總重（達100 t）超行車能力的殼體模塊，采用大型汽車吊抬吊方式發貨，作為輔機事業部也屬首次。

5 結束語

土耳其Karabiga項目為2×660 MW機組，該項目為公司首次承擔涉外模塊化凝汽器的制造，也是公司首次簽訂的“一帶一路”沿線國重大能源設備輔機項目。產品質量達到了國際先進水平，提升了公司凝汽器的制造能力，促進了公司的技術進步，有利于市場競爭，為涉外項目執行積累了經驗，為市場開拓堅定了信心，同時也為公司后續機組的開發及制造奠定了堅實的基礎。

[1]張卓澄.大型電站凝汽器[M].北京:機械工業出版社,1993.

[2]NB/T 47014-2011承壓設備焊接工藝評定[S].北京:中國標準出版社,2012.

Research on Modular Condenser Manufacture Processes of Large Thermal Power Unit

Tang Jingzhong，Deng Fujun，Yang Bilin
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan，618000)

This paper studies a new way of modular condenser manufacture processes for Karabiga project,focuses on the technologi?cal innovation in the process of shell assembly,welding deformation control,coaxial alignment,tube welding and expansion,hydrostat?ic test.

modular condenser,research of manufacture processes

TK266

B

1674-9987（2016）04-0030-07

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.007

湯精忠（1987-），男，學士，工程師，畢業于西南交通大學，現主要從事電站輔助設備工藝研究及技術服務工作。