1000MW超超臨界機組中壓導氣管裂紋焊接修復工藝

李潤水

中國電建集團山東電力建設第一工程有限公司 山東濟南 250102

1 序言

隨著超臨界、超超臨界機組的增多，高合金耐熱鋼得到了廣泛應用，同時也對各種高合金鋼的焊接、熱處理工藝提出了更高的要求。從前為趕工期、增加產量，不注重焊后熱處理工藝要求、降低了工藝標準的機組，在運行過程中逐漸暴露出各種各樣的問題，也為安全生產埋下隱患。特別是高壓焊口的焊接熱處理質量，直接關系著機組的安全穩定運行。近年來，在電廠檢修中發現了各種各樣的鋼材質量問題以及焊后熱處理工藝問題，鍋爐爆管率居高不下，逐步提高了人們對高壓管材以及高壓焊口的重新認識，也逐步在電廠檢修中加大了防磨防爆檢查力度。2016年對某電廠1000MW超超臨界機組中壓導氣管進行著色檢測時，發現中壓導氣管與中壓外缸連接的焊縫上有裂紋缺陷（見圖1、圖2），中壓缸側焊縫處管件的規格為φ1414mm×100mm，缸體側材質為ZG15Cr1Mo1V-B2，導氣管側材質為ZG1Cr10MoWVNbN。

圖1 中壓導氣管截面

圖2 著色檢測裂紋

2 原因分析及處理方案

經多次檢測及綜合分析，裂紋的產生是由于焊接工藝不當、焊縫焊后熱處理不及時造成的，焊接應力不能及時釋放，埋藏于焊縫內部，造成焊縫拘束力大、應力過高而產生裂紋[1]。

經打磨挖削發現裂紋較多且位置較深，部分已延伸至根部，最終決定對中壓導氣管與對應缸體上連接的焊縫進行挖削清除至距焊縫根部10～15mm，將所有裂紋機械挖除后，進行著色檢測，確定裂紋已全部清除后，重新進行焊接及熱處理，所有工藝一定要嚴格按照規范要求及工藝標準進行。

此次施工，為異種鋼焊接，導氣管側材質為高合金馬氏體鋼，具有一定冷裂傾向和接頭脆化傾向，焊接工藝及操作要求高，同時中壓缸底部管道錯綜復雜，空間位置狹小，給管道的固定、焊接及熱處理操作帶來了很大的難度，大直徑、厚壁且下方有變徑的焊口現場熱處理尤為重視，一定要滿足加熱所需功率，保證熱處理時達到加熱溫度。

3 機械挖削清除裂紋

采用環形坡口機將焊縫切除距根部10～15mm，一定要及時測量切削深度，用測厚儀測量剩余厚度，不要將焊縫切透，否則會造成中壓缸位移，其中壓缸下部位置狹小且上方無生根點，不利于焊口重新組對。當切至根部剩余10～15mm后，使用著色檢測其根部剩余焊縫是否還存在裂紋，如存在裂紋則使用角磨機將其挖除，可邊挖邊檢測，局部裂紋可直接挖透，必須將所有裂紋清除干凈，延伸至熱影響區的裂紋也要全部清除，且著色檢測合格后方可進入下步工序，如圖3～圖4所示。

圖3 根部裂紋全部清除

圖4 熱影響區裂紋全部清除

4 焊接及熱處理工藝

（1）預熱 補焊前必須先將中導管預熱，達到預熱溫度并保溫一段時間后再進行補焊，預熱能達到減緩冷卻速度的目的，從而減小收縮應力，防止裂紋的產生。

預熱溫度為200～250℃，并保溫一段時間。每只焊口預熱時，采用4片加熱器（L=1000mm，10kW）捆綁在中壓導氣管切割處下方，均勻布置2只熱電偶控溫加熱；采用4片加熱器（L=1200mm，10kW）捆綁在中壓導氣管切割處上方，均勻布置2只熱電偶控溫加熱。根據兩組預熱的加熱尺寸分別制作兩組夾具固定加熱器。

（2）補焊挖除的熱影響區 要將挖除的熱影響區補焊起來，因熱影響區的裂紋挖補造成了局部過深的不規則區域，補焊時一定要逐層清理干凈，防止出現夾渣、未熔合等缺陷。補焊采用的焊接方法為SMAW，焊材與坡口側母材對應，同時對導氣管側坡口用R317焊條熔覆2層（3～4mm）作為過渡層。

（3）焊接 缸體側材質ZG15Cr1Mo1V-B2為珠光體型熱強鋼，屬B類Ⅰ組鋼，導氣管側材質ZG1Cr10MoWVNbN為馬氏體熱強鋼，屬B類Ⅲ組鋼。由于B類及B類與A類組成的異種鋼焊接接頭可以選用合金含量較低一側鋼材相匹配或介于兩側鋼材之間的焊接材料[2，3]，所以選用TIG-R31焊絲、R317焊條。

焊接注意事項：①三個人在坡口周圍均勻分布，每人負責圓周的180°焊縫進行焊接，且同時施焊，減小焊接變形。②采用GTAW焊接方法進行根部挖透處補焊，焊材選用TIG-R31，焊材規格為φ2.5mm，采用SMAW焊接方法進行填充焊接，焊材選用R317，焊材規格為φ3.2mm/φ4mm。③采用多層多道焊接，焊接接頭需至少錯開10～15mm，注意收弧質量，加強層間清理；嚴格控制焊接熱輸入，焊道寬度不超過焊條直徑的4倍，每根完整的焊條所焊接的焊道長度與該焊條的熔化長度之比應大于50%；整個焊接過程層間溫度保持在200～250℃。④焊材使用前按焊材說明書要求進行300～350℃/1h烘焙，現場焊材應置于80～100℃保溫桶內，隨用隨取。⑤填充層施焊過程中應進行徹底的層間清理，以保證熔敷金屬內不存在夾渣等缺陷；采用小電流薄焊道、分層分道的焊接工藝進行施焊，以減小焊接熱輸入，控制焊接變形量。⑥焊接開始前，靠表嚴密監視中壓缸變形情況，安排專人每30min進行一次靠表讀數，變形量超過0.10mm時應停止施焊，利用局部焊接法配合錘擊法進行變形矯正。變形量正常后再繼續施焊。

（4）焊后熱處理 根據相關規程及工藝評定對焊縫進行焊后熱處理，熱處理溫度為（745±5）℃，保溫5h，焊口熱處理時，采用8片加熱器（L=550mm，10kW）捆綁在中壓導氣管及焊縫處，均勻布置8只熱電偶控溫加熱；采用8片加熱器（L=1100mm，10kW）分別在上下各布置4片輔助加熱。根據三組熱處理的加熱尺寸分別制作三組夾具以固定加熱器。熱處理過程測量缸體溫度，避免缸體溫度過高，控溫曲線如圖5所示。

圖5 熱處理控溫曲線

5 質量驗收

1）焊接完成后，由施焊人員將藥皮、飛濺清理干凈，檢查焊縫表面無缺陷后，進行二級、三級檢測，按照DL/T 5210.7—2010《電力建設施工質量驗收及評定規程第7部分：焊接》進行驗收，焊縫成形良好，合格，如圖6所示。

2）焊縫超聲波檢測、硬度檢測及磁粉檢測合格。

3）熱護理曲線及報告、焊接記錄、熱處理操作記錄及焊口檢測報告齊全。

圖6 焊縫成形良好

6 結束語

中壓導氣管裂紋處理后經過幾年的運行及停機再次檢查，所處理的中壓導氣管焊縫未檢測出裂紋缺陷。此中壓導氣管焊縫裂紋質量問題，究其原因，無非是工藝執行不嚴造成的，可以看出嚴謹的焊接、熱處理工藝對高合金耐熱鋼焊縫的影響至關重要。同樣施工人員的技術水平及施工工藝的執行力度是工程質量的根本保障。尤其像中壓缸ZG15CrlMolV鋼，淬硬傾向較大，焊接性差，焊接過程中產生冷裂紋、延遲裂紋的傾向也很大，為防止這些缺陷產生，保證此鋼焊后的使用性能，應根據焊接工藝評定及現場實際施工情況，制定符合規范要求的工藝，合理選用焊材，嚴格執行預熱、焊接、熱處理工藝，管理人員也要加強施工過程的監督及技術指導，保證高壓焊口的優良質量，實現電力管道的安全運行。