高參數超超臨界燃煤鍋爐上部水冷壁制造技術和質量控制探討

蒲貴明

（甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

能源向來是每個國家經濟發展的命脈之一，而火電仍然是我國電力能源系統的主力軍。未來燃煤火電技術依舊需要保持高效、清潔的特點[1]，二次再熱超超臨界鍋爐技術無疑是當前國內最能實現這一特點的燃煤鍋爐。在歐美、日本等一些發達國家，已經開始研究700℃燃煤鍋爐技術[2]，而我國的二次再熱燃煤鍋爐技術大多停留在600℃左右，主要被限制于材料的使用性能。因此，為研究高參數超超臨界燃煤鍋爐技術，首先需要突破材料的限制。

高參數超超臨界燃煤鍋爐技術，其上部水冷壁溫度較高，普通的耐熱鋼材料很難滿足高溫持久強度和蠕變強度，能滿足要求的鎳基合金，又因為成本太高而無法使用。目前，國內較理想的備選材料有SA-213T23 和SA-213T91，這兩種材料各有優缺點。相對來說，SA-213T91 材料更為成熟，在我國電站鍋爐蛇形管部件上有大量應用，在國內長期應用過程中，對其性能掌握也比較透徹。但SA-213T91材料在水冷壁上運用較少，國內大多也只應用在循環硫化床鍋爐高溫過熱器和高溫再熱器的直管屏中。由于SA-213T91 焊接性能差，抗裂性能也較低[3]，同時，水冷壁的制造過程需要彎制，彎制過程加速了SA-213T91 的開裂性。因此，開展SA-213T91 水冷壁制造技術和質量控制試驗至關重要。

1 上部水冷壁制造結構特點

高參數超超臨界燃煤鍋爐上部水冷壁結構采用鋼管+鰭片的拼屏型式，即先將鋼管與扁鋼以角接的方式焊接成小管屏，再將幾片小管屏通過焊接組裝成大管屏，繼而進行后續的成排彎等工序，其組裝拼屏型式如圖1 所示。

圖1 上部水冷壁組裝拼屏型式

2 試驗過程與質量控制

2.1 材料準備

水冷壁制造所用鋼管材質為SA—213T91（Ф32×7 mm），鰭片所用扁鋼材質為SA—387GR91C12（6×13 mm），焊接管屏所用焊材為氣體保護焊鋼焊絲ER90S—B9（Ф1.2 mm/Ф2.4 mm）。

2.2 主要設備情況

本試驗中主要用到的設備有：12 頭MPM 混合氣體保護焊電焊機、半自動混合氣體保護焊電焊機、龍門焊電焊機，臥式液壓成排彎機、龍門氣割機等。

2.3 試驗過程及控制

本次試驗采用15 根SA-213T91（L=3 m）鋼管和14 根SA-387GR91C12（L=3 mm）扁鋼作為試驗材料。按照數量均分為兩大組，第一大組用半自動混合氣體保護焊（后文簡稱GMAW 焊）焊妥鋼管與扁鋼角焊縫，第二大組用MPM 自動焊接妥鋼管與扁鋼角焊縫，每一大組又分為兩小組，每個小組分別用各自的焊接方法進行焊接組裝成次大屏，最后通過GMAW 焊將兩個次大屏組裝成大管屏。根據管屏焊接組裝方式不同，將小管屏標分為MPM-1、MPM-2、GMAW-1、GMAW-2 共四組，其具體組屏型式如圖1 所示。組裝后的管屏用臥式液壓成排彎機進行管屏成排彎，成排彎前對成排彎區域管屏進行中間退火熱處理。成排彎后進行最終的熱處理，最后對成排彎區域取樣送檢。文獻[4]中曾提到水冷壁的制造工藝流程，與本文基本相同，其具體試驗流程如圖2 所示。

圖2 試驗流程圖

（1）焊前準備。焊接前需要對鋼管進行噴丸處理，對扁鋼表面的油漆、鐵銹等進行打磨，以露出表面金屬光澤。

（2）裝配過程。所有鋼管與扁鋼先進行預裝配，在其端部采用手工電弧焊點焊固定。對MPM-1 和MPM-2 兩組管屏，分別用12 頭MPM 焊機進行拼屏焊接（焊前預熱200℃），焊后兩個小管屏出現輕微旁彎，其最大旁彎距離為15 mm，校正后用MPM自動焊焊接組成次大屏。對GMAW-1 和GMAW-2兩組管屏，分別用GMAW 手工焊機進行拼屏焊接（焊前預熱200℃），焊后兩個小管屏也同樣出現不同程度的旁彎，其最大旁彎距離為20 mm，校正后用GMAW 手工焊焊接組成次大屏。最后，用GMAW 手工焊將兩個次大屏組成大管屏（焊前預熱200℃），其所用焊接方法的具體焊接參數見表1。在對整個管屏的鋼管與扁鋼角焊縫進行100%PT 檢查后，未發現宏觀裂紋、氣孔等缺陷，然后對成排彎區域管屏采用局部中間熱處理以消除殘余應力，降低成排彎時管屏角焊縫出現開裂的風險，熱處理溫度為760℃，保溫時間為1 h。在管屏中需裝孔組件位置，采用龍門氣割機在管屏上挖孔，并機加工倒角修磨鋼管對接坡口，采用手工鎢極氬弧焊（GTAW）焊妥已彎曲成型的孔組件接管與管屏中鋼管對接焊口，經RT 探傷所有接管對接焊口一次合格，驗證了GTAW 焊焊接SA-213T91 鋼管對接焊縫具有一定的可靠性。孔組件中剩余鋼管與扁鋼角焊縫則采用龍門焊妥。

表1 焊接參數

（3）成排彎。采用臥式液壓成排彎機對管屏進行成排彎，設定彎曲半徑為147 mm，角度為132.5°，彎后測得實際彎曲角度為128°，回彈了5°左右，其試驗現場如圖3 所示。成排彎后對成排彎區域進行熱校正，使彎曲角度達到設定值，如圖4 所示。

圖3 成排彎試驗

圖4 熱校正

（4）最終熱處理。對成排彎區域角焊縫進行100%PT 探傷，發現宏觀裂紋、表面氣孔等缺陷，然后進行通球（通球直徑為0.77Dn）檢查，一次通過，最后對整個管屏進行最終的退火熱處理，其熱處理溫度為760℃，保溫時間為1 h。

（5）微觀檢查。對成排彎區域管屏切割取樣送檢，按照GB/T 16507-2013《水管鍋爐》中對鍋爐膜式壁管屏焊接工藝評定附加要求的規定，從4 組管屏成排彎區域角焊縫中分別取一個試樣進行焊腳尺寸及微觀檢查，其焊腳尺寸測量示意圖如圖5 所示，焊腳尺寸及微觀檢查結果見表2，經過計算，焊腳尺寸滿足GB/T 16507-2013 標準要求。

圖5 焊腳尺寸取樣示意圖

表2 焊腳尺寸及微觀檢查結果 （單位：mm）

3 試驗結論

（1）SA-213T91 管屏中鋼管與扁鋼角焊縫焊后有旁彎，其中半自動混合氣體保護焊的旁彎量大于MPM 自動焊。

（2）對管屏中MPM 自動焊和半自動混合氣體保護焊鰭片角焊縫進行微觀檢驗，微觀發現焊縫根部有未熔合、氣孔、裂紋等缺陷。缺陷均發生在角焊縫根部，常常是由于根部未焊透、夾渣、氣孔等缺陷引起。

（3）對SA-213T91 水冷壁管屏進行成排彎后，容易引起角焊縫根部裂紋、氣孔等缺陷。

（4）手工鎢極氬弧焊可用于SA-213T91 小規格鋼管的對接。

4 結束語

針對SA-213T91 管屏在成排彎后，易在角焊縫根部出現裂紋、氣孔等缺陷的問題，可采取針對性的控制措施用以驗證：焊接管屏時，成排彎區域僅對鋼管點焊固定，成排彎后，再打磨去除點焊焊縫，并冷校彎頭達到所要求的尺寸精度后，再采用手工焊焊妥成排彎區域的扁鋼角焊縫。