高參數(shù)超超臨界燃煤鍋爐上部水冷壁制造技術(shù)和質(zhì)量控制探討

蒲貴明

（甘肅省特種設(shè)備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730050）

能源向來是每個國家經(jīng)濟發(fā)展的命脈之一，而火電仍然是我國電力能源系統(tǒng)的主力軍。未來燃煤火電技術(shù)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(shù)無疑是當(dāng)前國內(nèi)最能實現(xiàn)這一特點的燃煤鍋爐。在歐美、日本等一些發(fā)達國家，已經(jīng)開始研究700℃燃煤鍋爐技術(shù)[2]，而我國的二次再熱燃煤鍋爐技術(shù)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(shù)超超臨界燃煤鍋爐技術(shù)，首先需要突破材料的限制。

高參數(shù)超超臨界燃煤鍋爐技術(shù)，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(nèi)較理想的備選材料有SA-213T23 和SA-213T91，這兩種材料各有優(yōu)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(yīng)用，在國內(nèi)長期應(yīng)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(nèi)大多也只應(yīng)用在循環(huán)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(shù)和質(zhì)量控制試驗至關(guān)重要。

1 上部水冷壁制造結(jié)構(gòu)特點

高參數(shù)超超臨界燃煤鍋爐上部水冷壁結(jié)構(gòu)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(xù)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(zhì)量控制

2.1 材料準(zhǔn)備

水冷壁制造所用鋼管材質(zhì)為SA—213T91（Ф32×7 mm），鰭片所用扁鋼材質(zhì)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(shè)備情況

本試驗中主要用到的設(shè)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(shù)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(jù)管屏焊接組裝方式不同，將小管屏標(biāo)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(qū)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(qū)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(zhǔn)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(yù)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(yù)熱200℃），焊后兩個小管屏出現(xiàn)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(yù)熱200℃），焊后兩個小管屏也同樣出現(xiàn)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(yù)熱200℃），其所用焊接方法的具體焊接參數(shù)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(fā)現(xiàn)宏觀裂紋、氣孔等缺陷，然后對成排彎區(qū)域管屏采用局部中間熱處理以消除殘余應(yīng)力，降低成排彎時管屏角焊縫出現(xiàn)開裂的風(fēng)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(jīng)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(shù)

（3）成排彎。采用臥式液壓成排彎機對管屏進行成排彎，設(shè)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(xiàn)場如圖3 所示。成排彎后對成排彎區(qū)域進行熱校正，使彎曲角度達到設(shè)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(qū)域角焊縫進行100%PT 探傷，發(fā)現(xiàn)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(qū)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(guī)定，從4 組管屏成排彎區(qū)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(jié)果見表2，經(jīng)過計算，焊腳尺寸滿足GB/T 16507-2013 標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果 （單位：mm）

3 試驗結(jié)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(fā)現(xiàn)焊縫根部有未熔合、氣孔、裂紋等缺陷。缺陷均發(fā)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(guī)格鋼管的對接。

4 結(jié)束語

針對SA-213T91 管屏在成排彎后，易在角焊縫根部出現(xiàn)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?xí)r，成排彎區(qū)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(qū)域的扁鋼角焊縫。