熱均衡加熱法在超大型壓力容器修復現(xiàn)場熱處理中的應用

付 凱，陳偉豐

（廣東省能源集團有限公司沙角C 電廠，廣東 東莞 523936）

某電廠裝機容量3×660 MW 燃煤發(fā)電機組，鍋爐為ABB-CE 生產(chǎn)的2100T/h 亞臨界強制循環(huán)汽包鍋爐。首臺機組1996年投產(chǎn)，累積運行約16 萬h。機組設計初始功能為深度調(diào)峰機組，從投產(chǎn)開始，承擔了電網(wǎng)重要的調(diào)峰任務。在快速調(diào)峰中鍋爐汽溫、汽壓的頻繁變化導致汽包焊縫內(nèi)部相繼出現(xiàn)內(nèi)部缺陷[1]。

該鍋爐汽包含封頭長28.91 m，分3 段制造，內(nèi)徑1 778 mm，上部壁厚196.1 mm，下部壁厚163.9 mm，材料為SA299。汽包上部聯(lián)接汽水管道78 條（Φ159），飽和蒸汽管道31 條（Φ159），安全閥管座6 個，以及排空排污等管道。汽包下部聯(lián)接6 根下降管座（Φ582.3×134.6），3 個給水管座（Φ496.83×121.4）。

1 缺陷情況

2017年2#機組檢修過程中，檢查發(fā)現(xiàn)汽包2 條環(huán)焊縫以及4 個下降管、2 個給水管管座存在大量超標缺陷。其中B3 環(huán)焊縫超標缺陷長度達到2270mm，且部分連續(xù)缺陷顯示為線性缺陷。超標缺陷的分布如圖1虛線所示。

圖1 汽包缺陷分布圖

焊縫缺陷有明顯的特征：①缺陷均存在焊縫內(nèi)部，分布在離容器外表面約50～110 mm 深度位置（相對深度25%～55%）。②缺陷宏觀尺寸非常大，均為連續(xù)性線性缺陷，最長達2 m。③經(jīng)過取樣后進行金相分析，裂紋缺陷均出現(xiàn)在焊縫中雜質(zhì)（夾渣）的邊緣，長時間運行中在交變金屬熱應力的作用下逐漸擴展形成，顯微組織如圖2所示。

圖2 焊縫內(nèi)部裂紋顯微組織

2 修復過程

汽包修復是一項技術(shù)極其復雜的工作，涉及機械、電氣、焊接、熱處理和無損檢測等多個專業(yè)。為使施工過程合法、合規(guī)，項目組多次與特檢院就施工方案進行反復的磋商和修改。從缺陷普查、確定方案到修復、熱處理、修后檢測，過程復雜，信息處理量創(chuàng)造鍋爐單一設備缺陷修復的歷史。技術(shù)準備工作歷時22 d，施工時間78 d。共形成包括結(jié)構(gòu)應力計算、熱處理過程受熱及膨脹分析計算、完成整體技術(shù)方案、具體施工方案評審審核、施工報備等技術(shù)性文件共38 份。

此次修復，共交叉普查焊縫超過150 m，熱處理布置加熱電纜144 組共超過14 000 m，熱處理用電加熱峰值功率達到1 440 kW，焊接用電焊條使用量超過1.2 t。檢修過程中對汽包溫度、硬度、殘余應力、撓度及膨脹變形進行了有效監(jiān)控，有效防止汽包在修復后發(fā)生變形，均達到非常理想的效果，已形成完整、成熟的汽包修復技術(shù)路線，如圖3所示。

圖3 汽包修復的工藝流程圖

3 焊后熱處理方案介紹

3.1 存在的困難

汽包材料為ASTME SA299，運行時間約16 萬h，焊接性能差，焊后冷裂紋傾向嚴重。修復缺陷眾多、工藝復雜，焊后不能及時做熱處理。因此制定了焊前預熱，焊后消氫，均衡加熱，一次性熱處理技術(shù)路線。必須有效防止因熱處理工藝不當造成非修復部位缺陷的擴展，避免熱處理過程中輸入熱量過大對汽包產(chǎn)生的強烈熱沖擊和多次加熱對汽包反復熱沖擊，防止汽包發(fā)生塑性變形，防止對四周的小管及管座造成傷害。汽包體積龐大，內(nèi)部構(gòu)件復雜，空間狹窄，汽包外部連接管道多。上部有汽水引入及飽和蒸汽引出管，下部有下降管、給水管等大型管座，熱處理工藝需要同時考慮對這部分管座的影響。

3.2 解決問題的主要思路

首先是解決加熱問題。汽包龐大的體量，需要均勻加熱到需要的溫度，加熱電源的穩(wěn)定性是關鍵。本次采用2 臺1 000 kW 柴油發(fā)電機，配合廠內(nèi)2 臺360 kWA和1 臺350 kWA 電源組合供電，以保證熱處理期間供電的穩(wěn)定。

其次是解決加熱的均衡性問題。這是熱處理的重點，在熱處理方案討論中這是爭議最為激烈的一個環(huán)節(jié)。通過合理的選擇加熱分布點，使熱處理過程中汽包能均勻膨脹。

再次需要解決加熱的速率、均勻性問題。控制汽包在加熱和冷卻過程中不發(fā)生塑性變形。增加膨脹監(jiān)測系統(tǒng)，在72 h 的處理過程中，適時調(diào)整各部分的輸入熱量，使汽包始終按照預設的方向均勻膨脹。

最后解決管子在加熱過程中的約束，以及對外部設備如水冷壁汽水聯(lián)箱的影響，不能造成相鄰設備損壞。

3.3 熱處理原則

①整體熱處理9 個缺陷位置一并進行最終處理；②各個方向熱量輸入均衡；③錯峰升溫及恒溫，減少輸入熱量峰值；④多次恒溫，嚴格控制不同位置及汽包內(nèi)外部的溫差，任意兩點溫度差不超過50 ℃；⑤熱處理過程嚴格控制升溫速率不超過45 ℃；⑥焊前預熱使焊接部位焊縫溫度高于150 ℃，焊接過程嚴格控100～150 ℃；⑦焊后進行350 ℃低溫消氫處理，冷卻后進行中間檢驗，確保缺陷處理干凈并不產(chǎn)生新缺陷；⑧不同壁厚及環(huán)境在材料要求范圍內(nèi)選用不同的熱處理溫度，其中汽包環(huán)縫較厚升溫到550 ℃恒溫，管座焊縫壁厚相對較薄，加到500 ℃恒溫。

3.4 熱處理控制指標

①汽包熱處理后不發(fā)生側(cè)彎和翹曲；②熱處理過程中任何位置垂直位移小于20 mm；③熱處理后汽包能回到正常的位置，初終位置偏差小于10 mm；④汽包撓度、不圓度、殘余應力值符合JB/T 1609—93《鍋爐鍋筒技術(shù)條件》和DL/T 734—2000《火力發(fā)電廠鍋爐汽包焊接修復技術(shù)導則》，其中：撓度不超過20 mm；不圓度±7 mm；殘余應力不超過100 MPa，個別點不超過140 MPa；⑤汽包水壓試驗一次通過；⑥汽包冷態(tài)驗收、熱態(tài)驗收一次通過。

3.5 熱處理最終方案

根據(jù)熱處理的原則，對熱處理加熱器布置及升溫曲線進行多次優(yōu)化，最終形成以下方案：

環(huán)縫處內(nèi)部制作加熱室，內(nèi)外壁同時加熱，管座也內(nèi)外加熱。有效降低加熱溫差、提高加熱效率、保證獲得熱處理需要的加熱溫度。

汽包上部管座提供輔助加熱，減小上下壁溫差，防止汽包變形。

管座焊縫500 ℃、汽包環(huán)縫550 ℃不同熱處理溫度，合理降溫，減少膨脹、降低變形。

采用375 ℃、450 ℃2 次中間恒溫階梯加熱，降低汽包內(nèi)外壁與中心的溫差，降低汽包熱應力。

管座焊縫、汽包環(huán)縫最高溫恒溫段錯開時間，降低高溫停留時間，減小膨脹，降低汽包變形，汽包吊桿采用專門冷卻，防止高溫變形，保證汽包中心不發(fā)生大的變化，降低對相連接設備的損壞。

汽包下降管限位按膨脹方向，切除阻礙其膨脹的限位，防止因膨脹受阻對下降管及其管座焊縫造成影響。

在汽包兩端膨脹指示器及汽包軸線水平中心處加裝百分表，實時監(jiān)測汽包的變形及膨脹方向，根據(jù)膨脹情況調(diào)整不同熱處理機的升溫速率。

加熱前測汽包的不圓度、撓度以及所有表計數(shù)據(jù)，與熱處理后的數(shù)據(jù)進行對比。

加熱過程24 h 監(jiān)控，加熱階段每60 min 記錄一次各測溫點的溫度、各監(jiān)視表計的數(shù)據(jù)，降溫過程（350 ℃以上時）同樣進行記錄。

所有測點溫度降到100 ℃時，拆除所有保溫進行自然冷卻。

熱處理加熱器布置如圖4所示。

圖4 汽包加熱器布置圖

汽包的最終焊后熱處理曲線如圖5所示。

圖5 修復焊縫熱處理曲線

3.6 熱處理后汽包性能指標

汽包修復結(jié)束后，進行100%焊縫檢測，未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。并進行金相組織檢測、硬度檢測、殘余應力測試、汽包撓度和不圓度等檢測，所有指標均達到優(yōu)良標準，水壓試驗一次性合格。結(jié)果如下：①汽包冷卻后，所有監(jiān)視儀表全部回位，無側(cè)彎和翹曲。②汽包膨脹指示器上讀取位移值，三向均小于5 mm（膨脹指示器最小刻度10 mm）。③焊縫及熱影響區(qū)硬度平均167～207 HB（HLD）。④水壓試驗一次通過。⑤金相組織為鐵素體+珠光體（部分貝氏體），晶粒度9～10 級，球化2 級，石墨化1 級顯微組織如圖6所示。⑥汽包殘余應力最大值113MPa，大部分在100 MPa 以下，測量結(jié)果見表1。

圖6 修復后焊縫顯微組織

表1 修復后的焊縫區(qū)域殘余應力檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

此次鍋爐汽包的修復，在國內(nèi)660 MW 以上鍋爐汽包修復中尚屬首次，由電廠方委托蘇州熱工院整體負責，業(yè)主方工程師全面融合管理，共同制定方案。通過精心的準備和嚴謹細致的施工，缺陷一次處理完成，有效控制了未處理缺陷的擴展，汽包未出現(xiàn)變形現(xiàn)象，所有指標達到優(yōu)秀水平。充分體現(xiàn)了研究機構(gòu)與生產(chǎn)企業(yè)緊密合作“1+1＞2”的效果，也體現(xiàn)了我國在設備“再制造”方面的能力和高水平。希望修復過程中的經(jīng)驗，特別是均衡加熱控制的熱處理工藝和方法，為類似的鍋爐汽包及大型高溫高壓容器焊縫缺陷修復時提供一些有益的借鑒。