熱均衡加熱法在超大型壓力容器修復(fù)現(xiàn)場熱處理中的應(yīng)用

付 凱，陳偉豐

（廣東省能源集團(tuán)有限公司沙角C 電廠，廣東 東莞 523936）

某電廠裝機(jī)容量3×660 MW 燃煤發(fā)電機(jī)組，鍋爐為ABB-CE 生產(chǎn)的2100T/h 亞臨界強(qiáng)制循環(huán)汽包鍋爐。首臺機(jī)組1996年投產(chǎn)，累積運(yùn)行約16 萬h。機(jī)組設(shè)計(jì)初始功能為深度調(diào)峰機(jī)組，從投產(chǎn)開始，承擔(dān)了電網(wǎng)重要的調(diào)峰任務(wù)。在快速調(diào)峰中鍋爐汽溫、汽壓的頻繁變化導(dǎo)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(jī)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(biāo)缺陷。其中B3 環(huán)焊縫超標(biāo)缺陷長度達(dá)到2270mm，且部分連續(xù)缺陷顯示為線性缺陷。超標(biāo)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(dá)2 m。③經(jīng)過取樣后進(jìn)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(yùn)行中在交變金屬熱應(yīng)力的作用下逐漸擴(kuò)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(fù)過程

汽包修復(fù)是一項(xiàng)技術(shù)極其復(fù)雜的工作，涉及機(jī)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(xiàng)目組多次與特檢院就施工方案進(jìn)行反復(fù)的磋商和修改。從缺陷普查、確定方案到修復(fù)、熱處理、修后檢測，過程復(fù)雜，信息處理量創(chuàng)造鍋爐單一設(shè)備缺陷修復(fù)的歷史。技術(shù)準(zhǔn)備工作歷時22 d，施工時間78 d。共形成包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算、熱處理過程受熱及膨脹分析計(jì)算、完成整體技術(shù)方案、具體施工方案評審審核、施工報(bào)備等技術(shù)性文件共38 份。

此次修復(fù)，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(dá)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(yīng)力、撓度及膨脹變形進(jìn)行了有效監(jiān)控，有效防止汽包在修復(fù)后發(fā)生變形，均達(dá)到非常理想的效果，已形成完整、成熟的汽包修復(fù)技術(shù)路線，如圖3所示。

圖3 汽包修復(fù)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(yùn)行時間約16 萬h，焊接性能差，焊后冷裂紋傾向嚴(yán)重。修復(fù)缺陷眾多、工藝復(fù)雜，焊后不能及時做熱處理。因此制定了焊前預(yù)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(dāng)造成非修復(fù)部位缺陷的擴(kuò)展，避免熱處理過程中輸入熱量過大對汽包產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱沖擊和多次加熱對汽包反復(fù)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(fù)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(guān)鍵。本次采用2 臺1 000 kW 柴油發(fā)電機(jī)，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(diǎn)，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(diǎn)，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(yù)設(shè)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(shè)備如水冷壁汽水聯(lián)箱的影響，不能造成相鄰設(shè)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(jìn)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(yán)格控制不同位置及汽包內(nèi)外部的溫差，任意兩點(diǎn)溫度差不超過50 ℃；⑤熱處理過程嚴(yán)格控制升溫速率不超過45 ℃；⑥焊前預(yù)熱使焊接部位焊縫溫度高于150 ℃，焊接過程嚴(yán)格控100～150 ℃；⑦焊后進(jìn)行350 ℃低溫消氫處理，冷卻后進(jìn)行中間檢驗(yàn)，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(biāo)

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(yīng)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(fù)技術(shù)導(dǎo)則》，其中：撓度不超過20 mm；不圓度±7 mm；殘余應(yīng)力不超過100 MPa，個別點(diǎn)不超過140 MPa；⑤汽包水壓試驗(yàn)一次通過；⑥汽包冷態(tài)驗(yàn)收、熱態(tài)驗(yàn)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(jìn)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(yīng)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(shè)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(shí)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(jī)的升溫速率。

加熱前測汽包的不圓度、撓度以及所有表計(jì)數(shù)據(jù)，與熱處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)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(diǎn)的溫度、各監(jiān)視表計(jì)的數(shù)據(jù)，降溫過程（350 ℃以上時）同樣進(jìn)行記錄。

所有測點(diǎn)溫度降到100 ℃時，拆除所有保溫進(jìn)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(fù)焊縫熱處理曲線

3.6 熱處理后汽包性能指標(biāo)

汽包修復(fù)結(jié)束后，進(jìn)行100%焊縫檢測，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。并進(jìn)行金相組織檢測、硬度檢測、殘余應(yīng)力測試、汽包撓度和不圓度等檢測，所有指標(biāo)均達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)，水壓試驗(yàn)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(yàn)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(yīng)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(fù)后焊縫顯微組織

表1 修復(fù)后的焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

此次鍋爐汽包的修復(fù)，在國內(nèi)660 MW 以上鍋爐汽包修復(fù)中尚屬首次，由電廠方委托蘇州熱工院整體負(fù)責(zé)，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(zhǔn)備和嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的施工，缺陷一次處理完成，有效控制了未處理缺陷的擴(kuò)展，汽包未出現(xiàn)變形現(xiàn)象，所有指標(biāo)達(dá)到優(yōu)秀水平。充分體現(xiàn)了研究機(jī)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(shè)備“再制造”方面的能力和高水平。希望修復(fù)過程中的經(jīng)驗(yàn)，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(fù)時提供一些有益的借鑒。