曹德輝，戴晟，王金芳

(1.廣東火電工程總公司，廣州市，510730;2.臺(tái)州學(xué)院，浙江省臺(tái)州市，318000)

0 引言

某發(fā)電廠1000 MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐為超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛雙切圓燃燒方式、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，半露天Π型布置。在Ⅰ級(jí)減溫器低過(guò)出口集箱三通、分隔屏進(jìn)口集箱三通與接管安裝期間及吹管后，發(fā)現(xiàn)減溫器的7個(gè)集箱三通焊口(規(guī)格φ457 mm×77.8 mm，材質(zhì)12Cr1MoVG)邊沿出現(xiàn)裂紋缺陷。減溫器是燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐非常關(guān)鍵的部件，減溫器集箱三通焊口的裂紋缺陷如果不及時(shí)處理或處理不當(dāng)，將產(chǎn)生難以估量的后果及損失。因此，需要通過(guò)分析12Cr1MoVG材料的特性，制定合理的補(bǔ)焊修復(fù)工藝，完成減溫器集箱三通裂紋缺陷的修復(fù)補(bǔ)焊工作，保證機(jī)組鍋爐的正常工作。

1 12Cr1MoVG鋼焊接性分析

12Cr1MoVG鋼屬于1Cr-Mo-V型珠光體耐熱鋼，是在Cr-Mo合金基礎(chǔ)上增加了0.15% ～0.30%的V，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見(jiàn)表1［1-4］。該鋼種通過(guò)嚴(yán)格控制冶煉扎制等工藝，具有較高的熱強(qiáng)性和持久塑性，在580℃以下具有較好的強(qiáng)度，被廣泛用于火電站機(jī)組鍋爐過(guò)熱器和再熱器、集箱及管道等構(gòu)件的制造［5-8］。12Cr1MoVG鋼的常溫力學(xué)性能如表2所示。

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按照國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)推薦的碳當(dāng)量公式及冷裂紋敏感指數(shù)公式［6，9］計(jì)算可得12Cr1MoVG鋼的碳當(dāng)量CE(IIW)為0.417% ～0.647%，冷裂紋敏感指數(shù) Pcm為 0.151% ～0.271%，由此可以看出12Cr1MoVG鋼具有一定的焊接冷裂傾向，施焊時(shí)需進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，而且應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度，焊后必須及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理。

2 裂紋修復(fù)技術(shù)難點(diǎn)

在對(duì)集箱三通焊接接頭進(jìn)行補(bǔ)焊前，需要去除原安裝焊縫或補(bǔ)焊的部分并打磨。焊縫切除、坡口加工時(shí)面臨降低對(duì)母材的損傷、去除淬硬層、避免坡口尺寸過(guò)大等技術(shù)難題。由于集箱三通材料12Cr1MoVG鋼具有一定的冷裂紋和再熱裂紋傾向，因此在焊接、熱處理過(guò)程中應(yīng)采取措施防止產(chǎn)生冷裂紋和熱裂紋。而且個(gè)別集箱三通的12Cr1MoVG鋼在檢測(cè)時(shí)存在硬度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求的上限值，使材料脆性增大，韌性和塑性降低，重新補(bǔ)焊技術(shù)難度增大，裂紋傾向加大。對(duì)焊連接工件的結(jié)構(gòu)尺寸有一定的差異，且結(jié)構(gòu)尺寸、管道壁厚都較大，其中集箱三通壁厚為77.8 mm，這將對(duì)補(bǔ)焊修復(fù)過(guò)程產(chǎn)生不利因素，容易出現(xiàn)焊接冷裂紋，造成焊縫殘余應(yīng)力過(guò)大，增加焊后熱處理難度。同時(shí)，管道焊口重新焊接需要經(jīng)歷多次熱過(guò)程，工藝復(fù)雜、工序繁多。因此，必須要制定科學(xué)、合理的焊接及焊后熱處理工藝規(guī)程，特別是要選擇合理的焊接材料，從而在確保焊接性的同時(shí)保證并提高焊接接頭的使用性能。

3 補(bǔ)焊修復(fù)工藝

3.1 裂紋去除及坡口加工

對(duì)減溫器三通焊接接頭進(jìn)行超聲波探傷與磁粉探傷檢驗(yàn)，確認(rèn)裂紋所在位置，然后采用砂輪機(jī)、坡口加工機(jī)等工具進(jìn)行裂紋清除和坡口制備，將原焊縫及熱影響區(qū)清除干凈。打磨過(guò)程中輔以滲透檢驗(yàn)，以確認(rèn)裂紋消除情況直至裂紋全部消除。

裂紋去除和坡口加工時(shí)應(yīng)在保證減溫器三通焊接接頭補(bǔ)焊修復(fù)質(zhì)量的前提下盡量減小工作量。坡口形狀如圖1所示，圖中Hc和Hm分別為裂紋深度和打磨深度。坡口加工時(shí)應(yīng)依照消除裂紋后溝槽的形狀稍加拓寬，尖角部位圓滑過(guò)渡，打磨深度Hm為在裂紋深度Hc的基礎(chǔ)上增加3～4 mm。圖2為裂紋打磨后的照片。

坡口加工完成后，需對(duì)坡口表面進(jìn)行全面的磁粉探傷或滲透檢驗(yàn)，確認(rèn)無(wú)裂紋等表面缺陷，且檢查布氏硬度(135～179)。徹底清除加工部位以及周?chē)?0 mm范圍內(nèi)的油、水、銹等影響焊接質(zhì)量的污物，露出金屬光澤。焊前用丙酮擦洗坡口。

3.2 焊前預(yù)熱

施焊前必須進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱采用電加熱的方式進(jìn)行，每側(cè)預(yù)熱加熱寬度不小于3倍管道壁厚，以保證加熱溫度梯度的平穩(wěn)。預(yù)熱加熱器、熱電偶的布置應(yīng)盡量靠近坡口邊緣，加熱器距坡口邊緣約為20 mm，熱電偶距坡口邊緣約為20～25 mm。為保證整個(gè)集箱三通焊接區(qū)的預(yù)熱效果，在三通的另外兩端分別安置加熱器和熱電偶，每側(cè)加熱寬度為3倍管道壁厚，熱電偶布置在各自加熱器中間。預(yù)熱時(shí)，應(yīng)采用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫槍(或接觸式測(cè)溫儀)測(cè)量坡口的溫度，并與熱處理數(shù)字顯示儀顯示的溫度比較，用來(lái)確定熱處理設(shè)備記錄數(shù)據(jù)與實(shí)際溫度的誤差值。預(yù)熱過(guò)程中應(yīng)考慮到此誤差值，并采取措施作相應(yīng)補(bǔ)償。焊前預(yù)熱溫度為250～300℃，預(yù)熱升溫速度應(yīng)小于或等于75℃/h，當(dāng)管道外壁溫度達(dá)到預(yù)熱溫度時(shí)，應(yīng)保溫2 h以確保焊接坡口根部處溫度達(dá)到工藝要求。

3.3 焊接施工規(guī)范

根據(jù)12Cr1MoVG鋼集箱三通的補(bǔ)焊特點(diǎn)，為保證焊接質(zhì)量，采用手工電弧焊，采取多層多道焊的焊接工藝，焊接材料選擇及焊接工藝規(guī)范如表3所示。焊接時(shí)盡量采用小工藝參數(shù)。打底焊接時(shí)選用φ3.2 mm的焊條，中間焊接時(shí)選用φ4.0 mm的焊條，蓋面焊接時(shí)選用φ3.2 mm焊條。焊條必須經(jīng)350℃左右恒溫處理2 h后放到焊條保溫桶內(nèi)隨用隨取。

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焊接應(yīng)逐層進(jìn)行，一道焊畢之后須自檢合格和徹底清除焊渣后方可進(jìn)行下一道焊接，層間焊縫的清理、缺陷的處理均采用機(jī)械打磨的方式，用角磨機(jī)或鋼絲刷徹底清理焊渣及飛濺物，特別是焊縫接頭處和坡口邊緣處，必須去除可見(jiàn)缺陷，嚴(yán)防夾渣、咬邊等缺陷的產(chǎn)生及殘留。不允許采用將缺陷部位重新熔化的方法消除缺陷。

為減少焊接變形和接頭缺陷，施焊時(shí)需采取2人對(duì)稱焊。對(duì)稱焊的2個(gè)焊工必須配合好，2人不得在同一處收頭，以免局部溫度過(guò)高，影響焊接質(zhì)量。每層焊道接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)10～15 mm，同時(shí)注意盡量使焊道平滑過(guò)渡，便于清渣，避免出現(xiàn)“死角”。為保證后一焊道對(duì)前一焊道起回火作用，焊接時(shí)每層焊道的厚度控制在3 mm以內(nèi)。焊條擺動(dòng)直徑不能大于3倍的焊條直徑。注意焊縫的圓滑過(guò)渡，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)，收弧處弧坑飽滿，接頭熔合良好，蓋面焊完成后在三通側(cè)焊縫與母材熔合處用φ3.2 mm焊條再焊1道，并在熱態(tài)狀態(tài)下打磨圓滑過(guò)渡，以減少應(yīng)力集中。焊縫整體焊接完畢，應(yīng)使用砂輪機(jī)或鋼絲刷將焊縫表面焊渣、飛濺物清理干凈。

3.4 焊接過(guò)程中的層間溫度控制

控制適當(dāng)?shù)膶娱g溫度可以減慢焊縫的冷卻速度，降低金屬凝固時(shí)的應(yīng)變速率，當(dāng)冷卻速度低于熔池一次結(jié)晶速度時(shí)，可降低熱裂紋的危險(xiǎn)性［1］。同時(shí)適當(dāng)?shù)膶娱g溫度可以有效地防止氫含量的逐層積累和產(chǎn)生彎曲變形而帶來(lái)根部應(yīng)力集中。在12Cr1MoVG鋼集箱三通焊接裂紋返修補(bǔ)焊時(shí)，層間溫度為300～350℃。

3.5 焊后熱處理`

補(bǔ)焊完成并經(jīng)檢查合格后必須立即進(jìn)行熱處理，在焊縫中間和直管上各加1條熱電偶作為監(jiān)控。加熱器、熱電偶布置和保溫棉安裝如圖3所示，熱處理功率為80 kW。熱處理過(guò)程中采用雙電源電路，一用一備。安裝加熱器時(shí)，應(yīng)先將焊件表面的焊瘤、焊渣、飛濺物清理干凈，使加熱器與焊件表面貼緊，必要時(shí)，制作專(zhuān)用夾具。加熱寬度不小于管件壁厚的6倍，且不小于300 mm，同時(shí)應(yīng)采取措施降低周向和徑向的溫差。焊后熱處理的保溫寬度不得少于管子壁厚的10倍，并盡可能增大保溫區(qū)間，且應(yīng)至少比加熱器的安裝寬度大100 mm，保溫棉的厚度為60～80 mm。

圖3 焊后熱處理加熱器、熱電偶和保溫棉安裝示意圖Fig.3 Installation diagram of heaters，thermocouples and insulation cotton in post-weld heat treatment

焊后熱處理工藝過(guò)程曲線如圖4所示。當(dāng)裂紋缺陷深度不小于30 mm時(shí)，補(bǔ)焊完成后需要先進(jìn)行消氫處理，即以75℃/h的速度升溫至300～350℃，恒溫2 h，然后再按圖4所示工藝曲線進(jìn)行焊后熱處理。當(dāng)溫度降至200℃以下，拆除保溫裝置。

圖4 焊后熱處理工藝曲線Fig.4 Process curve of post-weld heat treatment

4 焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

(1)對(duì)焊口進(jìn)行100%的外觀檢驗(yàn)，表面無(wú)氣孔、裂紋、凹坑、夾渣等缺陷，焊縫邊緣過(guò)渡圓滑，焊縫尺寸符合設(shè)計(jì)及規(guī)程要求。

(2)對(duì)焊口進(jìn)行100%的超聲波探傷和100%的磁粉探傷，焊縫均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

(3)使用便攜式硬度儀現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行100%硬度檢查。12Cr1MoVG鋼母材的布氏硬度實(shí)測(cè)值約為148～178，焊縫區(qū)的布氏硬度平均實(shí)測(cè)值約為234。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)發(fā)電機(jī)組鍋爐Ⅰ級(jí)減溫器12Cr1MoVG鋼集箱三通焊接接頭裂紋缺陷的補(bǔ)焊修復(fù)，根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和12Cr1MoVG鋼的材料性能，合理選擇補(bǔ)焊工藝措施及焊接規(guī)范，可以保證補(bǔ)焊修復(fù)后接頭的焊接質(zhì)量。

補(bǔ)焊焊口的超聲波探傷和磁粉探傷均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷;12Cr1MoVG鋼母材的布氏硬度實(shí)測(cè)值和焊縫區(qū)的布氏硬度平均實(shí)測(cè)值均符合12Cr1MoVG鋼焊縫硬度要求。檢驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明減溫器12Cr1MoVG鋼集箱三通焊接接頭的補(bǔ)焊修復(fù)取得了良好的效果。

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