陳忠兵， 姚祥宏， 張先煉， 肖禹， 孫志強(qiáng)， 錢猛

(1.蘇州熱工研究院有限公司,江蘇 蘇州 215004；2.湖北西塞山發(fā)電有限公司，湖北 黃石435000)

0 前言

汽包是電站鍋爐的重要部件，體積大、壁厚厚、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又長(zhǎng)期處于中溫、高壓和水-汽二相介質(zhì)下服役，易產(chǎn)生疲勞、腐蝕等缺陷。對(duì)于一般嚴(yán)重性缺陷，工程上通常采用挖補(bǔ)修復(fù)，這方面國(guó)內(nèi)外已積累了大量工程經(jīng)驗(yàn)，形成了相對(duì)成熟的技術(shù)[1-5]。同時(shí)，工程上還存在另外一種情況，即汽包上存在特別嚴(yán)重的缺陷，需要對(duì)汽包的組件進(jìn)行更換修復(fù)。關(guān)于這類更換修復(fù)的研究和工程事例，相關(guān)報(bào)道還不多。從已有的報(bào)道看，更換修復(fù)時(shí)，通常都處于高拘束條件下，焊接裂紋敏感性更高，因此需要采用不同的技術(shù)與工藝措施[6-7]。我們結(jié)合一例電站鍋爐汽包集中下降管管座更換工程實(shí)例，分析了更換修復(fù)時(shí)存在的主要問(wèn)題，在理論計(jì)算與分析基礎(chǔ)上，提出了解決方案，并在工程中得到了實(shí)施與驗(yàn)證。

1 設(shè)備概況

某330 MW亞臨界發(fā)電機(jī)組鍋爐汽包的1個(gè)集中下降管管座存在嚴(yán)重缺陷，安全性評(píng)估要求對(duì)其更換修復(fù)。該汽包規(guī)格φ2 033 mm×145 mm，筒體材料為BHW35；下降管管座及其接頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，管座由接管+短管焊接組成，規(guī)格分別為φ628 mm×104 mm+φ558.8 mm×65 mm，材料分別為BHW35+SA-106B；下降管規(guī)格φ558.8 mm×65 mm，材料為SA-106B。

圖1 下降管管座及其接頭結(jié)構(gòu)示意圖

2 更換修復(fù)時(shí)的主要問(wèn)題及其解決方案

2.1 下降管位移

下降管結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖中可看出，除水平段設(shè)有1個(gè)限位支架外，沒(méi)有其他懸吊裝置，當(dāng)管座割除后，下降管可能產(chǎn)生垂直、左右和前后方向的位移。由于汽包下部無(wú)可借用的承重鋼架，下降管過(guò)量的位移將難以恢復(fù)，導(dǎo)致對(duì)口錯(cuò)口或折口，割斷瞬間發(fā)生的位移還可能導(dǎo)致安全事故。因此割除前需要對(duì)下降管進(jìn)行固定處理。

圖2 下降管結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況，設(shè)計(jì)了如圖3所示的井字形懸吊固定裝置。井字形水平段位于汽包筒體上部，即以汽包筒體作為承力體。焊于下降管上的4個(gè)吊耳與固定裝置緊密接觸以承受下降管重量并限制下降管位移。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，2根垂直于汽包筒體的橫梁每1根均能滿足剛性要求，4根立柱的每1根均能單獨(dú)承受下降管重量。

圖3 井字形懸吊固定裝置

2.2 焊接冷裂紋

BHW35鋼屬于多元低合金高強(qiáng)鋼，綜合力學(xué)性能良好，但具有一定的冷裂紋敏感性，制造與修復(fù)工程中，均出現(xiàn)過(guò)接頭裂紋[8-10]。其產(chǎn)生原因，除了材料本身的冷裂紋敏感性，還與殘余應(yīng)力較大、擴(kuò)散氫含量較高有關(guān)。該工程下降管管座更換修復(fù)，是在大厚壁高拘束條件下的焊接，為了避免冷裂紋，決定采取以下技術(shù)方案：①非對(duì)稱K形坡口。汽包制造時(shí)管座焊接使用埋弧焊，采用的是V形坡口(圖1)。修復(fù)時(shí)，為了減少焊接填充量，坡口設(shè)計(jì)成如圖4所示的非對(duì)稱K形坡口；②合理布置接頭焊接順序。如圖1所示，先焊接管與汽包的角焊縫H1，H1焊后熱處理完成后，再焊對(duì)接焊縫H2和H3，使H1焊接與焊后熱處理時(shí)，一端處于自由狀態(tài)，以減少焊接接頭的拘束；③提高預(yù)熱和層間溫度至180℃；④中間消氫熱處理。當(dāng)H1焊接至汽包筒體壁厚1/2左右時(shí)，進(jìn)行一次中間消氫熱處理。

圖4 更換修復(fù)時(shí)坡口形式

2.3 焊后熱處理

采用Ansys軟件，計(jì)算了下列3種熱源布置位置下的焊后熱處理溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形量。方案1：以管座為中心，對(duì)汽包筒體整周加熱，如圖5a所示；方案2：以管座為中心，管座整周加熱，如圖5b所示；方案3：以管座為中心，管座整周加熱，同時(shí)在與管座管孔相對(duì)應(yīng)的汽包筒體上部輔助加熱，如圖5c所示。

圖5 不同熱源布置位置及其某一時(shí)刻溫度場(chǎng)

計(jì)算時(shí)，材料特性參數(shù)取自文獻(xiàn)[11]，焊后熱處理工藝均為升/降溫速度 40 ℃/h，600 ℃×6 h恒溫。3種熱源布置位置下得到的最大應(yīng)力場(chǎng)、最大變形量比較如圖6所示。從圖中可看出，在整個(gè)加熱過(guò)程中，方案1的整體最大應(yīng)力是最小的，整體最大變形也是最小的，但冷卻到室溫后，3種方案的最大應(yīng)力、結(jié)構(gòu)最大變形相當(dāng)，并無(wú)顯著差異?？紤]到方案1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施難度很大，故決定采用第3種方案。

圖6 不同熱源布置位置最大應(yīng)力和最大變形

3 修復(fù)過(guò)程及方案實(shí)施結(jié)果

3.1 下降管固定

采用H形鋼，制作圖3所示井字形懸吊固定裝置，并固定下降管。采用管道切割機(jī)切斷下降管與管座。先在距下降管角焊縫下700 mm處切割。當(dāng)短管與下降管切斷瞬間，下降管向下位移2 mm，向爐右位移8 mm。此后的修復(fù)過(guò)程中，下降管未再產(chǎn)生目視可見(jiàn)的位移，固定裝置也未發(fā)生目視可見(jiàn)變形。

3.2 管座去除、坡口修整和組對(duì)

采用炭弧氣刨方法去除下降管管座。炭弧氣刨前，采用電加熱方法預(yù)熱至250 ℃。

采用機(jī)械打磨的方法去除炭弧氣刨滲碳層。打磨深度>5 mm。通過(guò)硬度檢驗(yàn)，確認(rèn)滲碳層被完全去除；通過(guò)滲透檢測(cè)，確認(rèn)管孔坡口上無(wú)缺陷。

將汽包筒體+管座接管+管座短管+下降管同時(shí)組對(duì)。通過(guò)調(diào)整坡口間隙，消除下降管位移影響。下降管接管+管座短管+下降管組對(duì)采用定位塊固定；定位塊采用碳鋼材料，與焊件焊條電弧焊點(diǎn)焊固定；布置6塊定位塊，周向間距60°分布；焊件對(duì)口間隙2～4 mm。下降管座與汽包筒體點(diǎn)焊固定，對(duì)口間隙保證不小于2 mm。焊件組對(duì)后的形貌如圖7所示。

圖7 組對(duì)后的接頭形貌

3.3 管座角焊縫H1焊接與焊后熱處理

采用電加熱方法對(duì)管座角焊縫進(jìn)行焊前預(yù)熱。在汽包內(nèi)部管孔周圍布置40 kW加熱片，在汽包外壁管孔周圍布置30 kW加熱片，在管座上纏繞30 kW加熱繩。每組加熱器各布置1支控溫?zé)犭娕肌＜訜釡囟冗_(dá)到180 ℃并恒溫2 h后開(kāi)始焊接。焊接過(guò)程中，保持層間溫度180 ℃。

采用焊條電弧焊(SMAW)，多層多道焊層道布置。首先在汽包內(nèi)部打底焊接并填充約35 mm厚度，然后在汽包外壁進(jìn)行打底層的清根處理，再在汽包外壁仰焊焊接填充。當(dāng)外壁填充40 mm左右，即焊層總厚度75～80 mm時(shí)，進(jìn)行380 ℃×4 h的中間消氫熱處理。消氫熱處理采用預(yù)熱的加熱裝置。繼續(xù)在汽包內(nèi)壁焊接至完成，然后在汽包外壁仰焊至完成。焊接過(guò)程中，記錄的工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 汽包筒體+管座角焊縫焊接工藝參數(shù)

采用電加熱進(jìn)行局部焊后熱處理。管座角焊縫為異型焊接接頭，焊后熱處理時(shí)，焊縫兩側(cè)非對(duì)稱傳熱，可能存在最高溫度偏移焊縫金屬[12]。根據(jù)功率補(bǔ)償法[12-13]，在汽包內(nèi)壁下降管管孔400 mm范圍內(nèi)鋪設(shè)40 kW加熱片，在汽包外壁下降管角焊縫400 mm范圍內(nèi)鋪設(shè)40 kW加熱片，在下降管座上纏繞30 kW加熱繩，每組加熱區(qū)域設(shè)1支控溫?zé)犭娕己蛿?shù)支測(cè)溫?zé)犭娕?。同時(shí)在與汽包下降管管孔相對(duì)的汽包頂部布置40 kW加熱片作輔助加熱裝置，設(shè)1支控溫?zé)犭娕迹c角焊縫加熱裝置同步加熱。焊后熱處理升降溫速度為40 ℃/h，恒溫參數(shù)為620 ℃×6 h。監(jiān)測(cè)顯示，熱處理過(guò)程中，角焊縫區(qū)域?yàn)榧訜釁^(qū)域最高溫度，每組加熱區(qū)域測(cè)溫點(diǎn)溫差10 ℃以內(nèi)。

3.4 對(duì)接焊縫H2，H3焊接與焊后熱處理

采用電加熱方法，對(duì)接管+短管焊縫H2和短管+下降管焊縫H3同時(shí)進(jìn)行焊前預(yù)熱。在每道焊縫坡口上下各纏繞20 kW加熱繩，每組加熱繩各布置1支控溫?zé)犭娕?。加熱溫度達(dá)到150 ℃并恒溫2 h后開(kāi)始焊接。焊接過(guò)程中，保持層間溫度150 ℃。

采用鎢極氬弧焊打底、焊條電弧焊填充和蓋面，多層多道焊層道布置方式焊接。

采用電加熱進(jìn)行局部焊后熱處理。以焊縫為中心，上下各纏繞20 kW加熱繩。當(dāng)H2焊縫焊后熱處理恒溫結(jié)束開(kāi)始降溫時(shí)，H3焊縫開(kāi)始升溫，以錯(cuò)開(kāi)2個(gè)接頭焊后熱處理的最高溫度。H2,H3接頭焊后熱處理恒溫參數(shù)分別為620 ℃×4 h，600 ℃×2.5 h。

3.5 焊后檢驗(yàn)

焊后進(jìn)行外觀檢查、超聲波和磁粉檢測(cè)、金相和硬度檢驗(yàn)、殘余應(yīng)力測(cè)量和水壓試驗(yàn)。各項(xiàng)檢驗(yàn)與驗(yàn)收均合格。其中，無(wú)損檢測(cè)I級(jí)；焊縫硬度180～216 HB；汽包母材筒體硬度169～181 HB，與修復(fù)前硬度相比無(wú)明顯變化；采用小孔法，測(cè)得管座區(qū)域最大殘余應(yīng)力為133 MPa。

4 結(jié)論

(1)以汽包筒體為承力體，采用井字形結(jié)構(gòu)懸吊和固定下降管是可行的，可以有效防止下降管在管座切除、焊接修復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)量的位移。

(2)采用非對(duì)稱K形坡口，保持管座一端自由狀態(tài)下進(jìn)行角焊縫的焊接與焊后熱處理，提高預(yù)熱和層間溫度至180 ℃，當(dāng)焊層厚度達(dá)汽包筒體厚度約1/2時(shí)進(jìn)行中間消氫熱處理，有效避免了管座角焊縫產(chǎn)生冷裂紋和其他缺陷。

(3)以管座為中心，管座整周加熱，同時(shí)在與管座管孔相對(duì)應(yīng)的汽包筒體上部輔助加熱，可以得到合理的焊后熱處理溫度場(chǎng)，修復(fù)后測(cè)得最大殘余應(yīng)力133 MPa。