锅炉汽包、联箱和厚壁管的焊接问题.doc

锅炉汽包、联箱和厚壁管的焊接问题
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赵旺初
摘要:锅炉汽包、联箱和厚壁管的缺陷返修补焊,是一项难度较大的工作,本文收集了我国某些火电厂上述部件的缺陷修复实例,按同种钢焊接与异种钢焊接,筒体环缝补焊与管座角缝补焊的工艺、检验、热处理等分类作重点介绍。
关键词:焊接 汽包 联箱 厚壁管
1前言
锅炉汽包、联箱和蒸汽管道因不直接受热,机械应力一般较小。它的焊接缺陷,往往在投运后许多年才暴露。一旦发现,如不及时处理将严重威胁安全运行。汽包、联箱和蒸汽管道壁厚较大,材料有低碳钢也有合金,这些部件的焊接,有同种钢焊接也有异种钢焊接,对 焊接要求较高,尤其是在电厂现场焊接条件较差,如何保证焊接质量应十分重视。
2等壁厚同种钢的环焊
2.1低碳钢环炉
太原第一热电厂2号炉是前苏联巴尔纳乌尔锅炉厂出品的中温中压炉。汽包外径1382mm,壁厚48mm,长8505mm,20号钢制成,原焊缝为埋弧自动焊。该锅炉已运行三十多年,于1992年 12月大修时发现汽包环焊缝多处裂纹,其中超标的两段见图1。A段裂纹长400(907-557)mm,B段长160(290-130)mm。
该汽包为20号钢,焊接性能好。制造厂未提供缺陷处理的原始资料,安装时和投产后亦无焊缝裂纹记录,单凭这次大修的发现,很难对裂纹的产生作出正确的原因分析。现将该厂现场修复的坡口加工、焊接和热处理的工艺,以及焊后检验等扼要介绍如下。
补焊坡口开在汽包外壁,采用机械方法备制坡口。焊条选用507,1~4层用φ32,其余各层用φ4焊条。为了防止裂纹的产生,焊前后进行热处理,热处理采用远红外加热器,控制设备为WDK-3120可编程温度控制柜和DKJ-C自动控制仪。焊后质量检验合格。
2.2锰钢环焊
湖南鲤鱼江电厂8号炉型号为DG300/100-4,汽包参数为1600×90mm,19Mn5钢,工作压力1 1.27 MPa,饱和温度320℃。该炉1981年投运,1991年在东北电管局锅炉检测中心派员指导下,经超声波探伤,发现一条编号为H2的环焊缝和一条Z3纵焊缝有裂纹群。H2裂纹走向均为垂直于环缝的裂纹群,绝大部分裂纹埋藏深度范围为距内壁20~70mm处,裂纹长度为5~22mm,裂纹沿H2环缝周向分布范围约90mm,见图2。Z3纵缝裂纹走向为八字形,与汽包纵向轴线成45°的夹角,裂纹长7~16mm,18条互不相连的裂纹。H2裂纹为密集型裂纹群,裂纹群区域内的金属材料质地已恶化。经强度计算H2裂纹群区域实际对强度的有效壁厚,已小于汽包强度计算要求的最小壁厚,属不安全、应修理的缺陷。Z3裂纹群计算结果尚可满足强度要求,可监督运行。1995年湖南省电力局决定对汽包H2环缝裂纹群进行挖补处理 。
由于裂纹最大埋藏深度达80mm,如裂纹清除单纯只采用机械方法,则工作量很大,该厂采取先用碳弧气刨刨除法,刨除到离缺陷最深处位置约20mm处,然后采用机械方法清除剩余裂纹。此法既减小了工作量又避免气刨时扩大裂纹。碳弧气刨前,先用乙炔焰预热控制区域到10 0~150℃。当裂纹分布区经碳弧气刨后还剩有约20mm的金属时,改用角向砂轮磨削。补焊坡 口修磨成形后,须经渗透探伤检查,证明刨削打磨过程未出现任何新裂纹或原裂纹延长才能 施焊。为了避免焊接应力导致补焊区产生裂纹,该电厂采取如下措施:
a 焊前预热200~250℃,补焊中保持此温度;
b 按程序补焊,即由坡口两侧往中间进行,采取单向不摆动的运条法;
c 每焊完一道,立即跟踪锤击消除残余应力;
d 焊接电流不宜太大。焊接速度不要太快;
e 当补焊到工作量的1/3时,进行中间消氢处理,消氢处理温度为300~400℃,保温2h;
f 补焊完毕即进行消氢处理和去应力退火。
图3系整个热处理工艺曲线。
焊补热处理后质量鉴定十分重要,包括外观检查、硬度测量、无损探伤和汽包弯曲度测定。该汽包补焊后检验合格,现已经过数年运行考验。
3锰钢和碳钢厚壁管之间的角焊
锰钢和低碳钢都属可焊性较好的钢种,但因为是大管径、厚壁、异种钢的角焊,且用于高温高压锅炉,焊缝缺陷将威胁到机组的安全运行。
广西合山电厂6号炉为DG410/100-3型。汽包材料19Mn、外径1780mm、壁厚90mm。汽包4根集 中下降管管座材料为20号钢,管外径467mm,管壁厚80mm。该炉1978年投运后到1994年大修时累计运行62816h。
1982年首次发现汽包集中下降管一管座角焊处有一面积28×12mm2、深约90mm的面状缺陷。后与制造厂共同检验、判断为未熔合。根据JB1152-81,该缺陷尚未超标。1985年复检,该缺陷无变化,但在相距15mm处又发现一17×13mm2面状缺陷,按JB1152-81仍未超标。在以后的测试中,两缺陷端点的距离逐年减小,至1994年大修探伤发现,两缺陷相邻端点的探伤回波相互覆盖,显示为1个面状大缺陷。改变探头晶片尺寸、频率和入射方式等进行核查,也证明两个已并成1个缺陷。缺陷面积约55×22mm2,距探面深(86~96)mm,是一条朝向汽包壁厚方向的裂纹。
裂纹产生和扩展的原因,首先是制造厂出厂时未查出角焊处已有的块状未熔合。该炉投运20 年来启停炉超过200次,又有两年机组参加调峰的记录,促使块状未熔合发展。
在裂纹部位的内壁用远红外加热到150℃。加热面积以缺陷为中心,向周围扩展(350~400)mm范围。用碳弧气刨刨至适当的深度,再用机械方法彻底剔除裂纹,然后打磨修成补焊的坡口,见图4。
热处理采用远红外线幅射、复带式远红外陶瓷块。全覆盖法远红外可按下式计算其容量。
P=KDS
式中P——加热功率,W;
D——联箱或管座直径,mm;
S——联箱或管座壁厚,mm;
K——系数,可选。联箱1.0,管座0.8W/mm2。
合山电厂补焊后热处理工艺按图5进行,升温时内外壁温差控制在40±10℃。降温时到300℃以下缓冷至环境温度。热处理后进行上述各项检验、证明合格
4以X20CrMoV121为管材的角焊
X20CrMoV121(F12)为马氏体不锈耐热钢,广泛用于电厂中500~600℃以下的蒸汽管道和联箱等。F12钢有良好的力学性能和其它方面的优良品质。F12合碳量C为0.17~0.23%,当C<0. 17%时,钢中易产生自由铁素体,因而降低蠕变强度。C增加到0.20%,可以不出现自由铁素体,但当C再增加时会引起钢的淬硬性上升,不利于焊接,故以0.23%为高限。为此,F12在焊接过程中,应避免发生碳的迁移导致脱碳和增碳现象。F12钢含合金元素高,冷淬倾向大 ,又多用于大直径厚壁管,拘束度大,冷裂纹敏感性高;F12钢还有较大的晶粒粗化和回火脆性,焊接时热影响区易出现软化带现象。
4.1实例之一——洛河电厂
洛河电厂2号炉SG1000-170/555-M307型亚临界中间再热直流锅炉、双燃烧室Ⅱ型布置。该炉高温过热器出口联箱、主汽集汽联箱、再热汽集汽联箱和压力平衡管均为F12钢,与这些联 箱相角焊的管座为12Cr1MoV。2号炉1998年10月投运,累计运行49114h后,发现了下述问题 。
首先在主汽集汽联箱一侧电磁阀一次门进口管座角焊处有轻微泄漏。为此,对管座作全面检查,共发现58只管座角焊缝有裂纹,占全部同类型70只管座角焊缝的82.8%。裂纹最长达380 mm,裂纹深均在1.5mm~8.5mm之间。
4.1.1裂纹形态和走向与管座根部受力情况有关,其角焊缝裂纹情况如下。
4.1.1.1安全阀管座角焊缝裂纹沿角焊缝管座一侧的熔合线处产生,环状裂纹由外向内发展,有明显的方向性。裂纹产生的部位都在非排汽管侧,向两端扩展伸延。
4.1.1.2
电磁释放阀和向空排汽阀管座角焊缝的裂纹也是沿管座侧熔合线产生的,但无方向性。角焊缝的四周均有阶段性裂纹,深度在5.6~8.4mm之间,见图6,部分裂纹已裂通漏汽。