300MW火力发电机组主蒸汽管焊接、检验及热处理

摘要：本文着重介绍了国产300MW机组δ>70mm，Cr-Mo主蒸汽管的焊接及热处理工艺，并涉及过程中的金属探伤工艺，为大厚壁管件的焊接、检验和热处理过程提供了参考方法。

关键词：大厚壁管 焊接 检验 热处理工艺

在火电施工中，300MW及以上机组的安装，通常会遇到壁厚δ>70mm的管件焊接，这与200MW机组及以下任何机组管道安装的焊接、检验及热处理工艺过程有很大区别，下面介绍一下大壁厚管道焊接、检验及热处理的工艺过程。

1、工艺方案提出

以往从事国产200MW火力发电机组安装焊接主蒸汽管道的规格为φ355x55mm，材质为西德钢材10CrMo910，此种管道可以一焊接完成，经高温回火热处理后，进行超声波探伤检验.而国产300MW机组主蒸汽管规格为φ540.8x85.34，最大壁厚为δ=90mm， 材质为美国钢材A335P22，根据？电力建设施工及验收技术规范（火力发电厂焊接篇）要求，必须进行二次探伤检验，因而增加了中间停顿工艺过程，区别于以往的施工工艺。

2、焊接、检验及热处理工艺制定

美国钢材A335P22，其机械性能数据如表1：

经取样化验，其化学成分及含量如表2：%

根据其化学成分知，其含碳量小于0.15%，含有较多Cr、Mo等合金元素，其化学成分与焊缝及热影响区淬硬及冷裂倾向有密切关系，决定着其焊接性.其碳当量根据国际焊接学会碳当量Ceq公式：

可见其碳当量相当高，因而此钢材淬硬倾向较大，加上管件壁厚较大，其热影响区冷裂倾向也较大，焊接性能较差.在焊接线能量较小时，易出现淬硬组织； 焊接线能量过大时， 热影响区晶粒又显著变粗，两者都明显降低焊接热影响区的塑韧性.当焊缝中扩散氢含量过高， 焊接线能量较小时，由于淬硬组织和扩散氢作用，常在接头中出现焊接冷裂纹.这一类裂纹是Cr-Mo钢焊接时易出现的主要问题。在实际施工中可采用低氢型焊条加上适当的焊接线能量和预热、后热措施，来避免淬硬和焊接冷裂纹现象.根据以上分析，按照焊接材料选用原则，制定如下工艺过程：

焊接采用氩弧焊打底、电焊盖面，打底前预热200℃，恒温0.5小时.盖面前预热250℃-300℃，焊至20mm左右厚度时进行350℃恒温2小时消氢处理.冷却后，做第一次γ射线探伤，探伤合格后， 预热300℃，进行第二次填充，填充完毕后进行720℃-750℃高温回火热处理，处理后进行第二次超声波探伤。

3、材料、工具、机具选定

3.1 焊接材料

（1）焊丝：TIG-R40 φ2.5mm

（2）焊条：E6015-B （R407） φ3.2mm φ4.0mm

3.2 焊接工、机具

（1）打底工具：QQSF-85°/160A筛网式氩弧焊枪，焊枪瓷嘴为L=95mm或105mm特制瓷嘴。

（2）焊机：ZX7-400S逆变式硅整流焊机。

3.3 热处理材料、机具

（1）机具：DWK-A-240KW远红外电脑温控设备。

（2）材料：热偶：WRNK-101 K分度 L=1000mm 测温范围0℃-1000℃。保温：硅酸铝针刺毯。

4、人员配备

（1）要求有BⅡ级相应项目合格证Ⅰ类焊工2名。

（2）具有热处理专业上岗合格证人员2名及辅助工3名。

（3）具有Ⅱ级以上超声波及射线探伤合格证人员2名及辅助工2名。

5、工艺过程实施

5.1 焊前准备

5.1.1 坡口制备

根据《电力建设施工及验收技术规范》（火力发电厂焊接篇）中要求须具备综合型坡口，便于焊工操作时焊缝边缘熔化良好，但现场加工难度大。而且焊缝宽度较大，使焊工工作量增大，焊材使用量增多。结合现场加工能力，本着焊工易施焊，生产效率高，材料消耗少，焊后热影响区小及焊接残余应力小的原则，设计如图1的简易U型坡口如图1：

5G对口及2G下坡口α=8°、R=5、C=5、P=2，2G上坡口为便于上边缘熔化好选α=15°其余参数同前。

在此种设计坡口下，若对口间隙为4 mm，则根据计算，盖面宽度仅约为36±2 mm左右，有利于焊工实施多层单道焊，使焊接生产率大大提高，焊材填充量减少。

为此我们还对此类主蒸汽管管壁在正常工况下的应力进行了复核。本台锅炉主蒸汽出口压力为170Kg/c㎡，温度为540℃。根据？火力发电厂应力计算技术规定？中对于Dw/Dn≤1.7承受内压的汽水管道，有如下计算公式：（Dw管外径，Dn管内径）

式中S1—管子理论计算壁厚，毫米。

Pjs—计算压力，Kgf/c㎡。

—钢材在计算温度下的基本许用应力，Kgf/m㎡。

η—基本许用应力修正值，对无缝钢管取η=1.0。

因而有：

当校核管道强度时，许用应力可按该钢材高温持久强度除以1.5的安全系数得到，因而基本许用应力：

查资料知此种钢材在540℃工况下持久强度平均值：

所以

经计算A335P22钢在540℃介质中的

可以满足设计要求和机组安全运行的要求。

5.1.2 对口要求

对口前应使用角向磨光机将坡口周围不小于15mm范围内杂质打磨干净，露出金属光泽，对口时以手动葫芦调节对口尺寸，对口尺寸应符合DL5007—92中有关要求，为确保对口间隙为4mm左右，对口时应以ф4mm焊条芯夹于其中不少于3点，待点固后取出。避免强行对口，对口受力工具应待焊后热处理完成后拆除。

5.1.3 焊材准备

（1）打底焊丝：TIG-R40，φ2.5mm，0.5kg，除锈、油污。

（2）打底用氩气：纯度为99.95%以上，1瓶。

（3）盖面焊条：R407，φ3.2mm、4—5Kg 。R407，φ4.0mm、50—55Kg。焊前应进行350℃—400℃，保温1.5小时烘干，冷却至100℃恒温，随用随取，以保温筒运送现场。

5.1.4 施工环境要求

（1）环境温度保证在0℃以上。

（2）设有防风、雨、雪帐篷。

（3）照明及电力供应充足。

5.2 施焊

5.2.1 点固焊

由于壁厚较大，为保证预热温度均匀，采用远红外加热器预热。为使预热前后对口尺寸不发生变化，采用“门”型固定块按均分120°点焊于圆周，点焊固定块前，先在点焊部位 以火焰加热至150℃以上，加热范围为100×50mm，点固焊材为正式施焊焊材。固定块尺寸及点固方位如图2、图3：

5.2.2 预热

由于此钢材的碳当量为0.802%比较高，为了防止淬硬倾向，规定打底预热温度为150℃-200℃，恒温1小时。

其升温速度根据

因而其预热升温速度可按73℃/小时升温。

5.2.3 氩弧焊打底

为防止焊接变形及应力集中，采用双人对称打底，打底顺序如图4：

打底前先检查氩气纯度，并将管两头封住，以防止穿堂风影向打底质量，使用电流为110A—120A，打底层厚度不小于3mm，随时用小手电检查根部透度情况，封底完成后，检查打底质量，无裂纹等缺陷后，则可升温至300℃，准备焊接。

5.2.4 第一次填充

采用双人对称焊接方法，填充第一层选用直径为φ3.2mm焊条，电流为90A—120A，焊接厚度不大于4.2mm。

填充第二层选用直径为φ4.0mm，使用电流为160A—200A，每层填充厚度不大于5 mm，层间温度保持300℃左右，填充3-4层即停止焊接，此时填充厚度为20±2mm，为保证焊逢根层质量，便于缺陷返工，此时应进行第一次无损探伤。

5.2.5 消氢处理

为使冷却后探伤过程中焊逢不产生冷裂倾向，应进行350℃恒温2小时消氢处理。处理前应以角向磨光机取掉门型固定块，并打磨平整，然后重新布置加热器及热偶（不拆保温），热偶对称布置于坡口边缘。

升降温速度为73℃/小时，降温至300℃以下关机，不拆保温自由冷却至室温。

5.2.6 第一次无损探伤：

由于管件壁厚较大，因而采用γ射线探伤，放射源为Ir192。采用铅增感屏，胶片选用J1或J2型，其固有灰度不大于0.3，胶片尺寸为360×30mm。

透照方式有两种：对于组合焊口及射源可放入管件内的管道采用中心全周透照法；对于安装焊口可采用双壁单投影透照法。

5.2.7 第二次填充

按73℃/小时升温速度，升温到300℃，恒温1小时，开始第二次填充，填充方法同第一次填充，共填充12-14层，填充总厚度约84mm左右，开始盖面，盖面一次成型，此时电流可比层间焊接电流稍大。盖面完毕后，立即进行焊后热处理。焊逢填充全过程如图5：

5.2.8 焊后热处理

焊接完毕后立即进行720℃-750℃高温回火热处理，热处理所需功率根据计算为：

式中：

D—管件直径mm

S—管件壁厚mm

电脑温控设备DWK-A-240KW是6炉温控加热，因而使用两炉80KW即可达到要求，两只测温热偶对称布置，水平管热偶按上、下分布；垂直管热偶任意对称分布。其热处理规范为：300℃以下以100℃/小时速度升温，300℃以上以73℃/小时速度升温，至730℃恒温4小时。降温速度与升温速度相同，300℃以下不拆保温关机自由降温。其加热宽度为焊缝两侧各500mm，保温宽度为焊缝两侧各700mm，保温厚度为50mm，加热器为履带式加热器，其规格根据管件周长与单片加热器功率要求及热处理机单炉功率关系知：

单片加热器功率：10KW

热处理机单炉功率：40KW

因而按周长分布需4片加热器才满足要求。则单片长度应为：

L=Dл/4=540×3.14/4≈432mm

取长度为420mm，则据计算加热器规格为：420mm×500mm（预热及中间消氢热处理加热及保温宽度、厚度与此相同）

5.2.9 无损探伤

热处理冷却后，拆除热处理装置，以角向磨光机将焊缝两测各200mm宽打磨出金属光泽，光洁度为D4，进行100%焊缝超声波探伤。由于管壁较厚，可采用一次波探伤，但须增大探头折射角。其探头移动范围为：

P=Ttgβ+50

式中 P—探头移动范围（mm）

T—管壁厚度（mm）

β—折射角。一般选定为45°或55°

所以有 P=85.34tg45°+50≈135 mm

检验频率选f为2—2.5MHz如图6。

注：（1）—TIG（氩弧焊打底）过程，预热温度为100-150℃

（2）—SMAW（电弧焊）过程，预热温度为250℃

（3）—焊口焊接完毕后，待其冷却到100-120℃恒温1.5小时

（4）—焊后高温回火热处理 温度760±10℃

（5）—热处理降温降之300℃以下自由冷却如图7。

6、结语

以上工艺过程通过焊接工艺评定，其参数完全符合此钢材的要求，经过靖远二期、平凉一期六台机组安装实践证明此工艺过程较好地控制了焊接质量，焊口返工率很低，为大壁厚管件在施工中的焊接提供了可靠的焊接及热处理工艺。

附：厚壁焊口缺陷返工工艺

根据缺陷返工单确定缺陷方位及深度，以碳弧气刨或火焰切割方法挖去缺陷，操作者必须为有经验的高级焊工，然后用ф180mm角向磨光机打磨增碳层或过烧层，以硬质合金返修钻进行细加工，将返修部位打磨出金属光泽，检查无其他缺陷后，即进行预热（同第一、二次填充），以ф3.2mm焊条填充第一层，然后以ф4.0mm焊条填充、盖面，其过程同正式焊接。焊完后立即进行焊后热处理，并做无损探伤。

参考文献

[1]《电力建设施工及验收技术规范》.（火力发电厂焊接篇）.

[2]《焊接材料及钢铁焊接》.（机械工业出版社）.

[3]《管道焊口局部热处理工艺》.（东北电力实验研究所）.

[4] 邢鼎华.《电厂用耐热钢》.

[5]《金属熔焊原理及工艺》.（机械工业出版社）.

[6]《电力建设施工及验收技术规范》.（管道焊缝超声波检验篇）.

[7]《钢管环缝熔化焊对接接头射线透照工艺和质量分级》.GB/T12605-90.