安防之家讯：【摘要】围绕哈尔滨第三发电厂2台600MW机组建设安装生产实际，对高参数大容量火电建设工程中的焊接技术特点及其应用进行了深入的探讨，为今后同类型机组的建设施工提供科学依据。


【关键词】 600MW机组；焊接技术；安装施工


0　前言


“八五”期间，我国电力建设事业发展迅速，高参数、大容量火力发电机组相继建成投产，火电装机容量不断增大，管道焊口的规格、钢材、焊接材料的使用日趋复杂，对工程焊接工艺、焊接质量的要求越来越严格，因此认真地调查分析大型火力发电机组安装建设中焊接技术以及应用，总结经验，为以后的焊接施工提供参考和依据很有必要。


1　工程概况


1.1工程简介


哈尔滨第三发电厂二期2台600MW机组是我国目前国产化程度最高的大型燃煤火力发电机组；该机组由哈尔滨三大动力厂引进技术优化制造，锅炉是哈尔滨锅炉厂引进美国CE燃烧公司技术制造的HG-2008T/18.20-YMZ型强制循环汽包锅炉，汽轮机是由哈尔滨汽轮机厂引进美国西屋公司技术制造的N600—16.7/537型四缸四排汽亚临界中间再热凝汽式汽轮机；发电机是哈尔滨电机厂引进美国西屋公司技术制造的Q1SN—600—2YH型发电机；主机国产化率达88.9%，辅机设计国产化率达95%；由黑龙江省火电三公司承担建设安装任务。


1.2主要焊接工程量


锅炉受热面本体范围内管道焊口34130个，其中：


φ76以下的小口径管道焊口31281个；φ168以上的大口径管道焊口638个；φ76<直径≤φ168的中径管道焊口总数为2211个。


汽机本体焊口总数为2986个，其中主蒸汽管道焊口56个，再热热段焊口60个，再热冷段焊口56个，高压给水管道焊口275个。


2　钢材和焊接材料


600MW机组中采用的钢材主要是美国钢材系列，另外还有德国钢材系列和国产钢材系列。


2.1美国钢材系列


水冷壁和省煤器：SAl78C、SAl05、SAl06C、SA213T2、SA210C、SA210A1、SA213T12；


过热器和再热器：SAl78C、SA213T12、SA213T22、SAl06C、SA335P12、SAl82F12、SA335P22、SAl06B、SAl82F22、SA234P12、SA213T91、SA213P304H、SA213TP347H；蒸汽管道及联箱：SAl06C、SAl78C、SA335P12、SAl82F12、SAl82F22、SA335P22、SA213T12、SA210C、SA234P12、SA335P11、SA-229、SAl06B、SA515-70、SA672-B70—CL42。


2.2中国钢材系列


我国国产大型火电机组(600MW)，除采用美国钢材以外，还采用了部分国产钢材，如：20号钢、20g、15CrMo、12CrlMoV、12Cr2MoWVTiB等。


2.3德国钢材系列


主要有St45.8/Ⅲ。


3　焊接工艺技术


3.1600MW机组焊接施工特点


3.1.1焊接工程量大


哈三600MW机组焊接工程量庞大，即使烟、风、煤等钢结构焊接工程不计的话，仅机组管道安装焊接的工程量也是很大的；一台锅炉本体范围内焊口就有：34130个。


3.1.2钢种繁多、规格多样


由于管道材质及规格是依据各部位工作条件设计制造的，因此在大容量火电机组的安装施工中，钢材的种类很多，一台机组中承压部件涉及到十几种甚至几十种钢材，大部分机组使用多个国家的材料，如哈三600MW国产化机组的钢材有美国的、德国的，也有国产的钢材系列；引进的美国机组的钢材品种繁多，如水冷壁管道钢材就采用了5种：SAl78C、SA213T2、SA210A1、SA213T12和SAl06C。


尤其值得注意的是，在美国机组的锅炉受热面管子中，除了碳钢和合金钢管外，在高温部分采用了奥氏体不锈钢，如SA213TP304H、SA213TP347H等；哈三600MW机组锅炉过热器及再热器系统管道中就应用了TP304H和TP347H。


按照各部位使用寿命相同的原则设计，大型火电机组中管径和管壁厚度变化较大，即使同一部件(如屏式过热器)，由于部位的不同，管子的管径和壁厚也不尽相同，例如哈三600MW机组锅炉屏式过热器就有14种不同的规格(D×T)。


3.1.3异种钢焊口多


在大型火电机组的焊接过程中，由于钢材品种繁多，使异种钢接头数量较多，在焊接材料选择、焊接工艺规范的制定及质量控制等方面都有严格的要求，哈三600MW机组异种钢焊口就有6810个。


3.1.4大口径厚壁管道的焊接


随着机组参数的增大，热力系统管道的口径和壁厚也相应增大，给焊接、检验及热处理工艺带来了很大困难，例如哈三600MW机组主蒸汽管道为φ673厚106mm，减温器出口连接管为φ813厚100mm，后屏过热器出口连接管为φ610厚105mm。


3.1.5小口径厚壁管道焊接


锅炉受热面本体范围内小口径管道的壁厚也随着锅炉参数的增大而增加，如哈三600MW机组锅炉后屏过热器规格为Φ57厚12mm，末级过热器规格为Φ57厚13mm，Φ51厚11mm，给焊接接头的无损探伤带来了很大困难。


3.2TiG和TiG/SMAW焊接工艺


3.2.1全氩弧焊接(TiG)


大型火电工程锅炉受热面小口径管道的布置密集，小间距管排多，为了减少合金元素的烧损，降低焊缝热影响区，确保焊接接头质量，在600MW机组锅炉小口径管道的焊接过程中，都推广应用了全氩弧焊接工艺，例如：在哈三600MW机组锅炉受热面小口径管道焊接中：


立式低温过热器：φ63厚7mm，φ57厚9mm，φ63厚8mm；


再热器：φ63厚4mm，φ57厚4mm；


省煤器管排：φ42厚5.5mm，φ38厚5.5mm；


锅炉油管路：φ89厚4.5mm，φ57厚3mm，φ45厚2.5mm，φ32厚3mm。


因此在600MW机组的焊接施工过程中，全氩弧焊接工艺的应用已相当广泛，有以下几个方面的特点：比重大，全氩弧焊接工艺在大型火电工程焊接施工中所占的比重越来越大，哈三600MW机组为35.12%，对于壁厚δ≤6mm的锅炉受热面过热器及再热器管子基本上全部采用了TiG焊接工艺；省煤器管排全氩弧焊接；在关键控制项目上应用TiG焊接工艺。例如：在哈三600MW火电机组焊接施工中，针对立式低温过热器和油系统管道的质量要求和施工特点，推广TiG焊工艺，熔池金属冷却快，焊件热输入量小，高温停留时间短，焊工能有效地控制熔池尺寸，确保了焊接接头质量。


3.2.2TiG/SMAW焊接工艺的应用


在大型火电机组的焊接过程中，锅炉受热面管道焊口除了采用TiG焊接工艺外，基本上全部采取TiG/SMAW焊接工艺，确保了根部焊层质量；汽机四大管道焊口全部采用了TiG/SMAW焊接方法；中低压管道焊口全部采用TiG/SMAW焊接工艺，例如在哈三600MW机组汽机的四级抽汽、五级抽汽及给水泵低压进汽管道、六级抽汽、凝结水系统管道、辅助蒸汽管道以及汽机本体油系统管道等都采用了TiG/SMAW焊接方法，从根本上解决了中低压管道焊接的质量通病。


3.3大口径厚壁管道焊接工艺


3.3.1大口径厚壁管道的焊接作业特点


厚壁管道的焊接存在三维残余应力；由于径大壁厚、刚度大、拘束力大，引起裂纹(冷裂纹、再热裂纹)的倾向大；预热、后热及焊后热处理工艺复杂；采用多层多道焊接工艺，控制层间温度；焊接接头的无损检测工艺复杂。


3.3.2焊接材料的选择


对于大口径厚壁管道而言，其拘束应力大。例如为了防止裂纹的产生，在焊接材料的选择上应采用低氢型或超低氩型焊条，并严格执行烘干工艺，使焊缝金属中的含氢量处于最低水平。例如在SA335P22大口径厚壁管道的焊接上，焊接材料选择了R407这类的低氢型焊条。


3.3.3焊前预热


焊前预热的目的是为了改善可焊性，减少产生裂纹的机率，对于厚壁管道的焊接而言，预热是一个必不可少的环节。


3.3.4后热(消氢处理)


在填充过程中停焊时，必须立即进行后热，消除残余扩散氢，松弛焊接应力；在重新焊接前，应全面检查，在保证没有裂纹的情况下，重新预热进行焊接。对于大径厚壁管道，在全部焊口焊到75%壁厚时，应进行后热脱氢处理。


3.3.5热处理


焊后应立即进行整体热处理，热处理时应使整个厚管壁被热透。美国ASMT2规定，恒温时内外壁温差不得超过50℃，这和我们CL5007-92标准也是一致的，所以厚壁管道的热处理一般不用中频电源，因为有集肤效应，都是工频作为热处理电源。从哈三600MW机组焊接实践来看，采用工频电源和履带式加热器是切实可行的。对于EA335P22主蒸汽管道的热处理工艺，600MW机组在施工时避开了脆性转变温度，例如哈三电厂为720-750℃/5h。


3.3.6采用多层多道焊焊接工艺


在600MW大型火电机组中，对于厚壁管道的焊接采用了多层多道焊。由于下一道对上道有回火作用，可以细化晶粒、提高韧性，但应控制焊道的几何尺寸、以薄层焊道为好，覆盖面要宽，使细化面积大，也有利于扩散氢的逸出。在哈三600MW机组中执行DL5007-92的标准；即焊道的单层厚度不大于所用焊条直径加2mm宽度不大于焊条直径的5倍。


3.3.7焊口的无损探伤


对于大口径厚壁管道的无损探伤，目前国内外没有统一的标准和经验，从600MW机组的焊接检验情况来看，无损探伤方法主要有两种，即射线检验(RT)和超声波检验(UT)。为了确保焊缝根部质量，对于厚壁管道而言，有以下两种模式：在管道组合焊缝附近一空区域设置探伤孔，当焊缝施焊到20mm左右时，利用γ射线源进行中心透照探伤，整个焊口完成后，利用不同规格的探头(如1K1或K2)进行超声波探伤。管道焊缝附近区域不设探伤孔，当焊缝施焊到20~25mm时进行一次超声波探伤；整个焊口完成后再进行100%的超声波探伤。


4　SA335P22珠光体耐热钢焊接工艺(大径厚壁管道)


4.1SA335P22钢种简介


SA335P22是美国ASME标准中适用于高温高压条件下的珠光体耐热钢，其化学成分和国产钢导12CrMo及德国10CrM0910钢号相似(但其机械性能有些差异12CrMo及10CrM0910这两种钢的TS/T6值均高于SA335P22，可焊性优于SA335P22钢)，在大型火电建设工程中已被广泛应用，属于一种比较成熟的钢种，其耐热性及抗氧化性较好，但是这种P22钢具有一定的冷裂倾向和再热裂纹倾向。在哈三600MW机组主蒸汽管道(SA335P22)焊接中，也曾出现了冷裂纹和再热裂纹。


4.2焊接工艺流程


以600MW机组焊接实践来看，其焊接工艺流程大体包括以下几个方面：


焊前准备→坡口清理→组对→点固→预热→氩弧焊打底→预热→电焊盖面到20~25mm→后热→第一次根层焊缝探伤→预热→电焊盖面→停焊→后热→(预热→电焊盖面→停焊→后热)→预热→电焊盖面到75%壁厚→停焊→后热脱氢处理→预热→电焊盖面直到完成整个焊口→最终热处理→焊缝探伤。


注意事项：a.在设置探伤孔时，完成无损探伤检验后，其探伤孔堵头焊接完成后应进行整体热处理；如在完成整个焊口后进行的无损探伤检验中不做γ射线探伤只采用超声波探伤，其探伤孔堵头的焊接应在最终热处理之前完成，避免重复处理；b.应保证焊接——热处理——检验各专业工序之间的交接有序。


4.3焊接材料的选用.


a.焊接材料的选用焊丝：TiG-R40。焊条：R407；b.严格电焊条的烘干工艺，有效地控制熔池中氢的含量，在焊接作业过程中使用保温筒。


4.4焊接方法：


TJG/SMAW预热盟度为:氩弧焊打底时150℃；电焊填充时预热温度为250~350℃，采用工频电源及履带式加热器进行加热。


4.5氩弧焊工艺


氩弧打底焊接时采用2人对称施焊，电流采用直流正接，电流为80-100A，电压范围为12~14V，焊接速度为35~45mm/min，熔敷金属厚度为2.5~3mm。电焊填充第1~4层采用Φ3.2焊条，直流反接，焊接电流为110~140A，电压为20~25V。以后各层采用令4.0电焊条，电流为135~210A，电压为25~30V。多层多道焊时，电焊填充单层厚度应尽可能小于或等于焊条直径。


层间温度应控制在200-300℃，或连续施焊或在坡口附近一空区域两侧对称布置履带式加热器，若温度低于控制温度时，随时进行预热。


在电焊填充过程停焊时，应立即进行后热处理(300-350℃/2h)；重新施焊前应全面检查，在保证没有裂纹的前提下，重新预热焊接。


一次根部焊缝的无损探伤应在施焊层厚度为20~25mm时进行；考虑到大口径厚壁管道施焊到20~25mm时的几何形状和综合探伤的优越性，在一次根部探伤时，推荐采用γ放射源中心透照。


焊后最终热处理温度的确定，应避免开再热裂纹敏感温度720~750℃/4h。


5　12Cr2MoWVTiB(钢102)焊接工艺


5.1钢102的性能


钢102是一种多元素复合强化的低合金贝氏体钢，具有较好的综合机械性能，在哈三600MW机组锅炉后屏过热器出口与集箱接口、末级过热器、末级再热器及后屏再热器等系统管道中采用了相当部分的钢102管。试验研究结果表明，钢102焊接热影响区粗晶区，其再热裂纹敏感温度为720℃，在此温度下的临界断裂初始应力为146MPa，低于钢材本身的高温屈服强度，因此102钢的再热裂纹倾向较大；同时102钢在525~625℃产生回火脆性，因此为了改善焊接接头性能，避免产生冷裂纹和再热裂纹，应制订合理的焊接工艺。


5.2焊接材料的选择焊条：R347(E5515-B3VWB)。焊丝：TiG-R34。


5.3焊接方法


a.对末级再热器及后屏再热器Φ63厚4mm，Φ57厚4mm小口径管道采取全氩弧焊接TiG；


b.对于后屏过热器级末及过热器：TiG/SMAW(δ≥6mm)。


5.4预热温度


a.对于Φ63厚4mm及Φ57厚4mm壁厚小于6mm的管子，可取消预热；


b.对于壁厚大于6mm的过热器或再热器管子，预热温度控制在250~350℃，以减少焊接残余应力和过热区的硬化，消除冷裂纹；


c.采用工频、履带式(绳状)加热器或火焰加热。


5.5焊后热处理


a.对于壁厚小于等于6mm，管径小于63mm的12Cr2MoWVTiB管子，在采用全氩弧焊接时，可免去焊后热处理；


L对于壁厚大于6mm的钢102管子，焊后热处理温度应控制在750~780℃，以避开再热裂纹敏感温度。


5.6注意事项


a.对于壁厚小于6mm的钢102管子，在焊接前可适当进行预热，预热温度控制在100~150℃(按照DL5007-92标准，δ<6mm钢102管可免去预热和焊后热处理。但在实际现场焊接过程中，由于过热器及再热器系统管子几何位置受限，焊口组对时存在拘束应力，如无预热和焊后处理，也没有焊后的缓冷措施，很容易产生裂纹，因此推荐焊前进行适当的预热)；


b.应避免因管排自重、强行对口、对口间隙过大等造成的附加应力，减少焊缝余高，避免咬边等焊接缺陷，以消除应力集中源。


6　大口径厚壁管道焊口的无损探伤工艺


在大型火电建设工程焊接生产过程中，大口径厚壁管道的出现，不仅给焊接施工带来了困难，而且在焊缝的无损检验上也遇到了全新的课题，如哈三600MW机组的Φ673厚106mm，Φ813厚100mm等，这些大径厚壁管道的焊接及检验是在以往200MW、300MW机组施工中从来没有遇到过的。按照DL5007-92标准，“对于δ≥70mm的管子，在焊到20mm左右时，进行100%的射线探伤，焊接完成后，再进行100%的超声波探伤”。在哈三600MW机组焊接实践中，我们采用了射线超声波联合探伤法。


6.2射线超声波联合探伤法及根层焊缝的一次射线探伤检验。在根层焊缝厚度为20mm左右时，利用射线探伤方法，对根层焊缝进行检验。在大口径厚壁管道根部一次射线探伤方法中，可分为2种方法：


a. γ射线源的中心一次透照法


在600MW机组厚壁管道焊缝设计上，焊缝附近区域都设置了探伤孔，采用小间隙用胶片(一般尺寸为20mm×360mm)，利用γ放射源较高的射线穿透能力进行中心一次透照。考虑到γ放射源的强度、半衰期等技术指标，引进了Ir-192放射源。现场实践证明，采用Ir-192放射源进行一次根部中心透照，其黑度、灵敏度、清晰度等都能达到要求；


b.单壁单形透照法


在哈三600MW机组大口径厚壁管道焊接检验中，对于地面组合焊口，采用x射线的单壁单形法进行透照，取得了良好的效果，缺陷检出率达100%。对此专门设计研制了传动式贴片架，把x光胶片固定在贴片架上，胶片在内、射源在外、垂直透照，采用正常规格的胶片(例如100mm×360mm)，利用传动式贴片架把这一问题转化成了正常的射线检验，贴片准确率达100%，确保了组合焊口质量。焊缝全部完成后的超声波探伤，采用两种不同规格探头。


7　锅炉受热面小口径管道的超声波探伤技术


在大型火电机组中，对于锅炉受热面小口径管道的无损探伤，都不同程度地采用了小径管超声波探伤工艺，锅炉受热面小径管超声波探伤比例都不低于25%。对于小口径管道的超声波探伤，目前国内外尚无成熟的经验；由于小口径管道的壁薄、曲率大，给超声波探伤带来了很大困难。


目前对于小口径管道的超声波探伤工艺，主要有4种：黑龙江省电力科学研究院研究的单平晶片大角度一、二级波探伤法；电力建设研究所研究的双晶片聚焦一次波探伤；河北电力试验研究所研究的单子晶片小角度二、三次探伤；北京电力科学研究院研究的双晶片双倾角聚焦探头探伤法。


在哈三600MW机组锅炉受热面小口径管道的超声波探伤工艺上，基本是采用黑龙江省电力科学研究院研究的单平晶片大角度一、二次波探伤工艺。

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