超超临界机组安装焊接

电力系统 · 发表于 2012-2-3 19:40:22

超超临界机组安装焊接
一、       前言
发展超超临界机组不但可大幅度提高火电厂效率，而且还具有显著的节能和改善环境的效果，超超临界机组是今后相当长时期内火力发电的主要发展方向之一。
现今电能的获得主要通过火电厂的煤碳转化而来。煤碳的化学能转化为电能的转化效率取决于蒸汽的参数：
蒸汽参数为16.7MPa/538℃/538℃的亚临界机组的厂效率为41.8%；
蒸汽参数为25MPa/540℃/560℃的超临界机组的厂效率为43.3%；
蒸汽参数为27MPa/585℃/600℃的超临界机组的厂效率为44.4%；
蒸汽参数为30MPa/600℃/620℃的超超界机组的厂效率为45.1%；
蒸汽参数为31.5MPa/620℃/620℃的超超临界机组的厂效率为45.5%。
因此提高煤----电的转化效率，降低转化成本，建设超超临界机组，减少对环境的污染，正是火力发电建设的趋势。
二、       焊接工程特点
但是随着超超临界机组的建设，大量耐高温、耐高压、抗腐蚀氧化的金属材料的应用，电厂建设的焊接问题、金属材料的失效问题就成了电厂运行的关键。
超超临界机组焊接主要特点如下：
1、涉及钢种多，主要有：
1.1 碳素钢：SA210C、SA106C、20G、Q235。
1.2 低合金钢：WB36、20MnMo、16MnR、Q345B。
1.3 热强钢：
珠光体钢：SA213T12、SA335P11、A691Gr1-1/4GrCL22、15CrMo，SA335P22、A691Gr2-1/4GrCL22，12Cr1MoV
贝氏体钢：SA213T23
马氏体钢：T/P91、T/P92、T/P122。
1.4 奥氏体不锈钢： SA213TP310HCbN（HR3C）、CodeCase2328（SUPER 304H）、0Cr18Ni9Ti、TP316H、TP316L
注：“加粗字体”的为新型耐热钢
2、焊接材料种类多，主要有：
2.1 焊丝：CHW-50C6、TGS-50、TIG-J50，ER80S-G， TGS-1CM、TIG-R30，TGS-2CM、TIG-R40，TIG-R31，9CrMoV-N、TGS-9CB、MTS-616 ， YT-304H、YT-HR3C、TGS-308L、TGS-309L、TGS-316L、TGS-317L、ERNiCr-3。
2.2 焊条： J422、J507、J757Ni、E9018-G、R307、R317、R407、9MV-N、 MTS-616、A137、A307、A402、 ENiCrFe-3。
3、焊口数量多，焊接工程量大
到目前为止国内百万超超临界机组的现场受监焊口数基本上都在8万只以上（不包括凝汽器的钛管焊口），差不多为600MW超临界机组的两倍。
4、管道（子）壁厚增厚
尽管采用了大量的高强度、耐高温、抗腐蚀的新型耐热钢，但是由于机组压力、温度高，所以不论是小口径管子还是大口径的管道，其壁厚都普遍明显增大，如大量出现了规格为φ38.1×7.5mm、φ48.3×12.5mm、φ88.9×19mm、φ114×22.4mm、φ459×94.5mm等管。

5、铁部件厚度大、合金钢多
5.1超超临界机组的钢结构的钢板厚度明显增大，重要的梁和柱，其板厚基本上在45mm以上，有的甚至厚达120mm，全采用了Q345B钢，例如图1示，在与这些厚钢板焊接时，皆需采取焊前预热，焊后缓冷措施，如图2示，对于钢性较大的焊接结构，焊接后还需进行消氢或回火消应力处理，如图3示。

图2 大板梁顶部枕头块焊接

图3钢架斜撑法兰面
5.2 由于机组温度高，水冷壁及其他高温高压管道（子）上的铁附件大量的采用了合金钢（如SA204、15CrMo 、SA387Gr12CL1、12Cr1MoV、SA182F91、P91/92等）。
5.2.1锅炉上的铁附件主要有：拼缝的密封条、吹灰器的密封盒、水冷壁膨胀定位板、刚性梁连接板、填块等如图4、5示；

图4  加强板

图5 填块等
5.2.2高温高压管道（子）上的铁附件主要有：直接焊在管壁上的定位板、吊耳等，这些铁附件的材质基本上与母管一致或相近，如图6、7。
　
图6 管道定位块

图7 热段吊耳
根据气温、材质、板厚、结构的不同，上述这些铁附件焊接时需要慎重考虑以下工艺要求：
1) 合理的焊接顺序、焊道布置、焊接方法和良好的焊缝成形；
2) 焊前预热+焊后缓冷或、焊前预热+焊后消氢、焊前预热+焊后热处理。
如果工艺制定不合理或执行不到位，与这些铁附件相连的焊缝极易在焊接过程中或焊后或在机组运行后发生裂纹。
6、充氩
超超临界机组中采用了大量的新型耐钢如：HR3C、SUPER304H、T/P91、T/P92、等、这些钢由于合金含量高，打底焊接时坡口根部必须充氩气保护，气室内的氩气纯度要高，不能有快速紊流的现象存在，否则根部焊缝极易产生过烧和未熔合缺陷。典型的充氩方法如下：

图8 小口径充氩方法一

图9 小口径充氩方法二

图10 大口径焊口充氩方法一

图11 大口径焊口充氩方法二
7、窄位置焊口数多
超超临界机组锅炉内部管排布置相当紧凑，焊接位置总体较为狭窄，如塔式炉的省煤器、一级再热器、二级过热器的管排布置更为紧凑，由于焊接位置十分狭小，只能采用镜面焊技术进行焊接，如图12、13示。

图12-1 镜面焊管排结构

图12-2 一级再热器镜面焊

图12-3 管排焊口镜面焊

图13集箱焊口镜面焊
8、热处理难度明显增大。
8.1材质为P92的主蒸汽及过热器联箱的壁厚明显增大，以百万超超临界机组为例，壁厚在90mm以上的P92焊口数量一般在40只以上，壁厚最厚的达143mm。用远红外热处理机热处理时，管道内外壁温差要控制20℃之内根本不可能，因此目前基本上都采用Preheat35中频热处理机或Preheat35中频热处理机和远红外热处理机联合加热进行热处理，方能解决这问题，如图14、15示。

图15中频机热处理
8.2锅炉受热面上T91/92焊口数量多，位置窄，集箱上焊口管座短，焊缝的两端一头为集箱一头为散管，加热时，焊缝两边的散热速度不一样，为使整个焊接接头加热均匀，加热器的中心位置要适当下移，如图16示。

图16 集箱管座热处理

三、焊接工程的管理特点
1、焊接过程的特点
焊接过程在ISO9000的1994版标准中被称为典型的特殊过程，在ISO9000的1994版标准中被称为需要“确认”的过程，即焊接过程及焊接产品质量不能完全被其后的检验所确定，仅在产品交付后问题才显现的过程。焊接质量之所以称为“不能完全确定”，主要从以下三个方面来理解。
（1）焊接产品的“其后的检验”目前一般使用的方法有外观检验、无损检验（射线探伤RT、超声波探伤UT、渗透探伤PT、磁粉探伤MT、涡流探伤等）、液压或气压试验等。这些检验方法有各自的优点，但同时存在各自的局限性，因此，这些检验方法都规定了能够发现的焊接缺陷的合格等级。但是，发现这些合格范围以内的缺陷和现有的检验、试验方法发现不了的缺陷，是否在现役过程中能发展为危险缺陷，甚至造成破坏则还是一个未知数，这就是一种“不能完全确定”。
（2）焊接专业是20世纪以来为解决新金属材料连接而应运产生的。一种材料的焊接接头虽然被焊接工艺评定认可，但其所用的焊接检验和试验方法不能完全验证焊接产品在长时间和特定的工状（如高温、低温、腐蚀介质、不同的应力状态等）条件下是否有良好的表现，这又是一种“不能完全验证”。
（3）缺陷的存在、性能的下降和应力水平的提高是焊接接头成为薄弱环节的三大因素。简单而言，“缺陷的存在”是指现有的检验方法检测出来或没有检测出来的，焊接内部缺陷存在是必然的；“性能的下降” 是指焊接接头的性能比母材低是必然的，主要是由于受到焊接热能的影响而性能发生变化的那部分金属（热影响区）的性能降低造成的；应力水平的提高是指焊接接头存在焊接残余应力是必然的，这使得焊接接头性能打了折扣。所以，焊接接头是结构的薄弱环节，是质量控制的重点。这又是一种“不能完全验证”。
综上所述，焊接专业管理由于自身的特点和在质量管理过程中所处的特殊位置，因此焊接管理应从焊接管理的先决条件（人、机、料、法、环）和焊接过程进行严格控制，过程管理一定要严密，要程序化、制度化、职责要具体化。
焊接过程管理流程如下图所示。

焊接作业流程图
2、加强焊接工艺评定的控制
焊接工艺评定是焊接工作的先决条件和基础，应具有先进性、科学性、针对性和可操作性。焊接工艺评定应严格执行焊接工艺评定标准和相关的法律、法规。焊接工艺参数的选择应具有较强的可操作性，不应是为了完成评定而完成评定，评定时应考虑到施工现场的实际情况，施工现场焊接工艺参数的选择应覆盖在焊接工艺评定范围之内，保证焊接接头质量与焊接工艺评定试样是一致的。
3、严格执行焊接工艺规程
用于施工的焊接工艺必须经过焊接工艺评定确认合格的，编制焊接工艺规程应严格以焊接工艺评定和焊接工艺评定标准进行，不得擅自修改评定中的焊接重要参数和附加重要参数，因为这些参数的改变将使焊接接头的机械性能和金属组织发生变化，从而降低了焊接接头的使用性能。
焊工焊接应严格执行焊接工艺规程和焊接技术交底，不得擅自修改焊接工艺，特别是高合金钢种，由于运行工况的恶劣，产生的后果将无法预料。
4、焊接材料管理
4.1焊接母材管理应加强金属材料的质量验收工作，主要验证如下内容：
4.1.1受监的金属材料，必须符合国家标准和行业有关标准。进口的金属材料，必须符合合同规定的有关国家的技术标准。
4.1.2受监的钢材、钢管和备品、配件，必须按合格证和质量保证书进行质量验收。合格证或质量保证书应标明钢号、化学成分、力学性能及必要的金相检验结果和热处理工艺等。数据不全的应进行补监的方法、范围、数量应符合国家标准或行业有关标准。进口的金属材料，除应符合合同规定的有关国家的技术标准外，尚需有商检合格文件。
4.1.3重要的金属部件，如管子、管件、锅筒、联箱、汽轮机大轴、叶轮、发电机大轴、护环等，除应符合有关的行业标准和有关国家标准外，还必须具有部件的质量保证书。
4.1.4对受监金属材料的入厂检验，按JB3375的规定进行，对材料质量发生怀疑时，应按有关标准进行抽样检查。
4.1.5对主蒸汽管道、高温再热蒸汽管道。
（1）受监督的管子、管件和阀壳安装前，应做如下检查：按设计要求校对其规格、材质及技术参数，进行外观检查，逐件进行光谱分析，直管、弯管和导汽管进行硬度检查和壁厚测量，弯管的背弧外弯面进行探伤检查。
（2）对管子应确认下列项目应符合现行国家或行业标准：化学成分分析、力学性能试验、击韧性试验、金相分析。
（3）对管件应确认下列项目应符合现行国家或行业标准：化学成分分析、金相分析、无损探伤。
（4）合金钢阀壳需进行光谱分析，材质应符合设计要求。
4.1.6选择代用材料应遵照如下原则进行：
（1）采用代用材料时，应持慎重态度，要有充分的技术依据，原则上应选择成分、性能略优者；代用材料壁厚偏薄时，必须进行强度核算，应保证在使用条件下各项性能指标均不低于设计要求。
（2）修造、安装中使用代用材料时，必须取得设计单位和金属技术监督工程师的认可和总工程师批准；检修中使用代用材料时，必须征得金属技术监督工程师的同意,并经总工程师批准。
（3）采用代用材料后，必须做好技术记录，并存档，同时应相应修改图纸或在图纸上注明。
4.1.7加强合金钢材料的光谱进库复核工作和过程光谱检验工作，做好材料的标识工作和过程的标识移植工作。
4.2 焊材管理
焊接材料的采购应符合设计和焊接工艺评定的要求，焊材的贮存和保管要求如下：
（1）进库前核实焊材的质保书、规格、数量、批号，并进行质量验收，对于合金钢焊材应进行光谱复核。
（2）焊材必须在干燥通风良好的室内仓库中存放。
（3）焊条应放置在固定的架子上，架子离地面的距离应不小于300mm，离墙壁的距离不小于300mm，室内干燥除湿。
（4）堆放焊条应按种类、牌号、批次、规格、入库时间分类堆放，每垛应有明显标注，不宜过高并避免混乱。
（5）焊条的发放凭单子，而且先入库先发放。
（6）特种焊条的贮存和保管严于一般焊条，应保存在专用架子的规定区内，保证质量及不错用。
（7）对于受潮、药皮变色，焊芯有锈迹的焊条待烘干后进行质量评定，待各项指标合格后方可入库。
（8）焊条的出库量不能大于焊工一天使用量。
（9）回收的焊条分别堆放，二次烘干发放应做好记录，重点把关。
（10）贮存焊条的仓库必须有温度计、湿度计，室内温度不低于5oC，相对空气湿度应低于60%。
（11）存放时间超过一年以上的焊材，在发放前应重新进行检验，合格后方可发放。
（12）焊条按规定烘干、领用登记、回收登记，并按规定进行统计。
在焊材管理中特别应杜绝以下二点：一是焊接过程中错用焊材，错用焊材造成的后果基本上都是比较严重的，并且这些危害性在电厂运行后才会显现，轻则爆管造成机组停机，重则造成人员伤亡；二是使用了劣质焊材，如焊材的主要合金成分、机械性能不合格、焊材中S、P等杂质超标等等，如果检验把关不严，使用到工程中，危害性极大。因此焊材的管理必须严密，需制定焊接材料管理程序进行控制。
5、焊工及焊接操作工管理
5.1 焊工上岗前进行焊工资质审查，必须取得相应的合格证件，焊接过程中不得超范围施焊。
5.2 焊工上岗前的培训和考试，验证其焊接技能的符合性。不同的钢种，其焊接性是不一样的，焊工对每一种钢的焊接都有一个适应过程，对于新钢种的焊接，上岗前一定要对焊工进行培训练习，直到切实掌握该钢种的焊接性能后才能上岗焊接。典型的钢种如T23，对于T23钢的焊接大部分焊工焊接时，坡口背面需充氩气保护，才能把根部焊缝的质量焊好；但是对于操作熟练、经验丰富的焊工，坡口背面不充氩气保护，根部焊缝的质量也能焊好。

图17 焊工培训
6 加强焊接环境的控制
当焊接环境出现下列任一情况，且无有效的防护措施时严禁焊接：
（1）SMAW风速大于10米/秒，GTAW风速大于10米/秒；
（2）相对湿度大于90%；
（3）焊件有水、淋到雨或接触到雪、雾；
（4）温度低于以下温度：AⅠ碳素钢为-10℃；AⅡ、AⅢ和BⅠ为0℃；BⅡ、BⅢ为 5℃；
（5）被焊管子内有穿堂风。
7、保证焊接设备的可靠性
7.1 焊接设备应满足焊接工艺的使用要求，性能可靠。
7.2焊工使用的氩气表、焊机上的电流表、电压表必须计量合格。
8 加强焊接过程中的控制
8.1 焊前的控制，包括坡口的检查和对口的检查。
8.2 焊接过程中检查，焊接的预热、焊接参数的正确性、焊层焊道的布置，层间的清理、热处理热电偶和履带的布置等。
8.3 焊后的外观检查。
9 无损检验
无损检验包括射线检验、超声波检验、渗透检验、磁粉检验、硬度检验、光谱复核等。无损检验应注意以下二点：
（1）抽检焊口的合理性，应以人每天为单位进行，能体现焊接的实际质量，不得漏检。
（2）检查时应注意一些死角位置，如顶棚管（与水冷壁管相近的）3点或9点位置，检验时应做特殊处理，转动角度进行射线检验。

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