窄間隙自動(dòng)埋弧焊在火電廠管道預(yù)制中的應(yīng)用

張宇清，楊文佳，葛廣林，蔣 濤，樊繼理

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇電力裝備有限公司，江蘇 常州 213000；2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)有限公司工程研究院，北京 100020)

0 引言

近年來(lái)，對(duì)國(guó)內(nèi)火電機(jī)組的參數(shù)要求越來(lái)越高，蒸汽管道壁厚逐漸增大，目前火電廠管道預(yù)制焊接主要以傳統(tǒng)的手工氬弧打底、埋弧焊填充蓋面等焊接方法為主，其質(zhì)量穩(wěn)定性受焊工水平影響較大，焊工勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工環(huán)境較差，施工效率低。隨著工業(yè)2.0時(shí)代的來(lái)臨，通過(guò)自動(dòng)化、智能化的焊接技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，在穩(wěn)定焊接質(zhì)量的前提下，提高焊接效率、改善勞動(dòng)環(huán)境、解決焊工老齡化和用工難等問(wèn)題迫在眉睫。窄間隙自動(dòng)埋弧焊以其焊接效率高、焊接填充量少、接頭應(yīng)力小、勞動(dòng)強(qiáng)度低等諸多優(yōu)點(diǎn)日漸在國(guó)內(nèi)核電、石化等行業(yè)得以應(yīng)用，但在火電行業(yè)仍處于研究階段，尚未在實(shí)際工程中得到應(yīng)用[1]。

本文以火電廠蒸汽管道工廠化預(yù)制中焊接難度最大的主蒸汽管道材質(zhì)A335P92鋼作為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)分析窄間隙自動(dòng)埋弧焊的焊接接頭力學(xué)性能和金相組織等考核指標(biāo)，并綜合考慮焊接設(shè)備適應(yīng)性和焊接綜合效益，以期為窄間隙自動(dòng)埋弧焊技術(shù)在火電廠管道工廠化預(yù)制環(huán)節(jié)中的應(yīng)用提供支撐。

1 窄間隙自動(dòng)埋弧焊接頭試驗(yàn)

焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)編號(hào)為GD210305，母材為A335P92鋼，規(guī)格ID425×115。窄間隙自動(dòng)埋弧焊坡口為單面雙U形坡口，坡口尺寸如圖1所示，管道組對(duì)時(shí)根部不留間隙。

圖1 窄間隙自動(dòng)埋弧焊坡口圖

評(píng)定采用5G位置的窄間隙自動(dòng)氬弧焊進(jìn)行打底，坡口角度為3°～10°，打底厚度約15 mm，焊絲選用歐洲某品牌P92氬弧焊絲，直徑φ1.0 mm。采用國(guó)內(nèi)某廠家制造的帶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的窄間隙自動(dòng)埋弧焊機(jī)進(jìn)行填充和蓋面，U形坡口角度為2°～5°，焊接位置為管道滾動(dòng)的1G位置，焊材選用歐洲進(jìn)口的某品牌P92埋弧焊絲及其配套焊劑，焊絲直徑為φ2.4 mm。

由于窄間隙焊接采用的坡口角度小，坡口側(cè)壁與人員的中軸線幾乎平行，造成電弧對(duì)坡口側(cè)壁的熱輸入不足，容易在母材與焊縫側(cè)壁之間出現(xiàn)未熔合缺陷[2]，因此本次試驗(yàn)選用帶監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)氬弧焊機(jī)和帶自動(dòng)跟蹤分道系統(tǒng)的窄間隙埋弧焊機(jī)焊接，實(shí)時(shí)監(jiān)焊接熔池、焊道表面、側(cè)壁與母材熔合情況，調(diào)整焊道分布與工藝參數(shù)，同時(shí)在氬弧焊與埋弧焊轉(zhuǎn)換、各層焊道之間按需進(jìn)行層間清理，確保焊接質(zhì)量，選用的焊接參數(shù)見(jiàn)表1所列。采用電阻加熱帶預(yù)熱(見(jiàn)圖2)，焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制層間溫度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證層間溫度符合要求。

表1 窄間隙自動(dòng)埋弧焊焊接參數(shù)

圖2 電阻加熱帶預(yù)熱

焊接完成后消氫，然后進(jìn)行整體熱焊后熱處理，溫度范圍控制在750～775 ℃，保溫8 h，焊后熱處理曲線如圖3所示。

圖3 焊后熱處理曲線

焊后熱處理完成后48 h進(jìn)行超聲檢測(cè)，結(jié)果滿(mǎn)足我國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》的要求。

2 窄間隙自動(dòng)埋弧焊接頭性能試驗(yàn)

依據(jù)我國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》[3]進(jìn)行理化取樣，開(kāi)展拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)和金相試驗(yàn)。

拉伸試驗(yàn)采用2組焊接接頭橫向板狀拉伸，每組分為3層。其中，試樣GD210305TT1至GD210305TT3分別為第1組上、中、下共3層，試樣GD210305TT4至GD210305TT6分別為第2組上、中、下共3層，拉伸試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表2所列。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從表2可知，焊接接頭抗拉強(qiáng)度大于母材A335P92的抗拉強(qiáng)度下限值620 MPa。由拉伸試樣實(shí)物(見(jiàn)圖4)可知，斷裂位置均為母材，說(shuō)明焊縫強(qiáng)度高于母材，滿(mǎn)足NB/T 47014—2011的要求。

圖4 拉伸試樣實(shí)物圖

彎曲試驗(yàn)采用180°全厚度側(cè)彎，彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所列，未發(fā)現(xiàn)單條長(zhǎng)度超過(guò)3 mm的裂紋，滿(mǎn)足NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)的要求，這說(shuō)明焊縫與母材熔合良好，側(cè)壁坡口角度設(shè)計(jì)合理。

表3 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

沖擊試驗(yàn)依據(jù)NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)要求，分別對(duì)焊縫和熱影響區(qū)位置進(jìn)行取樣試驗(yàn)，采用尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，試驗(yàn)溫度為20 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4所列。由表4可知，所有位置的沖擊功平均值均高于母材沖擊功指標(biāo)要求41 J，滿(mǎn)足NB/T 47014—2011標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)焊縫、熱影響區(qū)及母材進(jìn)行硬度檢測(cè)，硬度試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表5所列，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足DL/T 869—2021《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》對(duì)A335P92母材的硬度要求，符合P92硬度為185～265 HV的范圍要求。

表5 接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果 HV

依據(jù)NB/T 47014—2011對(duì)窄間隙自動(dòng)埋弧焊接頭進(jìn)行金相試驗(yàn)，宏觀金相組織如圖5所示。

圖5 宏觀金相組織

發(fā)現(xiàn)焊縫與側(cè)壁母材熔合良好。焊縫和熱影響區(qū)的微觀金相組織如圖6所示，焊縫為回火馬氏體組織，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)δ鐵素體。

圖6 微觀金相組織

3 焊接設(shè)備適應(yīng)性和綜合效益

相比于傳統(tǒng)坡口埋弧焊接，窄間隙自動(dòng)埋弧焊具有如下特點(diǎn)[4]：

1)焊接工藝性?xún)?yōu)秀，焊縫成形美觀，脫渣性良好；

2)推廣度高。無(wú)需重新取證，對(duì)焊工技能無(wú)特殊要求，有焊接基礎(chǔ)即可操作；

3)焊絲采用5輪校直，左右前后平面偏差不超過(guò)0.2 mm，有效穩(wěn)定焊接質(zhì)量；

4)焊接自動(dòng)化程度高，有跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分道，自動(dòng)抬高，焊槍嘴自動(dòng)調(diào)整角度，利于側(cè)壁熔合，勞動(dòng)強(qiáng)度低；

5)坡口角度小，焊接填充量小，成本較低，效率更高。

火電廠管道工廠化預(yù)制在保證焊接質(zhì)量的前提下，盡可能地提升焊接效率，降低焊接成本，窄間隙自動(dòng)埋弧焊主要通過(guò)更窄的坡口形式節(jié)省焊接時(shí)間和焊接成本。以ID 425×115的管道規(guī)格為例，窄間隙自動(dòng)埋弧焊坡口及詳細(xì)尺寸如圖7所示，傳統(tǒng)坡口與窄間隙自動(dòng)埋弧焊坡口對(duì)比如圖8所示，對(duì)比可知：窄間隙自動(dòng)埋弧焊坡口的焊縫橫截面積為2 328 mm2，傳統(tǒng)坡口焊縫橫截面積為3 432 mm2，理論上可以節(jié)省47%的焊材用量。

圖7 窄間隙自動(dòng)埋弧焊坡口

圖8 傳統(tǒng)坡口與窄間隙自動(dòng)埋弧焊坡口對(duì)比

實(shí)際測(cè)算后，對(duì)比窄間隙自動(dòng)埋弧焊與傳統(tǒng)埋弧焊的焊接時(shí)長(zhǎng)、焊材用量和降本增效對(duì)比情況見(jiàn)表6所列。

表6 窄間隙自動(dòng)埋弧焊與傳統(tǒng)埋弧焊焊接效率和成本對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文以火電廠常用主蒸汽管道P92鋼作為研究實(shí)例，分析了ID 425×115規(guī)格的窄間隙自動(dòng)埋弧焊的焊接工藝性和接頭的力學(xué)性能，進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)和金相試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》標(biāo)準(zhǔn)要求。窄間隙自動(dòng)埋弧焊質(zhì)量穩(wěn)定，與傳統(tǒng)埋弧焊相比，其焊接效率、焊接成本、勞動(dòng)強(qiáng)度均有明顯改善，經(jīng)濟(jì)性良好。

本研究為窄間隙自動(dòng)埋弧焊在火電廠工廠化預(yù)制提供了理論和實(shí)踐依據(jù)，后續(xù)將深入研究窄間隙自動(dòng)氬弧打底、配合窄間隙自動(dòng)埋弧焊填充蓋面的全窄間隙接頭，進(jìn)一步完善側(cè)壁融合質(zhì)量，擴(kuò)大焊接過(guò)程參數(shù)的閾值范圍，開(kāi)發(fā)全規(guī)格優(yōu)化坡口形式，以期早日應(yīng)用于全口徑和壁厚的工程實(shí)踐應(yīng)用及推廣。