電廠鍋爐主給水管道焊補(bǔ)工藝研究

寧亮亮，張濟(jì)宇，郝 亮，徐新坤

(1.哈爾濱華德學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025；2.京能錫林郭勒能源有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 011400)

火力發(fā)電機(jī)組主給水管道是火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督中重要的受檢部件。包頭市某電廠火力發(fā)電機(jī)組型號(hào)為JG-130/3.82-Q的燃煤鍋爐，由江西通力電業(yè)集團(tuán)于2005年11月4日安裝并投入使用，至今已運(yùn)行89 600 h。依據(jù)TSG 11-2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》及DL 647—2004《電站鍋爐壓力容器檢驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定，對(duì)該鍋爐在停爐檢修期間進(jìn)行了內(nèi)部檢驗(yàn)[1]。通過(guò)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電站鍋爐的主給水管道彎頭焊接接頭熱影響區(qū)及附近母材的外表面存在大量裂紋[2]。主給水管道設(shè)計(jì)材質(zhì)為20G，規(guī)格為219 mm×18 mm。檢驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)該重大缺陷后，使用單位積極配合檢驗(yàn)檢測(cè)并組織進(jìn)行了安全評(píng)定[3]，決定更換主給水管道該處彎頭，以避免可能發(fā)生的安全事故[4]。

1 定期檢驗(yàn)項(xiàng)目與缺陷處理

1.1 檢驗(yàn)檢測(cè)依據(jù)

主給水管道的內(nèi)部檢驗(yàn)主要依據(jù)TSG G7002—2015《鍋爐定期檢驗(yàn)規(guī)則》的要求執(zhí)行，無(wú)損檢測(cè)主要依據(jù)NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第4部分：磁粉檢測(cè)》的要求執(zhí)行。

1.2 宏觀檢驗(yàn)及壁厚測(cè)定

主給水管道宏觀檢驗(yàn)及壁厚測(cè)定用到的工具主要有手電筒、放大鏡、焊縫檢驗(yàn)尺、檢驗(yàn)錘和數(shù)字式超聲波測(cè)厚儀。檢驗(yàn)得出結(jié)論是：主給水管道外表面存在嚴(yán)重氧化與腐蝕坑，腐蝕呈現(xiàn)層狀剝落，表明主給水管道長(zhǎng)期超溫運(yùn)行。抽查直管段和彎頭(背彎)背弧面厚度，實(shí)測(cè)最小壁厚均小于許用厚度18 mm，存在安全隱患。實(shí)測(cè)厚度如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)厚度數(shù)據(jù) mm

1.3 表面無(wú)損檢測(cè)

依據(jù)NB/T 47013.4—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第4部分：磁粉檢測(cè)》的要求，對(duì)主給水管道和主要連接管道焊縫表面進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)[5]，因主給水管道材質(zhì)為20G，鐵磁性材料優(yōu)先選用MT檢測(cè)，MT對(duì)表面及近表面裂紋有較高的檢測(cè)靈敏度。檢測(cè)工藝參數(shù)如表2所示。

表2 MT檢測(cè)工藝參數(shù)

對(duì)電廠鍋爐主給水管道彎頭背彎處進(jìn)行MT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)焊接接頭熱影響區(qū)及附近母材均存在表面裂紋，裂紋長(zhǎng)度為5～50 mm，數(shù)量大于30條。

1.4 缺陷處理

對(duì)鍋爐主給水管道彎頭背彎處進(jìn)行MT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)焊接接頭熱影響區(qū)及附近母材均布裂紋。表面裂紋的存在對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行危害很大，在巡檢的督促下，檢修人員對(duì)裂紋進(jìn)行了打磨，在打磨深度為0.5 mm、0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm時(shí)，分別對(duì)裂紋進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)部分裂紋被消除，但是沒(méi)有完全去除裂紋。

1.5 金相檢測(cè)

進(jìn)一步對(duì)該彎頭背彎面進(jìn)行金相分析，金相圖片中顯示，白色為鐵素體，黑色為珠光體組織及混合型的魏氏組織，晶粒尺寸粗大，裂紋沿著晶界擴(kuò)展。電廠鍋爐主給水管道彎頭背彎處顯微組織如圖1所示。

圖1 電廠鍋爐主給水管道彎頭金相組織

2 故障原因分析

該電廠鍋爐主給水管道給水壓力為5.2 MPa，給水溫度為150 ℃，2005年11月4日投入使用。機(jī)組運(yùn)行周期較長(zhǎng)并且停爐保養(yǎng)不當(dāng)，主給水管道長(zhǎng)期處于超溫環(huán)境中工作，管道表面存在明顯的氧化、腐蝕坑及機(jī)械損傷。根據(jù)數(shù)字式超聲波測(cè)厚儀測(cè)定，直管段和彎頭(背彎)背弧面厚度均小于許用厚度，主給水管道彎頭內(nèi)壁存在不同程度的沖蝕。

由磁粉檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主給水管道彎頭背彎處焊接接頭熱影響區(qū)及附近母材表面均布裂紋，分析其原因主要有以下2點(diǎn)。

1)前次檢修時(shí)間為2016年4月18日，檢修時(shí)清理了鍋爐的垢渣，并對(duì)該主給水管道缺陷管段缺陷處進(jìn)行過(guò)一次返修。焊工為保證裝配精度，采用熱膨脹法對(duì)口，不符合DT/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》的要求。氣焊火焰熱橋的方式盡管保證了錯(cuò)邊量小于1 mm、裝配間隙3 mm的要求，但是火焰溫度過(guò)高，導(dǎo)致焊口附近母材嚴(yán)重氧化，材料的力學(xué)性能惡化[3]。

2)根據(jù)金相檢測(cè)分析可知，電廠鍋爐主給水管道彎頭背彎處熱影響區(qū)存在魏氏組織，晶粒粗大，材料變脆。原因?yàn)楹附訁?shù)不合理、熱輸入過(guò)大、焊后冷卻速度過(guò)快，導(dǎo)致魏氏組織的產(chǎn)生，即是熱處理規(guī)范不合理等造成的。

因此，根據(jù)事故原因的綜合分析，在使用單位組織進(jìn)行安全評(píng)定后確定更換此處彎頭。

3 電廠鍋爐主給水管道焊補(bǔ)工藝

3.1 焊接設(shè)備及材料的選用

3.1.1 母材介紹

主供水管道彎頭材質(zhì)為20G，應(yīng)用于電站鍋爐的水冷壁集箱手孔端蓋、下降管、包墻上集箱連接管、鍋筒至頂棚入口集箱、二級(jí)過(guò)熱器至前包墻出口集箱、省煤器至鍋筒連接管、汽包-頂棚連通管、主給水管道等。20G鋼成分如表3所示。

表3 20G鋼化學(xué)成分(GB/T 536—2017) %

3.1.2 設(shè)備介紹

1)選用鎢極氬弧焊焊機(jī)，型號(hào)為WS-300氬弧焊機(jī)；采用直流正接，用于主給水管的打底焊。

2)選用手工電弧焊焊機(jī)，型號(hào)為ZX7-400；采用直流反接，用于主給水管道的填充焊和蓋面焊接。

3.1.3 焊接材料

焊絲選用型號(hào)為ER50-6，焊絲直徑為2.4 mm；焊條選用型號(hào)為E5015，焊條直徑為3.2 mm。焊條使用前應(yīng)經(jīng)350～400 ℃烘干，保溫1～2 h，隨取隨用。

3.2 焊接操作工藝

3.2.1 焊接工藝參數(shù)

焊接方法為鎢極氬弧焊打底，焊條電弧焊填充和蓋面焊接。焊接參數(shù)如表4所示。

表4 焊接工藝參數(shù)選擇

3.2.2 焊前準(zhǔn)備

焊接位置：管對(duì)接垂直固定焊接，坡口形式為V形，坡口角度為60°，制備坡口后，還需要對(duì)坡口及兩側(cè)20 mm內(nèi)的范圍進(jìn)行清理，打磨出金屬光澤。坡口裝配間隙為3 mm，采用專用對(duì)口器進(jìn)行裝配，不允許利用熱膨脹法對(duì)口，以防止引起附加應(yīng)力。定位焊采用鎢極氬弧焊，每點(diǎn)的定位焊縫長(zhǎng)度不得超過(guò)10 mm。裝配定位焊后的試件管子保證同軸度，錯(cuò)邊量不大于1 mm。焊前應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱，溫度控制在100～150 ℃。預(yù)熱范圍為焊口中心兩側(cè)，各不小于壁厚的3倍且不小于60 mm，預(yù)熱方式宜采用電加熱法。

3.2.3 鎢極氬弧焊打底焊工藝

打底焊接采用悶絲方法，悶絲打底焊接采用的電流高于氬弧焊飄把的電流，即在防止焊縫表面氧化同時(shí)保障了根部熔透。其焊接速度是飄把焊接的3～4倍，提高了焊接生產(chǎn)效率。悶絲打底時(shí)鎢極錐度在25°～30°，鎢極伸出長(zhǎng)度為5～6 mm。將焊絲放到縫隙的中間，采用外送絲的方式送絲，將焊絲的前端壓到坡口根部，把焊絲小幅度送進(jìn)，送絲量要小，送絲量過(guò)大容易導(dǎo)致熔池溫度過(guò)低，進(jìn)而造成根部未熔合。橫口悶絲打底技巧在于利用焊絲推著鐵水的同時(shí)，利用電弧擠壓鐵水，使鐵水只能向坡口根部流淌，避免了鐵水受重力作用流淌到下坡口面上造成焊瘤。焊槍采取磁嘴靠在焊道坡口上折把擠壓向前行走，以焊槍磁嘴與坡口接觸點(diǎn)作為支點(diǎn)，以高頻率、鋸齒狀擺動(dòng)焊槍，擺動(dòng)幅度和焊絲直徑保持一致。當(dāng)電弧熔化兩側(cè)坡口根部時(shí)就向前呈鋸齒狀移動(dòng)，鎢針壓低，電弧控制在0.5～1 mm，保證電弧能量集中，起弧預(yù)熱母材，待形成熔孔之后，焊絲被均勻地送進(jìn)，悶絲打底的關(guān)鍵是送絲時(shí)，向熔池內(nèi)施加一定的壓力，這樣內(nèi)成型才能有一定的余高，能防止未焊透的缺陷產(chǎn)生。鎢極氬弧焊悶絲打底焊縫成形如圖2所示。

(a)正面成形

3.2.4 焊條電弧焊填充和蓋面焊操作

填充焊接層數(shù)為3層，填充焊第一層為一道焊縫，由于悶絲打底焊縫厚度較薄，焊接速度應(yīng)快一些，防止燒穿。運(yùn)條方式為斜鋸齒，防止鐵水受重力作用下墜，造成上坡口咬邊和下坡口贅瘤。工作人員施焊時(shí)保持身體的平衡，控制焊條角度始終保持70°或80°。斜鋸齒運(yùn)條要領(lǐng)：上側(cè)多停，下側(cè)少停，低點(diǎn)在前，高點(diǎn)在后，向下運(yùn)條慢一些，焊條回到高點(diǎn)快一些，焊接中要嚴(yán)格控制弧長(zhǎng)在1 mm左右，并注意上、下坡口熔合良好。填充焊第二層為上下兩道焊縫，先從下焊道開(kāi)始焊，焊條角度與管徑垂直，與管子切線方向成70°或80°，同樣采用斜鋸齒運(yùn)條，第一道焊縫要保證下坡口熔合良好，第二道焊縫焊接時(shí)應(yīng)在第一道焊縫的熔合線和上坡口之間斜鋸齒運(yùn)條，壓住第一道的最高點(diǎn)，以保證焊縫平整。填充焊第三層為上中下3道焊縫，操作方法同上，要保證焊道平整，上下坡口棱邊不要熔化，預(yù)留1～2 mm坡口深度便于蓋面層焊接。蓋面焊接層為上中下3道焊縫，第一道同樣采用斜鋸齒，蓋好下坡口面，蓋面焊第二道在第一道熔合線和上坡口根部運(yùn)條，同樣采用斜鋸齒，焊條擺動(dòng)幅度為上下1 mm，保證壓住第一道焊縫的高點(diǎn)，最后一道蓋面焊道，采用直線運(yùn)條或者直線往復(fù)運(yùn)條的方式，在上坡口根部行進(jìn)，保證上坡口熔合良好。焊口焊好后必須立即自檢，合格后可打上焊工鋼印。

3.3 主給水管道彎頭熱處理及超聲波檢測(cè)

依據(jù)DL/T 869—2012《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》，采用電加熱方式，對(duì)于管子外徑不大于273 mm的管道，可以使用l支熱電偶布置于焊縫中心進(jìn)行測(cè)溫?；鼗饻囟葹?80～620 ℃，保溫時(shí)間不小于1 h，徹底消除焊接殘余應(yīng)力，焊縫組織為鐵素體和珠光體。

依據(jù)TSG 11—2020《鍋爐安全技術(shù)規(guī)程》的要求，對(duì)主給水管道對(duì)接焊縫進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)。UT檢測(cè)未檢出超標(biāo)缺陷。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)故障的綜合原因分析可知，故障是由運(yùn)行操作管理不到位引起的。主給水管道長(zhǎng)期處于超溫工作狀態(tài)，同時(shí)焊工在檢修鍋爐省煤器出口主給水管道彎頭的過(guò)程中違規(guī)操作，采用熱膨脹法對(duì)口，導(dǎo)致焊口附近的母材嚴(yán)重氧化，材料的力學(xué)性能惡化，焊接接頭熱影響區(qū)及附近母材存在大量裂紋，險(xiǎn)些釀成爆炸事故，值得警惕和深思。在檢驗(yàn)人員的監(jiān)督下，施工單位對(duì)電廠鍋爐主給水管道彎頭實(shí)施了合理的焊補(bǔ)工藝并進(jìn)行了維修。此焊補(bǔ)工藝可為廣大電建企業(yè)施工提供借鑒。