CN107052703A - 超（超）临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法 - Google Patents

超（超）临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法 Download PDF

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吴智泉
王家庆
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Abstract

本发明涉及一种超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法，包括：S1用坡口修磨机削去原焊缝的过度层、填充层、及两侧母材热影响区域淬硬层；S2靠近缸体侧焊缝焊根部留4mm厚度，靠近插管侧焊缝焊根部留2mm厚度，并圆滑过渡，裂纹处修磨出2mm间隙；S3用钢板对称布置将两端母材点焊定位；S4采用钨极氩弧焊打底，施焊焊道熔池深度接近1/2处时，将定位钢板除掉，并将焊点用砂轮机磨掉；S5检查S4合格后，进行下一层的焊接，填充和盖面焊材与高中压外缸材料相匹配，焊丝选择TRG‑40、焊条选择E6015‑B3(R407)手工电弧焊，预热温度200至250℃，层间温度控制在预热温度范围内；焊后热处理温度按与高中压外缸材料要求的上限温度来确定。

Description

超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法
技术领域
本发明涉及一种超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法。
背景技术
众所周知，我国的一次能源结构特点为“富煤”、“贫油”、“少气”。我国的能源消费以煤炭为主，约占一次能源的70％，远高于世界的平均的30％水平，电力工业在煤炭消费中的权重也在逐步增大。统计表明，我国到2020年预计发电机组总装机容量达到19.5亿瓦，其中火力发电机组(燃煤机组为主)约占66％，燃煤机组每年的煤炭消耗量相当可观。
超(超)临界机组由于其容量大、能耗低，目前在我国的电力供应领域占据了主导地位，其运行安全性直接关系到电网安全、经济发展、社会稳定和人民群众生产生活的各个方面。
国内主设备生产厂商或多或少在生产工艺方面存在缺陷，由此产生的设备运行安全问题日益凸显。其中，哈尔滨汽轮机厂引进的三菱技术设计制造的CCLN660-25/600/600型660MW级超(超)临界、单轴、三缸四排汽、一次中间再热凝汽式汽轮机在运行时发现高中压缸下缸高压进汽插管一种钢焊缝泄露。该型号汽轮机组累计生产八台，均在相同的位置产生过泄露或裂纹。
与上述存在共性问题的汽轮机组具体分布在河南信阳2台、河南禹龙2台、江苏四吕港4台，该8台机组均为当地重要的供电电源，在所属地区国民经济中占据重要的地位。
对于存在家族性缺陷的机组而言，如果能够采用科学合理的焊接工艺对频繁发生的泄露的高压导汽管异种钢焊接头进行修复处理，消除机组运行重大安全隐患，确保机组安全运行，优化焊接过程控制并推广应用，对推动高参数机组国产化研究有重要指导意义，确保超(超)临界机组的安全运行关系到国家的整体发展战略。
有鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种超(超) 临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法，能够有效、简便的对钢焊缝进行修复。
本发明超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法，包括：
S1用坡口修磨机削去原焊缝的过度层、填充层、及两侧母材热影响区域淬硬层；
S2靠近缸体侧焊缝焊根部留4mm厚度，靠近插管侧焊缝焊根部留2mm厚度，并圆滑过渡，裂纹处修磨出2mm间隙；
S3用钢板对称布置将两端母材点焊定位；
S4采用钨极氩弧焊打底，施焊焊道熔池深度接近1/2处时，将定位钢板除掉，并将焊点用砂轮机磨掉；
S5检查S4合格后，进行下一层的焊接，填充和盖面焊材与高中压外缸材料相匹配，焊丝选择TRG-40、焊条选择E6015-B3(R407)手工电弧焊，预热温度200至250℃，层间温度控制在预热温度范围内；焊后热处理温度按与高中压外缸材料要求的上限温度来确定。
进一步的，在S3中需要对导汽连接短管点焊侧进行加热处理，其中加热处理的温度为400至600℃。
进一步的，在S3中填充和盖面选择焊条选择E6015-B3(R407)进行手工电弧焊。
进一步的，在S4打底焊时，需要检查焊缝根部有无焊透现象。
进一步的，在S4中氩弧焊2至3层且厚度不小于3mm。
进一步的，填充和盖面焊接采用双人对称焊；多层多道焊接时接头部位应错开10至15mm，每道焊道宽度控制在小于或大于焊条直径1至2mm，单道含摆动宽度不大于所用焊条直径的4倍。
进一步的，还包括在每道焊缝焊接完毕后，用砂轮机或钢丝刷将焊接杂物清理干净。
进一步的，焊接盖面层高于两侧母材。
进一步的，还包括对修复的焊缝进行金属监督检查的步骤，具体包括：对焊缝表面进行渗透探伤，查看是否有裂纹缺陷；对焊缝以及两侧母材进行焊缝显微组织检验，查看是否有异常；焊缝相控阵检测，检测表面打磨见金属光泽后，使用32晶片相控阵探头，搭配45°至60°斜楔块环向进行扫查，以单面单侧扇形扫查整条焊缝。
借由上述方案，本发明超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法至少具有以下优点：
本发明的方法，成功对频繁发生泄漏的高压导汽管异种钢焊接头进行修复处理，消除了机组运行重大安全隐患，确保机组安全运行。
本发明的方法，证明了大口径高温管道镍基焊缝仅能用于短期高温运行，改变了学术界对焊材传统认识，对超(超)临界机组长期稳定、安全、运行经济有重要指导意义。
对采用本发明所述的方法修复的焊缝开展一系列的金属监督检验工作，结果表明各项性能指标均能满足相关要求，大幅度提高了机组运行的可靠性，确保了机组的安全运行。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细说明如后。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明一较佳实施例所述的一种超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法，包括：
用坡口修磨机削去原焊缝的过度层、填充层、及两侧母材热影响区域淬硬层；
靠近缸体侧焊缝焊根部留4mm厚度，靠近插管侧焊缝焊根部留2mm厚度，并圆滑过渡，裂纹处修磨出2mm间隙；
为了防止应焊缝大部分去除后局部应力过大，造成底层焊肉撕裂管道错位，用钢板对称布置将两端母材临时“搭桥”点焊定位，1Cr9Mo1vNbN材料点焊侧需加热处理防止裂纹产生；
采用钨极氩弧焊打底，氩弧焊2至3层且厚度不小于3mm，打底焊时应经常用手电和放大镜检查焊缝根部有无焊透现象，打底结束后仔细自查，发现缺陷立即清除。氩弧焊施焊焊道熔池深度接近1/2处时，将定位钢板除掉，并将焊点用砂轮机磨掉，不得留有焊疤等痕迹，并用着色笔探伤结合低倍放大镜检查，确认无裂纹等缺陷后，方可继续施焊。自检合格后及时进行下一层的焊接，防止产生裂纹。
填充和盖面焊材与高中压外缸材料相匹配，焊丝选择TRG-40、焊条选择E6015-B3(R407)手工电弧焊，预热温度200至250℃，层间温度控制在预热温度范围内；焊后热处理温度按与高中压外缸材料要求的上限温度来确定。
为了减少焊接变形量，填充和盖面焊接采用双人对称焊；多层多道焊接时接头部位应错开10至15mm，每道焊道宽度控制在小于或大于焊条直径1至2mm，单道含摆动宽度不大于所用焊条直径的4倍。焊工在焊接时应认真观察母材和焊材的融化状态，注意熔池和收弧的质量，避免产生弧坑裂纹。在每道焊缝焊接完毕后，用砂轮机或钢丝刷将焊接杂物清理干净。焊接盖面层高于两侧母材，以保证后续探伤需要。
对焊接后的焊缝进行金属监督检查具体包括如下：
1、焊缝表面探伤：
对焊缝表面进行渗透探伤，未见裂纹等缺陷。
2、焊缝显微组织检验：
焊缝及两侧母线显微组织未见异常。
3、焊缝相控阵检测：
检测表面打磨见金属光泽后，使用32晶片相控阵探头，搭配45°至60°斜楔块环向进行扫查，以单面单侧扇形扫查整条焊缝。检测灵敏度的调整使用横孔试块(NB/T47013.3-2015《承压设备无损检测-第3部分：超声检测》规定的CSK-1A试块)，检测灵敏度不低于2*60-14dB的评定线。焊缝综合评定为1级。
4、焊缝应力有限元分析：
对采用冷焊法和热焊法得到的焊缝分别开展了焊接残余应力数值模拟对比计算。
高中压进汽插管材料为1Cr9Mo1VNbN(P91)，高中压外缸材料为ZG15Cr2Mo1(F22)。
原汽轮机厂采用镍基焊丝堆焊(即冷焊法)：采用的是镍基焊材填充的手工电弧焊焊接工艺。焊接工艺要点如下：
(1)在插管侧坡口用ENiCrFe-1焊条堆焊约15mm的过渡层，堆焊前预热200至250℃，堆焊后740±10℃高温回火处理。
(2)在缸体侧坡口用ENiCrFe-1焊条堆焊约8mm的过度层，堆焊前预热200至250℃，堆焊后未进行焊后热处理。
(3)插管组撞到缸体后，采用ENiCr-3焊丝打底和ENiCrFe-1焊条填充，焊前不再预热，采用冷焊法，要求层间温度不超过150℃，焊后不再进行热处理。
有限元计算假设：
(1)不考虑焊接缺陷所引起的应用集中，不考虑焊缝余高等影响。
(2)假设原工艺热处理和热处理的两种镍基焊丝堆焊视为一种工艺，统一作为焊缝金属层。
(3)插管和缸体均为采用同直径的管道代替，不考虑缸体和插管的结构复杂性：且认为两者端部位移为零。
(4)仅考虑焊后两种工艺焊接接头中残余应力，而未附加其他如内压、频繁启停机时的疲劳驾驶载荷以及其他约束载荷等。
采用镍基焊丝堆焊(即冷焊法)时残余应力最大值为-388MPa，最大等效力为370MPa；而采用E6015-B3(R407)焊条焊接(即热焊法)时残余应力最大值为-317MPa，最大等效应力为303MPa均为于焊缝位置，较前者应力峰值大幅度减小，但两者应力峰值均在焊缝熔合线附件，且应力梯度较大。
通过以上模拟计算分析可知：
(1)焊接残余应力最大值均位于焊缝位置。考虑到焊接过程热影响的作用，焊接头中熔合线、热影响区等位置更是成为薄弱环节。在外部附加载荷作用下熔合线、热区影响极易成为失效源。
(2)采用直接用R407焊条堆焊比采用焊基焊丝堆焊工艺焊接接头残余应力大幅度减小，焊接头接头整体应力较均匀。热焊法可以通过后续焊接热处理工序对焊接残余应力进一步减少。
本发明采用科学合理的焊接工艺成功对频繁发生泄漏的高压导汽管异种钢焊接接头进行了修复处理，消除了机组运行重大安全隐患，确保了机组安全运行。
本发明在焊接修复过程中对焊接工艺进行了总结提炼，进一步优化了焊接过程控制并成功开展了推广应用，并取得的良好的预期效果，为后续处理类似缺陷提供了具有极强可操作性的工艺方案。
本发明证明了大口径高温管道镍基焊缝仅能用于短期高温运行，改变了学术界对镍基焊材的传统认识，对超(超)临界机组长期稳定、安全、经济运行有重要指导意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法，其特征在于，包括：
S1用坡口修磨机削去原焊缝的过度层、填充层、及两侧母材热影响区域淬硬层；
S2靠近缸体侧焊缝焊根部留4mm厚度，靠近插管侧焊缝焊根部留2mm厚度，并圆滑过渡，裂纹处修磨出2mm间隙；
S3用钢板对称布置将两端母材点焊定位；
S4采用钨极氩弧焊打底，施焊焊道熔池深度接近1/2处时，将定位钢板除掉，并将焊点用砂轮机磨掉；
S5检查S4合格后，进行下一层的焊接，填充和盖面焊材与高中压外缸材料相匹配，焊丝选择TRG-40、焊条选择E6015-B3(R407)手工电弧焊，预热温度200至250℃，层间温度控制在预热温度范围内；焊后热处理温度按与高中压外缸材料要求的上限温度来确定。
2.根据权利要求1所述的超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法，其特征在于，在S3中需要对导汽连接短管点焊侧进行加热处理，其中加热处理的温度为400至600℃。
3.根据权利要求1所述的超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法，其特征在于，在S3中填充和盖面选择焊条选择E6015-B3(R407)进行手工电弧焊。
4.根据权利要求1所述的超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法，其特征在于，在S4打底焊时，需要检查焊缝根部有无焊透现象。
5.根据权利要求1所述的超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法，其特征在于，在S4中氩弧焊2至3层且厚度不小于3mm。
6.根据权利要求1所述的超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法，其特征在于，填充和盖面焊接采用双人对称焊；多层多道焊接时接头部位应错开10至15mm，每道焊道宽度控制在小于或大于焊条直径1至2mm，单道含摆动宽度不大于所用焊条直径的4倍。
7.根据权利要求1所述的超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法，其特征在于，还包括在每道焊缝焊接完毕后，用砂轮机或钢丝刷将焊接杂物清理干净。
8.根据权利要求1所述的超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法，其特征在于，焊接盖面层高于两侧母材。
9.根据权利要求1所述的超(超)临界机组高中压导汽管的异种钢焊缝修复方法，其特征在于，还包括对修复的焊缝进行金属监督检查的步骤，具体包括：对焊缝表面进行渗透探伤，查看是否有裂纹缺陷；对焊缝以及两侧母材进行焊缝显微组织检验，查看是否有异常；焊缝相控阵检测，检测表面打磨见金属光泽后，使用32晶片相控阵探头，搭配45°至60°斜楔块环向进行扫查，以单面单侧扇形扫查整条焊缝。
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Application publication date: 20170818

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