高寒地區(qū)的冬季施工焊接質(zhì)量管控

騰志勇,鄭福民

（1.國(guó)華呼倫貝爾發(fā)電有限公司,內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021025; 2.東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110006）

內(nèi)蒙古國(guó)華呼倫貝爾發(fā)電有限公司總規(guī)劃建設(shè)6臺(tái)600 MW超臨界直接空冷機(jī)組,首期工程建設(shè)為2臺(tái)600 MW超臨界機(jī)組,2010年雙機(jī)投產(chǎn)發(fā)電。

呼倫貝爾市位居歐亞大陸中緯度偏高地帶,冬季月平均溫度-26.2℃;最低氣溫-43.6℃。為了不影響施工進(jìn)度,有些焊接工作必須在冬季進(jìn)行。研究冬季施工影響焊接質(zhì)量的不利因素及采取有效管控措施是保證冬季施工焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

1 影響冬季施工焊接質(zhì)量的不利因素

1.1 環(huán)境溫度低

a.環(huán)境溫度低、熔池冷卻速度快,導(dǎo)致焊縫硬度增加,改變焊縫金相組織,降低焊縫的沖擊韌性。

b.環(huán)境溫度低會(huì)使熔敷金屬冷卻速度加快,導(dǎo)致熔敷金屬中的氫不能有效逸出,增加焊縫的冷裂敏感性,易產(chǎn)生冷裂紋缺陷。

c.低溫環(huán)境下使焊口的預(yù)熱效果變差,保持焊縫層間溫度困難。

d.環(huán)境溫度低會(huì)使焊工操作困難,影響焊口合格率。

1.2 施工單位沒有在高寒地區(qū)冬季施工經(jīng)驗(yàn)

兩家施工單位都沒有在高寒地區(qū)安裝機(jī)組的業(yè)績(jī)。對(duì)低溫環(huán)境下進(jìn)行焊接作業(yè)帶來(lái)的困難認(rèn)識(shí)不足。在制定措施及執(zhí)行過(guò)程中難免存在偏差,如果冬季焊接工藝制定出來(lái)后不符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況或?qū)嵤┖笮Ч缓?將會(huì)直接影響到焊接質(zhì)量,為機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行埋下隱患。

1.3 國(guó)內(nèi)沒有成熟的冬季焊接施工經(jīng)驗(yàn)可以借鑒

在冬季施工開始前,對(duì)當(dāng)?shù)氐膬杉译姀S進(jìn)行了調(diào)研。一家電廠二期工程為2臺(tái)600MW亞臨界機(jī)組,3、4號(hào)機(jī)組都在11月份完成了廠房采暖封閉工作。封閉后鍋爐廠房?jī)?nèi)溫度能達(dá)到0℃左右,施工過(guò)程中只要采取一些簡(jiǎn)單的措施,環(huán)境溫度就能滿足焊接作業(yè)的要求。另一家為熱電廠,新建的2臺(tái)200MW供熱機(jī)組,施工工期短,建設(shè)速度快,在冬季施工前已經(jīng)完成了廠房封閉且受熱面焊接工作基本結(jié)束,不存在冬季施工問(wèn)題。

因此,沒有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒學(xué)習(xí)的情況下,只能依據(jù)對(duì)規(guī)程的理解制定施工方案。

2 冬季焊接施工采取的主要措施

2.1 對(duì)環(huán)境溫度的要求

允許進(jìn)行焊接操作的最低環(huán)境溫度因鋼材類別不同分別為：A-Ⅰ為-10℃;A-Ⅱ、A-Ⅲ、B-Ⅰ類為0℃;B-Ⅱ、B-Ⅲ為5℃;C類不作規(guī)定。

“環(huán)境溫度”具體是指焊口周圍的小環(huán)境溫度還是指防護(hù)棚內(nèi)的溫度,規(guī)程上并沒有明確的規(guī)定。如果將環(huán)境溫度規(guī)定為棚內(nèi)溫度會(huì)存在以下問(wèn)題。

a.溫度計(jì)的懸掛位置不一定能反映出焊接環(huán)境的真實(shí)溫度。

b.鋼管的實(shí)際溫度有可能低于保溫棚內(nèi)溫度。由于棚內(nèi)溫度與棚外相差太大,并且不可能將整根鋼管都罩在棚內(nèi),在熱傳導(dǎo)的作用下,鋼管的實(shí)際溫度低于棚內(nèi)溫度。

因此將“環(huán)境溫度”規(guī)定為焊口周圍600～800 mm的范圍內(nèi)較為合適。

2.2 保證環(huán)境溫度的措施

使用腳手架搭設(shè)防風(fēng)棚,里面采用防火苫布,外面搭設(shè)棉苫布。棚內(nèi)放置大功率的暖風(fēng)機(jī)來(lái)提高環(huán)境溫度,見圖1。

圖1 焊接時(shí)搭設(shè)的防護(hù)棚

2.3 特殊情況下的焊前預(yù)熱要求

a.在0℃及以下低溫下,壁厚不小于6mm的耐熱鋼管、管件和厚度不小于34 mm的板件焊接時(shí),預(yù)熱溫度可按規(guī)定值提高30～50℃。

b.在-10℃及以下低溫下,壁厚小于6mm的耐熱鋼管及壁厚大于15 mm的碳素鋼管焊接時(shí)應(yīng)適當(dāng)預(yù)熱。

實(shí)際證明,當(dāng)環(huán)境溫度低于鋼材的允許焊接溫度時(shí),根據(jù)不同類別的鋼材,只要進(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱,或?qū)㈩A(yù)熱溫度提高30～50℃,能夠保證焊接質(zhì)量。

2.4 焊口組對(duì)的要求

如果借用錘擊、倒鏈強(qiáng)拉、千斤項(xiàng)等外力進(jìn)行強(qiáng)力對(duì)口,會(huì)在焊后產(chǎn)生非常大的殘余應(yīng)力,導(dǎo)致焊縫提前失效。如在點(diǎn)焊后撤除強(qiáng)制器具,在后續(xù)的焊接過(guò)程中就可能導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生裂紋。尤其是管子在低溫下,沖擊韌性降低,更容易發(fā)生上述問(wèn)題。因此,在施工過(guò)程中禁止采用任何借助外力的方式進(jìn)行焊口的組對(duì)。

圖2 焊前預(yù)熱

2.5 預(yù)熱措施

a.所有焊口都應(yīng)采用熱處理設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱,并輔以火焰加熱。熱處理設(shè)備在焊接及焊縫冷卻過(guò)程中一直進(jìn)行伴熱,用以保證層間溫度及冷卻速度不要太快,見圖2。

b.焊口下方鋪設(shè)腳手板,腳手板上面鋪上一層石棉布,用來(lái)?yè)躏L(fēng)和防止發(fā)生火災(zāi)事故。

c.焊后及時(shí)采用保溫棉對(duì)焊口及兩側(cè)300 mm進(jìn)行包裹,以避免焊口冷卻速度過(guò)快產(chǎn)生裂紋缺陷。

d.焊口附近區(qū)域加設(shè)爐片或暖風(fēng)機(jī),并隨焊接位置的改變相應(yīng)移動(dòng),確保焊口附近的小環(huán)境溫度滿足要求。

e.加強(qiáng)根焊縫的檢查,并及時(shí)進(jìn)行次層焊接,焊口如無(wú)特殊原因應(yīng)一次焊接完成,防止產(chǎn)生冷裂紋。

3 焊接過(guò)程的質(zhì)量管控

保證冬季焊接質(zhì)量的關(guān)鍵在于過(guò)程的管控,尤其是對(duì)焊口附近溫度的監(jiān)測(cè)更是整個(gè)工作的重心。為保證焊接過(guò)程中焊口附近的溫度及預(yù)熱符合要求且可控、在控,采取如下措施。

a.冬季施工措施制定審批后,要求參建單位組織施工人員進(jìn)行學(xué)習(xí),強(qiáng)調(diào)做好冬季施工措施的必要性和重要性,使施工人員了解了冬季施工的具體工作和要求。

b.在采取搭防護(hù)棚、用電熱片和暖風(fēng)器提高環(huán)境溫度的同時(shí),加強(qiáng)了對(duì)焊口位置的溫度監(jiān)測(cè),環(huán)境溫度達(dá)到要求而焊口處溫度低同樣不允許進(jìn)行焊接工作,見圖3。

圖3 實(shí)測(cè)管口溫度

c.要求施工單位的焊接工地每天安排專人在焊接前對(duì)各施工作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量并做好記錄,確認(rèn)施焊溫度符合要求并簽字確認(rèn)后方可進(jìn)行焊接工作。溫度測(cè)量記錄一式兩份,一份掛在焊接防護(hù)棚內(nèi),便于檢查,一份在每天下班前上報(bào)工程部存檔。

d.工程部鍋爐、金屬專業(yè)和監(jiān)理人員每天對(duì)各個(gè)施工作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行檢查,每周組織參建單位對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的冬季施工措施的執(zhí)行情況進(jìn)行專項(xiàng)檢查,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決。

4 冬季施工焊口的檢驗(yàn)

為保證機(jī)組投產(chǎn)后能安全、穩(wěn)定運(yùn)行,對(duì)冬季施工的焊口進(jìn)行了有計(jì)劃的檢驗(yàn)工作。

a.對(duì)1號(hào)爐分隔屏的全部焊口和低溫再熱器的部分安裝焊口進(jìn)行了復(fù)檢,共檢查分隔屏焊口2345道（UT）,低溫再熱器焊口216道（RT）、390道（UT）、390道（MT）,均未發(fā)現(xiàn)裂紋及疑似裂紋的缺陷存在。復(fù)檢比例約為冬季施工焊口總數(shù)的15%。?

圖4 低溫再熱器焊口斷面

圖5 焊縫金相組織

b.對(duì)1、2號(hào)爐低溫再熱器焊口隨機(jī)抽取了6根試樣進(jìn)行折斷試驗(yàn),未見缺陷,見圖4。

c.對(duì)1號(hào)爐分隔屏冬季施工焊口（T91）進(jìn)行了金相組織檢驗(yàn),金相組織為回火馬氏體,見圖5。

5 結(jié)論

a.呼倫貝爾發(fā)電有限公司1號(hào)機(jī)組于2010年11月20日通過(guò)168 h試運(yùn),2號(hào)機(jī)組于2010年12月1日通過(guò)168 h試運(yùn)轉(zhuǎn)入商業(yè)運(yùn)行,目前未出現(xiàn)冬季施工焊口泄漏問(wèn)題,說(shuō)明冬季施工焊口管控措施可靠、有效。

b.規(guī)程中對(duì)于“環(huán)境溫度”的概念較為模糊,如單純將保溫棚內(nèi)溫度視為“環(huán)境溫度”將無(wú)法保證焊接質(zhì)量?！碍h(huán)境溫度”應(yīng)定義為施焊部件800mm范圍內(nèi),尤其是焊口兩側(cè)300 mm內(nèi)的溫度。

c.對(duì)冬施的管控重點(diǎn)應(yīng)放在焊口的預(yù)熱上面,這樣更有利于保證焊接質(zhì)量。

d.采用電加熱片對(duì)施焊部位進(jìn)行預(yù)熱,并結(jié)合大功率暖風(fēng)器來(lái)提高保溫棚內(nèi)溫度的方法,效果較好。

[1] 楊建平.火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程[M].北京：中國(guó)電力出版社,2004.

[2] 李益民.火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程[M].北京：中國(guó)電力出版社,2009.