主蒸汽管熱電偶保護(hù)套管裂紋原因及在線修復(fù)

余文斌，王佑

(國電開遠(yuǎn)發(fā)電有限公司，云南 開遠(yuǎn) 661601)

0 前言

某主蒸汽管測溫?zé)犭娕继坠芙呛缚p裂紋發(fā)生微漏，需要從危險(xiǎn)狀態(tài)、裂紋成因、工期緊、現(xiàn)場條件受限等幾方面綜合分析，探索既能解決現(xiàn)場難以充氬焊接，又能滿足設(shè)計(jì)使用要求的工藝方法，模擬試驗(yàn)制定出在線修復(fù)方案。

1 測溫?zé)犭娕继坠芰鸭y

停機(jī)對主蒸汽管測溫?zé)犭娕继坠芙呛缚p微漏區(qū)域打磨清潔進(jìn)行著色檢查，其裂紋皆發(fā)生在靠主蒸汽管母材一側(cè)的整圈焊縫熔合線上，未向主蒸汽管母材延伸。

圖1 主蒸汽管道熱電偶套管座原安裝形式

1.1 結(jié)構(gòu)因素

測溫?zé)犭娕继坠芘c主汽管內(nèi)孔根部間隙只有2 mm，直接插入主蒸汽管內(nèi)焊接，是一個(gè)焊不透且剛性大的焊接結(jié)構(gòu)，主蒸汽管測溫?zé)犭娕继坠茏惭b結(jié)構(gòu)見圖2 所示。

選用焊條(不銹鋼)電弧焊，鈍邊厚度大，根部間隙小，幾乎未修坡口，形成了一個(gè)封閉環(huán)形的凹坑狀焊接區(qū)域，使焊條電弧焊操作難度加大，且很難焊透，很容易產(chǎn)生根部未熔合、夾渣及氣孔，此加工結(jié)構(gòu)為裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展創(chuàng)造了條件。

該套管座角焊縫由于形狀的不連續(xù)性，結(jié)構(gòu)拘束度大，套管在管內(nèi)承受高速流動(dòng)的高溫高壓蒸汽介質(zhì)作用，使其產(chǎn)生一定的振動(dòng)，應(yīng)力疊加值最大的位置在焊縫根部，所以裂紋先在焊縫根部產(chǎn)生，然后在振動(dòng)應(yīng)力的作用下沿著焊縫內(nèi)部的薄弱點(diǎn)逐漸擴(kuò)展并延伸到焊縫的表面。

1.2 異種鋼焊接因素

主蒸汽管 SA335 P91 鋼與熱電偶套管0Cr18Ni12Mo2Ti 鋼是異種鋼焊接，由于兩者化學(xué)成分、物理性能、力學(xué)性能和工藝性能均不同，這就產(chǎn)生了與焊接同一種金屬所不同的新的問題:

1)熔合區(qū)存在一個(gè)窄的低脆性交界層，寬度為0.2～0.6 mm，其化學(xué)成分和組織不同于焊縫;它的存在嚴(yán)重降低了接頭的沖擊韌性。

2)熔合區(qū)的碳擴(kuò)散，當(dāng)接頭在高溫下長期工作時(shí)，其熔合區(qū)附近會(huì)發(fā)生碳的擴(kuò)散現(xiàn)象，結(jié)果在靠近熔合區(qū)的鐵素體耐熱鋼母材上形成了一層脫碳軟化層，在奧氏體焊縫一側(cè)產(chǎn)生了與脫碳層相對應(yīng)的增碳硬化層，實(shí)踐證明，脫碳層是接頭中的薄弱環(huán)節(jié)，對高溫持久強(qiáng)度的影響較大，約降低10%～20%，易于在低合金側(cè)熔合線處產(chǎn)生裂紋，與現(xiàn)場情況印證吻合。

3)熔合區(qū)的熱應(yīng)力，奧氏體鋼熱膨脹系數(shù)比珠光體大30%～50%，而熱導(dǎo)率卻只有珠光體耐熱鋼的50%左右，兩者熱膨脹系數(shù)與導(dǎo)熱系數(shù)相差較大;因此該類接頭在交變溫度運(yùn)行中將會(huì)產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，這亦是接頭破壞的原因之一。

4)熱電偶套管0Cr18Ni12Mo2Ti 鋼的熔敷金屬(焊接接頭)不適用于超聲波檢測、超聲衍射時(shí)差檢測或磁粉檢測，難以準(zhǔn)確判定焊接質(zhì)量。

綜上所述，對于SA335 P91 鋼主蒸汽管與不銹鋼熱電偶保護(hù)套管的異種鋼焊接，熱電偶套管座替用與管道同材質(zhì)的焊接施工方案無疑是最可靠的，它同時(shí)滿足了溫度、壓力、焊接及檢測等質(zhì)量方面的要求。

2 修復(fù)方案

2.1 清除裂紋

1)對熱電偶套管座角焊縫及附近主蒸汽管母材表面清理干凈，進(jìn)行光譜分析，復(fù)核原用材質(zhì)是否符合設(shè)計(jì)要求;硬度檢驗(yàn)，實(shí)測原主蒸汽管母材HB167，熔合區(qū)HB183，焊縫HB186，以便修復(fù)前后硬度值對比。

2)用著色檢測確定裂紋的位置走向，沿著裂紋走向采用電鉆頭或合金磨頭清理，直至原套管座焊縫裂紋全部清除，清除過程中應(yīng)防止主蒸汽管母材坡口擴(kuò)大，以便減少填充的熔敷金屬。

3)該套管座焊縫只挖至18 mm 深度時(shí)，整個(gè)套管連其焊縫就一同被取出，套管根部與主蒸汽管內(nèi)孔臺(tái)階處焊縫幾乎未熔合。

4)對原主汽管測溫開挖孔的插入臺(tái)階φ42 mm 孔邊打磨成45°喇叭斜面，φ42 與φ62 孔相接處圓滑過渡，φ62 孔邊坡口角15°，修磨坡口盡量保證氬弧槍不受阻礙施焊，形狀見圖5。

5)再次著色檢查原主蒸汽管測溫管孔坡口面及其周圍50 mm 以上區(qū)域，確認(rèn)無裂紋存在。

2.2 焊接工藝

1)工藝采用全氬焊，焊接設(shè)備選ZX7－400B時(shí)代逆變焊機(jī)，采用直流正接法。

2)裝配定位，更換熱電偶套管 (替用SA335 P91 鋼)插入原主蒸汽管內(nèi)孔深度100 mm，復(fù)核插入臺(tái)階φ42 mm 孔邊喇叭斜面不阻礙氬弧槍施焊，否則繼續(xù)修磨。為防止焊縫根部金屬氧化，由于主蒸汽管道已安裝在役使用，此時(shí)管道內(nèi)部也不便充氬，故在裝配前，應(yīng)將免充氬保護(hù)劑涂在坡口根部的內(nèi)表面以及熱電偶焊接根部表面。裝配過程中，注意防止套管直接滑入主蒸汽管內(nèi)，裝配見圖5;符合裝配尺寸要求后，采用氬弧焊工藝在時(shí)鐘2、9 點(diǎn)兩處點(diǎn)焊10 mm定位，并仔細(xì)檢查定位焊質(zhì)量。

3)預(yù)熱，采用WK－Ⅰ型電腦恒溫溫控裝置電加熱預(yù)熱，升降溫速度≤150℃/h;使用20m繩式加熱器對主蒸汽管道外覆硅酸鋁保溫進(jìn)行包扎，加熱寬度≥280 mm，測溫點(diǎn)布置在管孔對側(cè)管壁，留出的圓形φ90 mm 焊接區(qū)域暫先用石棉布遮蓋;考慮到焊接結(jié)構(gòu)拘束度大，熱電偶管孔和管道存在的溫差，適當(dāng)電預(yù)熱管孔對側(cè)管壁溫度至230～250℃，恒溫10 min，掀開石棉布，再用紅外線槍監(jiān)測管孔，使其溫度達(dá)130℃時(shí)，斷開電加熱電源，即可進(jìn)行氬弧焊封底焊。

圖2 主蒸汽管道熱電偶套管座安裝形式

4)焊接參數(shù)為電弧電壓10～14V，焊接電流90～125 A，保護(hù)氣體流量8～10 L/min，焊接速度50～80 mm/min。

封底焊要確保根部焊透，焊接過程中，層間溫度保持在200～250℃之內(nèi)，使用多層多道全氬焊，單層焊道的厚度宜薄不宜厚，最厚不超過2.7 mm;焊絲粘滯性大不易疏散，擺動(dòng)寬度不宜超過6 mm，每次堆焊長度不宜超過50 mm，焊縫表面溫度待冷到200℃時(shí)再繼續(xù)施焊，注意不得同時(shí)在一處收頭，每層接頭錯(cuò)開10～15 mm，收弧時(shí)填滿弧坑;專工現(xiàn)場旁站監(jiān)督全過程。

焊后管座角焊縫處飽滿，主蒸汽母管側(cè)焊腳高度控制在12 mm 以上，使角焊縫與主蒸汽管軸向的角度為30°以下，平緩過渡到母材，不允許咬邊。

焊工要仔細(xì)檢查每層焊縫的質(zhì)量，整個(gè)熱電偶套管座角焊縫持續(xù)施焊，實(shí)際用時(shí)3 小時(shí)，然后用硅酸鋁保溫棉對其焊縫保溫緩冷。

5)焊后應(yīng)立即進(jìn)行熱處理，先使焊縫緩冷至100～120℃，恒溫90 min，讓殘留奧氏體充分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，然后馬上升溫做焊后熱處理，升、降溫速度以不高于120℃/h 為宜，回火溫度750～770℃，恒溫時(shí)間4 h;降溫時(shí)，300℃以下冷卻速度可不控制;SA335 P91 鋼焊接及熱處理過程工藝規(guī)范曲線如圖3 所示;

圖3 SA335 P91 鋼焊接及熱處理過程工藝規(guī)范曲線圖

采用電加熱，對主蒸汽管道的熱電偶溫度管座置于兩股20 m 繩式加熱器中間，外覆硅酸鋁保溫進(jìn)行包扎，加熱寬度≥350 mm，保溫厚度同樣不小于350 mm。最后進(jìn)行質(zhì)量檢測。

3 結(jié)束語

綜上所述，主蒸汽管SA335 P91 鋼與熱電偶套管0Cr18Ni12Mo2Ti 鋼形成異種鋼焊接，熱電偶套管座替用與管道同材質(zhì)的焊接施工方案最可靠的。

［1］于進(jìn)云，張家剛P91 主蒸汽管道熱電偶插座裂紋分析及在線修復(fù).焊接雜志社.2008 年第8 期焊接47－48

［2］葛兆祥主編焊接工藝及原理.中國電力出版社.1997 288－289

［3］郭延秋主編金屬與焊接分冊.中國電力出版社.2003 273－274