大型火電機組模塊式凝汽器制造工藝研究

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

大型火電機組模塊式凝汽器制造工藝研究

湯精忠，鄧富軍，楊必林

（東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

文章展示的是土耳其Karabiga模塊式凝汽器廠內(nèi)制造技術(shù)的研究內(nèi)容，著重介紹了殼體裝配、焊接變形控制、同軸度找正、脹管焊管、水壓泄漏檢測等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)創(chuàng)新亮點。

模塊式凝汽器，制造工藝研究

1 前言

土耳其Karabiga項目為2×660 MW機組，是電站輔機事業(yè)部代表公司與北重-阿爾斯通（現(xiàn)GE）簽訂的涉外重點項目，屬“一帶一路”沿線國重大能源基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目。其N-35600型凝汽器按殼體模塊式廠內(nèi)制造，尚屬首次。該項目凝汽器最大特點是實現(xiàn)了模塊化，便于電廠現(xiàn)場組合安裝。該凝汽器殼體模塊涉及到組裝、穿管、脹管、焊管、管程壓力試驗、保護、包裝、起吊（超行車能力）等方面，具有產(chǎn)品要求嚴格、技術(shù)難度大、施工周期長、占用場地多、安全質(zhì)量風(fēng)險高等特點，所以，模塊式凝汽器殼體的制造是整個凝汽器制造的重中之重。在該項目工藝研究中，應(yīng)用了PFMEA（過程潛在失效模式和后果分析）技術(shù)進行風(fēng)險評價和風(fēng)險預(yù)控。

2 結(jié)構(gòu)特征

凝汽器殼體模塊主要由進水側(cè)端管板組件、出水側(cè)端管板組件、管束組件、換熱管（鈦質(zhì)）、側(cè)板組件、抽空氣裝置等組成，如圖1所示。殼體模塊的主要參數(shù)見表1。

圖1 凝汽器殼體模塊三維示意圖

表 1單個殼體模塊主要參數(shù)

3 制造難點及實現(xiàn)過程

3.1端管板管孔加工質(zhì)量的保證

換熱管孔的加工質(zhì)量（公差尺寸及粗糙度要求等）將直接影響穿管、管與管板的脹接強度、管口焊接質(zhì)量等重要性能要求。

該項目凝汽器端管板為爆炸式復(fù)合鈦板（δ 35+5），管孔尺寸公差要求高，為公司首次加工，加工刀具為全新設(shè)計，且需進行工藝試驗。

通過做相關(guān)工藝試驗，充分考慮質(zhì)量、成本等綜合因素，采用“數(shù)控加工底孔+精鏜孔”的加工工藝（見表2）。

表2 端管板管孔加工刀具及參數(shù)

3.2端管板組件裝焊變形的控制

3.2.1 端管板組件裝焊設(shè)計結(jié)構(gòu)

端管板碳鋼側(cè)與接頸法蘭裝焊成端管板組件，如圖2所示。

圖2 端管組件裝焊示意圖

3.2.2 端管板組件裝焊變形分析[1]

由圖2可知，只是在端管板碳鋼面焊接接頸法蘭，形成了端管板單面（碳鋼側(cè)）焊接，焊縫長度較長，焊接量較大，由于焊接應(yīng)力的影響，就會造成復(fù)合板的角變形和側(cè)板的旁彎變形。且鈦復(fù)合板焊接后不允許進行去應(yīng)力處理，將防變形拉筋等去除后，由于應(yīng)力的釋放，易導(dǎo)致零件變形。

3.2.3 焊接變形的控制

（1）制定合理的裝焊工藝順序及拉筋布置方式：先將端管板框架裝配為一部套件，框架內(nèi)部加拉筋（見圖3），采用背靠背、對稱、分段跳焊等方式焊接，焊后及時熱處理，嚴格控制焊接變形。

圖3 端管板框架拉筋布置示意圖

（2）取兩件管孔已加工的、平面變形方向相反（凹對應(yīng)凹、凸對應(yīng)凸）的端管板，將兩端管板鈦側(cè)面對面重疊平放在裝焊平臺上，鈦層之間用橡膠皮進行完全隔開。端管板四周每隔300 mm均布工藝搭子連接，在冷卻管孔區(qū)每一平方米范圍內(nèi)用螺栓將兩塊管板聯(lián)接緊固，使兩管板表面完全貼合，如圖4所示。

圖4 兩端管板背靠背裝配示意圖

（3）將框架裝配于端管板碳鋼側(cè)（見圖5），采用富氬氣體保護焊，按制定的工藝施焊，有效地控制了焊接變形，最大變形量在5 mm以下。

圖5 框架與端管板裝焊示意圖

3.3脹接強度的保證

管徑達Φ28的鈦質(zhì)換熱管的脹接為公司首次。為了保證脹接強度，綜合考慮質(zhì)量、成本因素，采用了機電式脹管機及可調(diào)試式脹管器，用脹接力矩控制脹接質(zhì)量，代替了傳統(tǒng)用脹管率或減薄率的衡量標準。按要求，脹管扭矩必須通過鉆孔、脹管、壓力試驗、拉脫試驗進行確定。

（1）試樣準備

試板：詳見圖6；試管：詳見圖7。

圖6 試板示意圖

圖7 試管示意圖

（2）設(shè)備準備

脹管機：MD-0250V機電式脹管機（日本制造）；脹管器：新型可調(diào)試脹管器Φ28×0.5×34、Φ 28×0.7×34。

（3）試驗數(shù)據(jù)記錄

試驗數(shù)據(jù)記錄樣表見表3[1]。

（4）水壓試驗

采用水壓工裝，將試件裝配于工裝上（見圖8），進行0.8 MPa水壓試驗，穩(wěn)壓30 min，無泄漏。

（5）拉脫力檢驗

對不同力矩的管子進行拉脫試驗，并記錄。

表3 土耳其項目管與管板脹接試驗記錄樣表

圖8 水壓試驗裝配圖

（6）扭矩的確定

A.管子的最低拉斷力F的計算公式為：F=Rm×So。其中：Rm為管子的抗拉強度；So為管子的橫截面積。該項目管子最低拉斷力計算如下：

Φ28×0.7 mm F=400×3.14×（14×14-13.3× 13.3）=24 002.16 N，其25%F=6 kN；

Φ28×0.5 mm F=400×3.14×（14×14-13.5× 13.5）=17 270 N，其25%F=4.3 kN。

B.扭矩的確定條件為：拉脫力大于管子最低拉斷力F的25%。

通過拉脫數(shù)據(jù)（見圖9），結(jié)合以往類似項目要求，考慮經(jīng)驗系數(shù)，將該項目管板脹接力矩定為14 N·M。

圖9 拉脫力數(shù)據(jù)示意圖

3.4管口密封焊工藝評定

由于首次實施Φ28×0.5/0.7鈦管管口密封焊，無對應(yīng)的PQR及WPS，故必須新作。

先按規(guī)范DB 45.7.5-2015制作焊接試件并檢驗焊縫（外觀、無損、金相等），再依據(jù)PQR和WPS確定焊接參數(shù)，詳見表4。

表4 管與管板管口密封焊焊接參數(shù)

3.5殼體模塊的組裝和水壓試驗

3.5.1 難點分析

（1）單個模塊的重量（約100 t）超過輔機事業(yè)部行車起吊能力；

（2）單個模塊尺寸大（12 670×4 260×5 284），且4個模塊同時生產(chǎn)，模塊的裝焊工藝布局及完工起吊發(fā)貨成為一大難點，且安全風(fēng)險高；

（3）單模塊灌水后重量接近車間地基設(shè)計承載能力，現(xiàn)有裝焊平臺無法滿足灌水后載荷；

（4）管束同軸度要求較高，相鄰中間管板同軸度≤Φ2 mm，整個管束同軸度≤Φ3 mm；

（5）單個模塊管孔數(shù)量較多（16 072個管口），管孔的脹管質(zhì)量和焊管質(zhì)量控制成為一大難點；

（6）管程水壓試驗發(fā)生泄漏位置的判定難度很大。

3.5.2 過程實現(xiàn)

3.5.2.1 合理的工藝布局

綜合考慮產(chǎn)品、工藝、設(shè)備、發(fā)貨等，結(jié)合車間尺寸進行的工藝布局詳見圖10。

圖10 模塊制造工藝布局示意圖

3.5.2.2 殼體模塊的裝配

（1）設(shè)計裝焊平臺

綜合考慮地基強度、模塊尺寸等，設(shè)計了專用裝配平臺。

（2）設(shè)計主要工裝

（a）設(shè)計中間管板連接工藝螺桿：用于連接、調(diào)整相鄰中間管板之間的距離，工藝螺桿設(shè)計為可重復(fù)使用（見圖11）。

圖11 中間管板連接、調(diào)整螺桿示意圖

（b）設(shè)計同軸度調(diào)整工裝：同軸度測量器（見圖12）、找正絲堵（見圖13）、調(diào)整輔助工裝（含工字鋼、楔鐵塊），見圖14。

圖12 同軸度測量器示意圖

圖13 找正絲堵示意圖

圖14 同軸度調(diào)整輔助工裝裝配示意圖

（3）制定合理的裝配工藝順序

（a）在裝焊平臺上劃出模塊的中心位置線、底部H型鋼位置線、端管板裝配位置線，先將底部H型鋼就位，然后吊裝一端管管板調(diào)整位置合格后采用工藝支撐架將其支撐固定；

（b）以端管板為基準劃準中間管板位置線，按鋼印順序（進刀側(cè)朝向穿管方向）依次將中間管板裝配于平臺上，中間管板厚度方向定位焊固定塊，相鄰中間管板四周和中間裝配6件調(diào)整工藝螺桿（見圖15）。

圖15 中間管板裝配工藝螺桿示意圖

（c）同軸度找正：以端管板為基準找整個管束同軸度，利用輔助工裝進行同軸度調(diào)整（見圖16）[1]。

圖16 同軸度調(diào)整示意圖

（d）管束模塊的焊接：焊接時應(yīng)保證調(diào)整合格的尺寸不變，并選擇合理的焊接順序及焊接方式以控制變形，焊接過程中監(jiān)測相鄰中間管板同軸度變化情況，并做記錄。對所有內(nèi)外相通的焊縫進行PT或MT檢驗。

3.5.2.3管與管板脹接、焊接質(zhì)量控制

（1）清潔度的保證

清潔度對脹管、焊管質(zhì)量的保證至關(guān)重要。因此，在內(nèi)部管束已焊接完成的殼體模塊兩端布置了專用清潔度保護倉（見圖17），同時在殼體模塊外面覆蓋阻燃布。

圖17 清潔度保護倉設(shè)計示意圖

（2）脹管質(zhì)量的控制

（a）穿管過程控制

編制專項標準SOP，規(guī)范穿管作業(yè)，保證管束組件的清潔度，為脹管、焊管質(zhì)量的控制創(chuàng)造條件。

（b）脹管順序的規(guī)定

為控制脹管力矩對端管板變形的影響，采用分區(qū)域跳脹的方式，在管孔布置圖上標注方法以明確具體脹接順序（見圖18），每一區(qū)域脹接完后，檢驗確認是否漏脹。

圖18 脹接順序示意圖

（c）脹接設(shè)備的選用、脹接參數(shù)的控制

采用電動扭矩脹管機（日本制造），選用新型可調(diào)試脹管器（Φ28×0.5×34、Φ28×0.7×34）。同時要求每個班組開始工作時每隔400根管子就需在工藝試板上確認扭矩，確保脹管扭距符合工藝要求；每脹接1 000個孔更換脹管器或脹珠，以確保脹管器在合理壽命期內(nèi)使用；每天開始脹管前，預(yù)先將待脹的管孔和管子吹去浮塵，清洗干凈并干燥處理。

（d）檢驗

外觀檢驗；拉脫試驗。

（3）焊管質(zhì)量的控制

（a）焊管前管伸出管板距離檢查

嚴格控制管伸出管板端面0.3～0.5 mm。

（b）焊管前清理

每根管子穿過整個模塊后，使用推管工裝（見圖19），將管子向一端推出70 mm，清理干凈管孔和推出的管段后，再向反方向推出管板70 mm，重復(fù)清理另一端。焊接前，用溶劑將待焊接部位及周圍清理干凈。

圖19 專用清洗鈦管及管孔推管工裝示意圖

（c）焊接過程

為了控制焊接變形和焊接熱影響，保證焊接質(zhì)量，要求必須按管孔焊接順序進行施焊；每焊一個管孔須隔4個孔以上距離焊接另一個孔；每臺設(shè)備、每個班開始焊接時以及每隔500個孔均要在試板上試焊檢查一次，確認焊接參數(shù)和焊接設(shè)備的正確性。

（d）檢驗

外觀、PT及對焊接試板進行檢驗。

3.5.2.4 模塊管程水壓

設(shè)計專用泵水工裝，采用2件水室作為泵水工裝。按規(guī)定的緊固件裝配順序（見圖20）將水室裝配于端管板上。管程水壓按對應(yīng)的標準作業(yè)指導(dǎo)書（SOP）執(zhí)行，并依據(jù)圖紙及規(guī)范中的要求制定專項壓力曲線（見圖21）。

圖20 管板與水室螺栓緊固順序示意圖

圖21 殼體模塊管程壓力曲線示意圖

4 技術(shù)創(chuàng)新點

總結(jié)土耳其Karabiga（2×660 MW）常規(guī)機組凝汽器廠內(nèi)模塊式的制造經(jīng)驗，有以下幾個技術(shù)創(chuàng)新點：

（1）該項目制造前，對于整個工藝方案策劃，采用PFMEA（過程潛在失效模式和后果分析）進行了風(fēng)險評價及風(fēng)險預(yù)控；

（2）試驗研究并應(yīng)用了鈦復(fù)合板（δ5/ASTM B265 Gr.1+δ35/Q245R）Φ28管孔的鉆孔、鉸孔、倒角及去毛刺等加工技術(shù)；

（3）管板與換熱管采用扭矩控制的脹管技術(shù)，為公司首次在涉外火電機組上應(yīng)用；

（4）管徑達Φ28的鈦質(zhì)換熱管，為公司首次實施管與管板的脹接、密封焊；

（5）殼體模塊整體與水室管程水壓試驗過程中管或管口泄露檢驗技術(shù)（真空設(shè)備、分階段目測、單根換熱管灌水等多種檢測方式相結(jié)合）的綜合應(yīng)用；

（6）總重（達100 t）超行車能力的殼體模塊，采用大型汽車吊抬吊方式發(fā)貨，作為輔機事業(yè)部也屬首次。

5 結(jié)束語

土耳其Karabiga項目為2×660 MW機組，該項目為公司首次承擔(dān)涉外模塊化凝汽器的制造，也是公司首次簽訂的“一帶一路”沿線國重大能源設(shè)備輔機項目。產(chǎn)品質(zhì)量達到了國際先進水平，提升了公司凝汽器的制造能力，促進了公司的技術(shù)進步，有利于市場競爭，為涉外項目執(zhí)行積累了經(jīng)驗，為市場開拓堅定了信心，同時也為公司后續(xù)機組的開發(fā)及制造奠定了堅實的基礎(chǔ)。

[1]張卓澄.大型電站凝汽器[M].北京:機械工業(yè)出版社,1993.

[2]NB/T 47014-2011承壓設(shè)備焊接工藝評定[S].北京:中國標準出版社,2012.

Research on Modular Condenser Manufacture Processes of Large Thermal Power Unit

Tang Jingzhong，Deng Fujun，Yang Bilin
(Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan，618000)

This paper studies a new way of modular condenser manufacture processes for Karabiga project,focuses on the technologi?cal innovation in the process of shell assembly,welding deformation control,coaxial alignment,tube welding and expansion,hydrostat?ic test.

modular condenser,research of manufacture processes

TK266

B

1674-9987（2016）04-0030-07

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.007

湯精忠（1987-），男，學(xué)士，工程師，畢業(yè)于西南交通大學(xué)，現(xiàn)主要從事電站輔助設(shè)備工藝研究及技術(shù)服務(wù)工作。