火電廠導(dǎo)汽管彎頭法蘭與內(nèi)套管異種鋼焊接工藝

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北分公司，陜西 西安710021)

0 前言

某火電廠2號(hào)機(jī)為東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的200 MW發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)型號(hào)為CZK200/160-12.7/0.294/535/535型超高壓、一次中間再熱、三缸兩排汽、直接空冷供熱式。該機(jī)組于2003年12月13日投產(chǎn)，累計(jì)運(yùn)行51 970 h。2016年在對(duì)該機(jī)組進(jìn)行檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)高壓缸右下部材質(zhì)為ZG20CrMoV導(dǎo)汽管彎頭法蘭存在蜂窩狀疏松缺陷。

為保證機(jī)組安全運(yùn)行，選用材質(zhì)為ZG15Cr2Mo1，規(guī)格為DN 200 mm×46 mm的彎頭法蘭替換原法蘭，與彎頭法蘭連接內(nèi)套管材質(zhì)為1Cr11MoV。與ZG20CrMoV相比，ZG15Cr2Mo1具有更好的工藝性能，在減少鑄造缺陷方面更加優(yōu)越。

為獲得性能良好的1Cr11MoV與ZG15Cr2Mo1異種鋼接頭，在彎頭法蘭更換過程中對(duì)法蘭拆除、坡口制備、焊接過程及熱處理過程進(jìn)行了嚴(yán)格控制，焊后對(duì)焊縫進(jìn)行了金相檢驗(yàn)及無損檢測，以保證焊接接頭能夠滿足機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

1 1Cr11MoV與ZG15Cr2Mo1鋼焊接性分析

異種鋼焊接時(shí)，一般要綜合考慮兩種材料的焊接性。1Cr11MoV與ZG15Cr2Mo1化學(xué)成分見表1，兩者成分相差較大，造成兩者力學(xué)性能差異較大。1Cr11MoV為馬氏體不銹鋼，其Cr含量在10%以上，該鋼具有較好的抗腐蝕性能，較高的熱強(qiáng)性能，較好的減震性能以及較小的線膨脹系數(shù)。因此1Cr11MoV是540 ℃以下汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)葉片的常用材料。然而，該鋼Cr含量較高，焊接性較差，焊前需預(yù)熱至350 ℃左右，宜采用與鋼號(hào)成分接近的焊條，為控制焊縫金屬中的鐵素體含量，含碳量在0.1%左右時(shí)，焊縫金屬中Cr含量宜控制在10.0%～10.5%之間[1]。

ZG15Cr2Mo1屬于2.25Cr-Mo鐵素體、珠光體熱強(qiáng)鑄鋼，具有良好綜合性能和工藝性能，抗腐蝕性及抗高溫氧化性能優(yōu)于ZG15Cr1Mo，主要用于工作溫度不超過570 ℃的汽輪機(jī)缸體、閥殼等[1]。一般Ceq≤0.45%時(shí)鋼的焊接性較好，而ZG15Cr2Mo1是通過Cr，Mo固溶強(qiáng)化的熱強(qiáng)鋼，根據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式:

(1)

其碳當(dāng)量為0.73%～1.14%，遠(yuǎn)超0.45%，因此焊接性變差。根據(jù)CCT曲線，該鋼具有脆硬傾向，若焊后冷卻速度過快極易產(chǎn)生冷裂紋。同時(shí)ZG15Cr2Mo1具有一定再熱裂紋傾向，這主要是因?yàn)楹负鬅崽幚淼亩挝龀鏊纬傻拿芗饘偬蓟锍恋硭斐傻腫2]。通過焊前預(yù)熱、控制好層間溫度, 采用較低的焊接熱輸入進(jìn)行焊接,減小焊接過熱區(qū)的寬度, 可有效控制再熱裂紋產(chǎn)生的傾向。

表1 1Cr11MoV與ZG15Cr2Mo1鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 焊接材料及熱處理溫度的選擇

ZG15Cr2Mo1與1Cr11MoV的異種鋼焊接，根據(jù)電力標(biāo)準(zhǔn)要求[3]，焊接材料采用低匹配原則，選擇焊絲型號(hào)為ER90S-B3，焊條型號(hào)為E6015-B3。

珠光體鋼與馬氏體鋼焊接時(shí)，需要焊前預(yù)熱和焊后熱處理，預(yù)熱溫度一般控制在150～350 ℃范圍內(nèi)[4]，由于ZG15Cr2Mo1具有較大的消除應(yīng)力處理裂紋傾向，同時(shí)為抑制碳化物析出，預(yù)熱溫度必須高于250 ℃[5]。異種鋼焊接時(shí)，當(dāng)兩側(cè)母材均非奧氏體不銹鋼時(shí)，層間溫度不低于預(yù)熱溫度下限且不高于400 ℃[3]。ZG15Cr2Mo1與1Cr11MoV焊接時(shí)，預(yù)熱溫度為250～300 ℃，層間溫度為250～350 ℃，焊后熱處理溫度為690 ℃±10 ℃并保溫3 h。

3 焊前準(zhǔn)備

3.1 材質(zhì)復(fù)核

為指導(dǎo)焊接工作，焊接前使用便攜式直讀光譜儀對(duì)內(nèi)套管及待焊彎頭法蘭進(jìn)行材質(zhì)復(fù)合，其元素含量檢測結(jié)果見表2，材質(zhì)復(fù)核結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。

表2 元素含量復(fù)核結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3.2 防止管路下沉及系統(tǒng)污染措施

為防止導(dǎo)汽管道下沉，割管前使用三套5T倒鏈從不同方向?qū)Ω邏焊子蚁虏繉?dǎo)汽管法蘭下部位置進(jìn)行徑向固定，倒鏈?zhǔn)芰Σ课粸閺S房結(jié)構(gòu)預(yù)埋件或鋼結(jié)構(gòu)；此外，為防止導(dǎo)汽管內(nèi)部受到污染，割管前還拆除了彎頭法蘭螺栓，并在法蘭密封內(nèi)填裝堵板后緊固法蘭螺栓，以防切割焊口時(shí)污染導(dǎo)汽管內(nèi)部。彎頭法蘭拆除后，對(duì)導(dǎo)汽管下法蘭內(nèi)采取了封堵措施，以防異物落入。

3.3 彎頭法蘭的拆除

拆除彎頭法蘭前測量了備件彎頭法蘭外形尺寸，并在高壓進(jìn)汽管上畫出缺陷彎頭法蘭的切割位置線。為保證后期打磨需要，劃線時(shí)預(yù)留2～3 mm打磨余量，以保證裝配尺寸滿足施焊要求。

原焊縫熔敷金屬的去除采用機(jī)械法，切割時(shí)應(yīng)按劃線位置切割去除進(jìn)汽管上的彎頭法蘭，切割位置靠近彎頭側(cè)(且去除彎頭法蘭與內(nèi)套管間的原焊縫)，要求不得損傷內(nèi)外套管及二者之間的焊縫?，F(xiàn)役彎頭法蘭拆除后立即吊走，以免墜落損壞其它設(shè)備。

3.4 坡口制備與組對(duì)

彎頭法蘭裝配后，使用假墊按工藝要求緊固法蘭螺栓，并根據(jù)裝配尺寸修磨坡口。焊接采用U形坡口如圖1所示，其中a=10°～15°,b=1～2 mm ,p=0.5～2 mm ,R=5 mm。坡口修磨完成后采用磁粉檢測對(duì)修磨后坡口進(jìn)行檢測，保證坡口無裂紋及分層等缺陷。

圖1 焊接坡口示意圖

焊件組對(duì)時(shí)，要盡量保持內(nèi)壁齊平，允許錯(cuò)口最大值不超過1 mm，坡口間隙控制在1～2 mm范圍內(nèi)。

坡口修磨完成后，對(duì)下法蘭及備件彎頭法蘭的密封面進(jìn)行了研磨，以保證法蘭密封面的嚴(yán)密性。焊接前，及時(shí)清理了坡口周圍100 mm范圍內(nèi)的油污鐵銹等雜物，并取出管路封堵，按工藝要求安裝密封墊，裝配彎頭法蘭并用螺栓緊固。

3.5 焊接材料準(zhǔn)備

選用直徑為2.4 mm的ER90S-B3焊絲及直徑為4 mm的E6015-B3焊條，焊接材料入廠前已經(jīng)驗(yàn)收合格。焊條使用前已經(jīng)在350～400 ℃環(huán)境中烘干2 h，烘干后置于100～200 ℃保溫桶中保溫，以備在焊接過程中隨取隨用。

4 焊接過程控制

4.1 預(yù)熱

焊前采用遠(yuǎn)紅外履帶式加熱片對(duì)待焊部件進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱范圍為坡口兩側(cè)200 mm范圍，要求加熱片要與待焊部件緊密接觸，外部綁固石棉進(jìn)行保溫。熱電偶插在加熱片與待焊部件之間，預(yù)熱時(shí)，控溫?zé)犭娕疾贾迷诩訜釁^(qū)以內(nèi)，檢測熱電偶應(yīng)盡可能靠近坡口處，預(yù)熱溫度下限設(shè)定為250 ℃，上限設(shè)定為300 ℃。

焊接過程中當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度不在預(yù)熱溫度范圍內(nèi)時(shí),應(yīng)立即停止焊接，待溫度恢復(fù)正常后繼續(xù)焊接。

4.2 焊接

焊接過程中，采用氬弧焊打底、焊條電弧焊蓋面的方式，焊接時(shí)采用兩人分段對(duì)稱及跳焊的方式以減小焊接變形量。打底結(jié)束后，對(duì)氬弧焊焊縫進(jìn)行滲透檢測，無相關(guān)顯示后進(jìn)行填充蓋面。

4.2.1定位焊

焊工在檢查焊縫坡口組對(duì)質(zhì)量合格后進(jìn)行定位焊，定位焊的焊接工藝與正式施焊相同。定位焊在圓周分布三點(diǎn)，定位焊長度為8～12 mm，厚度為2～3 mm且均勻分布在整個(gè)圓周上。定位焊結(jié)束后，對(duì)定位焊質(zhì)量進(jìn)行檢查，檢查合格后進(jìn)行下道工序。

4.2.2氬弧焊打底

采用氬弧焊打底時(shí)采用直徑為2.4 mm焊絲，直流正接，焊接電流為80～120 A，電弧電壓為12～14 V，焊接速度為40～50 mm/min，氬氣流量為8～12 L/min，打底厚度不小于3 mm。打底時(shí)嚴(yán)格控制起弧和收弧質(zhì)量，起弧時(shí)從坡口起弧，收弧時(shí)將熔池填滿。當(dāng)焊接3/4左右時(shí)，應(yīng)用手電筒檢查焊道的根部質(zhì)量，如有未焊透、內(nèi)凹等缺陷時(shí)，及時(shí)打磨消除并進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊工藝與正式焊接相同。

4.2.3填充蓋面

打底結(jié)束，經(jīng)自檢合格后及時(shí)進(jìn)行焊條電弧焊填充蓋面，以防止產(chǎn)生裂紋。焊條電弧焊選用直徑為4 mm的E6015-B3焊條，焊接電流控制在130～190 A之間，電弧電壓為20～24 V，焊接速度控制在90～140 mm/min。施焊過程中，使用遠(yuǎn)紅外測溫儀監(jiān)控層間溫度，要求層間溫度控制在250～350 ℃之間，當(dāng)發(fā)現(xiàn)層間超溫時(shí)，應(yīng)立即停止施焊。焊條電弧焊時(shí)，焊條擺動(dòng)幅度不超過焊條直徑的3倍，每層焊縫焊完后及時(shí)清理，干凈后進(jìn)行次層焊縫的焊接。施焊中，嚴(yán)格控制接頭和收弧質(zhì)量，收弧時(shí)將熔池填滿，層間和蓋面接頭相互錯(cuò)開，熔合良好，起弧和?；r(shí)電弧均引在坡口內(nèi)壁上，收弧時(shí)減慢焊接速度，將弧坑填滿。蓋面時(shí)焊縫與母材均圓滑過渡，收弧處弧坑飽滿，接頭熔合良好，蓋面層不應(yīng)少于3道，并且中間有1道回火焊道。

5 焊后熱處理

焊后熱處理采用電阻式局部加熱，設(shè)備要求功率不小于40 kW，且升溫和降溫階段在20～750 ℃階段具有升溫速度在40～120 ℃/h可調(diào)。

在焊縫四周均勻布置2根監(jiān)控?zé)犭娕迹捎脡浩c(diǎn)焊方式點(diǎn)固熱電偶，然后在焊縫區(qū)域布置加熱器，加熱器加熱寬度高于250 mm(以焊縫中心兩側(cè)均勻?qū)ΨQ布置)。加熱器布置后，再布置石棉,石棉厚度≥50 mm,寬度比加熱器單側(cè)增寬100 mm。

焊后熱處理曲線如圖2所示，焊后熱處理過程中，升溫階段升溫速度為80 ℃/h±5 ℃/h，待溫度升至680～700 ℃后，保溫3 h。冷卻過程中，降溫速度為60 ℃/h±5 ℃/h，待溫度降至150 ℃后拆除保溫棉及加熱器并自然冷卻至室溫。

圖2 焊后熱處理曲線

6 焊后檢驗(yàn)結(jié)果

焊后熱處理24 h后，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[3,7-11]，對(duì)焊接接頭進(jìn)行磁粉檢測及超聲檢測，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。對(duì)接頭進(jìn)行金相檢驗(yàn)及硬度檢測，也未發(fā)現(xiàn)異常情況。2018年該機(jī)組維修時(shí)對(duì)接頭再次進(jìn)行無損檢測，未發(fā)現(xiàn)異常情況。

7 結(jié)論

(1)舊彎頭法蘭拆除采用機(jī)械切割法，切割時(shí)使用3套5T倒鏈對(duì)導(dǎo)汽管進(jìn)行固定以防止管路下沉。

(2)焊前對(duì)待焊母材進(jìn)行了材質(zhì)復(fù)驗(yàn)，材質(zhì)符合結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)焊接選擇U形坡口以氬弧焊打底、焊條電弧焊進(jìn)行填充蓋面，用ER90S-B3焊絲和E6015-B3焊條作為焊接材料。焊接時(shí)采用分段對(duì)稱及跳焊的方式以減小變形量，為防止冷裂紋等缺陷產(chǎn)生，進(jìn)行了焊前預(yù)熱和焊后回火熱處理。

(4)焊后對(duì)焊接接頭進(jìn)行無損檢測，焊縫成形良好，未發(fā)現(xiàn)裂紋等超標(biāo)缺陷。經(jīng)過兩年安全運(yùn)行該接頭未發(fā)現(xiàn)異常，證明該焊接工藝可以滿足機(jī)組安全運(yùn)行要求。