塔式鍋爐水冷壁熱處理防變形方案探究

李春雷

中國電建集團(tuán)核電工程有限公司 山東 濟(jì)南 250102

引言：水冷壁作為鍋爐的主要受熱部分，它主要由上部垂直管圈和下部螺旋管圈組成。垂直管圈分為上部和下部，鍋爐廠將數(shù)排鋼管焊接而組成膜式壁，管子內(nèi)部流動著水及高溫蒸汽，分布在爐膛的四周，設(shè)計壓力為35.57MPa，設(shè)計溫度475℃。水冷壁的鋼材主要為12Cr1MoVG，垂直管圈的上部管子直徑為44.5mm，壁厚為9mm，節(jié)距120mm；下部管子的直徑為38.5mm，壁厚為8.5mm，節(jié)距60mm。上下部之間采用Y型三通實(shí)現(xiàn)中間過渡。管屏分片運(yùn)輸?shù)诌_(dá)施工地點(diǎn)，并通過吊裝與焊接將每片水冷壁進(jìn)行高空拼接。在垂直管圈水冷壁焊后熱處理過程中，焊口處出現(xiàn)了彎折變形。

對已進(jìn)行熱處理的右水垂直段共7片管屏進(jìn)行了采樣測量：

表1 ：水冷壁管屏彎折采樣測量結(jié)果

通過《火力發(fā)電廠焊接焊接技術(shù)規(guī)程》DL/T 869-2012可知，在水冷壁焊縫200mm范圍內(nèi)的最大變形量≤2mm，通過數(shù)據(jù)測算：水冷壁焊縫合格率僅為64%。

該變形屬于一種幾何缺陷，造成了焊接結(jié)構(gòu)的不對稱性，在工作載荷下，彎折管子會產(chǎn)生“自趨直效應(yīng)”，引起焊縫部位附加彎矩應(yīng)力，給鍋爐的長期運(yùn)行造成隱患。

1 原因分析

施工現(xiàn)場，因?yàn)樗浔谟?塊管屏拼焊而成，整體管排尺寸較寬，采用的熱處理方式為單片局部高溫回火。由于熱處理加熱區(qū)溫度較高（735℃），加熱時管屏受熱膨脹，冷卻時管屏收縮，因相鄰管屏為冷態(tài)，從而造成加熱區(qū)熱脹冷縮受阻，產(chǎn)生局部變形。

2 處理方法

a) 加熱器連接采用鐵絲穿過中間絕緣塊及焊口間的間隙，橫向緊固；加熱方法為：加熱區(qū)735℃，輔熱區(qū)500℃的階梯加溫方法，借助輔助區(qū)的溫度，達(dá)到同加熱區(qū)共同膨脹收縮的作用，以抵消應(yīng)力。加熱順序?yàn)橛蓛?nèi)向外，即從中間向水冷壁兩端部進(jìn)行熱處理，以保證應(yīng)力向自由端延伸；保溫棉采用X型交叉綁扎。

圖1 ：階梯加熱示意圖

b) 對于輔助加熱，其加熱溫度一定不大于正式加熱溫度，根據(jù)《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》DL/T869-2012標(biāo)準(zhǔn)可知：12Cr1MoVG的熱處理恒溫溫度為720℃-750℃，我們設(shè)定735℃作為恒溫溫度；水冷壁熱處理后上下任意方向的200mm處，其變形量≤2mm。所以，根據(jù)熱膨脹計算公式：

所以，溫度的可選擇區(qū)間為720℃-95℃

因其組織主要為珠光體，在580℃以上長時間加熱會引起珠光體球化，使材料的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、蠕變極限和持久極限下降，因此，輔助加熱溫度不宜超過580℃。

c) 加熱器中間的橫向鐵絲緊固，可以使加熱器緊貼水冷壁，使溫度的傳導(dǎo)均勻，同時起到了防止加熱器因重力下墜的作用；保溫棉的X型交叉綁架，能夠有效增加保溫棉的綁扎面積，減少熱處理過程中熱量的不必要流失，提高熱處理效果。同時起到了對加熱器進(jìn)行二次緊固的作用。

圖2 ：加熱器固定方式

圖3 ：保溫棉綁扎方式

采用此方案施工后，對水冷壁管屏進(jìn)行采樣對比調(diào)查，距離焊縫200mm處，用鋼板尺對水冷壁的變形量進(jìn)行了采樣測量，變形量控制良好。

表2 ：測量結(jié)果

3 其它變形因素及預(yù)防措施分析

a) 因造成管屏熱處理變形的因素復(fù)雜，單一的防變形方案存在一定的局限性。因此，施工前，應(yīng)會同焊接、熱處理、安裝、起重吊裝等各專業(yè)綜合考慮造成管屏熱處理變形的各種外在因素。如：安裝順序、起重吊點(diǎn)選擇、剛性梁掛點(diǎn)、倒鏈的布置等因受力不均勻產(chǎn)生的熱處理變形。如下圖：因水冷壁外部剛性梁安裝較多，在剛性梁的重力作用下，中間焊口區(qū)域受到側(cè)向彎矩應(yīng)力，當(dāng)焊口區(qū)加熱到一定溫度后，受彎矩力影響發(fā)生塑性變形，形成彎折超標(biāo)缺陷。

圖4 ：水冷壁剛性梁安裝造成的熱處理變形受力圖

b) 地面組合的管屏，單片熱處理結(jié)束后，再進(jìn)行整體拼裝，以規(guī)避整體拼裝后局部加熱造成的應(yīng)力束縛。

c) 高空拼裝完成的管屏進(jìn)行熱處理施工時，管屏間拼縫位置，橫向布置倒鏈若干，已起到牽引管屏，防止因受熱膨脹產(chǎn)生波浪變形。

d) 熱處理施工過程中，溫度到底500℃，現(xiàn)場人員緊密觀察管屏變化，發(fā)現(xiàn)變形及時進(jìn)行調(diào)整。觀察時可尋找參照物，如：管屏密封抽縫、管屏剛性梁支撐等，借助相互間的位移變化，觀察是否變形。

e) 若施工工期允許，或?qū)κ┕すば蜻M(jìn)行優(yōu)化，建議先對焊口進(jìn)行后熱，等待剛性梁安裝完成后再進(jìn)行焊后熱處理。

4 結(jié)束語

焊后熱處理質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響焊縫的使用性能，關(guān)乎機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行，本文通過對塔式鍋爐膜

式水冷壁熱處理過程中產(chǎn)生變形的因素進(jìn)行分析，總結(jié)了多項(xiàng)防變形措施，為后續(xù)的水冷壁熱處理施工提供了借鑒和參考。