火電用蒸汽冷卻器封頭的返修

王 林，劉金秋,李常山,王芳修

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，濟(jì)南 250014;2.華電萊州發(fā)電有限公司，山東煙臺 261400)

0 引言

超超臨界機(jī)組因具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢成為目前火力發(fā)電的主要趨勢，超超臨界百萬機(jī)組中應(yīng)用二次再熱技術(shù)的蒸汽冷卻器的設(shè)計(jì)制造是利用過熱度技術(shù)，使其運(yùn)行參數(shù)大幅提高。不過，制作此類容器的材料性能需變更，其中涉及高蠕變強(qiáng)度耐熱鋼的選擇、制造、安裝過程中的焊接和熱處理工藝以及部件損傷后的修復(fù)等。

超超臨界1 000 MW級機(jī)組高加的參數(shù)及容量均較高，若采用單列布置，對高壓給水系統(tǒng)而言，具有系統(tǒng)簡單，閥門及控制元件少，管道短，布置簡潔等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。但隨著機(jī)組參數(shù)及容量的提高，若采用傳統(tǒng)耐熱鋼，高壓加熱器的球形水室的管板厚度達(dá)250 mm以上，而在某百萬機(jī)組項(xiàng)目中采用SA336-F91，就可以大大降低封頭的厚度。

SA336-F91鋼是一種潔凈強(qiáng)韌化細(xì)晶粒熱強(qiáng)鋼，屬于(9%～12%)Cr的馬氏體耐熱鋼，供貨狀態(tài)為回火馬氏體，合金含量高(見表1)，焊接性能較差。該鋼在鍋爐一、二次汽管道應(yīng)用廣泛且焊接技術(shù)成熟，但是在容器類制造中較為少見，制造經(jīng)驗(yàn)也欠缺，若不加以正視，有可能給設(shè)備質(zhì)量埋下隱患，甚至引發(fā)事故。

表1 SA336-F91的化學(xué)成分 %

1 封頭硬度偏低的情況介紹

文中涉及的蒸汽冷卻器，屬于新開發(fā)的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)置式蛇形管排及聯(lián)箱換熱結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的U形管結(jié)構(gòu)效率高，容器殼側(cè)的溫度，壓力設(shè)計(jì)參數(shù)分別為546 ℃，6 MPa，高于傳統(tǒng)蒸冷器運(yùn)行參數(shù)，故殼體選用SA336-F91。由于容器內(nèi)置蛇形管束，使其合攏縫無法參與爐內(nèi)整體熱處理，遂采取電阻加熱對筒體截面為?2720×110 mm的合攏縫實(shí)施局部焊后熱處理。

在設(shè)備水壓試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)合攏縫局部開裂。對裂紋修復(fù)和處理，驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫及距焊縫30 mm內(nèi)的封頭側(cè)部分區(qū)域母材硬度偏低(約為157HBW～165HBW)。經(jīng)擴(kuò)大檢查，發(fā)現(xiàn)距H1合攏縫400 mm處的封頭環(huán)向均勻4等分的母材硬度也偏低(約為152HBW～163HBW)，其單處區(qū)域面積為50×70 mm左右(見圖1)。均低于文獻(xiàn)[3]規(guī)定的驗(yàn)收要求(185HBW～270HBW)。

合攏側(cè)封頭母材為A線，其附近母材為B線，合攏縫為C線，合攏縫筒體側(cè)母材為D線，合攏側(cè)封頭為F1，另一側(cè)封頭為F2

2 原因分析

對封頭硬度低的原因從關(guān)鍵工藝流程進(jìn)行分析，特別是封頭經(jīng)過以下熱處理工序。

(1)采用SA336-F91鍛件鋼板熱壓成形，隨后進(jìn)行恢復(fù)性能熱處理(1060 ℃正火+760 ℃回火)；

(2)在封頭上焊接SA336-F91的管座等附件，并對其進(jìn)行690 ℃×4 h的消應(yīng)力熱處理；

(3)待容器筒體的另一段內(nèi)置設(shè)備裝配完成后，該F1封頭與容器筒體經(jīng)合攏縫焊完后，進(jìn)行中間消應(yīng)力(690 ℃×4 h)和最終焊后熱處理(760 ℃×5 h)，并在此兩種熱處理期間對合攏縫設(shè)置一次無損檢驗(yàn)+理化檢驗(yàn)，從而發(fā)現(xiàn)部分焊縫及封頭側(cè)局部區(qū)域母材硬度偏低(157HBW～165HBW)。

2.1 排除爐溫異常和火焰直吹的影響

考慮封頭在熱處理過程中是否發(fā)生異常，經(jīng)查該爐型為臺車式燃?xì)鉅t(尺寸為8 m×6 m)，直徑為?2 720 mm的封頭位于燃?xì)鉅t中間，其火焰長度控制在200 mm左右，距封頭尚有1 m的距離，火焰不可能直吹封頭。

另外，燃?xì)饣鹧鎯H分布于兩側(cè)墻，若是局部火焰所致，硬度異常區(qū)域應(yīng)對稱分布于封頭的兩側(cè)，使其硬度都應(yīng)偏低，而不是沿周向分布的4處區(qū)域。

2.2 熱處理工藝的影響

廠家對SA336-F91鋼的焊接缺乏經(jīng)驗(yàn)，在施工過程中，首次焊后高溫回火(760 ℃×5 h)后，封頭硬度值偏高(290HBW～320HBW)。與此同時(shí)，焊縫表面出現(xiàn)裂紋，對裂紋返修并經(jīng)多次熱處理后，合攏縫方合格。此時(shí)部分區(qū)域的焊縫硬度偏低(165HBW～200HBW)。

查看工藝文件，發(fā)現(xiàn)其焊后熱處理并未設(shè)置馬氏體低溫轉(zhuǎn)變工藝段，即在焊縫金屬冷卻過程中使其處于80～120 ℃、保溫1～2 h[4]，由于SA336-F91熔敷金屬的馬氏體終止轉(zhuǎn)變溫度為130 ℃左右，經(jīng)馬氏體低溫轉(zhuǎn)變，可促使焊縫中殘余奧氏體最大限度地轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而降低焊縫中殘余奧氏體的含量，提高焊縫金屬的韌性。

設(shè)備制造資料顯示，焊縫表面裂紋經(jīng)打磨后，需補(bǔ)焊的厚度約10 mm。按文獻(xiàn)[5] 6.4.3 b)規(guī)定：應(yīng)以焊件厚度確定焊后熱處理的恒溫時(shí)間(對中低合金鋼,恒溫時(shí)間按2～3 min/mm,最少30 min；對高合金鋼,恒溫時(shí)間按4～5 min/mm,最少60 min)；另外6.4.3 c)規(guī)定：其恒溫時(shí)間按焊件的名義厚度δ′(2h+10 mm=30 mm)替代焊件厚度δ，以此計(jì)算恒溫時(shí)間應(yīng)為2～2.5 h，而制造廠家實(shí)際采用的保溫時(shí)間與首次熱處理保溫時(shí)間相同(5 h)，這無疑增加合攏縫的有害熱作用，致使焊縫及焊縫附近區(qū)域硬度偏低。

2.3 焊接吊耳時(shí)，材質(zhì)誤用

采用合金分析儀(NitonXL2-100G)對封頭硬度異常處擴(kuò)大排查，發(fā)現(xiàn)A01～A04處Cr含量在3%左右(見表2)，隨后對A01～A03表面打磨5 mm后；A04處打磨7 mm后，測試母材Cr含量均為9%左右，才達(dá)到要求(見表2)。

表2 A01～ A04打磨前后的化學(xué)成分 %

對該容器H2,H3和H4環(huán)縫擴(kuò)大檢驗(yàn)(結(jié)果見表3)，未發(fā)現(xiàn)硬度及合金含量異常，說明A01～A04的問題是臨時(shí)吊耳所選焊材或卡塊與母材不符，為管理不善所致。

表3 H2～ H4的化學(xué)成分 %

3 方案的制定和實(shí)施

鑒于焊縫及距焊縫30 mm內(nèi)的封頭側(cè)母材局部硬度偏低(約為157HBW～165HBW)，距合攏縫400 mm的4處封頭母材硬度也偏低(約為152HBW～163HBW)，若不切除焊縫，其硬度難以恢復(fù)。

3.1 封頭性能恢復(fù)措施及工裝

封頭近焊縫區(qū)硬度低的范圍較大且較深，擬采取正火+回火恢復(fù)其性能，考慮后續(xù)尚需作多次熱處理，為此，采用1080 ℃正火，使母材硬度由180HBW提高至200HBW以上，并驗(yàn)證其可執(zhí)行性。

由于設(shè)備尺寸較大，為保證封頭在去除和后續(xù)合攏縫焊接時(shí)，不發(fā)生震動及位移，還做了專用的封頭工裝。

3.2 封頭補(bǔ)焊區(qū)域工藝的實(shí)施

對于A01～A04處打磨深度為2～7 mm的封頭表面補(bǔ)焊，采用爐內(nèi)整體預(yù)熱，補(bǔ)焊過程中采取火焰再加熱，使之不低于預(yù)熱溫度，焊接完成后與割除后的封頭一起正火+回火，磁粉探傷和硬度檢測參照文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[3]的規(guī)定，達(dá)到母材硬度為175HBW～248HBW、焊縫硬度為185HBW～270HBW的要求。

3.3 合攏縫焊接工藝的確定及實(shí)施

SA336-F91類鋼一般通過控軋控冷工藝制造，而在焊接過程中，焊縫金屬沒有這種控軋控冷的機(jī)會，使得焊縫金屬的韌性遠(yuǎn)不如母材，母材熱影響區(qū)經(jīng)受高溫循環(huán)晶粒長大，使焊接接頭塑性下降及軟化，其劣化程度隨焊接熱輸入的增大而加劇[7-8]。SA336-F91鋼焊接工藝復(fù)雜，存在高的裂紋敏感性和空淬傾向，易造成HAZ區(qū)產(chǎn)生冷裂紋[9-10]。層間溫度對韌性有影響，層間溫度過高，易使晶間析出金屬碳化物而形成鐵素體組織，造成韌性降低。若層間溫度過低，焊接接頭快速冷卻易產(chǎn)生馬氏體，致使力學(xué)性能下降[11]。

因此，為了保證焊縫質(zhì)量，必須采取合適的預(yù)熱溫度，同時(shí)控制好焊接層間溫度。

3.3.1 焊前準(zhǔn)備

焊接材料選用?2.5 mm的焊絲(型號為ER90S-B9)?3.2 mm和?4.0 mm的焊條(型號為E9015-B9)，其實(shí)測化學(xué)成分如表4所示，焊接保護(hù)氣體為純度>99.99%的氬氣。

表4 焊接材料的化學(xué)成分 %

預(yù)熱溫度設(shè)置為150～250 ℃，其范圍以焊縫兩側(cè)各不小于3倍壁厚，并在坡口根部布置柔性陶瓷加熱器，待坡口兩側(cè)的內(nèi)外部與上下部位同時(shí)達(dá)到預(yù)熱溫度后，方可進(jìn)行定位焊。

3.3.2 焊接實(shí)施

由于設(shè)備上裝配管座等附件，筒體周向重量不均，且附件尺寸超出了滾輪架的轉(zhuǎn)動要求，故對該合攏焊縫先采取手工氬弧焊打底、手工電弧焊填充，待焊接到適當(dāng)厚度保證蒸氣冷卻器轉(zhuǎn)動所需要的焊縫強(qiáng)度后，采取小角度轉(zhuǎn)動焊接。

(1)封底層：采用?2.5 mm焊絲進(jìn)行先后兩層的分段封底焊，每層的焊接厚度不超過2.5～3.0 mm，焊接每層時(shí)均應(yīng)關(guān)注焊縫背面的氬氣保護(hù)。

(2)填充層：先后選用?3.2和?4.0 mm的焊條，采用多層多道焊(參數(shù)見表5)。在焊縫焊到30 mm以后，更換?4.0 mm的焊條，并采取120°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動焊接，以提高焊接效率，使焊工始終處于平焊和爬坡焊接，減少筒體仰焊的工作量，易于保證合攏縫的質(zhì)量。待到蓋面焊時(shí)再更換為?3.2 mm的焊條，直至完成蓋面焊。

表5 焊接工藝參數(shù)

3.4 合攏縫的局部焊后熱處理

為了保證焊縫質(zhì)量和便于檢驗(yàn)，對合攏縫升溫到690 ℃、保溫8 h后，經(jīng)無損檢驗(yàn)合格后再進(jìn)行765 ℃、保溫8 h最終焊后熱處理。

本次焊后熱處理使用了8根熱電偶(內(nèi)外表面各4根，2#，4#，6#，8#和1#，3#，5#，7#分別分布在內(nèi)外表面焊縫中心)作為溫控點(diǎn)(見圖2)。采用中頻感應(yīng)加熱(屬于電磁感應(yīng)加熱的一種)，其原理是利用對纏繞在工件上的感應(yīng)線圈通電時(shí)，在工件內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而使工件自身發(fā)熱。此種加熱方法較柔性陶瓷電阻加熱有較大的優(yōu)勢，不僅避免了加熱器自身在空氣中的熱量散失；同時(shí)減少了溫度在工件壁厚方向的熱傳導(dǎo)距離，從而減少了焊縫內(nèi)外表面的溫度梯度和提高電能的熱轉(zhuǎn)換效率。

圖2 熱電偶、感應(yīng)加熱電纜及保溫棉布置示意

圖3為焊接及焊后熱處理工藝曲線。整個熱處理過程按照文獻(xiàn)[5]中8.3.1條規(guī)定，焊后熱處理恒溫過程中任意兩測溫?zé)犭娕硷@示的數(shù)據(jù)的差值應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)，且不超過50 ℃，實(shí)際測試的內(nèi)外壁最大溫差為21 ℃。

圖3 焊接及焊后熱處理工藝曲線

3.5 檢驗(yàn)

根據(jù)SA336-F91鋼的成分、組織和性能,在封頭正火并回火后，進(jìn)行硬度和金相檢驗(yàn)。為保證SA336-F91鋼設(shè)備的質(zhì)量，除按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[12]及ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收外，需符合文獻(xiàn)[4]中附錄F.3.2焊縫金相微觀組織應(yīng)為回火馬氏體/回火索氏體，附錄F.3.3硬度合格指標(biāo)185HBW～270HBW 以及文獻(xiàn)[3]中附錄C電站常用金屬材料硬度值對SA336-F91鋼焊縫的硬度為185HBW～270HBW的要求。

在合攏縫最終熱處理完畢后，分別對內(nèi)外壁的3點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘和12點(diǎn)鐘的位置進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，均在合格范圍內(nèi)(見表6)?？梢钥闯觯?1)合攏縫內(nèi)外壁的硬度差異不大；(2)焊縫金屬的硬度高于其兩側(cè)母材，尤其是6點(diǎn)鐘位置。為此，對6點(diǎn)鐘和12點(diǎn)鐘位置內(nèi)外壁的金相組織進(jìn)行抽檢(見表7和圖4)。

由圖4和表7可以看出，封頭母材及焊縫金屬組織為回火板條馬氏體，符合文獻(xiàn)[4]中F.3中的規(guī)定。

表6 焊接接頭的平均硬度(HBW)范圍

表7 金相組織檢驗(yàn)結(jié)果

在合攏縫理化檢驗(yàn)完成后，合攏縫經(jīng)射線和磁粉檢測分別達(dá)到了文獻(xiàn)[6]中的規(guī)定；在合攏縫最終焊后熱處理完成后，對其超聲波探傷，達(dá)到文獻(xiàn)[6]中的規(guī)定；并經(jīng)磁粉檢測達(dá)到文獻(xiàn)[6]和[4]中的規(guī)定。

(a)外壁焊縫金相組織(12點(diǎn)鐘位置)

(b)外壁母材金相組織(12點(diǎn)鐘位置)

(c)內(nèi)壁焊縫金相組織(6點(diǎn)鐘位置)

(d)內(nèi)壁母材金相組織(6點(diǎn)鐘位置)圖4 合攏縫焊縫及母材金相組織

4 結(jié)語

(1)封頭局部區(qū)域硬度偏低是多次經(jīng)高溫焊后熱處理和吊耳錯用材質(zhì)造成的。在本次返修過程中，制造廠對封頭采取性能重新恢復(fù)及合攏縫的重新焊接，并委派專人現(xiàn)場跟蹤，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

(2)對于SA336-F91的厚壁容器制造，由于此類鋼的淬硬性極高易出現(xiàn)裂紋、焊后硬度異常，在其表面最好不進(jìn)行臨時(shí)構(gòu)件的焊接；若難以避免，應(yīng)進(jìn)行二次檢測或處理。

(3)由于9%～12%Cr馬氏體系耐熱鋼的性能優(yōu)勢，其在超超臨界機(jī)組中有良好的應(yīng)用前景，目前已陸續(xù)應(yīng)用于國內(nèi)百萬千瓦超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組中的蒸汽冷卻器上[13]，可以預(yù)見未來的裝備制造中，會有更加廣泛的應(yīng)用。