超超臨界鍋爐冷再堵閥裂紋分析與修復(fù)改進(jìn)

孫良海，崔體磊，王宇冬

（江蘇國(guó)華陳家港發(fā)電有限公司，江蘇 鹽城 224631）

1 設(shè)備概況

某廠鍋爐為上海鍋爐廠生產(chǎn)的660MW 超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，再熱器冷段進(jìn)口管道（管徑610mm，材質(zhì)A691 2-1/4Cr CL22）設(shè)置水壓試驗(yàn)堵閥。堵閥型號(hào)：SD61H-10，規(guī)格：DN700mm，閥體材質(zhì)：WC9，生產(chǎn)廠家：青島電站閥門有限公司。

2 堵閥缺陷

兩臺(tái)鍋爐堵閥投運(yùn)近10年，根據(jù)金屬監(jiān)督檢驗(yàn)計(jì)劃，對(duì)閥體、兩側(cè)焊縫進(jìn)行磁粉、滲透和超聲檢測(cè)，兩側(cè)焊縫無(wú)缺陷，但閥體存在多處裂紋，挖補(bǔ)還發(fā)現(xiàn)砂眼、氣孔、松縮等缺陷。

2．1 缺陷情況介紹

在歷次停機(jī)檢驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)冷再堵閥閥體存在裂紋缺陷，每個(gè)堵閥閥體多達(dá)28條，在打磨挖補(bǔ)裂紋過(guò)程中，還發(fā)現(xiàn)多處氣孔、縮松、砂眼、縮孔和夾渣等重要缺陷，如圖1所示。

2．2 缺陷原因分析

原堵閥為鑄造件，屬中空結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜。鑄鋼件晶粒較粗大，組織比較疏松，在鑄造過(guò)程中易產(chǎn)生砂眼、裂紋、縮松、氣孔、縮孔和夾雜物等各種鑄造缺陷。鑄件在鑄造冷卻過(guò)程中熱應(yīng)力較大，時(shí)效時(shí)間不夠，以及在運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)外壁溫度差等產(chǎn)生的各種應(yīng)力在運(yùn)行一段時(shí)間后應(yīng)力釋放，在缺陷尖銳角擴(kuò)展成裂紋并延伸至表面，開(kāi)裂在外壁薄弱處。

3 缺陷處理與改進(jìn)方案

堵閥閥體裂紋缺陷一般采取打磨圓滑過(guò)渡、挖補(bǔ)修復(fù)以及堵閥整體更換等方案。

3．1 異質(zhì)冷補(bǔ)焊處理

根據(jù)閥門廠挖補(bǔ)工藝，采用同質(zhì)熱補(bǔ)焊工藝，需焊前預(yù)熱300℃左右，焊后熱處理恒溫680～700℃，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件很難對(duì)堵閥整體預(yù)熱和熱處理，無(wú)法有效保證升降溫速度和焊前預(yù)熱及焊接層間溫度控制。耐熱鋼再熱裂紋的敏感性較強(qiáng)，焊后整體熱處理可能引起閥體內(nèi)部尚未發(fā)現(xiàn)的原始鑄造缺陷擴(kuò)展和加重。

該堵閥工作溫度最高386℃、工作壓力最高6.16MPa，冷焊強(qiáng)度能夠滿足堵閥工況要求。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，避免熱補(bǔ)焊產(chǎn)生缺陷，采用異質(zhì)冷補(bǔ)焊工藝，使用鎳基奧氏體焊條焊接。焊前用火焰加熱，簡(jiǎn)便易行。焊后不熱處理，只用火焰輔助加熱至300℃緩冷，方便實(shí)現(xiàn)。后續(xù)再產(chǎn)生裂紋時(shí)，可重復(fù)修補(bǔ)。

堵閥裂紋修復(fù)執(zhí)行深度低于5mm的部位打磨圓滑過(guò)渡，超過(guò)5mm的補(bǔ)焊。補(bǔ)焊區(qū)域焊前清理和整形，并滲透探傷，檢查無(wú)裂紋、表面夾渣等缺陷。用φ2.5的NiCrFe3鎳基焊條進(jìn)行打底焊接，焊接時(shí)將焊口及周圍50mm處用大號(hào)烤槍加熱到200～300℃，加熱時(shí)對(duì)坡口及周邊均勻加熱，不得只對(duì)坡口加熱，坡口周圍溫度在200℃以上方可打底焊接。焊接采用跳焊法，電流不超過(guò)90A。打底結(jié)束后包裹保溫棉保溫，當(dāng)溫度降到40℃以下時(shí)，檢測(cè)無(wú)缺陷后進(jìn)行層間補(bǔ)焊。

用φ3.2的NiCrFe3鎳基焊條進(jìn)行層間焊接，層間溫度不超過(guò)70℃。每焊一層（道），另設(shè)一人趁熱立即使用風(fēng)鎬錘擊整個(gè)焊道，焊道表面要打出麻坑，錘痕應(yīng)緊湊整齊，避免重復(fù)。每焊一層，要進(jìn)行宏觀檢查，有缺陷應(yīng)立即消除。每完成焊接厚度的4/1打磨光滑，滲透檢驗(yàn)無(wú)缺陷后，按原工藝進(jìn)行下層焊接。

焊接完成后，立即用保溫棉將閥體包裹緩冷，24h后探傷檢測(cè)。實(shí)踐證明，異質(zhì)冷補(bǔ)焊工藝修復(fù)成功。

3．2 更換為鍛造型堵閥

原鑄件堵閥缺陷較多，修復(fù)頻繁且無(wú)法根除裂紋和內(nèi)在鑄造缺陷，降低堵閥可靠性能，成為鍋爐安全隱患。

鍛造加工改善金屬的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。鍛造時(shí)，金屬組織變形和再結(jié)晶，原來(lái)粗大枝晶和柱狀晶粒變?yōu)榫Я］^細(xì)、大小均勻的等軸再結(jié)晶組織，鋼錠內(nèi)原有的偏析、疏松、氣孔、夾渣等被壓實(shí)和焊合，組織更加緊密，同時(shí)保證金屬纖維組織連續(xù)，使鍛件纖維組織與鍛件外形保持一致，金屬流線完整，金屬塑性、力學(xué)性能和使用壽命顯著提高。

為徹底消除鑄件堵閥裂紋隱患，采用更換成鍛造堵閥的方案。新堵閥主要參數(shù)：型號(hào)：DSD61H—100I，工作壓力：7.0MPa，工作溫度：410℃，公稱通徑：700mm，設(shè)計(jì)壓力：7.0MPa，設(shè)計(jì)溫度：500℃，配管尺寸mm：φ610×25，適用介質(zhì)：蒸汽，閥體、閥蓋材質(zhì)：F22。以2號(hào)爐再熱器冷段堵閥更換闡述施工方案和重點(diǎn)工藝。

3．2．1 堵閥管道加固切割

確認(rèn)原堵閥切割位置，對(duì)原堵閥接口管道用臨時(shí)框架剛性加固，并將該處管道支吊架鎖住，以限制管道X、Y、Z向的位移。加固方案經(jīng)過(guò)專業(yè)人員核算，實(shí)施后履行三級(jí)和三方（業(yè)主方、施工方、支吊架調(diào)整方）驗(yàn)收。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道走向，對(duì)堵閥兩側(cè)水平段的管道各加固一處，用20#槽鋼井字架固定管道的上、下、左、右四個(gè)方向。對(duì)堵閥冷再的垂直管道，同樣利用上述井字框架固定管道的前、后、左、右四個(gè)方向。加固點(diǎn)如圖2。

圖2 管道加固點(diǎn)布置

把堵閥附近水平、垂直管道恒力吊架鎖住，同時(shí)在①加固點(diǎn)限位支架處加固定位槽鋼,以防管道切割后上移。

切割前用5T的鏈條葫蘆吊住堵閥，確保切割安全。采用環(huán)切機(jī)機(jī)械切割，切割前再次確認(rèn)位置，保證去除管道焊縫熱影響區(qū)以及坡口制作裕量，制作雙V坡口，對(duì)兩側(cè)待焊坡口滲透檢測(cè)合格。

3．2．2 新舊堵閥吊運(yùn)

鍋爐左右側(cè)堵閥上方52.3米鋼梁布置一只5T葫蘆用于起吊固定新舊堵閥。在左側(cè)堵閥和鍋爐左側(cè)7.2排柱間架設(shè)手拉葫蘆進(jìn)行接鉤倒運(yùn)直到爐左側(cè)K2、7.2排柱爐前側(cè)49.9米和52.3米高度處，用布置在鍋爐零米的75噸汽車吊接鉤吊運(yùn)至零米。

3．2．3 新堵閥對(duì)口焊接

對(duì)口前將管內(nèi)清理干凈，不得遺留任何雜物。對(duì)口間隙取2～3mm，將上部間隙調(diào)整到比下部間隙大1mm左右，以防止焊接收縮應(yīng)力引起折口。用水準(zhǔn)儀檢查管子另一端口的水平和垂直位置，水泡應(yīng)居中，折口允許偏差≤1mm,對(duì)口履行三級(jí)驗(yàn)收。

焊接前對(duì)新堵閥、原管道和及焊材100%光譜檢驗(yàn)合格，工藝采用氬弧焊打底，電焊填充。焊材為TIG-R40焊絲（φ2.4）和R407焊條（φ3.2），氬弧焊焊接電流控制在90～120A之間,電焊在110～130A間。焊接時(shí)執(zhí)行雙人對(duì)稱焊接，兩端焊口同時(shí)施焊。

預(yù)熱及層間溫度維持采用柔性陶瓷電阻加熱器,預(yù)熱溫度控制在200～300℃，現(xiàn)場(chǎng)取200℃，層間溫度控制在200～300℃，現(xiàn)場(chǎng)取250℃。焊口焊接時(shí)搭好防雨防風(fēng)棚，并設(shè)專職監(jiān)護(hù)檢查人員。每焊接一道（層），焊工記錄焊接層數(shù)、厚度、溫度、焊接電流、記錄時(shí)間和焊接人簽字，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)人員記錄現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)層間溫度、焊接電流、記錄時(shí)間和記錄人簽字，實(shí)現(xiàn)過(guò)程數(shù)據(jù)全記錄，同時(shí)每焊接完一道（層），用磨光機(jī)將藥皮焊渣清理干凈，監(jiān)護(hù)人驗(yàn)收拍照留檔。

焊接完成后，立即進(jìn)行熱處理。熱處理采用中頻加熱方式進(jìn)行。熱電偶由電廠溫度實(shí)驗(yàn)室校驗(yàn)復(fù)核合格,除按照規(guī)定布置3個(gè)熱電偶之外，再增加布置2個(gè)，納入DCS記錄和監(jiān)控。加熱速率300℃/h，恒溫溫度：730±10℃，恒溫時(shí)間：50min，降熱溫度≤250℃/h，熱處理溫度降至300℃以下不控溫，用保溫材料包覆緩冷至室溫。熱處理結(jié)束后，對(duì)焊口進(jìn)行磁粉、超聲波、滲透檢驗(yàn)合格。

4 結(jié)語(yǔ)

超超臨界鍋爐冷再堵閥閥體裂紋威脅機(jī)組安全，本文分析了閥體裂紋形成的原因，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際和工期、備件條件，提出了異質(zhì)冷補(bǔ)焊和整體更換為鍛造堵閥等消除堵閥裂紋隱患的方案，并對(duì)兩種方案的工序、工藝以及施工管理要求重點(diǎn)說(shuō)明，為解決同類型鍋爐堵閥缺陷隱患提供了可直接應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。采用鎳基材料低溫冷焊工藝，處理簡(jiǎn)單、效果良好。整體更換可徹底消除鑄造堵閥的頻發(fā)裂紋隱患，顯著提高鍋爐安全性能和使用壽命。兩種方案已經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐證明成功，專業(yè)人員可以根據(jù)設(shè)備狀況、施工條件和工期靈活選擇，以提升設(shè)備可靠性，保障機(jī)組安全。